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开关磁阻电动机

2013-12-23 10:50:00来源:互联网浏览: 评论:0

 


开关磁阻电动机
开关磁阻电动机

  开关磁阻电动机(Switched Reluctance Drive :SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统,是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。 英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早,并已取得显著效果,产品功率等级从数w直到数百kw,广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。

 

  我国对开关磁阻电动机调速系统的研究与试制起步于20世纪80年代末90年代初,取得了从基础理论到设计制造技术多方面的成果与进展,但产业化及应用性研究工作相对滞后。由于SRD的产业化,人们通常将其产品称为“开关磁阻调速电动机”。


  SRD系统的组成


  开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机(SRM)、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成,系统框图如图1。控制器内包含控制电路与功率变换器,而转子位置检测器则安装在>电机的一端,电动机与国产Y系列感应电动机同功率同机座号同外形。


  SRD系统各部件的结构及工作原理


  开关磁阻电动机调速系统所用的开关磁阻电动机(SRM)是SRD中实现机电能量转换的部件,也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。SRM系双凸极可变磁阻电动机,其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,径向相对的两个绕组联接起来,称为“一相”,SR电动机可以设计成多种不同相数结构,且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小,有利于减少转矩脉动,但结构复杂,且主开关器件多,成本高,目前应用较多的是四相(8/6)结构和三相(12/8)结构。


  为简单计,图中只画出A相绕组及其供电电路。SR电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”— ‘磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时,必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图2中,当定子D-D’极励磁时,1-1'向定子轴线D-D'重合的位置转动,并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置,则依次给D→A→B→C相绕组通电,转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转;反之,若依次给B→A→D→C相通电,则电动机即会沿顺时针方向转动。可见,SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组通电的顺序。另外,从图2可以看出,当主开关器件S1、S2导通时,A相绕组从直流电源US吸收电能,而当S1、S2关断时,绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通,并回馈给电源US。因此,SR电动机传动的共性特点是具有再生作用,系统效率高。

节能等一系列优点,是空调升级换代的革命性措施。但变频调速系统在运行中、低速时,机械特性通常变差,系统效率和功率因素下降明显。而变频空调系统压缩机的电动机恰恰绝大多数时间在中、低转速状态下运行,只是刚开始时是高速运转。因此,这给变频空调系统的节能优越性大大的打了个折扣。


  而开关磁阻调速电动机系统除了具有变频调速系统的一系列优点外,它具有比变频调速系统更高的电能 — 机械能转换效率,特别是在中、低转速运行时,这一优势就更加明显。这一点在此就不再赘述。


  开关磁阻电动机的发展趋势展望


  作为一种新型调速驱动系统,开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性,愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中,成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。


  美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中,SRD一般用于牵引中,例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道,美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。


  华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车,在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车,均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机,煤矿牵引及电动车辆等,取得了显著的经济效益。


  近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展,而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片(DSP)的出现,利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路,大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。


  90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来,由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产,设计和制造水平不断提高,专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来,开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展,各行各业的机械化、自动化程度越来越高,为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。


  结束语


  开关磁阻调速电动机作为最新一代无级调速系统尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段,其应用领域也在不断拓展之中。由于SRD优良的调速性能和极高的性能价格比,一旦推广普及可产生很好的经济效益和社会效益,这有待于我国从事SRD科研、开发与制造的高等院校、科研院所、企业以及为数更多的用户中的有识之士共同努力。

 

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