開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的性能及典型應用

1 引言

　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機驅動(dòng)系統（srd）由開(kāi)關(guān)磁阻電機（srm或sr電機）、功率變換器、控制器和檢測器四個(gè)部分組成，是20世紀80年代初隨著(zhù)電力電子、計算機和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型調速驅動(dòng)系統。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機為雙凸極磁阻電機，利用磁阻最小原理產(chǎn)生磁阻轉矩，因其結構極其簡(jiǎn)單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，而且在整個(gè)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、直流電機調速系統和無(wú)刷直流電機調速系統的強有力的競爭者。開(kāi)關(guān)磁阻電機已廣泛或開(kāi)始應用于電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)、家用電器、通用工業(yè)、航空工業(yè)和伺服系統等各個(gè)領(lǐng)域，覆蓋功率范圍10w～5mw的各種高低速驅動(dòng)系統，呈現巨大的市場(chǎng)潛力［1］。

2 結構與性能特點(diǎn)

　　2.1 電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、成本低、適用于高速

　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的結構比通常認為最簡(jiǎn)單的鼠籠式感應電動(dòng)機還要簡(jiǎn)單，定子線(xiàn)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(dòng)環(huán)境；轉子僅有硅鋼片疊成，因此不會(huì )有鼠籠感應電動(dòng)機制造過(guò)程中鼠籠鑄造不良和使用中的斷條等問(wèn)題，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(wàn)轉［2］。

　　2.2 功率電路簡(jiǎn)單、可靠

　　電動(dòng)機轉矩方向與繞組電流方向無(wú)關(guān)，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(huì )發(fā)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(chǎng)合。

　　2.3 高起動(dòng)轉矩，低起動(dòng)電流

　　很多公司的產(chǎn)品可達到如下性能：起動(dòng)電流為15％額定電流時(shí)，獲得起動(dòng)轉矩為100％的額定轉矩；起動(dòng)電流為額定值的30％時(shí)，起動(dòng)轉矩可達其額定值的150％。對比其它調速系統的起動(dòng)特性，如直流電動(dòng)機為100％的起動(dòng)電流，獲得100％轉矩；鼠籠感應電動(dòng)機為300％的起動(dòng)電流，獲得100％的轉矩?？梢?jiàn)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機具有軟啟動(dòng)性能，起動(dòng)過(guò)程中電流沖擊小，電動(dòng)機和控制器發(fā)熱較連續額定運行時(shí)還小，因此特別適用于頻繁起停及正反向轉換運行的場(chǎng)合，如龍門(mén)刨床、銑床、冶金行業(yè)可逆軋機、飛鋸、飛剪等。

　　2.4 調速范圍寬，效率高

　　在額定轉速和額定負載時(shí)運行效率高達92%以上，在所有的調速范圍內，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(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的主要運行參數和常用方法至少有四種：相開(kāi)通角、相關(guān)斷角、相電流幅值和相繞組電壓?？煽貐刀?，意味著(zhù)控制靈活方便，可以根據對電動(dòng)機的運行要求和電動(dòng)機的情況，采用不同控制方法和參數值，使之運行于最佳狀態(tài)，還可使之實(shí)現各種不同的功能和特定的特性曲線(xiàn)，如使電動(dòng)機具有完全相同的四象限運行（正轉、反轉、電動(dòng)和制動(dòng)）能力，并具有高起動(dòng)轉矩和串激電動(dòng)機的負載能力曲線(xiàn)。

　　2.6 可通過(guò)機和電的統一協(xié)調設計滿(mǎn)足各種特殊使用要求［3］

3 典型應用

　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機優(yōu)越的結構和性能使其應用領(lǐng)域非常廣泛，下面對其三個(gè)典型應用進(jìn)行分析。

　　3.1 龍門(mén)刨床

　　龍門(mén)刨床是機械加工行業(yè)的一種主要工作母機，刨床的工作方式是工作臺帶動(dòng)工件做往復運動(dòng)，當其正程運動(dòng)時(shí)，固定于機架的刨刀刨削工件，反程運動(dòng)時(shí)，刨刀抬起，工作臺空行返回。該刨床主傳動(dòng)系統的作用是帶動(dòng)工作臺往復運動(dòng)，顯然，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到刨床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此，要求該傳動(dòng)系統具備以下主要性能。

　　3.1.1 主要特性

　?。?）適于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉轉換，每分鐘不少于10次，且起動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程平穩快捷。

　?。?）靜差率要求高。從空載到突然吃刀加載引起的動(dòng)態(tài)速降不大于3%，且短時(shí)過(guò)載能力強。

　?。?）調速范圍寬，適應低速、中速刨削和高速反程的需要。

　?。?）工作穩定性好，往返行程折返位置準確。

　　目前國內龍門(mén)刨床的主傳動(dòng)系統主要有直流機組形式和異步電動(dòng)機-電磁離合器形式。大量以直流機組為主拖動(dòng)系統的刨床，使用到現在大多處于嚴重老化的狀態(tài)，電機磨損嚴重，高速重載時(shí)電刷上火花較大，故障頻繁，維護工作量大，直接影響正常的生產(chǎn)。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(diǎn)。異步電動(dòng)機-電磁離合器系統依靠電磁離合器實(shí)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。

