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开关磁阻电机的未来
- 2017-05-12 -

一、开关磁阻电机开展简介 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛开展而开展起来的一种新型调速驱动系统,具有构造简单、运转牢靠及效率高等突出特性,成为 交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者,惹起各国学者和企业界的普遍关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将 开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已普遍或开端应用于工业、航空业和家用电器等各个范畴。 1970年,英国Leeds大学步进电机研讨小组首创一个开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)雏形,这是关于开关磁阻电机最早的研讨。1972年,进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w~1kw)停止了研讨。到了1975年有了本质 性的停顿,并不断开展到能够为50kw的电瓶汽车提供安装。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动安装有限公司(SRD Ltd.),特地停止SRD系统的研讨、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列产品,该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd.研制了一种适用于有轨电车的驱动系统,到1986年已运转500km。该产品的呈现,在电气传动界惹起不小的反响。在很多性能指标上到达了出其不 意的高程度,整个系统的综合性能价钱指标到达或超越了工业中长期普遍应用的一些变速传动系统。 从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看,对SRD系统的研讨工作曾经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研讨阶段。对 SR电机、控制器、功率变换器等的运转理论、优化设计、构造方式等方面停止了愈加深化的研讨。 二、原理简介及优越性简介 开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是较为复杂的机电一体化安装,SRD的运转需求在线实时检测的反应量普通有转子位置、速度及电流等,然后依据控制目的综 合这些信息给出控制指令,完成运转控制及维护等功用。转子位置检测环节是SRD的重要组成局部,检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确停止逻辑切换的 依据,也为速度控制环节提供了速度反应信号。 开关磁阻电机具有再生的才能,系统效率高。对开关磁阻电机的理论研讨和理论证明,该系统具有许多显著的优点: (1)电机构造简单、巩固,制造工艺简单,本钱低,可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易,端部短而结实,工作牢靠,能适用于各种恶劣、高温以至强振动环 境。 (2)损耗主要产生在定子,电机易于冷却;转子无永磁体,可允许有较高的温升。 (3)转矩方向与电流方向无关,从而可最大限度简化功率变换器,降低系统本钱。 (4)功率变换器不会呈现直通毛病,牢靠性高。 (5)起动转矩大,低速性能好,无感应电动机在起动时所呈现的冲击电流现象。 (6)调速范围宽,控制灵敏,易于完成各种特殊请求的转矩-速度特性。 (7)在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 (8)能四象限运转,具有较强的再生制动才能。 (9)容错才能强。开关磁阻电机的容错表现在电机某一相损坏,电机照样能够运转。 与当前普遍应用的变频调速感应电动机相比,开关磁阻电机在本钱、效率、调速性能、单位体积功率、牢靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。 假如说第一代开关磁阻电机(1983年研制)在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低,第二代开关磁阻电机(1988年研制)的效率已全面超越了高 效变频调速感应电动机。更难得的是,开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能坚持较高的效率,这是变频调速感应电动机难以比较的。感应电动机要获得与直 流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统,而开关磁阻电机经过调整开通角、关断角、电压和电流,能够得到不同负载请求的机械特性,控制简单、灵敏, 能容易地完成软启动和四象限运转,而且由于这是一种纯逻辑的控制方式,很容易智能化,经过修正软件调整电机工作特性满足不同应用请求。 由于开关磁阻电机固有的转矩动摇,可能招致较大的噪声和振动,事实上这种状况的发作常常与电机设计和控制的不合理相关,经过优化电机设计和控制战略,转矩 动摇和噪声完整能够得到有效的抑止,正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电机,转矩动摇仅为0.05%。近年研讨的最优励磁控制战略、两次换流控制战略、电机噪声本源、定子振动模态、定子固 有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。随着设计和制造程度的进步,噪声必将进一步降低。 三、开关磁阻电机的应用 近年来,开关磁阻电机的应用和开展获得了明显的进步,已胜利地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个范畴,功率范围从10W到5MW,最 大速度高达100000 r/min。 3.1电动车应用 开关磁阻电机最初的应用范畴就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种,但是采用开关磁阻电机驱动有其共同的优势。 当高能量密度和系统效率为关键指标时,开关磁阻电机变为首选对象。 SRD开关磁阻电机驱动系统的电机构造紧凑结实,合适于高速运转,并且驱动电路简单本钱低、性能牢靠,在宽广的转速范围内效率都比拟高,而且能够便当地完 成四象限控制。这些特性使SRD开关磁阻电机驱动系统很合适电动车辆的各种工况下运转,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特性是转矩脉动大,噪 声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺陷是要运用位置传感器,增加了却构复杂性,降低了牢靠性。因而无传感器的SRD也是将来的开 展趋向之一。其优点主要表如今以下几个方面: (1)开关磁阻电机不只效率高,而且在很宽的功率和转速范围内都能坚持高效率,这是其它类型驱动系统难以到达的。这种特性对电动车的运转状况尤为合适,有 利于进步电动车的续驶里程。 (2)开关磁阻电机很容易经过采用恰当的控制战略和系统设计满足电动车四象限运转的请求,并且还能在高速运转区域坚持强有力的制动才能。 (3)开关磁阻电机有很好的散热特性,从而能以小的体积获得较大的输出功率,减小电机体积和重量。 (4)经过调整开通角和关断角,开关磁阻电机完整能够到达它激直流电机驱动系统良好的控制特性,而且这是一种纯逻辑的控制方式,很容易智能化,从而能经过 重新编程或交换电路元件,便当地满足不同运转特性的请求。 (5)开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都非常巩固牢靠,无需或很少需求维护,适用于各种恶劣、高温环境,具有良好的顺应性。 3.2纺织工业应用 近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化程度有了较明显的进步,在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处置和控制技 术,即以计算机为中心,有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统;先进的驱动技术,有变频调速,交流伺服,步进电机等;检测传感技 术和执行机构;精细机械技术等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品,例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等。其中, 无梭织机的主传动技术也有了新的打破:采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多益处,减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘,不用电磁离合器和刹车盘,不 用寻纬电机,节能10%等优点,国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品(北京中纺机电研讨所),目前还在与无梭织机主机厂协作,共同开发应用技术,希望能尽 快获得胜利,填补国内空白。 3.3焦炭工业应用 开关磁阻电机(SRD)因其起动力矩大、起动电流小,能够频繁重载起动,无需其它的电源变压器,节能,维护简单,特别适用于矿井保送机、电牵引采煤机及中 小型绞车等。 90年代英国已研制胜利300kW的开关磁阻电机,用于刮板保送机,效果很好。我国已研制胜利110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关 磁阻电机用于带式保送机拖动,良好的起动和调速性能遭到工人们的欢送。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引,运转实验标明新型采煤机性能良好。此外 还胜利地将开关磁阻电机用于电机车,进步了电机车运转的牢靠性和效率。 3.4家电行业应用 随着人们生死水平的进步,洗衣机已逐步深化千家万户,洗衣机也阅历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的开展过程,并不时智能化。洗衣机电机也 由简单的有级调速电机开展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低本钱、高性能、智能化已开端应用于洗衣机,在美国高档洗衣机中已小批量采用,并获得明显的优 点: (1)很低的洗濯速度。 (2)良好的衣物散布性。 (3)滚筒均衡性好。 (4)快速平安停机。 (5)软起动。 (6)电流限幅。 (7)最大速度高,低速转矩大。 (8)机械特性易调整。 (9)对水温、水流等易于智能控制。 四、开关磁阻电机的开展趋向瞻望 作为一种新型调速驱动系统,开关磁阻电机以其构造简单、低本钱、高效率、优秀的调速性能和灵敏的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用。目前已胜利应用于在 电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多范畴中,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强 有力竞争者。 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国度都展开了SRD系统的研制工作。在国外的应用中,SRD普通用于牵引中,例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD 的一个专长的方向。据报道,美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研讨已被列入我国中、小型电机“八 五”、“九五”和“十五”科研规划项目。 华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出运用SRD的纯电动轿车,在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车,均获得了较好的运转 效果。纺织机械研讨所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机,煤矿牵引及电动车辆等,获得了显著的经济效益。 近年来功率电子技术,数字信号处置技术和控制技术的快速开展,而且随着智能技术的不时成熟及高速高效低价钱的数字信号处置芯片(DSP)的呈现,应用高性 能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路,大大进步了开关磁阻电机检测的牢靠性和适用性,必将更大限度地显现SRD的优越性。 90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人停止装配等组合起来,由计算机控制资料、部件的供给管理、到达全厂高效率、高质量的全自动化 平衡消费,设计和制造程度不时进步,专用控制芯片和集胜利率器件不时被开发出来,开关磁阻电机性能和适用性不时加强。随着国民经济建立的日益开展,各行各 业的机械化、自动化水平越来越高,为开关磁阻电机提供了宏大的潜在市场。
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