无轴承开关磁阻电机

无轴承开关磁阻电机（精选5篇）

无轴承开关磁阻电机 篇1

0 引言

无轴承电机是在上世纪末发展而来的一种新型磁悬浮电机[1]。随着电力技术的发展, 将无轴承技术应用到开关磁阻电机领域, 有利于拓展无轴承电机的研发广度, 发挥其高速适应性, 还能控制和改善由于不对称磁拉力引起的振动和噪声问题。因而, 基于这些特点, 在航空高速、超高速发动机方面无轴承开关磁阻电机有着广泛应用。目前, 我国对该项技术领域研发刚起步, 所以深化此课题的研究具有重要意义。

1 电机的绕组结构和原理

12/8无轴承开关磁阻电机轴的截面, 绕相包括a、b、c三个部分, 以a相来探讨。a相绕相包括主绕相Nma和悬浮绕相Nsa1和Nsa2。Nma是由四个相对定子齿的线圈串联形成的, 其产生的磁场为转子悬浮提供了一个偏置磁场。Nsa1是由绕在相对两个定子齿的线圈串联形成, 其功能是打破既有气隙1和2两处主绕相磁场的平衡, 进而产生α向的磁拉力;Nsa2的结构和Nsa2一致。

2 控制策略

无轴承开关磁阻电机是不会产生三相同时不运行的情况, 否则电流为零时无法产生悬浮力, 因此首要任务就是解决如何选择绕相的导通宽度。由实验样机的子齿数Nr=8, 得到绕相的电感曲线周期T=360°/8=45°, 所以三相绕相的导通宽度必须≥15°才可确保在任何时候至少有一相在运行。但是当导通宽度>15°时, 则一定有两相同时运行的时刻, 两相同时从工作理论上来说, 虽然可增加悬浮力, 但是也会增加负转矩的负面效应, 且还需进一步考虑悬浮力如何在两相绕相间的分配的情况, 大幅增加了控制的难度, 因此, 要选择三相绕组轮流导通为15°的基本原则。

如何控制悬浮的大小, 关键在于如何控制主绕相电流和悬浮绕相电流的大小[2]。如果采用主绕相电流控制成方波形状且固定绕相开关角的方法可进场此操作, 开通角固定在-7.5°时各相的电流、电感及c相的绕相的瞬时转矩情况。要产生大小一致的悬浮力, 当转子齿远离定子齿时, 悬浮绕相的电流比定转子齿轴线的重合时要大。此时转子从-7.5°转换到0°的过程中, 磁阻会逐步减小, 因此需要产生大小一致的悬浮力时悬浮电流也会随之变小;当转子从0°到7.5°过程中, 磁阻也会慢慢增大, 因此要产生大小一致的悬浮力时的悬浮电流会增大。电机作空转矩负载运行时, 其导通区间必须在[-7.5°, 7.5°]绕相在电感上升区域内导通时会形成正转矩, 反之则形成负转矩。当导通区间在[-7.5°, 7.5°]时, 电感上升的区间和下降区间是相同的, 所以正负转矩区间是各一半的, 平均磁转矩是零。

3 控制系统的构成

部分电机参数是:主绕相匝数为22, 悬浮绕相为18, 定转子齿极弧度值为15°, 定子轴向的长度为9.5cm, 定子铁心内径为7.7cm, 转子半径为3.825cm, 定转子齿间的平均气隙为0.25mm。电机的转轴左侧应用调心球轴承实现支撑, 但不可悬浮。为避免转子在未产生悬浮时, 与定子齿发生撞击, 转轴右侧可应用辅助轴承实现支撑, 辅助轴承和转轴之间的均化间隙保持在0.15mm, 转轴可做直线自由运动。辅助轴承的一侧电机端盖上装有检测转子径向位移的四个灵敏度是16V/mm的电涡流传感器。另外, 为了避免温漂等因素影响到测量精度, 可应用在同一直线上的传感器的信号差分功能来实现位置信号的反馈。

