開關(guān)磁阻電機在高速劍桿織機中的應(yīng)用

王英輝

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450001）

高速劍桿織機作為一種智能、先進的織機，具有性能良好、加工效率高、維護成本低等特點，在織造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機的出現(xiàn)和應(yīng)用，在提升高速劍桿織機的電氣自動化控制水平，簡化高速劍桿織機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)，保證織機生產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面發(fā)揮了重要作用。因此，為了進一步提升高速劍桿織機的運行性能和應(yīng)用價值，如何將開關(guān)磁阻電機科學(xué)地應(yīng)用于高速劍桿織機中是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 高速劍桿織機主軸驅(qū)動對電機的要求

高速劍桿織機因織造工藝的特殊性，要求主軸運轉(zhuǎn)有嚴(yán)格的啟停角，以避免停機后再開機造成開車痕。普通劍桿織機多采用離合器間接傳動的方式驅(qū)動主軸，并配合機械抱閘制動，但是離合器和剎車片的磨損會使啟停性能逐漸降低，對于車速較慢的織機，只需要定期更換維修。但是，高轉(zhuǎn)速織機的消耗是巨大的。另外，改變車速也只能通過調(diào)節(jié)皮帶輪來實現(xiàn)，尋緯還需要另外配備電機等，而開關(guān)磁阻電機作為世界上公認最簡潔的主傳動，整機無一根皮帶，也沒有離合器等易磨損零件，可實現(xiàn)線變速和每一緯變速等，性能優(yōu)越，很適合作為高速劍桿織機的驅(qū)動源。

2 開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)與特點

2.1 開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機含有定子和轉(zhuǎn)子兩個組成部分，屬于一種雙凸型結(jié)構(gòu)。該電機用到的系統(tǒng)是開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)主要由以下部分組成：控制器、功率變換器、開關(guān)磁阻電機和位置檢測器等。其中，功率變換器作為開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于能量的交換；位置檢測器的主要功能是精準(zhǔn)地確定開關(guān)磁阻電機定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，然后針對位置信號，實現(xiàn)對電機的自動化控制[2]；電流檢測主要負責(zé)向電機繞組內(nèi)傳輸母線電壓信息和電流信息；控制器作為開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的控制中樞，綜合、集中處理電流傳感器所反饋的信息。同時，根據(jù)采集到的信息數(shù)據(jù)，采用閉環(huán)控制的方式，完成對開關(guān)磁阻電機的自動化控制和管理?？傊?，將開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)、科學(xué)地應(yīng)用于高速劍桿織機中，不僅符合高速劍桿織機的相關(guān)要求，還能充分發(fā)揮和利用該電機啟動轉(zhuǎn)矩大、制動轉(zhuǎn)矩大以及調(diào)速范圍廣等性能，為進一步提升高速劍桿織機的使用性能，保證產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性提供重要的平臺支持。

2.2 開關(guān)磁阻電機的特點

與傳統(tǒng)的交流電機調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機具有以下特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，無需對其加以特殊維護；（2）當(dāng)電機調(diào)速范圍比較廣時，仍能始終保持高效、良好的運行性能；（3）啟動電流比較小，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，同時，啟動轉(zhuǎn)矩比較大，完全符合重載啟動需求；（4）可以頻繁進行正反轉(zhuǎn)操作，調(diào)速范圍比較廣，具有強大的串級電機特性；（5）制動性能良好，不僅可以保證再生制動效率和效果[3]，還能取得顯著的節(jié)能效果；（6）內(nèi)部無刷結(jié)構(gòu)，即使在易燃、易爆、高粉塵的環(huán)境下，也能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運行。通過綜合分析開關(guān)磁阻電機的功率因數(shù)、調(diào)速范圍、制動性能等因素不難發(fā)現(xiàn)，將開關(guān)磁阻電機應(yīng)用于高速劍桿織機主軸驅(qū)動具有很高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性，不僅完全符合布面均勻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[4]，還能起到節(jié)能降耗的作用，為進一步提高織機的檔次和加工質(zhì)量創(chuàng)造良好的條件。

3 高速劍桿織機用開關(guān)磁阻電機的實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)高速劍桿織機對主軸驅(qū)動電機的要求，研究設(shè)計一款功能完善、實用性強的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)，對該織機性能進行一系列實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析和研究。

