開關磁阻電機的前景

【專家解說】：一、開關磁阻電機發(fā)展簡介 開關磁阻電機是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及效率高等突出特點，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，引起各國學者和企業(yè)界的廣泛關注?？鐕姍C公司Emerson電氣公司還將開關磁阻電機視為其下世紀調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的新的技術、經(jīng)濟增長點。目前開關磁阻電機已廣泛或開始應用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個領域。 1970年，英國Leeds大學步進電機研究小組首創(chuàng)一個開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor, SRM）雛形，這是關于開關磁阻電機最早的研究。1972年，進一步對帶半導體開關的小功率電動機（10w～1kw）進行了研究。到了1975年有了實質(zhì)性的進展，并一直發(fā)展到可以為50kw的電瓶汽車提供裝置。1980年在英國成立了開關磁阻電機驅(qū)動裝置有限公司（SRD Ltd.），專門進行SRD系統(tǒng)的研究、開發(fā)和設計。1983年英國（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為OULTON。1984年TASC驅(qū)動系統(tǒng)公司也推出了他們的產(chǎn)品。另外SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動系統(tǒng)，到1986年已運行500km。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動界引起不小的反響。在很多性能指標上達到了出人意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能價格指標達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。 從上世紀90年代國際會議的上有關SRD系統(tǒng)的文章來看，對SRD系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)從論證它的優(yōu)點、開發(fā)應用階段進入到設計理論、優(yōu)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(yōu)化設計、結(jié)構(gòu)形式等方面進行了更加深入的研究。 二、原理簡介及優(yōu)越性簡介 開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)（SRD）是較為復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(zhuǎn)子位置、速度及電流等，然后根據(jù)控制目標綜合這些信息給出控制指令，實現(xiàn)運行控制及保護等功能。轉(zhuǎn)子位置檢測環(huán)節(jié)是SRD的重要組成部分，檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的根據(jù)，也為速度控制環(huán)節(jié)提供了速度反饋信號。 開關磁阻電機具有再生的能力，系統(tǒng)效率高。對開關磁阻電機的理論研究和實踐證明，該系統(tǒng)具有許多顯著的優(yōu)點： （1）電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)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(huán)境。 （2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升。 （3）轉(zhuǎn)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(tǒng)成本。 （4）功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。 （5）起動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應電動機在起動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。 （6）調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩－速度特性。 （7）在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)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）容錯能力強。開關磁阻電機的容錯體現(xiàn)在電機某一相損壞，電機照樣可以運行。 與當前廣泛應用的變頻調(diào)速感應電動機相比，開關磁阻電機在成本、效率、調(diào)速性能、單位體積功率、可靠性、散熱性等都具有明顯的優(yōu)勢或競爭力。 如果說第一代開關磁阻電機（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調(diào)速感應電動機低，第二代開關磁阻電機（1988年研制）的效率已全面超過了高效變頻調(diào)速感應電動機。更難得的是，開關磁阻電機在寬廣的速度和功率范圍內(nèi)都能保持較高的效率，這是變頻調(diào)速感應電動機難以比擬的。感應電動機要取得與直流電機相近的調(diào)速特性需采用復雜的矢量控制系統(tǒng)，而開關磁阻電機通過調(diào)整開通角、關斷角、電壓和電流，可以得到不同負載要求的機械特性，控制簡單、靈活，能容易地實現(xiàn)軟啟動和四象限運行，而且由于這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，通過修改軟件調(diào)整電機工作特性滿足不同應用要求。 由于開關磁阻電機固有的轉(zhuǎn)矩波動，可能導致較大的噪聲和振動，事實上這種情況的發(fā)生往往與電機設計和控制的不合理相關，通過優(yōu)化電機設計和控制策略，轉(zhuǎn)矩波動和噪聲完全可以得到有效的抑制，正確認識到這一點對開關磁阻電機的開發(fā)和應用是很重要的。SRD Ltd.公司開發(fā)的伺服應用開關磁阻電機，轉(zhuǎn)矩波動僅為0.05%。近年研究的最優(yōu)勵磁控制策略、兩次換流控制策略、電機噪聲根源、定子振動模態(tài)、定子固有頻率計算等成果對降低電機噪聲都有積極的促進作用。隨著設計和制造水平的提高，噪聲必將進一步降低。 三、開關磁阻電機的應用 近年來，開關磁阻電機的應用和發(fā)展取得了明顯的進步，已成功地應用于電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機械等各個領域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達100000 r/min。 