解決開關(guān)磁阻電動機(jī)低速脈動問題的探討

袁偉寧，王文祥

（淄博美林電子科技有限公司，山東 淄博 255000）

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解決開關(guān)磁阻電動機(jī)低速脈動問題的探討

袁偉寧，王文祥

（淄博美林電子科技有限公司，山東 淄博 255000）

摘要：介紹一種多極低速大轉(zhuǎn)矩開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)，適用于頻繁啟動、低速大轉(zhuǎn)矩、超高速運(yùn)行、頻繁正反轉(zhuǎn)的機(jī)械驅(qū)動領(lǐng)域，其包括電動機(jī)轉(zhuǎn)軸，在電動機(jī)外殼外部的電動機(jī)軸上安裝遮光盤及角度傳感器與轉(zhuǎn)子無極性凸極位置同步，并用DSP對旋轉(zhuǎn)角度與相輸出進(jìn)行信號的細(xì)化耦合運(yùn)算；在電動機(jī)的外殼內(nèi)安裝定子和轉(zhuǎn)子，可使用于交、直流場合，電動機(jī)為16/24 極開關(guān)磁阻電動機(jī)；改進(jìn)后的電動機(jī)耗能低、效率高，低速脈動降低明顯。

關(guān)鍵字：低速脈動；遮光盤；角度傳感器； DSP

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（switched reluctance motor drive），簡稱SRD，在我國起步于八十年代，經(jīng)過多年的探究，SRD已被各行各業(yè)認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于紡織、油田、化工、冶金、造紙、礦山、印刷、機(jī)床等領(lǐng)域。本文借取國內(nèi)現(xiàn)有的開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)，探討在實(shí)際應(yīng)用中的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

1 概述

開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)在控制方式上主要采取傳統(tǒng)的電流斬波控制法（CCC）、角度控制法（APC）、電壓控制法（VC）。普通開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，低速脈動嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)超低速電機(jī)。電動機(jī)轉(zhuǎn)子為凸齒形，噪聲，風(fēng)阻略大。因轉(zhuǎn)速高，配套減速機(jī)使用后極易產(chǎn)生振動等問題。

2 原理與方案

圖1所示的電動機(jī)在一般情況下為4/6極，必須與減速機(jī)配套使用才能達(dá)到使用要求，通過在電動機(jī)外殼外部的電動機(jī)軸上遮光盤及角度傳感器進(jìn)行細(xì)化通斷角度；在電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子上改變極數(shù)，其特征在于電動機(jī)為24/16極開關(guān)磁阻電動機(jī)，如圖2所示。

圖1　4/6極電機(jī)

圖2　24/16極電機(jī)

三相交流電源經(jīng)整流橋V轉(zhuǎn)換為直流電源，六個(gè)IGBT功率開關(guān)和續(xù)流二極管組成三相半橋式逆變電路，分別向電動機(jī)三相繞組供電。當(dāng)一相開關(guān)（如TA、TA′）導(dǎo)通時(shí)，經(jīng)端子（A、A′向電動機(jī)繞組（A組）通電。整個(gè)控制是每相輪流導(dǎo)通，如圖3所示。此系統(tǒng)定子的每相輪流通電，可造成定子徑向力拉動，引發(fā)定子變形并產(chǎn)生抖動和噪聲，如圖4所示。

圖3　三相交流電源

圖4　定子

通過改變定轉(zhuǎn)子極數(shù)，將每相通電的極對數(shù)增加4倍，有效降低定子徑向力的拉動，使得定子變形獲得改善，同時(shí)降低抖動和噪聲，如圖5所示。另外，在轉(zhuǎn)子凸形極的形狀上也做了進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖5　改進(jìn)后的定子

圖6　改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子

普通4/6極開關(guān)磁阻電機(jī)角度傳感器、遮光盤如圖7所示；根據(jù)改進(jìn)后16/24極開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁阻最小點(diǎn)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)滿足提取角度信號的隨機(jī)性，提高旋轉(zhuǎn)角度精確度，應(yīng)和了細(xì)化角度耦合運(yùn)算的需要，如圖8所示。

圖7　改進(jìn)前的角度傳感器、遮光盤

圖8　改進(jìn)后的角度傳感器、遮光盤

普通開關(guān)磁阻電機(jī)的控制模式（CCC）、（APC）、（VC），如圖9所示?，F(xiàn)在運(yùn)用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算功能及超強(qiáng)的運(yùn)算速度，主導(dǎo)思路，與步角進(jìn)行耦合運(yùn)算，使得旋轉(zhuǎn)步角控制更精細(xì)，控制更平滑，脈動現(xiàn)象得到了有效的遏制，如圖10所示。