无轴承开关磁阻电机的控制系统包括三个个部分: (1) 主绕相控制:在DSP计算完转子的实际速度和位置角之后, 可采用PI改变实时转矩大小的主绕相电流, 进而实现速度的调节并根据计转子位置角和主绕相电流输出三相主绕相的开关信号; (2) 悬浮绕相控制:物流传感器检测到转子偏离中小位置时, 会模拟PID控制器, 立刻调节。并根据相应数值, DSP会根据悬浮力计算出悬浮绕相开关的信号。 (3) 调节单元:为确保无轴承开关磁阻电机的稳定悬浮, 在控制系统中, 可采取位置闭环控制和速度闭环控制。由于PID的控制较为简单, 容易实现, 位移反馈则采取PID调节, 可得到所需的悬浮力。

4 实验验证

所有验证实验都在空转矩条件下完成。转子因自身重力, 等同于被增加一个质量和大小相同、方向垂直向下的径向负荷[3]。无轴承开关磁阻电机转速在500r/min和1200r/min的情况。前项数值的电机转子在α向时的单边位移在50μm左右, 而β向在大约在40μm。后项数值在这两个方向的位移值均为40μm。稳定悬浮时, 可以明确看出辅助轴承处于静止状态时, 不会随着转子的运转而进行运转的, 这就表明转子在主绕相电流和悬浮绕相电流的共同作用下, 可克服其自身的重力而被稳定的悬浮起来, 不会和辅助轴承产生任何形式的碰撞。

5 结语

本文主要探讨了无轴承开关磁阻电机的绕相结构和悬浮的有关原理, 并根据实际情况制定科学合理的控制策略, 再进行控制系统的设计, 并通过实验进行验证, 实现了稳定悬浮的目标。证明本文研究的理论的正确性和实践的可操作性, 提高了数模混合控制电机的安全性和有效性, 为实现无轴承开关磁阻电机奠定了理论基础。

摘要：随着科学技术的发展, 将无轴承技术应用于开关磁阻电机中可有效发挥其高速适应性, 且可有效控制和改善振动与噪音等问题。本文简要阐述无轴承开关磁阻电机的结构和运行原理, 并根据实际需要制定控制策略, 设计出控制系统, 并进行试验证明这一系统的正确性。

关键词：无轴承,开关磁阻电机,控制系统

参考文献

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无轴承开关磁阻电机 篇2

凸极转子无轴承(磁悬浮)电机的研制成功是高速电机设计理念的革命性变化,是电气传动领域内一项重大突破,目前国内外正继续对其作全面深入的研究[1,2,3,4]。无轴承同步磁阻电机除具备一般无轴承电机所共有的优点外,还因其转子省略了永磁体和励磁绕组,更加适合于高速及超高速应用领域,并同时具备普通同步磁阻电机的一系列优点和特性,在半导体加工、家用电器、高速机床、飞轮储能发电、航空航天及生物医学工程等电气传动领域极具应用价值[5,6,7]。目前,国内外对无轴承同步磁阻电机悬浮原理尚未进行详尽分析,没有考虑其中的洛伦兹力,本文首次分析该电机悬浮运行时转子所受的洛伦兹力,并综述该电机技术研究的发展方向。

1 转子磁悬浮原理

电机中存在着两种不同类型的电磁力:麦克斯韦力和洛伦兹力[8]。麦克斯韦力是磁路中不同磁导率介质边界上形成的磁张力;洛伦兹力是电机旋转磁场对定子中载流体作用产生的力,其方向为沿转子表面切线方向,电机的电磁转矩就是基于洛伦兹力作用而产生的。

本文以2极径向悬浮力绕组和4极转矩绕组为例,阐述电机麦克斯韦力产生原理,该原理可以从其等效的直流电机模型中得到解释,图1是其空载条件下原理示意图。电机具有4极转矩绕组Na和2极附加径向悬浮力绕组Ny。4极转矩绕组Na通以电流时产生4极转矩磁通ψa,2极径向力绕组Ny通以电流产生2极磁通ψy。图1中,转子气隙区域1,3处磁感应强度不均匀,其结果产生的麦克斯韦合力Fy指向y轴的正方向。事实上,无轴承同步磁阻电机中除麦克斯韦合力产生径向力悬浮力之外,径向悬浮力绕组中的载流体因受到转矩绕组磁场作用而产生的洛伦兹力也构成径向悬浮力的一部分,但受两套绕组极对数关系的制约,这部分洛伦兹力并不产生电磁转矩。

