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    開關磁阻電動機的性能及典型應用

    2019-07-15 10:55

    1 引言

      開關磁阻電動機驅動系統(srd)由開關磁阻電機(srm或sr電機)9号彩票网址导航、功率變換器、控制器和檢測器四個部分組成9号彩票网址导航,是20世紀80年代初隨著電力電子9号彩票网址导航、計算機和控制技術的迅猛發展而發展起來的一種新型調速驅動系統。開關磁阻電動機為雙凸極磁阻電機,利用磁阻最小原理產生磁阻轉矩9号彩票网址导航,因其結構極其簡單堅固9号彩票网址导航,調速范圍寬,調速性能優異,而且在整個調速范圍內都具有較高的效率,系統可靠性高而成為交流電機調速系統9号彩票网址导航、直流電機調速系統和無刷直流電機調速系統的強有力的競爭者。開關磁阻電機已廣泛或開始應用于電動車驅動、家用電器、通用工業、航空工業和伺服系統等各個領域,覆蓋功率范圍10w~5mw的各種高低速驅動系統,呈現巨大的市場潛力[1]9号彩票网址导航。

    2 結構與性能特點

      2.1 電動機結構簡單9号彩票网址导航、成本低、適用于高速

      開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡單的鼠籠式感應電動機還要簡單9号彩票网址导航,定子線圈為集中繞組,嵌放容易,端部短而牢固,工作可靠,能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環境;轉子僅有硅鋼片疊成,因此不會有鼠籠感應電動機制造過程中鼠籠鑄造不良和使用中的斷條等問題9号彩票网址导航,轉子機械強度極高,可工作于極高轉速,轉速可達每分鐘10萬轉[2]。

      2.2 功率電路簡單、可靠

      電動機轉矩方向與繞組電流方向無關,即只需單方向繞組電流,相繞組串在主電路兩功率管之間,不會發生橋臂直通短路故障9号彩票网址导航,繞組相間耦合弱,缺相故障運行能力強,系統的容錯能力強,可靠性高,可以適用于宇航等特殊場合。

      2.3 高起動轉矩,低起動電流

      很多公司的產品可達到如下性能:起動電流為15%額定電流時9号彩票网址导航,獲得起動轉矩為100%的額定轉矩;起動電流為額定值的30%時,起動轉矩可達其額定值的150%。對比其它調速系統的起動特性,如直流電動機為100%的起動電流,獲得100%轉矩;鼠籠感應電動機為300%的起動電流9号彩票网址导航,獲得100%的轉矩9号彩票网址导航?号彩票网址导航?梢婇_關磁阻電動機具有軟啟動性能,起動過程中電流沖擊小9号彩票网址导航,電動機和控制器發熱較連續額定運行時還小9号彩票网址导航,因此特別適用于頻繁起停及正反向轉換運行的場合,如龍門刨床9号彩票网址导航、銑床、冶金行業可逆軋機9号彩票网址导航、飛鋸、飛剪等9号彩票网址导航。

      2.4 調速范圍寬,效率高

      在額定轉速和額定負載時運行效率高達92%以上,在所有的調速范圍內9号彩票网址导航,保持整體效率高達80%以上。

      2.5 可控參數多,調速性能好

      控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種:相開通角9号彩票网址导航、相關斷角9号彩票网址导航、相電流幅值和相繞組電壓9号彩票网址导航?号彩票网址导航?煽貐刀?,意味著控制靈活方便,可以根據對電動機的運行要求和電動機的情況,采用不同控制方法和參數值9号彩票网址导航,使之運行于最佳狀態,還可使之實現各種不同的功能和特定的特性曲線,如使電動機具有完全相同的四象限運行(正轉、反轉、電動和制動)能力9号彩票网址导航,并具有高起動轉矩和串激電動機的負載能力曲線9号彩票网址导航。

      2.6 可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求[3]

