開關(guān)磁阻電動機的性能及典型應(yīng)用

1 引言

　　開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)（srd）由開關(guān)磁阻電機（srm或sr電機）、功率變換器、控制器和檢測器四個部分組成，是20世紀(jì)80年代初隨著電力電子、計算機和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。開關(guān)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(zhuǎn)矩，因其結(jié)構(gòu)極其簡單堅固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高而成為交流電機調(diào)速系統(tǒng)、直流電機調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的強有力的競爭者。開關(guān)磁阻電機已廣泛或開始應(yīng)用于電動車驅(qū)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(lǐng)域，覆蓋功率范圍10w～5mw的各種高低速驅(qū)動系統(tǒng)，呈現(xiàn)巨大的市場潛力［1］。

2 結(jié)構(gòu)與性能特點

　　2.1 電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用于高速

　　開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)比通常認為最簡單的鼠籠式感應(yīng)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(zhuǎn)子僅有硅鋼片疊成，因此不會有鼠籠感應(yīng)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(zhuǎn)子機械強度極高，可工作于極高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可達每分鐘10萬轉(zhuǎn)［2］。

　　2.2 功率電路簡單、可靠

　　電動機轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為100％的額定轉(zhuǎn)矩；起動電流為額定值的30％時，起動轉(zhuǎn)矩可達其額定值的150％。對比其它調(diào)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(zhuǎn)矩；鼠籠感應(yīng)電動機為300％的起動電流，獲得100％的轉(zhuǎn)矩。可見開關(guān)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(zhuǎn)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(diào)速范圍寬，效率高

　　在額定轉(zhuǎn)速和額定負載時運行效率高達92%以上，在所有的調(diào)速范圍內(nèi)，保持整體效率高達80%以上。

　　2.5 可控參數(shù)多，調(diào)速性能好

　　控制開關(guān)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(guān)斷角、相電流幅值和相繞組電壓。可控參數(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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動和制動）能力，并具有高起動轉(zhuǎn)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(diào)設(shè)計滿足各種特殊使用要求［3］

3 典型應(yīng)用

　　開關(guān)磁阻電動機優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和性能使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，下面對其三個典型應(yīng)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(fù)運動，當(dāng)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(fù)運動，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(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(diào)速范圍寬，適應(yīng)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(zhǔn)確。

　　目前國內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)向，離合器磨損嚴重，工作穩(wěn)定性不好，且不便調(diào)速，僅限用于輕型刨床。

　　3.1.2 采用感應(yīng)電動機的問題

　　如采用感應(yīng)電機變頻調(diào)速驅(qū)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(zhì)量低，加工工件出現(xiàn)花紋，吃刀時甚至停車。

　?。?）起、制動轉(zhuǎn)矩小，起、制動慢，停車越位過大。

　?。?）電機發(fā)熱。

　　而開關(guān)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(zhuǎn)矩可調(diào)，因而保證了在各種速度區(qū)間內(nèi)與工藝要求相符合。開關(guān)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(zhì)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(nèi)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(qū)動波輪或者滾筒轉(zhuǎn)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(zhì)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(yīng)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(guān)磁阻電機。

　　采用單相感應(yīng)電機的缺點非常明顯，表現(xiàn)如下：

　?。?）不能調(diào)速

　　在洗滌時只有一種轉(zhuǎn)速，難以適應(yīng)各種織物對洗滌轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的持續(xù)時間而已，而且為了照顧洗滌時對轉(zhuǎn)速的要求，往往使得脫水時的轉(zhuǎn)速偏低，一般僅為400轉(zhuǎn)/分鐘至600轉(zhuǎn)/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(yīng)頻繁正反轉(zhuǎn)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(diào)速方便、動態(tài)性能好等優(yōu)點。但是，串激電機的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)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(guān)磁阻電動機的特點使其應(yīng)用在洗衣機上可以獲得良好的效果。開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)寬廣的調(diào)速范圍，可以使“洗滌“與

　　脫水“均工作在最佳的轉(zhuǎn)速上，以實現(xiàn)真正意義上的標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。還可以按某些設(shè)定的程序來提升轉(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，使洗滌、換向平穩(wěn)無噪聲。開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)在全部調(diào)速范圍內(nèi)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(guān)磁阻電動機強有力的對手，但是開關(guān)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(jì)80年代以來，由于人們對環(huán)境和能源問題的日益關(guān)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(qū)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(zhuǎn)矩密度，工作轉(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)有感應(yīng)電動機、無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機。開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)在性能和結(jié)構(gòu)的一系列特點使其十分適合電動車輛，其在電動車領(lǐng)域具有如下優(yōu)點：

　?。?）電機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，基本上無須維護。

　?。?）在很寬的功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持高效率，這是其他驅(qū)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(zhuǎn)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(huán)境，具有良好的適應(yīng)性。

　　鑒于以上優(yōu)點，國內(nèi)外都有很多開關(guān)磁阻電動機在電動汽車、電動客車、電動自行車的實際應(yīng)用［6］。

4 結(jié)束語

　　由于開關(guān)磁阻電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、起動電流小、調(diào)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(lǐng)域具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，國外在上述領(lǐng)域的實際應(yīng)用較多，國內(nèi)雖有一定程度的應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛。