开关磁阻电动机原理及在纺织行业中的应用

［摘 要］开关磁阻调速电动机属新一代交流调速系统。本文介绍了开关磁阻调速电动机的结构、原理，比较了它与直流调速系统以及变频调速系统特点，例举了它在纺织机械中的应用，同时指出了这种电机在国内的发展趋势。 0 前言 开关磁阻调速电动机的国际标准全称为Switched Reluctance Motor Drive，它的英文缩写为SRD（以下简称SRD）。我国业内称之为开关磁阻电动机调速系统或称其为可变磁阻凋速电动机。它是继变频调速系统、无换向器电动机调速系统之后发展起来的新一代交流无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术及现代电磁理论、设计与制造技术为一体的光、机、电一体化高新技术产品。SRD一经问世，便以其宽广的调速范围，良好的输出机械特性，卓越的起、制动性能以及可靠、节能、免维护等一系列突出优点成为当今世界电气传动领域的后起之秀，引起各行业的广泛关注。 SRD是20世纪90年代从实验室逐步转入大规模的生产与应用的。一些西方经济发达国家对SRD的研究开发起步较早并已取得显著成效，产品功率等级从10W到数MW，成功应用于车辆驱动、机械、冶金、航空、纺织、家电等诸多行业，发挥着其特有的优势。目前，我国对SRD的研发也已经从实验室进入产业化生产与推广应用阶段。 1 SRD的组成和工作原理 1.1 组成 SRD通常由开关磁阻电动机（SRM）、功率变换器、控制器和转子位置检测器四大部分组成，见图1。而SRD产品则一般由电动机和控制器两大件组成，位置检测器安装在电动机内，控制器则兼有控制与功率变换功能。见图2。 1.2 SRD各部件的结构及工作原理 1.2.1 SRD的结构 SRM是开关磁阻电动机调速系统中实现机与电能量转换的部件，也是SRD区别于其它电动机调速系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机，即转子、定子的电极都是凸起的显极结构。定、转子均由硅钢片冲片叠压而成，定子凸极上嵌有集中绕组而转子上既无绕组也无恒磁体。SRM可设计成各种不同的相数，如单相、两相、三相、四相等，相数越多，步距角越小，有利于减小转矩脉动，但功率变换电路所用电力电子器件就越多，成本相对就高。由于单相、两相的SRM难于自起动，故实用的开关磁阻电动机多以三相、四相为主。同一相的SRM还可以有不同的定、转子凸极数，如三相可设计成6／4结构，即定子6个凸极、转子4个凸极，还可以设计成12／8结构，即定子12个凸极、转子8个凸极等。见图3。 1.2.2 SRD的工作原理 图4为四相8／6结构SRM电机削面及驱动原理示意图。图中定子8个凸极中，空间位置对称的两个极绕组联成一相，图中仅画出其中A相绕组及其驱动电路。开关磁阻电动机调速系统的命名实际上已道出了其工作原理。SRM的运行原理遵循物理学中的“最小磁阻原理”，即磁路总是力图沿磁阻最小的路径闭合，“磁阻”变化是SRM输出转矩产生的根源，而“开关”则是指切换通电相序的电子开关。众所周知，铁磁性物质的磁导率要比空气大得多，因此铁芯线圈磁路中如果包含空气隙，气隙部分的磁阻当然要比铁芯部分大得多，一旦给线圈通电，就会产生使气隙减小的磁拉力。大家熟悉的接触器就是典型的例子：初始状态，衔铁与铁芯之间有较大气隙，一旦线圈通电，衔铁在磁拉力作用下与铁芯吸合带动触点动作，气隙减至最小，磁路的磁阻变为最小。再看图4：定子D-D’凸极与转子1—1’凸极错位，气隙大、磁路磁阻大，当D相绕组通电励磁，转子必作逆时针方向转动，使其凸极1—1’的轴线向定子凸极D-D’的轴线靠拢，使气隙最小、磁路磁阻最小。然而一旦两轴线重合，磁拉力将为零。故1—1’轴线接近D-D’轴线的适当角度时就必须关断D相电子开关，切断D相绕组电源，同时接通A相电子开关S1、S2，转子凸极2-2’轴线将会向定子凸极A-A’轴线靠拢，形成使转子继续逆时针旋转的磁拉力，同样在2-2’轴线接近A-A’轴线适当角度关断S1、S2，VD1、VD2将提供续流回路，能量将回馈电源。 由图四还可以看出，控制电子开关按D-A-B-C的顺序通电，转子将作逆时针方向旋转；反之，如控制电子开关按B-A-D-C的顺序通电，则转子将作／顷时针方向旋转。通过控制加在相绕组端电压的高低、相电流的大小及控制电子开关的导通角、关断角，即可控制开关磁阻电动机的转速与转矩。 