图2中,由左手定则可判断电机产生沿y轴负方向的洛伦兹力FL,综合图1和图2,转子y轴方向所受径向悬浮力合力的大小为:F=Fy-FL,可见无轴承同步磁阻电机的径向悬浮力由麦克斯韦力和洛伦兹力共同构成。研究认为[9,10,11],当极对数满足p1=p2+1时,转子上的麦克斯韦力和洛伦兹力方向相反,转子所受径向悬浮力为F=Fy-FL;当极对数满足p1=p2-1时,转子上的麦克斯韦力与洛伦兹力方向相同,转子所受径向悬浮力为F=Fy+FL。因洛伦兹力所占比例很小,无轴承同步磁阻电机径向悬浮力主要由电机气隙磁场变化而产生的麦克斯韦合力构成。

2 发展趋势

无轴承同步磁阻电机经过十多年的发展,理论研究取得重大进展,但至今为止,仍有许多难题亟待解决,处于实验室阶段的初期研究成果距离大规模应用更是尚需时日,以下列出需作进一步研究的几个方面,为后续深入研究提供参考。

2.1 克服磁饱和因素的影响

对具有凸极转子的无轴承同步磁阻电机而言,因其磁场分布本身就不均匀,磁饱和程度就更为突出[12,13]。因此,必须充分考虑磁饱和因素对无轴承同步磁阻电机控制性能的影响。

无轴承同步磁阻电机产生的径向悬浮力和电机绕组电流的线性关系受磁饱和因素较大。当电机绕组中的电流达到一定值之后,径向力和流过径向力绕组中电流比值将不再成线性关系,反而随着径向力绕组电流的增加而下降。因此,按照线性关系设计的控制系统将不再适用,导致整个控制系统无法稳定工作,寻求能有效克服磁饱和影响的先进控制方法是一个重要的研究任务。

2.2 控制系统的优化设计

无轴承同步磁阻电机的控制技术是其研究中的重要内容,无轴承同步磁阻电机是一个复杂的、强耦合、非线性系统[14,15],采用近似线性的方法来处理这个非线性系统,必然使系统的控制精度受到影响。如能采用自适应控制、非线性控制、滑模变结构控制、H∞鲁棒控制和智能控制等新颖的控制策略和控制算法,用来实时跟踪调整控制器中随工况变化的参数以及电机本身的参数,必将使整个系统的控制性能得到进一步提高。

因此,无轴承同步磁阻电机控制系统的设计是其核心关键技术,决定了无轴承同步磁阻电机能否稳定可靠工作。尤其要考虑磁饱和因素时控制系统的优化设计,是无轴承同步磁阻电机研究中的难点,目前其控制问题仍没有得到很好的解决。

2.3 特殊的本体结构设计

无轴承同步磁阻电机的特殊性在于电机能产生电磁转矩外,还能产生径向悬浮力,因此所能产生的最大径向悬浮力便成为无轴承同步磁阻电机一项重要的性能指标。如果同时考虑电机所能产生的最大径向悬浮力、额定输出功率及额定转速作为电机设计的初始给定条件,以此确定电机的主要的尺寸、确定绕组相关技术数据,完成真正意义上的无轴承同步磁阻电机设计,这是一个艰巨而复杂的过程。

2.4 功率变换器的优化设计

目前,无轴承同步磁阻电机功率变换器大都采用电流滞环跟踪PWM控制技术,该方法具有实现简单,响应快速等优点。当电机运行于低速时,反电动势较小,电流控制器的跟踪没有任何困难,但当电机运行于高速时,由于较高的反电动势,在某些周期内电流控制器会出现饱和,便会出现一些基波频率倍数的谐波[16]。此时,实际反馈电流的幅值会减小,相位也会落后于指令电流,并且相位滞后随着频率的增高而增大,较大的相位误差会引起转矩控制性能下降,也严重影响着无轴承同步磁阻电机的稳定悬浮。因此,采用自适应滞环宽度调节或采用其他性能更优的PWM控制技术是无轴承同步磁阻电机功率变换电路优化设计的重要内容。

