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电机基本知识讲座之二

开关磁阻电机
开关磁阻电机(Switched reluctance motor,简称SR)诞生于160年前,但在一个漫长的时期里,它一直被认为是一种性能不高的电动机,故仅应用于少数小功率场所。上世纪七十年代初,美国福特电动机(Ford Motor)公司研究出最早的SR调速系统。它首先被美国人用于鱼雷驱动,上世纪八十年代才开始进入工业运用,到了九十年代逐渐引起广泛重视。
目前主要用于航空﹑机车牵引﹑矿山掘进机的驱动﹑电动汽车的驱动。进入本世纪后,开关磁阻电动机调速系统进一步在其它领域里得到应用,已经开始向民用家电方向发展,比如洗衣机和空调压缩机。正如国外专家对开关磁阻电动机调速系统的评价那样,开关磁阻电动机调速系统成为了调速系统新的里程碑。我国最早从事SR研究的是合肥工大,是应海军所需始于上世纪七十年代。到如今,清华,南航,上海交大,华中理工大,海河大学等培养了一大批SR的博士生。虽然我国在SR方面的起步比国外晚,但国产的KC,H系列(1~55KW)和SR71系列(0.25~0.75KW)产品在总体性能上已达到国外九十年代初的水平,在纺织、冶金、机械、矿山、运输、石油等行业开始应用。
随着现代计算机控制技术的发展,交流调速系统性能越来越高,在工业领域里交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。开关磁阻电动机调速系统作为交流调速系统的后起之秀,具有亚伺服系统的高性能和普通调速系统的价格,非常高的性价比,这是无刷或有刷直流电机根本无法与之比肩的。
开关磁阻电动机的特点
1.起动电流小。开关磁阻电动机只需要0.2~0.3倍额定电流就能产生1.5~2倍的额定起动转矩。而无论是有刷还是无刷直流电机,都需要1.5~2倍的额定电流才能得到1.5~2倍的额定启动转矩。换而言之,同功率的电机要达到同样的起动转矩,直流电机的起动电流将是开关磁阻电动机的5~10倍。
2.运行效率高。开关磁阻电动机在1:50的调速范围和1:5的转矩变化范围内均能保证高效率;而直流电机只能在高速轻载下才能保证高效率,而且高效区很窄。对于电动自行车这样的变速度﹑变转矩工况,开关磁阻电动机的平均效率将比有刷和无刷直流电机的效率高出15~30%。
3.系统安全可靠﹑寿命长。开关磁阻电动机既无易损的整流子机械结构也无性能不稳定的永磁铁,不论是寿命还是运行稳定性,开关磁阻电动机都远远高于有刷和无刷直流电机。开关磁阻电动机具有四象限运行对称的特性,在不需要增加任何硬件的情况下,就能实现电动自行车的能量再生制动,这不仅增加了电动自行车的行车安全性,也同时提高了电池的利用效率率。
4.过载能力强。由于开关磁阻电动机的工作磁场不同于有刷和无刷直流电机,不呈交变,因此发热很小,即所谓的冷转子,再加之没有热性能差的永磁铁,因此,开关磁阻电动机有着有刷和无刷直流电机无可比拟的过载能力,在短时间里,开关磁阻电动机允许过载2~3倍,使得其性能接近汽油发动机,这也是欧美等国将开关磁阻电动机用于电动车辆的主要原因之一。
5.系统性价比高。开关磁阻电动机系统属于机电一体化产品,其控制性能主要由计算机软件实现,因此,其控制器的价格只比无刷直流电机控制器高30%左右,而开关磁阻电动机省掉了价格昂贵的稀土永磁铁,并且制造工艺相比无刷直流电机简单,开关磁阻电动机的价格应比无刷电动机的价格低15%左右。因此,开关磁阻轮毂电机系统价格(轮毂电机加控制器的价格)应与无刷直流轮毂电机系统的价格相当,即开关磁阻电动机系统具有很高的性价比。

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