    3 典型應用

      開關磁阻電動機優越的結構和性能使其應用領域非常廣泛,下面對其三個典型應用進行分析。

      3.1 龍門刨床

      龍門刨床是機械加工行業的一種主要工作母機9号彩票网址导航,刨床的工作方式是工作臺帶動工件做往復運動9号彩票网址导航,當其正程運動時9号彩票网址导航,固定于機架的刨刀刨削工件,反程運動時,刨刀抬起9号彩票网址导航,工作臺空行返回9号彩票网址导航。該刨床主傳動系統的作用是帶動工作臺往復運動,顯然,其性能優劣直接關系到刨床的加工質量和生產效率,因此,要求該傳動系統具備以下主要性能。

      3.1.1 主要特性

     ?号彩票网址导航。?)適于頻繁起動、制動和正反轉轉換,每分鐘不少于10次9号彩票网址导航,且起動、制動過程平穩快捷。

     ?号彩票网址导航。?)靜差率要求高。從空載到突然吃刀加載引起的動態速降不大于3%9号彩票网址导航,且短時過載能力強。

     ?。?)調速范圍寬,適應低速9号彩票网址导航、中速刨削和高速反程的需要。

     ?9号彩票网址导航。?)工作穩定性好,往返行程折返位置準確9号彩票网址导航。

      目前國內龍門刨床的主傳動系統主要有直流機組形式和異步電動機-電磁離合器形式。大量以直流機組為主拖動系統的刨床9号彩票网址导航,使用到現在大多處于嚴重老化的狀態,電機磨損嚴重,高速重載時電刷上火花較大9号彩票网址导航,故障頻繁9号彩票网址导航,維護工作量大,直接影響正常的生產。此外,該系統不可避免地存在設備龐大、耗電多,噪音高的缺點。異步電動機-電磁離合器系統依靠電磁離合器實現正反轉向9号彩票网址导航,離合器磨損嚴重,工作穩定性不好,且不便調速,僅限用于輕型刨床。

      3.1.2 采用感應電動機的問題

      如采用感應電機變頻調速驅動系統,則存在以下問題:

     ?号彩票网址导航。?)輸出特性較軟9号彩票网址导航,使得龍門刨床在低速時不能帶足夠的負載。

     ?。?)靜差大,加工質量低,加工工件出現花紋,吃刀時甚至停車。

     ?。?)起、制動轉矩小,起、制動慢,停車越位過大。

     ?。?)電機發熱。

      而開關磁阻電機的特性則特別適用于頻繁起、制動和換向運行9号彩票网址导航,換向過程起動電流小9号彩票网址导航,起、制動轉矩可調,因而保證了在各種速度區間內與工藝要求相符合。開關磁阻電機還具有很高的功率因數,不論是高9号彩票网址导航、低車速9号彩票网址导航,還是空載、滿載,其功率因數都接近于19号彩票网址导航,優于目前龍門刨床所用的其他傳動系統[4]。

      3.2 洗衣機

      隨著經濟的發展和人們生活質量的不斷提高9号彩票网址导航,環保、智能型洗衣機的需求量也越來越大,電機作為洗衣機的主動力,其性能必須不斷完善。目前國內市場上流行的洗衣機主要有兩種:波輪式和滾筒式洗衣機9号彩票网址导航。無論哪種洗衣機,其基本原理都是通過電機驅動波輪或者滾筒轉動,從而產生水流,再由水流及波輪9号彩票网址导航、滾筒產生力來洗滌衣物,電機的性能在很大程度上決定了洗衣機的運行狀態,也就是決定了洗滌、甩干的質量以及噪聲、振動大小等9号彩票网址导航。

      現在波輪洗衣機上使用的電機以單相感應電機為主9号彩票网址导航,少數用變頻電機和無刷直流電動機。滾筒洗衣機則以串激電機為主,此外還有變頻電機,無刷直流電動機,開關磁阻電機9号彩票网址导航。

      采用單相感應電機的缺點非常明顯,表現如下:

     ?9号彩票网址导航。?)不能調速

      在洗滌時只有一種轉速9号彩票网址导航,難以適應各種織物對洗滌轉速的要求,而所謂的強洗、弱洗、輕柔洗等洗滌程序的變化僅僅是靠改變正反轉的持續時間而已9号彩票网址导航,而且為了照顧洗滌時對轉速的要求,往往使得脫水時的轉速偏低,一般僅為400轉/分鐘至600轉/分鐘。

