开关磁阻电机的复苏

控制工程 2010.3.1 开关磁阻电机、驱动器的复苏？ 控制器和仿真软件的发展有助于保持SR电机（最老式的电机种类之一）的竞争力。开关磁阻系统可采用一个简单、坚固耐用的包装，并有效发挥性能，且无需永磁体。 Frank J. Bartos, P.E. Simplest possible 1-phase SR motor (a) illustrates the switched reluctance principle. In the more practical 3-phase motor (b), energizing stator phase pair B (for position shown) produces clockwise torque; energizing phase pair C produces counter-clockwise torque. Design variations include more motor phases, stator poles, and rotor poles. 工业和商业用途的感应和永磁无刷电机的数量，证明它们已被作为完善的基础生产设施，并得到用户的认可。这就限制了SR电机的使用——该技术可在各种苛刻的用途中提供具有实用性的替代方案。虽然开关磁阻电机已存在很长时间，但需要用复杂控制器发挥优势的时间还比较短。人们对开关磁阻电机的兴趣几经波折，或许它将再次复苏。 开关磁阻技术在竞争力方面具有令人印象深刻的优势，其中包括在广泛的转速范围内具有高效率（和部分负载）、高转速功能（转速>100 krpm时采用合适的驱动器）、仅在定子中就能轻易冷却热源、在高温或振动环境下具有耐用性，以及机械结构相对简单。 为何考虑SR电机？ 艾默生电机有限公司称，对能源效率不断增长的需求，正推动原始设备制造商和最终用户考虑到感应电机的替代产品。 艾默生电机营销总监Rob Boteler说：“这些客户越来越期待开关磁阻技术，从而提供有竞争力和高效率的替代产品”。 由于开关磁阻电机不能直接在线运行，因此需要一个相关的电源转换器(驱动器）来完善开关磁阻系统。他说“由于越来越多的用途需要有可变速度，因此SR电机（成本比同等的逆变器变频电机更具竞争力）在众多用途中的可行性日益增强。” 与传统的可变速度解决方案相比，开关磁阻系统在整个负载范围内都具有高效率。Boteler继续说，“在各种用途中大量节省能源，就能在部分负载或高于或低于额定转速的情况下进行操作。” 艾默生电气公司早已认识到SR电机的重要性，并在20多年中通过其负责SR电机驱动器的部门（前身是英国SR电机驱动器有限公司）开发和使用该技术。Boteler解释说：“艾默生正在通过用于工业目的的各种平台，满足开关磁阻技术复苏的需求（面对两种速度模式）：超同步用途（转速高于3600rpm一如螺杆压缩机、鼓风机转速和高速泵——以及低用途和高扭矩区域（挤出机、输送机和送料机）。其中，SR电机在传统上会被更多的予以考虑。” 自1994年以来，Rocky Mountain科技公司(RMT) -直从事开关磁阻电机和驱动器的设计和生产，并关注业界的研发支出，以及为了特定的SR电机用途而投资进行的产品开发。RMT技术总监George Holling说：“与以前主要集中开发较小装置（马力较少的装置）不同，我们现在的开发活动范围是100 kW 至 1 MW。这是一个涉及大型SR电机的真实转变。”．RMT目前正在设计功率超过1 MW 的SR电机。用户的动机是考虑到永磁同步电机的磁性材料成本，而将SR电机作为一种替代产品，并希望能在整体效率和系统成本方面超越感应电机。 然而，开关磁阻系统必须着眼于具体用途，才能成功地与规模庞大、根基厚实的感应和永磁无刷技术进行竞争。Holling说：“我们要与太多的基础设施竞争。而收回资本，防止其进入一般市场是一个大难题。”他提到该系统在小型风力发电机中的一个新用途。在该用途中，一台7.5千瓦SR发电机（采用适当的电流进行控制）所具有的最小阻力和无齿槽性能成为优势，从而能使发电机在低风速条件下运行。据介绍，SR发电机的效率在低速时可达到或超过95.5%。耐用性 长期提供开关磁阻技术的瑞典Emotron AB公司，已注意到该技术在工业领域的需求几乎没有增加。相反，该公司却看到SR电机在需要更高容量和稳健性的OEM产品中的作用。Emotron的产品营销副总裁Per Zellman说：“我们发现开关磁阻电机和驱动器难以用于更多的独特用途。”在矿山机械这一主要用途和其他苛刻的环境中，电机需要极端速度，或能容忍无法补偿的开关磁阻电机的噪音。Zellman说：“通过减少振动和采用明智的机电设计方案，可减少电机噪音，但这样会增加产品成本。” 在低温下运行的开关磁阻电机，也能暂时在高电流下运行，从而在苛刻的用途中输出最高转矩。Zellman提到各类电机的几何形状是开关磁阻技术的另一个优势——包括形状为长圆柱形到煎饼状的各类电机。虽然高速性能已被更多人所了解，但Zellman却强调低速开关磁阻电机获得成功的一个用途。