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開關磁阻電動機的性能及典型應用

開關磁阻電動機的性能及典型應用

發布日期:2014-12-10 14:16 來源: 點擊:

  開關磁阻電動機驅動系統(srd)由開關磁阻電機(srm或sr电机)、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成,是20世纪80年代初随着电力电子、计算机和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。開關磁阻電動機为双凸极磁阻電機,利用磁阻最小原理产生磁阻转矩,因其结构极其简单坚固,调速范围宽,调速性能优异,而且在整个调速范围内都具有较高的效率,系统可靠性高而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。開關磁阻電機已广泛或开始应用于電動車驱动、家用电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域,覆盖功率范围10w~5mw的各种高低速驱动系统,呈现巨大的市场潜力。

  結構與性能特點

  1、電動機結構簡單、成本低、適用于高速

  開關磁阻電動機的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单,定子线圈为集中绕组,嵌放容易,端部短而牢固,工作可靠,能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境;转子仅有硅钢片叠成,因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题,转子机械强度极高,可工作于极高转速,转速可达每分钟10万转[2]。

  2、 功率电路简单、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,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。

  3、 高起动转矩,低起动电流

  很多公司的男人的天堂可达到如下性能:起动电流为15%额定电流时,获得起动转矩为100%的额定转矩;起动电流为额定值的30%时,起动转矩可达其额定值的150%。对比其它调速系统的起动特性,如直流电动机为100%的起动电流,获得100%转矩;鼠笼感应电动机为300%的起动电流,获得100%的转矩。可见開關磁阻電動機具有软启动性能,起动过程中电流冲击小,电动机和控制器发热较连续额定运行时还小,因此特别适用于频繁起停及正反向转换运行的场合,如龙门刨床、铣床、冶金男人的天堂可逆轧机、飞锯、飞剪等。

  4、 调速范围宽,效率高

  在額定轉速和額定負載時運行效率高達92%以上,在所有的調速範圍內,保持整體效率高達80%以上。

  5、 可控参数多,调速性能好

  控制開關磁阻電動機的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角、相关断角、相电流幅值和相绕组电压。可控参数多,意味着控制灵活方便,可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况,采用不同控制方法和参数值,使之运行于最佳状态,还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线,如使电动机具有完全相同的四象限运行(正转、反转、电动和制动)能力,并具有高起动转矩和串激电动机的负载能力曲线。

  6、 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求[3]

  典型應用

  開關磁阻電動機优越的结构和性能使其应用领域非常广泛,下面对其三个典型应用进行分析。

  龍門刨床是機械加工男人的天堂的一種主要工作母機,刨床的工作方式是工作台帶動工件做往複運動,當其正程運動時,固定于機架的刨刀刨削工件,反程運動時,刨刀擡起,工作台空行返回。該刨床主傳動系統的作用是帶動工作台往複運動,顯然,其性能優劣直接關系到刨床的加工質量和生産效率,因此,要求該傳動系統具備以下主要性能。

  主要特性:

  (1)適于頻繁起動、制動和正反轉轉換,每分鍾不少于10次,且起動、制動過程平穩快捷。

  (2)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%,且短時過載能力強。

  (3)調速範圍寬,適應低速、中速刨削和高速反程的需要。

  (4)工作穩定性好,往返行程折返位置准確。

  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。大量以直流機組爲主拖動系統的刨床,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,故障頻繁,維護工作量大,直接影響正常的生産。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,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。

  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:

  (1)輸出特性較軟,使得龍門刨床在低速時不能帶足夠的負載。

  (2)靜差大,加工質量低,加工工件出現花紋,吃刀時甚至停車。

  (3)起、制動轉矩小,起、制動慢,停車越位過大。

  (4)電機發熱。

  而開關磁阻電機的特性则特别适用于频繁起、制动和换向运行,换向过程起动电流小,起、制动转矩可调,因而保证了在各种速度区间内与工艺要求相符合。開關磁阻電機还具有很高的功率因数,不论是高、低车速,还是空载、满载,其功率因数都优于目前龙门刨床所用的其他传动系统。

  洗衣機

  隨著經濟的發展和人們生活質量的不斷提高,環保、智能型洗衣機的需求量也越來越大,電機作爲洗衣機的主動力,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。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,從而産生水流,再由水流及波輪、滾筒産生力來洗滌衣物,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、甩幹的質量以及噪聲、振動大小等。

  现在波轮洗衣机上使用的电机以单相感应电机为主,少数用变频电机和无刷直流电动机。滚筒洗衣机则以串激电机为主,此外还有变频电机,无刷直流电动机,開關磁阻電機。

  采用單相感應電機的缺點非常明顯,表現如下:

  (1)不能調速

  在洗滌時只有一種轉速,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,而且爲了照顧洗滌時對轉速的要求,往往使得脫水時的轉速偏低,一般僅爲400轉/分鍾至600轉/分鍾。

  (2)效率很低

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

  串激電機就是一台直流串激電機,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複雜,轉子電流需要經過換向器和電刷來進行機械式換向,換向器和電刷間的滑動摩擦容易産生機械磨損、噪聲、火花以及電磁幹擾,使得電機可靠性降低、壽命變短。

  開關磁阻電動機的特点使其应用在洗衣机上可以获得良好的效果。開關磁阻電動機调速系统宽广的调速范围,可以使“洗涤“与脱水“均工作在最佳的转速上,以实现真正意义上的标准洗、快速洗、轻柔洗、丝绒洗,甚至变速洗。脱水时也可以随意选择旋转的转速。还可以按某些设定的程序来提升转速,让衣物在脱水过程中避免因分布不均造成的振动和噪声。開關磁阻電動機卓越的启动性能可消除洗涤过程中电机频繁正反转启动电流对电网的冲击,使洗涤、换向平稳无噪声。開關磁阻電動機调速系统在全部调速范围内的高效率,可以使洗衣机的耗电量大大减少。

  无刷直流电动机的确是開關磁阻電動機强有力的对手,但是開關磁阻電動機的优势是成本低、坚固、没有退磁现象和启动性能优越。

電動車

  进入20世纪80年代以来,由于人们对环境和能源问题的日益关注,電動車因其行驶时零排放、噪声低、电能来源广阔、能源利用率高等优点而成为一种理想的交通工具。電動車对电机驱动系统有如下要求:在整个运行区域高效率,高功率密度和转矩密度,工作转速范围宽,系统具有防水、抗震和耐冲击能力。目前,電動車主流电机驱动系统有感应电动机、无刷直流电动机和開關磁阻電動機。開關磁阻電動機调速系统在性能和结构的一系列特点使其十分适合電動車辆,其在電動車领域具有如下优点:

  (1)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。

  (2)在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率,这是其他驱动系统难以达到的。这种特性十分有利于提高電動車的续驶历程。

  (3)容易實現四象限運行,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。

  (4)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。

  (5)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。

  鉴于以上优点,国内外都有很多開關磁阻電動機在电动汽车、电动客车、电动自行车的实际应用。

  由于開關磁阻電動機具有结构简单、起动电流小、调速范围宽、可控性好等优点,因此其在龙门刨床、洗衣机、電動車等领域具有很大的应用优势和广阔的应用前景,国外在上述领域的实际应用较多,国内虽有一定程度的应用,但还处于起步阶段,其潜力还未发挥出来,相信其在上述领域的应用会越来越广泛。


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