3.1 電動車應用 開關磁阻電機最初的應用領域就是電動車。目前電動摩托車和電動自行車的驅(qū)動電機主要有永磁無刷及永磁有刷兩種，然而采用開關磁阻電機驅(qū)動有其獨特的優(yōu)勢。當高能量密度和系統(tǒng)效率為關鍵指標時，開關磁阻電機變?yōu)槭走x對象。 SRD開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的電機結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅(qū)動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。SRD的最大特點是轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機而言，功率密度和效率偏低；另一個缺點是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來的發(fā)展趨勢之一。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）開關磁阻電機不僅效率高，而且在很寬的功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持高效率，這是其它類型驅(qū)動系統(tǒng)難以達到的。這種特性對電動車的運行情況尤為適合，有利于提高電動車的續(xù)駛里程。 （2）開關磁阻電機很容易通過采用適當?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設計滿足電動車四象限運行的要求，并且還能在高速運行區(qū)域保持強有力的制動能力。 （3）開關磁阻電機有很好的散熱特性，從而能以小的體積取得較大的輸出功率，減小電機體積和重量。 （4）通過調(diào)整開通角和關斷角，開關磁阻電機完全可以達到它激直流電機驅(qū)動系統(tǒng)良好的控制特性，而且這是一種純邏輯的控制方式，很容易智能化，從而能通過重新編程或替換電路元件，方便地滿足不同運行特性的要求。 （5）開關磁阻電機無論電機還是功率變換器都十分堅固可靠，無需或很少需要維護，適用于各種惡劣、高溫環(huán)境，具有良好的適應性。 3.2 紡織工業(yè)應用 近十多年來我國紡織機械行業(yè)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(nèi)容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，有PLC、工控機、單片機、人機界面、現(xiàn)場總線等組成的控制系統(tǒng)；先進的驅(qū)動技術，有變頻調(diào)速，交流伺服，步進電機等；檢測傳感技術和執(zhí)行機構(gòu)；精密機械技術等。棉紡織設備較有代表性的機電一體化產(chǎn)品，例如新型的粗紗機、分條整經(jīng)機、漿紗機等。其中， 無梭織機的主傳動技術也有了新的突破：采用開關磁阻電機作為無梭織機的主傳動帶來許多好處，減少傳動齒輪、不用皮帶和皮帶盤，不用電磁離合器和剎車盤，不用尋緯電機，節(jié)能10%等優(yōu)點，國內(nèi)已有開關磁阻電機和驅(qū)動器的產(chǎn)品（北京中紡機電研究所），目前還在與無梭織機主機廠合作，共同開發(fā)應用技術，希望能盡快取得成功，填補國內(nèi)空白。 3.3 焦炭工業(yè)應用 開關磁阻電機（SRD）因其起動力矩大、 起動電流小，可以頻繁重載起動，無需其它的電源變壓器，節(jié)能，維護簡單，特別適用于礦井輸送機、電牽引采煤機及中小型絞車等。 90年代英國已研制成功300kW的開關磁阻電機，用于刮板輸送機，效果很好。我國已研制成功110kW的開關磁阻電機用于矸石山絞車 、132kW的開關磁阻電機用于帶式輸送機拖動，良好的起動和調(diào)速性能受到工人們的歡迎。 我國還將開關磁阻電機用于電牽引采煤機牽引，運行試驗表明新型采煤機性能良好。此外還成功地將開關磁阻電機用于電機車，提高了電機車運行的可靠性和效率。 3.4 家電行業(yè)應用 隨著人們生活水平的提高，洗衣機已逐漸深入千家萬戶，洗衣機也經(jīng)歷了手動機械洗衣機、半自動洗衣機、全自動洗衣機的發(fā)展過程，并不斷智能化。洗衣機電機也由簡單的有級調(diào)速電機發(fā)展為無級調(diào)速電機。開關磁阻電機由于低成本、高性能、智能化已開始應用于洗衣機，在美國高檔洗衣機中已小批量采用，并取得明顯的優(yōu)點： （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(zhuǎn)矩大。 （8）機械特性易調(diào)整。 （9）對水溫、水流等易于智能控制。 四、開關磁阻電機的發(fā)展趨勢展望 作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，開關磁阻電機以其結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，愈來愈得到人們的認可和應用。目前已成功應用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等眾多領域中，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)的強有力競爭者。 美國、加拿大、南斯拉夫、埃及等國家都開展了SRD系統(tǒng)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(jù)報道，美國為空間技術研制了一個25000r/min、90kW的高速SRD樣機。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項目。 華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研制出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運行效果。紡織機械研究所將SRD應用于毛巾印花機、卷布機，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 近年來功率電子技術,數(shù)字信號處理技術和控制技術的快速發(fā)展，而且隨著智能技術的不斷成熟及高速高效低價格的數(shù)字信號處理芯片（DSP）的出現(xiàn)，利用高性能DSP開發(fā)各種復雜算法的間接位置檢測技術,無需附加外部硬件電路，大大提高了開關磁阻電機檢測的可靠性和適用性,必將更大限度地顯示SRD的優(yōu)越性。 90年代進一步以計算機控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉庫、機器人進行裝配等組合起來，由計算機控制材料、部件的供應管理、達到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動化均衡生產(chǎn)，設計和制造水平不斷提高，專用控制芯片和集成功率器件不斷被開發(fā)出來，開關磁阻電機性能和適用性不斷增強。隨著國民經(jīng)濟建設的日益發(fā)展，各行各業(yè)的機械化、自動化程度越來越高，為開關磁阻電機提供了巨大的潛在市場。