3 结束语

无轴承同步磁阻电机一方面具有同步磁阻电机一些特性如:结构简单、制造容易、成本较低、易于控制及运行可靠等;另一方面也兼备磁轴承支承的电机所有的优点:高速度、无摩擦、无磨损、无污染及寿命长等,但相比磁轴承支承的电机而言,拥有临界转速高、体积小、功率大、能耗低等诸多比较优势,使得它不仅在高速电力传动场合,而且在超洁净、低噪声等特殊的电气传动领域具有广泛的应用前景。

开关磁阻电机降噪方案研究 篇3

1 开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机(以下称SR电机)的灵魂是磁阻最小原理。当定子凸极和转子凸极处于错位状态下,气隙以及磁阻都比较大。给定子磁极绕组通电之后就会产生拽着转子转动的拉力,使气隙趋于减小(磁阻减小)。定子磁极绕组的通电先后次序是通过电子开关有规律的通断控制,这样就能形成连续的、规律的、旋转的力矩了[2]。

SR电机不是恒转矩电机,它的转矩是转子位移角和绕组电流的函数。扭曲的磁场会产生阻性的电磁转矩[2,3,4]。其平均电磁转矩可以表示为

式中:∮Ψdi为1个周期τr的Ψ-i轨迹所包围的闭合面积;Ns为电机定子极数;Nr为电机转子极数;τr为转子转过的极距角;Ψ为磁链。

2 导致噪声的参数提取过程

2.1 分析方法的选取

磁场力计算一般都是采用有限元分析结合经典理论的计算方法。比较常用的方法有:虚位移法、麦克斯韦应力法、节点力法等[3,4]。

麦克斯韦应力法虽然推导容易,能节省计算时间,但积分路径的选取很关键,不同的方案得到结果的精确程度也不同,求解三维磁场时该方法的不确定性尤为明显。相比之下,节点力法精度高一些,但是计算量大这个缺点不能忽略。虚位移法相较前两种方法除了计算简单之外,精度也很高,关键的是移植性好,所以优选虚位移法[6]。

2.2 径向力和切向力计算

理想状态下SR电机铁芯的磁导率→∞,气隙磁导率为理想线性的空气磁导率。磁场域只受气隙磁阻的影响,产生虚位移的dt时间内,SR电机的微分能量平衡关系如下式:

式中:d We为dt时间内电机耦合磁场获得的净电能;d Ws为dt时间内的磁场储能;dWm为dt时间内的机械总能量(来自电能转换)。

当SR电机转子重叠角为θ时,设此时磁链为Ψg,气隙磁场强度为Hg,绕组电流为i,气隙的磁感应强度为B(g,i,θ),g为气隙长度,Tph为每相转矩,μ0为空气磁场率,则如下表达式组成立:

由此得到:

气隙磁储能表达式如下式:

式中:Wρ为气隙磁场的能量密度;Vg为气隙磁场的体积;B为气隙的磁感应强度;Larc为当重叠角为θ时,以电机的轴心为圆心时重叠区弧长近似值。

由式(5)联立求得:

将磁场储能Ws用广义坐标y以及磁链Ψ表示有如下关系:

将广义坐标y表示成转子重叠角θ的函数,由此得到:

综合式(2)、式(4)、式(8),此时的机械能增量为

电机的切向磁力如下式:

同理,将广义坐标y表示成气隙长度g的函数,由此得到:

综合式(2)、式(4)、式(11),此时的机械能增量为

电机的径向磁力如下式:

SR电机径向力与切向力之间的比值为

由此可见,SR电机的径向力与切向力的比值与定转子重叠角θ以及电机转子外径Dr成正比,与气隙g的大小成反比。实验得出:δ越小,SR电机电磁噪声也越小[1,2]。电机初选型时,应尽量减小转子外径Dr,增大电机的气隙长度g来减小运行噪声。

3 参数仿真过程

本文选用Ansoft公司的Maxwell软件进行仿真分析。该软件在二维电磁场有限元分析领域运用广泛[5]。使用二维求解器,建立静磁场模型之后将其导入到2D中。然后设置材料属性,加上边界条件和激励流(这里使用电流源激励)。气隙在0.5 mm到0.25 mm之间递减,步长为-0.05 mm。对参数进行仿真,结果如图1、图2所示。