在欧洲，Emotron是有名的旋转式换热器市场领先者，其开关磁阻技术可在400 rpm的额定转速下提供解决方案，且无需变速箱。高速运转还能降低噪音，而这正是该用途的关注点。 SR驱动器是关键 在电源开关和反激式二极管电路的安排方面，SR电机驱动器（功率变换器）的拓扑不同于传统交流驱动器。对于较小的驱动器，虽然使用功率模块是一条更具成本效益的设计路线，但现成模块不能像其他电机技术那样用于SR电机。 自定义模块或其他更昂贵的设计方案被经常使用。 “将低成本功率模块用于驱动器，将是使开关磁阻系统更具竞争力的关键步骤。功率范围为1-50KW的驱动器受影响最显著，而大型驱动器则不同。生产大型驱动器时，我们在工作时要单独使用功率器件，而不是模块。器件成本与其它同样大小的驱动器相似。” SR电机驱动器工作时的开关频率，通常比交流驱动器低10倍，这是因为开关磁阻电机可在无需正弦电压或电流的情况下高效运行。艾默生称，由此带来的好处包括减少电机的谐波损耗和电子元件产生的热量、降低射频干扰和提高系统效率。Rocky Mountain科技公司的Holling还指出了SR电机驱动器的优势，引用的理由是“能输出非正弦波形的SR电机驱动器可获得高效率。”Boteler解释说，为使电机平稳地旋转，定子线圈的开启／关闭要与转子的角位置严格保持同步（见图1），这意味着相电流的电频率与转子速度有关，反之则不是。SR电机驱动器需要某种类型的转子位置反馈信息，才能精确地对电机各相之间的切换进行定时。这可能来源于一个简单的低解析度编码器，或者能通过相电流和电压估算转子位置“无传感器”方法。电机转速高时，相位切换就变得至关重要，这是因为转子的转动是出现在电流上升或衰减期间的。Boteler补充说，“有必要在速度增加时，通过增加开关角而进行补偿——这类似于内燃机中的‘真空提前’。” Intended for traction applications and rated for 2.5 kW, Rocky Mountain Technologies’ 4-phase SR motor and traction controller (for 3- and 4-phase motors) constitute an SR system. The company has built and tested SR machines up to 300 kW and speeds to 120,000 rpm. 开关磁阻电机不属于步进电机 艾默生公司称，开关磁阻电机是旨在能平稳和持续旋转的机器，这与表面相似的步进电机形成对比（其它一些来源似乎将两种电机视为同一类型）。而Emotron则对目前的开关磁阻电机不属于步进电机这一说法表示同意，这是因为相对于转子角位置，可对该电机的电流持续进行监测和控制。Emotron的专业技术包括用于开关磁阻电机的无传感器控制方法。Zellman引用了20000多台安装了已申请专利的IntraSens解决方案的开关磁阻系统，用于监测转子位置。 由于SR电机驱动器对开关角的控制和电流补偿进行了优化，因此未经补偿的开关磁阻电机的相关齿槽效应和噪声可被最小化，从而使电机平稳地旋转和输出最佳转矩。电机的机械和电磁结构必须减少噪音，当电机在常规用途中展开竞争时，这是个大问题。Holling补充说，“将电机的几何形状与适当的控制器相结合，就能显著降低电机的噪音。这是系统产生的问题。” 此外，设计工具对于处理非线性电流和转矩与开关磁阻电机之间的关系是必不可少的。Holling将SPEED软件（由英国Glasgow大学开发）作为RMT生产开关磁阻电机的重要设计。RMT采用气隙大的电机，并将有限元分析与Mathworks的MatLab-Simulink相结合，对系统进行整体优化，例如设计转速超过50,OOOrpm以上的电机。 气隙的经济性 Rocky Mountain科技公司强调，生产具有经济性的开关磁阻电机的关键，在于有设计较大的气隙，从而简化机械结构和组装。Holling说：“我们使用的整体式电机的气隙通常为20—60mil(0.5-1.5 mm)。气隙小会导致轴承磨损、转矩不平衡和噪声等问题。”这与许多气隙严密（通常为0.010-0.020英寸）的电机形成对比。 Holling通过在转子经常产生较大的侧向力时，对两种气隙的大小进行比较而进行说明。当气隙为，10 mil、转子偏移为1 mil时，转矩的不平衡性会达到20%。他说：“因此你需要非常精确的加工、装配和轴承，从而解决这些转矩不平衡情况，并仍然能使产品具有较长的使用寿命。但这意味着成本的增加。” 当气隙为40 mil、转子偏移为1 mil时，转矩的不平衡性下降到5%，问题也随之消失。Holling补充说：“我们无需使用特殊的增强措施，而且能采用正常的加工公差和标准轴承，并降低电机运行的噪音。” 由于很多的开关磁阻系统的开发工作和新措施在酝酿之中（例如，艾默生电机公司将其新型SR电机平台在北美市场上推出），因此该系统很可能会得到更广泛的应用。 整理：太乙真人 2010-11-28