圖9　原電機(jī)控制模式

圖10　現(xiàn)電機(jī)控制模式

3 應(yīng)用效果

額定轉(zhuǎn)速下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，低速運(yùn)行脈動、噪聲、定子徑向拉力現(xiàn)象明顯降低或改善。

1）超低速場合

由于電動機(jī)極數(shù)增大，轉(zhuǎn)速降低，在功率不變的情況下對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩大大提高，滿足了工作條件的需求；

不再需要減速機(jī)，避免了連接組件過多導(dǎo)致的振動等問題，提高機(jī)械整體系統(tǒng)的效率。

2）超高速場合

電動機(jī)占用空間減小，體積及重量得到有效控制，總制造成本降低，安裝大為減化。

利用開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)高效節(jié)能、調(diào)速范圍寬、啟制動性能卓越，通過參數(shù)調(diào)整，啟動轉(zhuǎn)矩能達(dá)到4.8倍額定轉(zhuǎn)矩，是牽引系統(tǒng)驅(qū)動的理想動力，在電動工具、直驅(qū)繩鋸機(jī)、電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎車、城市輕軌、列車等方面廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢凸現(xiàn)。

3）特殊要求場合

在要求電機(jī)快速正反轉(zhuǎn)的一些工業(yè)領(lǐng)域中，電動機(jī)的反應(yīng)速度≤0.3 s，電動機(jī)能長期、連續(xù)、頻繁的處于正反轉(zhuǎn)交替轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)。

電動機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子無鑄鋁、無繞組，可靠性高，能長期的在濕熱的環(huán)境中工作。此環(huán)境使用開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，能收到意想不到的良好效果。新型設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)3D解剖圖，如圖11所示。

圖11　3D解剖

4 典型案例

抽油用螺旋泵電動機(jī)是在油田廣泛使用的一種電動機(jī)，普通電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需配減速機(jī)才能使用。停機(jī)時(shí)井下螺旋力反作用力的存在可能引發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)，原12/8極電動機(jī)停機(jī)時(shí)反轉(zhuǎn)力較大，需人工剎車反復(fù)幾次才能停下，在大慶油田使用時(shí)曾因停機(jī)反轉(zhuǎn)力過大將所帶設(shè)備甩出而造成了人員傷亡事故。

改進(jìn)前的電動機(jī)通過減速器連接抽油用螺旋泵，抽油用螺旋泵連接桿下端帶鉆頭或螺旋泵，按常規(guī)方法需先將螺旋泵導(dǎo)入地下再安裝連接減速機(jī)和電動機(jī)，由此而來的空間狹小，安裝困難，組件過多易產(chǎn)生振動等問題給油田現(xiàn)場作業(yè)帶來諸多不便。如圖12所示。

圖12　螺旋泵電動機(jī)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，新設(shè)計(jì)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸采用空心軸結(jié)構(gòu)，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸可通過驅(qū)動接頭連接抽油用螺旋泵的連接桿，或與連接桿通過鍵槽結(jié)構(gòu)直接插接在一起。改進(jìn)后，由于電動機(jī)極數(shù)增大，轉(zhuǎn)速降低，在功率不變的情況下對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩大大提高，滿足工作條件需求。采用24/16極開關(guān)磁阻電動機(jī)安全性能得到了很大改善。多極低速大功率電動機(jī)比起原裝置節(jié)能20%～30%，效果顯著，如圖13所示。

圖13　多極低速大功率電動機(jī)

Discussion on Solving Low Speed Fluctuation of SRW

Yuan Weining， Wang Wenxiang
（Zibo Meilin Electronic Science and Technology Co.， Ltd.， Zibo， 255000， China）

Abstract:This paper introduces a kind of multi-pole low speed high torque switched reluctance speed regulation system， which is suitable for frequent start， low speed and high torque， high speed operation and frequent positive and reversible rotation in mechanical driving fields. The system includes a rotating motor shaft， the cover disc and the angle sensor mounted on the motor shaft on the exterior of the motor casing that are synchronized to the non-polarity salience position of the rotor， and the signal refinement coupling operation to the rotation angle and phase output by DSP. Stator and rotor mounted in the motor casing can be used in both AC and DC fields while the motor is of SRW with 16/24 poles. The improved motor is of low energy consumption， high efficiency and evident low speed fluctuation.

Keywords:Low Speed Fluctuation； Cover Disc； Angle Sensor； DSP

中圖分類號：TM930.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2796（2016）02-0018-04

［收稿日期］2016-02-08

［作者簡介］袁偉寧（1982—）大學(xué)本科，工程師，主要從事電機(jī)新產(chǎn)品的開發(fā)及推廣工作。