开关磁阻电机的阻性转矩在运行时会拽着转子转动,此力可分解成转子径向力和转子切向力,其中切向力是带动转子运转的转矩产生的力,径向力则是引起电机电磁噪声的根源,因此我们希望径向力尽可能小一些。由图1可以看出,在重叠角一定的情况下径向力会随着气隙的增大而减小,理想上让气隙大一些;但是图2显示,转矩会随着气隙的增大而减小。这是我们所不希望的,所以折中考虑气隙值选在0.35~0.4 mm之间效果会比较好。

4 结论

SR电机噪声主要分为空气动力噪声、机械噪声、电磁噪声3类[1,6],其中电磁噪声是主要噪声来源。针对这一问题利用虚位移法对电磁力进行分解分析,得到径向力和切向力。其中,径向力产生噪声和振动,切向力就是转矩力。要减小噪声就要减小径向力的值,经过计算得到径向力与切向力的比值与电机气隙大小有关。气隙的大小可以影响径向力与切向力的比值,要减小噪声,就要使比值尽量小,理论上希望气隙尽量大一些。通过仿真不难发现虽然随着气隙的增大径向力在减小但转矩也在减小,所以折中考虑将气隙值选在0.35~0.4 mm之间较适合。

参考文献

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开关磁阻电机直接转矩控制 篇4

本文通过对开关磁阻电机分析, 提出通过对SRM转矩特性分析提出通过磁链幅值和矢量速度有效控制电机转矩的方法。结果表明, 这种控制策略可有效简便地抑制SRM转矩脉动。

一、开关磁阻电机的结构及运行原理

开关磁阻电机是一种定子单边激励, 定、转子两边均为凸极结构的磁阻电机。由于定子电流有变频电源供电, 电机必须在特定的开关模式下工作, 所有通常称为“开关磁阻电机”。其调速系统由以下部分组成:控制器、功率变换器、双凸极磁阻电机和转子位置检测器。

1. 开关磁阻电机结构

开关磁阻电机的电机结构:SRM由定子、转子构成双凸极铁心结构, 由普通硅钢片或其它导磁材料叠压成定、转子的凸极。转子上装有位置检测器, 没有线圈。定子的每个齿极都有一个集中线圈, 两个径向相对的线圈串联形成一对磁极, 称为“一相”。SRM有多种相数结构, 且定子的齿极数可搭配多种转子的齿极数。目前应用较多的是四相8/6结构及三相6/4结构。

2. 开关磁阻电机运行原理

给SRM当绕组某一相通电, 相绕组中也产生电流, 定子产生磁场, 且磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。由于电磁转矩有磁阻的性质, SRM的转向仅取决于相绕组通电的顺序, 从而简化了功率变换电路。通过改变相绕组的通电顺序来改变SRM转向从而改变电机转向;通过控制相绕组通电电流的大小和通断时间, 可以改变电机的速度和转矩。

3. 开关磁阻电机直接转矩控制

控制和调节电机转速的关键是如何有效的控制和调节电机的转矩。本文采用直接转矩控制方法对开关磁阻电机进行控制, 对转矩直接控制后, 输出相应的电压信号。调节绕组相电压控制更为直接有效, 对转矩脉动和噪声将会有很好的效果。

开关磁阻电机直接转矩控制的的理论基础

(1) 为了最大化地利用定子磁链, 电机的定子磁通向量要保持一个恒定的幅值;

(2) 通过调整定子磁链与转子磁链的相角的方法实现对转矩的直接控制的目的。对于假设 (1) , 开关磁阻电机的直接转矩控制也可以通过选取适当的电压向量来实现。对于假设 (2) , 开关磁阻电机转矩的控制通过控制定子磁链的加、减速实现。

开关磁阻电机的数学模型

(1) 电压方程:定子每相绕组两端的电压, 等于定子电阻压降和因磁链变化而产生的磁阻电势之和, 即:

式中, u、R、i依次是电机定子相电压、相电阻和相电流, θ是电机定、转子的相对位置角, ψ (θ, i) 是电机定子的相绕组磁链。

当忽略相电阻R时, 式 (3-1) 可简写为:

