開關磁阻電動機的性能及典型應用

1 引言

　　開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)（srd）由開關磁阻電機（srm或sr電機）、功率變換器、控制器和檢測器四個部分組成，是20世紀80年代初隨著電力電子、計算機和控制技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調速驅動系統(tǒng)。開關磁阻電動機為雙凸極磁阻電機，利用磁阻最小原理產(chǎn)生磁阻轉矩，因其結構極其簡單堅固，調速范圍寬，調速性能優(yōu)異，而且在整個調速范圍內都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高而成為交流電機調速系統(tǒng)、直流電機調速系統(tǒng)和無刷直流電機調速系統(tǒng)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(yè)、航空工業(yè)和伺服系統(tǒng)等各個領域，覆蓋功率范圍10w～5mw的各種高低速驅動系統(tǒng)，呈現(xiàn)巨大的市場潛力［1］。

2 結構與性能特點

　　2.1 電動機結構簡單、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，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(huán)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，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(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(tǒng)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(chǎn)品可達到如下性能：起動電流為15％額定電流時，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(tǒng)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，獲得100％的轉矩?？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，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運行時還小，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、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(shù)多，調速性能好

　　控制開關磁阻電動機的主要運行參數(shù)和常用方法至少有四種：相開通角、相關斷角、相電流幅值和相繞組電壓?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)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(shù)值，使之運行于最佳狀態(tài)，還可使之實現(xiàn)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，并具有高起動轉矩和串激電動機的負載能力曲線。

　　2.6 可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)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(yōu)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(yè)的一種主要工作母機，刨床的工作方式是工作臺帶動工件做往復運動，當其正程運動時，固定于機架的刨刀刨削工件，反程運動時，刨刀抬起，工作臺空行返回。該刨床主傳動系統(tǒng)的作用是帶動工作臺往復運動，顯然，其性能優(yōu)劣直接關系到刨床的加工質量和生產(chǎn)效率，因此，要求該傳動系統(tǒng)具備以下主要性能。

　　3.1.1 主要特性

　?。?）適于頻繁起動、制動和正反轉轉換，每分鐘不少于10次，且起動、制動過程平穩(wěn)快捷。

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

　?。?）調速范圍寬，適應低速、中速刨削和高速反程的需要。

　　（4）工作穩(wěn)定性好，往返行程折返位置準確。

　　目前國內龍門刨床的主傳動系統(tǒng)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(tǒng)的刨床，使用到現(xiàn)在大多處于嚴重老化的狀態(tài)，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，直接影響正常的生產(chǎn)。此外，該系統(tǒng)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(tǒng)依靠電磁離合器實現(xiàn)正反轉向，離合器磨損嚴重，工作穩(wěn)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(tǒng)，則存在以下問題：

　?。?）輸出特性較軟，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(xiàn)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(fā)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，換向過程起動電流小，起、制動轉矩可調，因而保證了在各種速度區(qū)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(shù)，不論是高、低車速，還是空載、滿載，其功率因數(shù)都接近于1，優(yōu)于目前龍門刨床所用的其他傳動系統(tǒng)［4］。

　　3.2 洗衣機

　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活質量的不斷提高，環(huán)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。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(chǎn)生水流，再由水流及波輪、滾筒產(chǎn)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(tài)，也就是決定了洗滌、甩干的質量以及噪聲、振動大小等。

　　現(xiàn)在波輪洗衣機上使用的電機以單相感應電機為主，少數(shù)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。

　　采用單相感應電機的缺點非常明顯，表現(xiàn)如下：

　?。?）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(xù)時間而已，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，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，具有起動力矩大、效率較高、調速方便、動態(tài)性能好等優(yōu)點。但是，串激電機的缺點是結構復雜，轉子電流需要經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)真正意義上的標準洗、快速洗、輕柔洗、絲絨洗，甚至變速洗。脫水時也可以隨意選擇旋轉的轉速。還可以按某些設定的程序來提升轉速，讓衣物在脫水過程中避免因分布不均造成的振動和噪聲。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(wǎng)的沖擊，使洗滌、換向平穩(wěn)無噪聲。開關磁阻電動機調速系統(tǒng)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，但是開關磁阻電動機的優(yōu)勢是成本低、堅固、沒有退磁現(xiàn)象和啟動性能優(yōu)越［5］。

　　3.3 電動車

　　進入20 世紀80年代以來，由于人們對環(huán)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、能源利用率高等優(yōu)點而成為一種理想的交通工具。電動車對電機驅動系統(tǒng)有如下要求：在整個運行區(qū)域高效率，高功率密度和轉矩密度，工作轉速范圍寬，系統(tǒng)具有防水、抗震和耐沖擊能力。目前，電動車主流電機驅動系統(tǒng)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(tǒng)在性能和結構的一系列特點使其十分適合電動車輛，其在電動車領域具有如下優(yōu)點：

　　（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。

　?。?）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(tǒng)難以達到的。這種特性十分有利于提高電動車的續(xù)駛歷程。

　?。?）容易實現(xiàn)四象限運行，實現(xiàn)能量再生反饋，能在高速運行區(qū)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。

　?。?）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(huán)境，具有良好的適應性。

　　鑒于以上優(yōu)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］。

4 結束語

　　由于開關磁阻電動機具有結構簡單、起動電流小、調速范圍寬、可控性好等優(yōu)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(yōu)勢和廣闊的應用前景，國外在上述領域的實際應用較多，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，相信其在上述領域的應用會越來越廣泛。