各种电机前途分析

 

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。
通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制策略。
两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。
最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。

《永磁无刷直流电机技术》着重对永磁无刷直流电机与控制技术的主要问题进行较深入的研究分析和介绍，包括无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较；无刷直流电机数学模型；计及绕组电感的特性与参数计算方法；分数槽集中绕组和多相绕组；不同相数绕组连接和导通方式的分析与比较；气隙磁通密度的计算；反电动势波形和反电动势计算；霍尔传感器位置分布规律分析和确定方法；无刷直流电机设计要素的选择；主要尺寸基本关系式考虑电感影响的修正；由粘性阻尼系数确定电机主要尺寸的方法；整数槽和分数槽绕组无刷直流电机的电枢反应；转矩波动及其抑制方法；齿槽转矩及其削弱方法；无刷直流电机基本控制技术；无传感器控制技术；低成本正弦波控制技术；单相无刷直流电机与控制等。《永磁无刷直流电机技术》同时综合介绍国内外无刷直流电机与控制技术最新进展动态和研究成果。每章后附有相关参考文献，便于读者跟踪和进一步深入研究。

一、开关磁阻电机发展简介 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司（SRD Ltd.），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。 二、原理简介及优越性简介 开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是较为复杂的机电一体化装置，SRD的运行需要在线实时检测的反馈量一般有转子位置、速度及电流等，然后根据控制目标综合这些信息给出控制指令，实现运行控制及保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供了速度反馈信号。 开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的优点： （1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。 （3）转矩方向与电流方向无关，从而可最大限度简化功率变换器，降低系统成本。 （4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5）起动转矩大，低速性能好，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩－速度特性。 （7）在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （8）能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 （9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏，电机照样可以运行。 与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力。 如果说第一代开关磁阻电机（1983年研制）在小功率范围的效率比高效变频调速感应电动机低，第二代开关磁阻电机（1988年研制）的效率已全面超过了高效变频调速感应电动机。更难得的是，开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。 由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制，正确认识到这一点对开关磁阻电机的开发和应用是很重要的。SRD Ltd.公司开发的伺服应用开关磁阻电机，转矩波动仅为0.05%。近年研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果对降低电机噪声都有积极的促进作用。随着设计和制造水平的提高，噪声必将进一步降低。 三、开关磁阻电机的应用 近年来，开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W到5MW，最大速度高达100000 r/min。 3.1 电动车应用 开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。 SRD开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。其优点主要表现在以下几个方面： （1）开关磁阻电机不仅效率高，而且在很宽的功率和转速范围内都能保持高效率，这是其它类型驱动系统难以达到的。这种特性对电动车的运行情况尤为适合，有利于提高电动车的续驶里程。 （2）开关磁阻电机很容易通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的要求，并且还能在高速运行区域保持强有力的制动能力。 （3）开关磁阻电机有很好的散热特性，从而能以小的体积取得较大的输出功率，减小电机体积和重量。 （4）通过调整开通角和关断角，开关磁阻电机完全可以达到它激直流电机驱动系统良好的控制特性，而且这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，从而能通过重新编程或替换电路元件，方便地满足不同运行特性的要求。 （5）开关磁阻电机无论电机还是功率变换器都十分坚固可靠，无需或很少需要维护，适用于各种恶劣、高温环境，具有良好的适应性。 3.2 纺织工业应用 近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统；先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等；检测传感技术和执行机构；精密机械技术等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗纱机、分条整经机、浆纱机等。其中， 无梭织机的主传动技术也有了新的突破：采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动带来许多好处，减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘，不用电磁离合器和刹车盘，不用寻纬电机，节能10%等优点，国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品（北京中纺机电研究所），目前还在与无梭织机主机厂合作，共同开发应用技术，希望能尽快取得成功，填补国内空白。 3.3 焦炭工业应用 开关磁阻电机（SRD）因其起动力矩大、 起动电流小，可以频繁重载起动，无需其它的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。 90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机，用于刮板输送机，效果很好。我国已研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车 、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。 我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。 3.4 家电行业应用 随着人们生活水平的提高，洗衣机已逐渐深入千家万户，洗衣机也经历了手动机械洗衣机、半自动洗衣机、全自动洗衣机的发展过程，并不断智能化。洗衣机电机也由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机，在美国高档洗衣机中已小批量采用，并取得明显的优点： （1）很低的洗涤速度。 （2）良好的衣物分布性。 （3）滚筒平衡性好。 （4）快速安全停机。 （5）软起动。 （6）电流限幅。 （7）最大速度高，低速转矩大。 （8）机械特性易调整。 （9）对水温、水流等易于智能控制。 四、开关磁阻电机的发展趋势展望 作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。 美国、加拿大、南斯拉夫、埃及等国家都开展了SRD系统的研制工作。在国外的应用中，SRD一般用于牵引中，例如电瓶车和电动汽车。同时高速性能是SRD的一个特长的方向。据报道，美国为空间技术研制了一个25000r/min、90kW的高速SRD样机。SRD系统的研究已被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”和“十五”科研规划项目。 华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。 近年来功率电子技术,数字信号处理技术和控制技术的快速发展，而且随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现，利用高性能DSP开发各种复杂算法的间接位置检测技术,无需附加外部硬件电路，大大提高了开关磁阻电机检测的可靠性和适用性,必将更大限度地显示SRD的优越性。 90年代进一步以计算机控制的柔性制造系统、主体仓库、机器人进行装配等组合起来，由计算机控制材料、部件的供应管理、达到全厂高效率、高质量的全自动化均衡生产，设计和制造水平不断提高，专用控制芯片和集成功率器件不断被开发出来，开关磁阻电机性能和适用性不断增强。随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，为开关磁阻电机提供了巨大的潜在市场。