解决开关磁阻电动机低速脉动问题的探讨

袁伟宁，王文祥

（淄博美林电子科技有限公司，山东 淄博 255000）



解决开关磁阻电动机低速脉动问题的探讨

袁伟宁，王文祥

（淄博美林电子科技有限公司，山东 淄博 255000）

摘要：介绍一种多极低速大转矩开关磁阻调速系统，适用于频繁启动、低速大转矩、超高速运行、频繁正反转的机械驱动领域，其包括电动机转轴，在电动机外壳外部的电动机轴上安装遮光盘及角度传感器与转子无极性凸极位置同步，并用DSP对旋转角度与相输出进行信号的细化耦合运算；在电动机的外壳内安装定子和转子，可使用于交、直流场合，电动机为16/24 极开关磁阻电动机；改进后的电动机耗能低、效率高，低速脉动降低明显。

关键字：低速脉动；遮光盘；角度传感器； DSP

0 引言

开关磁阻电机调速系统（switched reluctance motor drive），简称SRD，在我国起步于八十年代，经过多年的探究，SRD已被各行各业认可，广泛应用于纺织、油田、化工、冶金、造纸、矿山、印刷、机床等领域。本文借取国内现有的开关磁阻电动机调速系统的控制技术，探讨在实际应用中的最优设计。

1 概述

开关磁阻调速系统在控制方式上主要采取传统的电流斩波控制法（CCC）、角度控制法（APC）、电压控制法（VC）。普通开关磁阻电动机转速较高，低速脉动严重，无法实现设计超低速电机。电动机转子为凸齿形，噪声，风阻略大。因转速高，配套减速机使用后极易产生振动等问题。

2 原理与方案

图1所示的电动机在一般情况下为4/6极，必须与减速机配套使用才能达到使用要求，通过在电动机外壳外部的电动机轴上遮光盘及角度传感器进行细化通断角度；在电机的定、转子上改变极数，其特征在于电动机为24/16极开关磁阻电动机，如图2所示。

图1　4/6极电机

图2　24/16极电机

三相交流电源经整流桥V转换为直流电源，六个IGBT功率开关和续流二极管组成三相半桥式逆变电路，分别向电动机三相绕组供电。当一相开关（如TA、TA′）导通时，经端子（A、A′向电动机绕组（A组）通电。整个控制是每相轮流导通，如图3所示。此系统定子的每相轮流通电，可造成定子径向力拉动，引发定子变形并产生抖动和噪声，如图4所示。

图3　三相交流电源

图4　定子

通过改变定转子极数，将每相通电的极对数增加4倍，有效降低定子径向力的拉动，使得定子变形获得改善，同时降低抖动和噪声，如图5所示。另外，在转子凸形极的形状上也做了进一步的改进设计，如图6所示。

图5　改进后的定子

图6　改进后的转子

普通4/6极开关磁阻电机角度传感器、遮光盘如图7所示；根据改进后16/24极开关磁阻电机定转子磁阻最小点，进行整体设计满足提取角度信号的随机性，提高旋转角度精确度，应和了细化角度耦合运算的需要，如图8所示。

图7　改进前的角度传感器、遮光盘

图8　改进后的角度传感器、遮光盘

普通开关磁阻电机的控制模式（CCC）、（APC）、（VC），如图9所示。现在运用DSP的强大运算功能及超强的运算速度，主导思路，与步角进行耦合运算，使得旋转步角控制更精细，控制更平滑，脉动现象得到了有效的遏制，如图10所示。

图9　原电机控制模式

图10　现电机控制模式

3 应用效果

额定转速下恒转矩运行，低速运行脉动、噪声、定子径向拉力现象明显降低或改善。

1）超低速场合

由于电动机极数增大，转速降低，在功率不变的情况下对应的转矩大大提高，满足了工作条件的需求；

不再需要减速机，避免了连接组件过多导致的振动等问题，提高机械整体系统的效率。

2）超高速场合

电动机占用空间减小，体积及重量得到有效控制，总制造成本降低，安装大为减化。

利用开关磁阻电动机调速系统高效节能、调速范围宽、启制动性能卓越，通过参数调整，启动转矩能达到4.8倍额定转矩，是牵引系统驱动的理想动力，在电动工具、直驱绳锯机、电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿车、城市轻轨、列车等方面广泛应用，优势凸现。

3）特殊要求场合

在要求电机快速正反转的一些工业领域中，电动机的反应速度≤0.3 s，电动机能长期、连续、频繁的处于正反转交替转换的工作状态。

电动机整体结构简单，转子无铸铝、无绕组，可靠性高，能长期的在湿热的环境中工作。此环境使用开关磁阻电动机调速系统，能收到意想不到的良好效果。新型设计的开关磁阻电机3D解剖图，如图11所示。

图11　3D解剖

4 典型案例

抽油用螺旋泵电动机是在油田广泛使用的一种电动机，普通电动机转速较高，需配减速机才能使用。停机时井下螺旋力反作用力的存在可能引发电机反转，原12/8极电动机停机时反转力较大，需人工刹车反复几次才能停下，在大庆油田使用时曾因停机反转力过大将所带设备甩出而造成了人员伤亡事故。

改进前的电动机通过减速器连接抽油用螺旋泵，抽油用螺旋泵连接杆下端带钻头或螺旋泵，按常规方法需先将螺旋泵导入地下再安装连接减速机和电动机，由此而来的空间狭小，安装困难，组件过多易产生振动等问题给油田现场作业带来诸多不便。如图12所示。

图12　螺旋泵电动机

与现有技术相比，新设计系统电动机转轴采用空心轴结构，电动机转轴可通过驱动接头连接抽油用螺旋泵的连接杆，或与连接杆通过键槽结构直接插接在一起。改进后，由于电动机极数增大，转速降低，在功率不变的情况下对应的转矩大大提高，满足工作条件需求。采用24/16极开关磁阻电动机安全性能得到了很大改善。多极低速大功率电动机比起原装置节能20%～30%，效果显著，如图13所示。

图13　多极低速大功率电动机

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

中图分类号：TM930.1

文献标识码：A

文章编号：1674-2796（2016）02-0018-04

［收稿日期］2016-02-08

［作者简介］袁伟宁（1982—）大学本科，工程师，主要从事电机新产品的开发及推广工作。