(2) 磁链方程:开关磁阻电机每相绕组磁链与绕组相电流和转子位置角相关, 磁链方程一般可相应表示为电感和电流的乘积:

(3) 机械方程:按照力学定律, 在电动机电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程:

式中, J--开关磁阻电机的转动惯量

kω--摩擦系数

在某一时间dt内, 传输到磁场的有功功率为磁共能We=Pedt, 其中

一部分要输出给负载转矩, 转换成机械能Wm做功, 另一部分作为磁场能Wf储存在磁场中。我们假设在控制器的一个周期内, 电机的绕组电流恒定不变。并且由于开关磁阻电机的磁饱和性很高, SRM的磁场储能Wf在转子转动时无损失。所以瞬时转矩公式为:

SRM的每相电流通过开关磁阻电机每相绕组的单极性驱动保证都为正值。

对于磁链模型, 由SRM的数学模型及电压的平衡方程可知, 磁链可以写成关于绕组电压和电流的函数, 当忽略相电阻R时, 即

开关磁阻电机电压空间矢量的选择

通过前文的分析可以发现, 电机的定子磁链和转矩可通过电机定子绕组相上的电压空间矢量进行控制。基于不对称半桥型功率变换器, 下面重点分析三相开关磁阻电机电压空间矢量。

对于三相开关磁阻电机, 它的电压矢量有33共27种。另外, 按照“两步换相”法, 也就是电压只能按照+l↔0↔-1的次序进行切换, 而不能直接在+l和-1间切换。按照以上规则, 最终确定开关表如表1所示。

各电压矢量依次相差60°, 分别以6个电压矢量为分界, 将圆周分为6个区, 依次设定为N1到N6, 且每个区为60°。电机在实际运行中, 任意时刻的三相绕组在取得非零电压时, 相对应的功率开关器件的状态只能取上述6种。

电压空间矢量对磁阻电机转矩的作用

这样, 在定子磁链所属的区间内, 根据转矩和磁链的变化情况, 功率开关器件就可通过选择合适的电压矢量实现正确开关状态, 从而把转矩和磁链的波动控制在一定的幅值内。

坐标变换

相互独立的三相磁链矢量可通过正交变换, 即α-β坐标变换合成一个定子磁链矢量, 从而得到电机的磁链幅值和转子位置角。

当α-β坐标系为静止坐标系, 该坐标系是固定在定子上的直角坐标系, 选择A相绕组的轴线为α轴 (实轴) , 从α轴沿旋转磁场方向旋转90作为β轴方向。用坐标变换的方法我们可以很容易得到关系式

幅值和磁链矢量的角度定义为

其中函数arctan 2, 它与反正切函数arctan的功能相同, 只不过arctan值域为[-π/2, π/2], arctan 2的值域为[-π, π]。

在开关磁阻电机的直接转矩控制理论中, 必须有子磁链矢量的空间位置, 才能判断如何选择电压矢量, 从而计算出磁链矢量与α轴的夹角θ。

结论

本文分析开关磁阻电机的仿真模型, 推导开关磁阻电机的基本方程。对直接转矩控制的结构原理, 将直接转矩控制移植到四相开关磁阻电机的方法进行详细的介绍。利用Matlab-Simulink软件中提供的模型及模块对直接转矩控制系统建立数学模型, 结果表明, 直接转矩控制可有效减小转矩脉动, 使电电流、磁链波形光滑平稳, 空间定子磁链运行轨迹为圆形。此方法简单易行, 成本低廉, 可认为是一种较好的控制系统。

摘要：针对开关磁阻电机的一般控制方法 (电流斩波的控制、角度位置的控制和电压的控制) 抑制转矩脉动和降低电机振动噪声有缺陷, 本文将探讨直接转矩控制方法。

关键词：开关磁阻电机,直接转矩控制,空间电压矢量

参考文献

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[5]Yong Li, A New Torque and Flux Control Method forSwitched Reluctance Motor Drives[J].IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS, 2002, 44 (9) .

