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淺談開關磁阻電機的發展前景

淺談開關磁阻電機的發展前景

發布日期:2015-03-01 00:00 來源: 點擊:

一、開關磁阻電機發展簡介 
   开关磁阻電機是80年代初随着电力电子、微电脑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,具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,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,引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将開關磁阻電機视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前開關磁阻電機已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 
1970年,英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor, SRM)雏形,这是关于開關磁阻電機最早的研究。1972年,进一步对带半导体开关的小功率电动机(10w~1kw)进行了研究。到了1975年有了实质性的进展,并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了開關磁阻電機驱动装置有限公司(SRD Ltd.),专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列男人的天堂,该男人的天堂命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的男人的天堂。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统,到1986年已运行500km。该男人的天堂的出现,在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平,整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統的文章來看,對SRD系統的研究工作已經從論證它的優點、開發應用階段進入到設計理論、優化設計研究階段。對SR電機、控制器、功率變換器等的運行理論、優化設計、結構形式等方面進行了更加深入的研究。 

二、原理簡介及優越性簡介 
   開關磁阻電動機驅動系統(SRD)是較爲複雜的機電一體化裝置,SRD的運行需要在線實時檢測的反饋量一般有轉子位置、速度及電流等,然後根據控制目標綜合這些信息給出控制指令,實現運行控制及保護等功能。轉子位置檢測環節是SRD的重要組成部分,檢測到的轉子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的根據,也爲速度控制環節提供了速度反饋信號。 
開關磁阻電機具有再生的能力,系统效率高。对開關磁阻電機的理论研究和实践证明,该系统具有许多显著的优点: 
(1)電機結構簡單、堅固,制造工藝簡單,成本低,可工作于極高轉速;定子線圈嵌放容易,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。 
(2)損耗主要産生在定子,電機易于冷卻;轉子無永磁體,可允許有較高的溫升。 
(3)轉矩方向與電流方向無關,從而可最大限度簡化功率變換器,降低系統成本。 
(4)功率變換器不會出現直通故障,可靠性高。 
(5)起動轉矩大,低速性能好,無感應電動機在起動時所出現的沖擊電流現象。 
(6)調速範圍寬,控制靈活,易于實現各種特殊要求的轉矩-速度特性。 
(7)在寬廣的轉速和功率範圍內都具有高效率 
(8)能四象限運行,具有較強的再生制動能力。 
(9)容错能力强。開關磁阻電機的容错体现在电机某一相损坏,电机照样可以运行。 
   与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比,開關磁阻電機在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。 
   如果说第一代開關磁阻電機(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,第二代開關磁阻電機(1988年研制)的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是,開關磁阻電機在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率,这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取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,而開關磁阻電機通过调整开通角、关断角、电压和电流,可以得到不同负载要求的机械特性,控制简单、灵活,能容易地实现软启动和四象限运行,而且由于这是一种纯逻辑的控制方式,很容易智能化,通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。 
由于開關磁阻電機固有的转矩波动,可能导致较大的噪声和振动,事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关,通过优化电机设计和控制策略,转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制,正确认识到这一点对開關磁阻電機的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用開關磁阻電機,转矩波动仅为0.05%。近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、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。随着设计和制造水平的提高,噪声必将进一步降低。 

三、開關磁阻電機的应用 
   近年来,開關磁阻電機的应用和发展取得了明显的进步,已成功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领域,功率范围从10W到5MW,最大速度高达100000 r/min。 
3.1 電動車應用 
   開關磁阻電機最初的应用领域就是电动车。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,然而采用開關磁阻電機驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时,開關磁阻電機变为首选对象。 
  SRD開關磁阻電機驱动系统的电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD開關磁阻電機驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大,噪声大;此外,相对永磁电机而言,功率密度和效率偏低;另一个缺点是要使用位置传感器,增加了结构复杂性,降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面: 
(1)開關磁阻電機不仅效率高,而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率,这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合,有利于提高电动车的续驶里程。 
(2)開關磁阻電機很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求,并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 
(3)開關磁阻電機有很好的散热特性,从而能以小的体积取得较大的输出功率,减小电机体积和重量。 
(4)通过调整开通角和关断角,開關磁阻電機完全可以达到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,从而能通过重新编程或替换电路元件,方便地满足不同运行特性的要求。 
(5)開關磁阻電機无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠,无需或很少需要维护,适用于各种恶劣、高温环境,具有良好的适应性。 
3.2 紡織工業應用 
近十多年來我國紡織機械男人的天堂的機電一體化水平有了較明顯的提高,在新型紡織機械上普遍采用了機電一體化技術。這項技術的內容包含了先進的信息處理和控制技術,即以計算機爲核心,有PLC、工控機、單片機、人機界面、現場總線等組成的控制系統;先進的驅動技術,有變頻調速,交流伺服,步進電機等;檢測傳感技術和執行機構;精密機械技術等。棉紡織設備較有代表性的機電一體化男人的天堂,例如新型的粗紗機、分條整經機、漿紗機等。其中, 
无梭织机的主传动技术也有了新的突破:采用開關磁阻電機作为无梭织机的主传动带来许多好处,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,国内已有開關磁阻電機和驱动器的男人的天堂(北京中纺机电研究所),目前还在与无梭织机主机厂合作,共同开发应用技术,希望能尽快取得成功,填补国内空白。 
3.3 焦炭工業應用 
開關磁阻電機(SRD)因其起动力矩大、 起动电流小,可以频繁重载起动,无需其它的电源变压器,节能,维护简单,特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。 
90年代英国已研制成功300kW的開關磁阻電機,用于刮板输送机,效果很好。我国已研制成功110kW的開關磁阻電機用于矸石山绞车 、132kW的開關磁阻電機用于带式输送机拖动,良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。 我国还将開關磁阻電機用于电牵引采煤机牵引,运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将開關磁阻電機用于电机车,提高了电机车运行的可靠性和效率。 
3.4 家電男人的天堂應用 
   随着人们生活水平的提高,洗衣机已逐渐深入千家万户,洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程,并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。開關磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机,在美国高档洗衣机中已小批量采用,并取得明显的优点: 
(1)很低的洗滌速度。 
(2)良好的衣物分布性。 
(3)滾筒平衡性好。 
(4)快速安全停機。 
(5)軟起動。 
(6)電流限幅。 
(7)最大速度高,低速轉矩大。 
(8)機械特性易調整。 
(9)對水溫、水流等易于智能控制。
 
四、開關磁阻電機的发展趋势展望 
   作为一种新型调速驱动系统,開關磁阻電機以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功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、航空航天等众多领域中,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。 
美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了SRD系統的研制工作。在國外的應用中,SRD一般用于牽引中,例如電瓶車和電動汽車。同時高速性能是SRD的一個特長的方向。據報道,美國爲空間技術研制了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。SRD系統的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規劃項目。 
华中科技大学開關磁阻電機课题组在“九五”项目中研制出使用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,均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机,煤矿牵引及电动车辆等,取得了显著的经济效益。 
   近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展,而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现,利用高性能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,大大提高了開關磁阻電機检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示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、机器人进行装配等组合起来,由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡男人的天堂,设计和制造水平不断提高,专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来,開關磁阻電機性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展,各行各业的机械化、自动化程度越来越高,为開關磁阻電機提供了巨大的潜在市场。

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