     ?。?)效率很低

      效率一般均在30%以下,起動電流很大9号彩票网址导航,可達額定電流的7~8倍9号彩票网址导航,難以適應頻繁正反轉洗滌狀況。

      串激電機就是一臺直流串激電機,具有起動力矩大、效率較高、調速方便、動態性能好等優點。但是,串激電機的缺點是結構復雜,轉子電流需要經過換向器和電刷來進行機械式換向9号彩票网址导航,換向器和電刷間的滑動摩擦容易產生機械磨損、噪聲9号彩票网址导航、火花以及電磁干擾,使得電機可靠性降低、壽命變短。

      開關磁阻電動機的特點使其應用在洗衣機上可以獲得良好的效果。開關磁阻電動機調速系統寬廣的調速范圍,可以使洗滌與

      脫水均工作在最佳的轉速上,以實現真正意義上的標準洗9号彩票网址导航、快速洗、輕柔洗、絲絨洗,甚至變速洗。脫水時也可以隨意選擇旋轉的轉速9号彩票网址导航。還可以按某些設定的程序來提升轉速9号彩票网址导航,讓衣物在脫水過程中避免因分布不均造成的振動和噪聲9号彩票网址导航。開關磁阻電動機卓越的啟動性能可消除洗滌過程中電機頻繁正反轉啟動電流對電網的沖擊,使洗滌、換向平穩無噪聲9号彩票网址导航。開關磁阻電動機調速系統在全部調速范圍內的高效率,可以使洗衣機的耗電量大大減少。

      無刷直流電動機的確是開關磁阻電動機強有力的對手9号彩票网址导航,但是開關磁阻電動機的優勢是成本低、堅固、沒有退磁現象和啟動性能優越[5]。

      3.3 電動車

      進入20 世紀80年代以來,由于人們對環境和能源問題的日益關注,電動車因其行駛時零排放、噪聲低、電能來源廣闊9号彩票网址导航、能源利用率高等優點而成為一種理想的交通工具9号彩票网址导航。電動車對電機驅動系統有如下要求:在整個運行區域高效率,高功率密度和轉矩密度,工作轉速范圍寬,系統具有防水9号彩票网址导航、抗震和耐沖擊能力。目前9号彩票网址导航,電動車主流電機驅動系統有感應電動機、無刷直流電動機和開關磁阻電動機。開關磁阻電動機調速系統在性能和結構的一系列特點使其十分適合電動車輛9号彩票网址导航,其在電動車領域具有如下優點:

     ?号彩票网址导航。?)電機結構簡單,適用于高速,電機的絕大部分損耗集中在定子上,易于冷卻,易做成水冷防爆結構,基本上無須維護。

     ?9号彩票网址导航。?)在很寬的功率和轉速范圍內都能保持高效率,這是其他驅動系統難以達到的。這種特性十分有利于提高電動車的續駛歷程9号彩票网址导航。

     ?。?)容易實現四象限運行9号彩票网址导航,實現能量再生反饋,能在高速運行區域保持強有力的制動能力9号彩票网址导航。

     ?。?)電機的起動電流小,對電瓶無沖擊,起動轉矩大,適合于重載起動9号彩票网址导航。

     ?。?)無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠,適用于各種惡劣、高溫環境,具有良好的適應性。

      鑒于以上優點,國內外都有很多開關磁阻電動機在電動汽車、電動客車、電動自行車的實際應用[6]9号彩票网址导航。

    4 結束語

      由于開關磁阻電動機具有結構簡單、起動電流小9号彩票网址导航、調速范圍寬、可控性好等優點,因此其在龍門刨床、洗衣機、電動車等領域具有很大的應用優勢和廣闊的應用前景9号彩票网址导航,國外在上述領域的實際應用較多9号彩票网址导航,國內雖有一定程度的應用,但還處于起步階段,其潛力還未發揮出來,相信其在上述領域的應用會越來越廣泛9号彩票网址导航。

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