开关磁阻调速电机节能应用研究 篇5

磁阻式电机是在电磁发电机的基础上发展而来的,至20世纪初期,随着电子技术的不断发展,磁阻式电机也得到了进一步发展,逐渐形成了开关式磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)。此类电机具有可变调速等诸多优点,引起了国内外众多学者的研究兴趣。本文将对开关磁阻调速电机的工作原理、组成、特点、应用等内容进行相关探讨。

1 开关磁阻调速电机概述

1.1 原理介绍

开关磁阻调速电机是继交流变频调速电机之后的又一新型电机,是无级调速系统中的重要组成部件。该电机结构采用了凸极定子和凸极转子的双凸极结构,这是与传统交直流电机的显著差异。其中定子由普通硅钢片叠压而成,且各级上绕有集中绕组,径向相对极的绕组相互串联绕成一组,而转子则既无绕组也无永磁体。

开关磁阻电机工作原理如图1所示,当开关S1和S2处于闭合状态时,A相绕组处于连接状态,由于磁通遵循“磁阻最小原理”,转子磁极的轴线和定子磁极的轴线将重合,图中显示为Oa与OA重合;当开关S1和S2断开时,则B相开关处于闭合状态,同样的原理,转子会沿原来的方向继续转动相同的角度;这样只需对各开关进行不停的通断,转子就能持续转动。图中,A、B、C分别为定子三相绕组,S1、S2分别为开关,D1、D2分别为二极管,a为转子磁极。

1.2 开关磁阻调速电机的关键技术

开关磁阻调速电机作为一种新型驱动系统,之所以具有多项优点,主要是由整个无级调速系统决定的。该系统除包括开关磁阻电机外,还包括功率变换器、电流检测器、位置检测器、控制器等,以下将对各部分技术进行简要分析。

1.2.1 功率变换器

开关磁阻电机的调速功能是通过三相线圈的顺序供电而实现的,利用开关管可实现对线圈通断的控制,具体操作如下:在2个大功率开关管之间串联1个线圈,当2个大功率开关管同时接通时,则线圈通电,反之则线圈处于断电状态,而断电时能通过续流二极管反向向母线释放电压[1]。

1.2.2 电流检测器

通常选用高精度、线性好的霍尔电流检测器,串联在三相线圈的每相绕组上,用于检测三相线圈的电流,并将检测结果反馈到控制器上,实现其检测目的。

1.2.3 位置检测器

开关磁阻电机要调速,首先要确定转子位置,这是判断该控制哪一相线圈通断的前提。位置检测器利用高性能红外光电元件对转子位置和转速进行检测的。位置检测器一般安装在电机后部,其抗干扰能力强,寿命长,能对转子位置进行快速而准确的判断。

1.2.4 控制器

控制器是开关磁阻调速电机系统的核心部分,主要功能是处理信号,发出指令,使设备能按既定目标运行。控制器能综合处理给定信号、电流检测器检测信号、位置检测器反馈信号,对信号进行综合处理后发出信号,控制功率变换器控制线圈的通断,从而满足运行要求。

1.3 开关磁阻调速电机的主要优势分析

开关磁阻调速电机结构简单、坚固,转子无绕组;可控参数多,便于调整;启动电流小,起动转矩大,可靠性高;降低了电机的转矩脉动和噪音;系统效率高,且高效范围较宽。以下具体介绍几点的主要优势。

1.3.1 系统效率高

开关磁阻调速电机系统效率可达到90%以上,功率因数能达到0.95,且转速和负载转矩在较大范围内变化时都能保持相对稳定性。相对于三相异步电机而言,开关磁阻调速电机的优势十分明显,其调速范围能从30 r/min上升到2 000 r/min,且还能实现无级调速,这就能节约25%的电能,真正实现了高效调速。

1.3.2 控制系统可靠性高

电机转矩方向与绕组电流方向之间无直接关系,只需单方向绕组电流,这样控制电路每相只需1个功率开关即可满足。系统需要的功率元件少,电路结构大大简化;而系统中功率开关元件与电机绕组相串联,这就有效防止直通短路故障的发生,提高了系统可靠性;另外,转子无任何形式的绕组,机械强度很高,而定子只有几个集中绕组,增强了配件的绝缘程度,同样能延长其使用寿命[2]。