1.3 SRD的特点 开关磁阻调速电动机之所以能在调速系统中异军突起，主要是因为其卓越的性能，现简介于下： 1.3.1 电机结构简单、结实，可以用于超高速运行及适应恶劣的环境； 1.3.2 转矩方向与绕组内电流方向无关，功率变换电路可得以简化且不会出现直通故障，可靠性大为提高； 1.3.3 起动转矩大、起动电流小，在额定电流之下即可使起动转矩比额定转矩大2～3倍，特别适合于频繁起停、频繁正反转的场所； 1.3.4 调速范围宽、调速性能好，可控参数多，易于实现各种特殊要求的转矩—速度特性； 1.3.5 效率高，特别是在宽广的调速范围内及负载大幅度变化时，依然保持高效率； 1.3.6 能实现四相限运行，具有较强的再生制动能力； 1.3.7 转子上既无绕组又无永磁体，能承受高温，转动惯量小，更易满足随动系统的需求。 早期SRD样机或产品的噪声普遍较大，特别是加重载的情况下更为明显，以至于成为SRD的必然规律而被接受。从前述SRD工作原理中已知，其转动是步进式的，转矩脉动是必然存在的，特别是在低速运行时尤为明显。转矩脉动和噪声偏大两个突出问题在一段时间里已成为SRD进一步推广应用的关键难题，成为该领域专家、科研设计人员科技攻关重点课题。近年已取得长足的进展：新一代优化设计的三相12／8结构SRD，已使额定负载时的噪声低于同功率感应电动机的水平；现在又进一步采用最优励磁控制策略、两次换流控制策略结合优化的电磁设计、电机制造工艺，已将转矩脉动和噪声控制到了十分理想的水平。 2 与其它几种电机调速系统的比较 2.1 与直流调速系统的比较 20世纪70年代直流电动机已经具备了调速性能好、调速控制电路简单、可靠的优势，并且占据调速传动领域的主导地位。然而随着生产技术的不断发展，直流调速系统的薄弱环节也就逐渐成为发展提高的障碍。主要问题在于直流电动机所固有的电刷、换向器结构上：电刷与换向器的接触不良问题，特别容易产生电火花；电刷的磨损需经常维护保养；直流电动机的体积笨重，价格昂贵也都制约了它在高速、大容量、高精度系统及多尘、潮湿、易燃易爆环境下的使用。所有这些缺陷给纺织机械在选择调速系统方面带来了很大的缺憾。在不得不使用的场合中，往往只能是加强维修保养与清洁工作，同时还必须做好车间的防火工作。SRD属无刷无级、调速性能优异的调速系统，纺织机械采用之后，可在湿热的恶劣环境下免维护运行。 2.2 与交流变频调速系统的比较 20世纪80年代交流感应电动机变频调速系统由于结构简单、体积小与调速方便受到了人们的追崇。在现实使用中，人们对它们的表现依然感到不满意。这主要因为交流感应电动机变频调速系统在额定转速、额定负载下运行时效率和功率因素较高，而一旦低速运行或负载变化时，其效率和功率因素将急剧下降，电机与变频器发热严重。当外部环境温度、湿度较高时，往往造成过热保护动作，纺织机械会突然停机，只有等待温度降下来之后，才能重新启动该机使其正常运行。另外，变频器不可能根本解决感应电动机启动电流大的毛病，变频调速系统工作时还不可避免地存在电磁谐波对电路系统的干扰。开关磁阻电机调速系统由于在全调速范围内均具有高效率，不存在低速运行及负载变化时电机、控制器严重发热问题。可保纺织机械在湿热环境下长期安全地运行。SRD起动电流小、起动转矩大的优点更能适应频繁起停、频繁正反转的纺织机械的需求。SRD的电磁谐波干扰也比变频调速系统小得多。 2.3 与直流无刷电机调速系统的比较 直流无刷电机调速系统也是现代交流调速系统的杰出代表之一。它的最大特点是用恒磁体做电机的转子，定子绕组则由一组电子开关有选择地通电。其转矩产生的原理类似于直流电动机而又革除了电刷、换向器，实现了“无刷”。随着国内电子控制技术水平、恒磁材料加工水平的提高及电机制造手段、工艺的进步，直流无刷电动机调速系统的研究开发、产业化进展迅速，产品逐步得到了用户的认可。但遗憾的是直流无刷电机运行时，转子中的恒磁体会长期处于交变磁场之中，磁性逐渐出现衰退是不可避免的。这样，最终将会导致这种电机的有效出力和效率不断下降。在这方面却又恰恰是开关磁阻电机调速系统强项，由于其转子并没有使用恒磁材料来做因此也就从根本上杜绝了上述现象。 3 SRD在纺织机械中的应用 3.1 SRD在印染行业中的应用 3.1.1 在印染后整理的过程中，为了将染整后的织物卷绕整齐，需要使用卷取装置。该装置的特点就是要在被卷取的织物位置发生偏差时进行连续纠偏。这种设备对驱动电机的要求是：必须具备宽范围无级调速；能够适应长时间连续频繁正反转，反应时间要求小于0.3秒；另外，还要求能长期在湿热的恶劣环境下工作。 国内某企业，起先采用直流伺服电机作动力。使用中发现这种电机难以适应湿、热的恶劣环境。接着他们改用国外某著名企业制造的矢量控制型变频器控制感应电机作动力，系统动态指标达到，但这种变频器价格高，而控制器又严重发热，结果在0.75KW电机上被迫选用了4KW变频器。目前采用了SRD作动力，结果收到了意想不到的良好效果，同时还解决了电机在潮湿环境里运行的问题。同理，SRD电机也是织造工序后整理验卷机的最佳动力选择。 3.1.2 在印染行业中，筒纱染色均匀性在工艺被决定了之<