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| 開關(guān)磁阻電機(jī)的前景 |
| 內(nèi)容簡介：華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 |
開關(guān)磁阻電機(jī)是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術(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)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn)，成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力的競爭者，引起各國學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。跨國電機(jī)公司Emerson電氣公司還將開關(guān)磁阻電機(jī)視為其下世紀(jì)調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。目前開關(guān)磁阻電機(jī)已廣泛或開始應(yīng)用于工業(yè)、航空業(yè)和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
1970年，英國Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)研究小組首創(chuàng)一個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor, SRM）雛形，這是關(guān)于開關(guān)磁阻電機(jī)最早的研究。1972年，進(jìn)一步對帶半導(dǎo)體開關(guān)的小功率電動機(jī)（10w～1kw）進(jìn)行了研究。到了1975年有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)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(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動裝置有限公司（SRD Ltd.），專門進(jìn)行SRD系統(tǒng)的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)。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(yùn)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(biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或超過了工業(yè)中長期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動系統(tǒng)。
從上世紀(jì)90年代國際會議的上有關(guān)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(diǎn)、開發(fā)應(yīng)用階段進(jìn)入到設(shè)計(jì)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)研究階段。對SR電機(jī)、控制器、功率變換器等的運(yùn)行理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了更加深入的研究。
二、原理簡介及優(yōu)越性簡介
開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)（SRD）是較為復(fù)雜的機(jī)電一體化裝置，SRD的運(yùn)行需要在線實(shí)時(shí)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(biāo)綜合這些信息給出控制指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制及保護(hù)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(guān)器件正確進(jìn)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(guān)磁阻電機(jī)具有再生的能力，系統(tǒng)效率高。對開關(guān)磁阻電機(jī)的理論研究和實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：
（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)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(qiáng)振動環(huán)境。
（2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)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(guān)，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(yīng)電動機(jī)在起動時(shí)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(shí)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(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動能力。
（9）容錯(cuò)能力強(qiáng)。開關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)體現(xiàn)在電機(jī)某一相損壞，電機(jī)照樣可以運(yùn)行。
與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的變頻調(diào)速感應(yīng)電動機(jī)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)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(guān)磁阻電機(jī)（1983年研制）在小功率范圍的效率比高效變頻調(diào)速感應(yīng)電動機(jī)低，第二代開關(guān)磁阻電機(jī)（1988年研制）的效率已全面超過了高效變頻調(diào)速感應(yīng)電動機(jī)。更難得的是，開關(guān)磁阻電機(jī)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(yīng)電動機(jī)難以比擬的。感應(yīng)電動機(jī)要取得與直流電機(jī)相近的調(diào)速特性需采用復(fù)雜的矢量控制系統(tǒng)，而開關(guān)磁阻電機(jī)通過調(diào)整開通角、關(guān)斷角、電壓和電流，可以得到不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，控制簡單、靈活，能容易地實(shí)現(xiàn)軟啟動和四象限運(yùn)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(jī)工作特性滿足不同應(yīng)用要求。
由于開關(guān)磁阻電機(jī)固有的轉(zhuǎn)矩波動，可能導(dǎo)致較大的噪聲和振動，事實(shí)上這種情況的發(fā)生往往與電機(jī)設(shè)計(jì)和控制的不合理相關(guān)，通過優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)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(rèn)識到這一點(diǎn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用是很重要的。SRD Ltd.公司開發(fā)的伺服應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)矩波動僅為0.05%。近年研究的最優(yōu)勵(lì)磁控制策略、兩次換流控制策略、電機(jī)噪聲根源、定子振動模態(tài)、定子固有頻率計(jì)算等成果對降低電機(jī)噪聲都有積極的促進(jìn)作用。隨著設(shè)計(jì)和制造水平的提高，噪聲必將進(jìn)一步降低。
三、開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用
近年來，開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步，已成功地應(yīng)用于電動車驅(qū)動、通用工業(yè)、家用電器和紡織機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，功率范圍從10W到5MW，最大速度高達(dá)100000 r/min。
3.1 電動車應(yīng)用
開關(guān)磁阻電機(jī)最初的應(yīng)用領(lǐng)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(jī)主要有永磁無刷及永磁有刷兩種，然而采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動有其獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)高能量密度和系統(tǒng)效率為關(guān)鍵指標(biāo)時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)變?yōu)槭走x對象。
SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊牢固，適合于高速運(yùn)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(shí)現(xiàn)四象限控制。這些特點(diǎn)使SRD開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很適合電動車輛的各種工況下運(yùn)行，是電動車輛中極具有潛力的機(jī)種。SRD的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動大，噪聲大；此外，相對永磁電機(jī)而言，功率密度和效率偏低；另一個(gè)缺點(diǎn)是要使用位置傳感器，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)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(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）開關(guān)磁阻電機(jī)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(dá)到的。這種特性對電動車的運(yùn)行情況尤為適合，有利于提高電動車的續(xù)駛里程。
（2）開關(guān)磁阻電機(jī)很容易通過采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)滿足電動車四象限運(yùn)行的要求，并且還能在高速運(yùn)行區(qū)域保持強(qiáng)有力的制動能力。
（3）開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)體積和重量。
（4）通過調(diào)整開通角和關(guān)斷角，開關(guān)磁阻電機(jī)完全可以達(dá)到它激直流電機(jī)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(yùn)行特性的要求。
（5）開關(guān)磁阻電機(jī)無論電機(jī)還是功率變換器都十分堅(jiān)固可靠，無需或很少需要維護(hù)，適用于各種惡劣、高溫環(huán)境，具有良好的適應(yīng)性。
3.2 紡織工業(yè)應(yīng)用
近十多年來我國紡織機(jī)械行業(yè)的機(jī)電一體化水平有了較明顯的提高，在新型紡織機(jī)械上普遍采用了機(jī)電一體化技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)容包含了先進(jìn)的信息處理和控制技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)為核心，有PLC、工控機(jī)、單片機(jī)、人機(jī)界面、現(xiàn)場總線等組成的控制系統(tǒng)；先進(jìn)的驅(qū)動技術(shù)，有變頻調(diào)速，交流伺服，步進(jìn)電機(jī)等；檢測傳感技術(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；精密機(jī)械技術(shù)等。棉紡織設(shè)備較有代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品，例如新型的粗紗機(jī)、分條整經(jīng)機(jī)、漿紗機(jī)等。其中，
無梭織機(jī)的主傳動技術(shù)也有了新的突破：采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為無梭織機(jī)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(jī)，節(jié)能10%等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)已有開關(guān)磁阻電機(jī)和驅(qū)動器的產(chǎn)品（北京中紡機(jī)電研究所），目前還在與無梭織機(jī)主機(jī)廠合作，共同開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，希望能盡快取得成功，填補(bǔ)國內(nèi)空白。
3.3 焦炭工業(yè)應(yīng)用
開關(guān)磁阻電機(jī)（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(hù)簡單，特別適用于礦井輸送機(jī)、電牽引采煤機(jī)及中小型絞車等。
90年代英國已研制成功300kW的開關(guān)磁阻電機(jī)，用于刮板輸送機(jī)，效果很好。我國已研制成功110kW的開關(guān)磁阻電機(jī)用于矸石山絞車 、132kW的開關(guān)磁阻電機(jī)用于帶式輸送機(jī)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(guān)磁阻電機(jī)用于電牽引采煤機(jī)牽引，運(yùn)行試驗(yàn)表明新型采煤機(jī)性能良好。此外還成功地將開關(guān)磁阻電機(jī)用于電機(jī)車，提高了電機(jī)車運(yùn)行的可靠性和效率。
3.4 家電行業(yè)應(yīng)用
隨著人們生活水平的提高，洗衣機(jī)已逐漸深入千家萬戶，洗衣機(jī)也經(jīng)歷了手動機(jī)械洗衣機(jī)、半自動洗衣機(jī)、全自動洗衣機(jī)的發(fā)展過程，并不斷智能化。洗衣機(jī)電機(jī)也由簡單的有級調(diào)速電機(jī)發(fā)展為無級調(diào)速電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)由于低成本、高性能、智能化已開始應(yīng)用于洗衣機(jī)，在美國高檔洗衣機(jī)中已小批量采用，并取得明顯的優(yōu)點(diǎn)：
（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(jī)。
（5）軟起動。
（6）電流限幅。
（7）最大速度高，低速轉(zhuǎn)矩大。
（8）機(jī)械特性易調(diào)整。
（9）對水溫、水流等易于智能控制。
四、開關(guān)磁阻電機(jī)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(guān)磁阻電機(jī)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(rèn)可和應(yīng)用。目前已成功應(yīng)用于在電動車用驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動、航空航天等眾多領(lǐng)域中，成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)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(yīng)用中，SRD一般用于牽引中，例如電瓶車和電動汽車。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長的方向。據(jù)報(bào)道，美國為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機(jī)。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國中、小型電機(jī)“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。
華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動轎車，在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動力城市公交車，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動車輛等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來功率電子技術(shù),數(shù)字信號處理技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，而且隨著智能技術(shù)的不斷成熟及高速高效低價(jià)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(fù)雜算法的間接位置檢測技術(shù),無需附加外部硬件電路，大大提高了開關(guān)磁阻電機(jī)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(jìn)一步以計(jì)算機(jī)控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉庫、機(jī)器人進(jìn)行裝配等組合起來，由計(jì)算機(jī)控制材料、部件的供應(yīng)管理、達(dá)到全廠高效率、高質(zhì)量的全自動化均衡生產(chǎn)，設(shè)計(jì)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(guān)磁阻電機(jī)性能和適用性不斷增強(qiáng)。隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，各行各業(yè)的機(jī)械化、自動化程度越來越高，為開關(guān)磁阻電機(jī)提供了巨大的潛在市場。
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由于電動汽車產(chǎn)銷的快速增長，電機(jī)及電控系統(tǒng)的需求也快速增長。據(jù)推算，如2015 年新能源汽車銷量達(dá)到20萬輛，預(yù)計(jì)2015年全年電機(jī)及電控系統(tǒng)需求將達(dá)20 萬套，同比增加156%。
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據(jù)電機(jī)市場發(fā)展趨勢研究報(bào)告顯示，在全球降低能耗的背景下，高效節(jié)能電機(jī)成為全球電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識。美國、加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞和新西蘭等國家都相繼制定了電動機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)與能效標(biāo)識制度，明確了電機(jī)節(jié)能與效率提高的時(shí)間表、執(zhí)行方式與實(shí)施范圍。
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