1.3.3 启动优势

开关磁阻调速电机具有高启动转矩和低启动电流的性能,因此适合重载启动的场合使用。电机在工作状态下,其启动转矩能达到额定转矩的1.5倍,而起动电流则仅为额定电流的0.3倍,这就能有效减少对电网的冲击,降低变压器的容量,真正实现了软启动;电机的这些性能优势,还可适用于频繁启动和正反运转的场合。

1.4 开关磁阻调速电机的应用

鉴于开关磁阻调速电机的以上优势,该驱动系统已在众多领域得到广泛应用。目前已成功应用的领域主要有电动车用驱动系统、家电驱动、航空军事设备驱动、压缩机等通用工业的驱动。

1.4.1 家电行业中的应用

空调、冰箱、洗衣机等家电的发展趋势主要为自动化和智能化,这就需利用可调速的电动机取代原来不可调速的电动机,开关磁阻调速电机不仅性能上可满足,且价格上占有较大优势。

1.4.2 在电动车船驱动系统中的应用

开关磁阻调速电机高效、节能、调速范围宽、软启动等性能是电动车驱动系统的理想动力,中国已开始将开关磁阻调速电机投入到电动汽车领域,并取得了显著成效。在船驱动系统中的应用,可有效减少机油、柴油、汽油对水域的污染,还能降低噪声。

1.4.3 在特殊要求场所中的应用

纺织行业对电机要求较高:a)电机要具有极好的环境适应性,能长期连续地在湿、热条件下运行;b)电机反应速度要快,不超过0.3 s;c)电机需要不断的交替工作状态,实现正反转。这些苛刻的条件一般电机难以满足,而开关磁阻电机却能全部实现[3]。

2 开关磁阻调速电机节能分析

2.1 电机效率对比

由图2可知,试验证明,相同功率等级的开关磁阻电机与其它类型高效电机进行效率测试比较,开关磁阻电机高效区域较广,效率在电动机整个调速范围内的80%以上都超过了90%;整体效率在95%以上,这是永磁电机和变频调速电机无法达到的。

2.2 广东能强陶瓷有限公司电机改进介绍

广东能强陶瓷有限公司电机改进前型号为Y2-280M-4/90k W的三相异步电动机,该电机正常工况下每小时耗电量约为74.71 k W·h,能耗较高。为降低企业能耗成本,决定对该型号电机进行改造,更换为型号为SFD-280M-1500/90KW(SFD014-01)的开关磁阻电机。

电机改进效益对比如表1所示。

2.3 效益分析

由表1数据可知,改进后电机节电率可达到18%,若陶瓷球磨机每年工作时间为280 d,每天工作20 h,则改造后每年用电量将节约50 400 k W·h,若按工业用电价格1元/(k W·h)计算,则年节约成本达到50 400元。依据电机改造成本,则经过1.5 a~1.9 a的时间即可完成投资回报周期。该企业斥巨资进行节能改造,取得了十分显著的成果,不仅为企业带来良好的经济效益,还为企业赢取了良好的社会效益,成为行业典范[4,5]。

3 结语

为推动高效电机开发和推广应用,促进电机产业升级,全面提高电机能效水平,工业和信息化部、质检总局组织实施了全国电机能效提升计划(2013年—2015年),但从淘汰落后电机的路线图来看,2003年之后生产的Y2、Y3系列三相异步机仍在大量应用,要全面提升中国电机能效水平,促进电机产业转型升级,诸多优势的开关磁阻电机市场应用前景非常乐观。

摘要：对开关磁阻调速电机的组成、原理、关键技术及其应用进行了分析,最后以在陶瓷行业中的应用为例,对其节能效果进行了分析。

关键词：开关磁阻电机,调速系统,原理,组成,节能应用

参考文献

[1]丁晓军.开关磁阻电机驱动的节能型液压动力装置控制系统的研制[D].银川:宁夏大学,2013.

[2]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京:中国标准出版社,2000.

[3]符传澄,张燕,杨荣,等.开关磁阻电机调速系统在采煤机中的应用[J].煤矿机械,2014(10):215-218.

[4]宋锡富,张振海,刘传玉.开关磁阻电机节能技术及应用[J].钻采工艺,2009(3):78-80.