3.1 調(diào)速性能

為了進一步提升高速劍桿織機的運行性能和節(jié)能效果，現(xiàn)針對高速劍桿織機的使用需求，根據(jù)開關(guān)磁阻電機的技術(shù)指標(biāo)（電機調(diào)速范圍為50~2 000 r/min、額定功率為6 kW、額定轉(zhuǎn)距為38.2 N·m、響應(yīng)速度為0.1 s、轉(zhuǎn)速精度為10%），完成對開關(guān)磁阻電機的設(shè)計[5]，以滿足高速劍桿織機主軸驅(qū)動電機的要求。

3.2 啟動能力

由于高速劍桿織機對主軸驅(qū)動電機的過載能力提出了更高的要求，對開關(guān)磁阻電機的啟動轉(zhuǎn)矩進行專門設(shè)計和定量測試很有必要。首先，為了簡化開關(guān)磁阻電機啟動特性測量流程，現(xiàn)利用飛輪慣量負載，精確測量出開關(guān)磁阻電機在不同時刻下所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速值，為計算和總結(jié)啟動轉(zhuǎn)矩相關(guān)特性提供重要的依據(jù)和參考。其次，還要科學(xué)控制其他實驗條件，如將負載轉(zhuǎn)矩和電機實測轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置為0.057 kg·m2。通過測量幾組電機啟動過程中轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)出電機的升速規(guī)律，然后采用線性化處理方式，選取兩個具有代表性的數(shù)據(jù)點，計算出開關(guān)磁阻電機在啟動過程中所獲得的最大功率值和轉(zhuǎn)矩。電機的最大功率值、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表1所示。

表1 電機最大功率值、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，開關(guān)磁阻電機的過載能力較高，完全滿足高速劍桿織機的啟動需求，同時，也完全符合額定轉(zhuǎn)速點的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。此外，當(dāng)開關(guān)磁阻電機的啟動動力達到一定值時，對于高速劍桿織機而言，在負載轉(zhuǎn)動慣量這一因素的影響下，開關(guān)磁阻電機的啟動時間和旋轉(zhuǎn)角度受到顯著影響，因此，在對高速劍桿織機內(nèi)部機械進行設(shè)計的過程中，要盡可能地降低高速劍桿織機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，以減少高速劍桿織機實際所需的電機容量，并降低開關(guān)磁阻電機的使用成本和維修成本。

3.3 慢速定位精度

開關(guān)磁阻電機在具體的設(shè)計中，使用四相8/6極電機，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)步距角達到了15°，采用了提高減速比的方式，因此，完全滿足高速劍桿織機小于3的定位精度需求?？傊?，通過分析實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，將開關(guān)磁阻電機納入高速劍桿織機的設(shè)計方案具有非常高的可行性和有效性，不僅簡化了高速劍桿織機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證了高速劍桿織機的運行性能和節(jié)能效果，也為后期更好地推廣和普及高速劍桿織機創(chuàng)造了良好的條件。因此，將開關(guān)磁阻電機用于高速劍桿織機具有非常高的經(jīng)濟可行性和技術(shù)可行性，將開關(guān)磁阻電機與高速劍桿織機改造設(shè)計進行充分結(jié)合，提高相關(guān)企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益，為進一步提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，促進高速劍桿織機的健康、可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極的作用。

4 應(yīng)用實例

某紡織公司利用開關(guān)磁阻電機對高速劍桿織機進行了節(jié)能改造和設(shè)計，高速劍桿織機節(jié)能改造前后對比如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在滿足織機生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，利用開關(guān)磁阻電機代替高速劍桿織機內(nèi)部三相異步電機，獲得的節(jié)電率達到了33.3%。由此可見，開關(guān)磁阻電機在高速劍桿織機中具有非常高的應(yīng)用價值，為提升高速劍桿織機的節(jié)能效果和運行性能創(chuàng)造了良好的條件。

表2 高速劍桿織機節(jié)能改造前后對比

5 結(jié)語

通過分析和研究開關(guān)磁阻電機用于高速劍桿織機主軸驅(qū)動的實驗，得出結(jié)論：（1）將開關(guān)磁阻電機應(yīng)用于高速劍桿織機中具有重要意義，不僅可以實現(xiàn)對高速劍桿織機內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)的簡化，還能進一步提升高速劍桿織機的運行性能，減少高速劍桿織機的維修成本。如根據(jù)緯紗強度、硬度、粗細等相關(guān)參數(shù)，可以實現(xiàn)對車速的自動化調(diào)整和控制，為進一步提升高速劍桿織機的生產(chǎn)效率和效果打下堅實的基礎(chǔ)。（2）開關(guān)磁阻電機完全符合高速劍桿織機對主軸驅(qū)動電機的相關(guān)要求，在提高織機檔次和加工質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。