　　3.1.2 采用感應電動(dòng)機的問(wèn)題

　　如采用感應電機變頻調速驅動(dòng)系統，則存在以下問(wèn)題：

　?。?）輸出特性較軟，使得龍門(mén)刨床在低速時(shí)不能帶足夠的負載。

　?。?）靜差大，加工質(zhì)量低，加工工件出現花紋，吃刀時(shí)甚至停車(chē)。

　?。?）起、制動(dòng)轉矩小，起、制動(dòng)慢，停車(chē)越位過(guò)大。

　?。?）電機發(fā)熱。

　　而開(kāi)關(guān)磁阻電機的特性則特別適用于頻繁起、制動(dòng)和換向運行，換向過(guò)程起動(dòng)電流小，起、制動(dòng)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(kāi)關(guān)磁阻電機還具有很高的功率因數，不論是高、低車(chē)速，還是空載、滿(mǎn)載，其功率因數都接近于1，優(yōu)于目前龍門(mén)刨床所用的其他傳動(dòng)系統［4］。

　　3.2 洗衣機

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，環(huán)保、智能型洗衣機的需求量也越來(lái)越大，電機作為洗衣機的主動(dòng)力，其性能必須不斷完善。目前國內市場(chǎng)上流行的洗衣機主要有兩種：波輪式和滾筒式洗衣機。無(wú)論哪種洗衣機，其基本原理都是通過(guò)電機驅動(dòng)波輪或者滾筒轉動(dòng)，從而產(chǎn)生水流，再由水流及波輪、滾筒產(chǎn)生力來(lái)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(tài)，也就是決定了洗滌、甩干的質(zhì)量以及噪聲、振動(dòng)大小等。

　　現在波輪洗衣機上使用的電機以單相感應電機為主，少數用變頻電機和無(wú)刷直流電動(dòng)機。滾筒洗衣機則以串激電機為主，此外還有變頻電機，無(wú)刷直流電動(dòng)機，開(kāi)關(guān)磁阻電機。

　　采用單相感應電機的缺點(diǎn)非常明顯，表現如下：

　?。?）不能調速

　　在洗滌時(shí)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(shí)間而已，而且為了照顧洗滌時(shí)對轉速的要求，往往使得脫水時(shí)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(dòng)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。

　　串激電機就是一臺直流串激電機，具有起動(dòng)力矩大、效率較高、調速方便、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，串激電機的缺點(diǎn)是結構復雜，轉子電流需要經(jīng)過(guò)換向器和電刷來(lái)進(jìn)行機械式換向，換向器和電刷間的滑動(dòng)摩擦容易產(chǎn)生機械磨損、噪聲、火花以及電磁干擾，使得電機可靠性降低、壽命變短。

　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的特點(diǎn)使其應用在洗衣機上可以獲得良好的效果。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)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(shí)現真正意義上的標準洗、快速洗、輕柔洗、絲絨洗，甚至變速洗。脫水時(shí)也可以隨意選擇旋轉的轉速。還可以按某些設定的程序來(lái)提升轉速，讓衣物在脫水過(guò)程中避免因分布不均造成的振動(dòng)和噪聲。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機卓越的啟動(dòng)性能可消除洗滌過(guò)程中電機頻繁正反轉啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，使洗滌、換向平穩無(wú)噪聲。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)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(wú)刷直流電動(dòng)機的確是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機強有力的對手，但是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的優(yōu)勢是成本低、堅固、沒(méi)有退磁現象和啟動(dòng)性能優(yōu)越［5］。

　　3.3 電動(dòng)車(chē)

　　進(jìn)入20 世紀80年代以來(lái)，由于人們對環(huán)境和能源問(wèn)題的日益關(guān)注，電動(dòng)車(chē)因其行駛時(shí)零排放、噪聲低、電能來(lái)源廣闊、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)而成為一種理想的交通工具。電動(dòng)車(chē)對電機驅動(dòng)系統有如下要求：在整個(gè)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、抗震和耐沖擊能力。目前，電動(dòng)車(chē)主流電機驅動(dòng)系統有感應電動(dòng)機、無(wú)刷直流電動(dòng)機和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統在性能和結構的一系列特點(diǎn)使其十分適合電動(dòng)車(chē)輛，其在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）電機結構簡(jiǎn)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(wú)須維護。

　?。?）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(dòng)系統難以達到的。這種特性十分有利于提高電動(dòng)車(chē)的續駛歷程。

　?。?）容易實(shí)現四象限運行，實(shí)現能量再生反饋，能在高速運行區域保持強有力的制動(dòng)能力。

　?。?）電機的起動(dòng)電流小，對電瓶無(wú)沖擊，起動(dòng)轉矩大，適合于重載起動(dòng)。

　?。?）無(wú)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(huán)境，具有良好的適應性。

　　鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，國內外都有很多開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機在電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)客車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)的實(shí)際應用［6］。

4 結束語(yǔ)

　　由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機具有結構簡(jiǎn)單、起動(dòng)電流小、調速范圍寬、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，因此其在龍門(mén)刨床、洗衣機、電動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域具有很大的應用優(yōu)勢和廣闊的應用前景，國外在上述領(lǐng)域的實(shí)際應用較多，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(fā)揮出來(lái)，相信其在上述領(lǐng)域的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。