SR汽车、驱动器的复苏?
控制和仿真软件的进步帮助开关磁阻(SR)电机——最古老的电机类型之一——保持竞争力。SR系统在没有永久磁铁的简单，坚固的包装中提供高效的性能。
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在工业和商业应用中工作的感应和无刷永磁(PM)电机的绝对数量证明了其完善的制造基础设施和用户接受度。这限制了开关磁阻(SR)电机的广泛使用，该技术为各种苛刻的应用提供了实用的替代方案。SR电机已经存在了很长时间，但利用其优势所需的复杂控制的历史较短。SR电机经历了一波又一波的兴趣，也许一个新的复苏是在手边。
SR技术有望在竞争中获得一系列令人印象深刻的优势。其中包括在宽速度范围内(和部分负载)的高效率，高速能力(>100 krpm，配有适当的驱动器)，仅在定子中使用热源即可轻松冷却，高温或振动环境的坚固性以及相对简单的机械结构(参见“SR电机解剖”在线)。
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最简单的单相SR电机(a)说明了开关磁阻原理。在更实用的三相电机(b)中，给定子相对b通电(如图所示位置)产生顺时针转矩;使相对C通电产生逆时针转矩。设计变化包括更多的电机相位，定子极和转子极。
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为什么要考虑SR?
艾默生汽车公司的市场总监Rob Boteler表示:“这些客户越来越希望SR技术能够提供一种具有竞争力且高效的替代方案。”
SR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)来完成SR系统。他表示:“随着越来越多的应用转向变速，SR选择在越来越多的应用中变得可行，因为它的成本与等效的逆变感应电机相比具有竞争力。”
与传统的变速解决方案相比，SR系统在整个负载范围内都具有很高的效率。“在部分负载或高于或低于额定速度的情况下，大量的能源节约可以实现。”
Boteler解释说，艾默生电气公司早就认识到SR的重要性，并通过其SR驱动器部门(前身为英国的SR驱动器有限公司)开发和应用了这项技术超过20年。“艾默生为满足当前对SR技术的需求，推出了多种工业平台，旨在满足两种速度模式:超同步应用(远高于3600转/分)，如螺杆压缩机、鼓风机和高速泵，以及低速、高扭矩领域(挤出机、输送机和给料机)，在这些领域，SR通常被更多地考虑。”
落基山技术公司(RMT)是一家自1994年以来设计和制造SR电机和驱动器的公司，注意到大量的工业研发支出和资金充足的产品开发用于特定的SR应用。RMT技术总监George Holling表示:“与过去主要集中在小型机组(分数到低积分马力)上的发展不同，我们现在看到了100千瓦到1兆瓦范围内的活动。”“这种涉及更大SR机器的重大转变是真实存在的。”RMT目前正在设计额定功率超过1mw的SR机器。他指出，用户将SR作为替代方案的动机来自于对永磁同步电机磁铁材料成本的担忧，以及为了整体效率和系统成本而放弃感应电机的愿望。
然而，SR系统必须专注于特定的应用，以成功地与感应和无刷永磁技术的巨大安装基础竞争。“有太多的基础设施需要战斗;从普通市场收回投资是一个巨大的挑战，”霍林说。他提到了一个在小型风力涡轮机上的新应用，在这种情况下，7.5 kW SR发电机的最小阻力和无齿槽性能(具有适当的电流控制)变得有利，可以在低风条件下运行。据报道，SR发电机的效率达到95.5%，或更高，在低速。
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用于牵引应用，额定功率为2.5 kW, Rocky Mountain Technologies的4相SR电机和牵引控制器(用于3相和4相电机)构成了一个SR系统。该公司已经建造并测试了最高300千瓦，速度可达120,000转的SR机器。 |
对于繁重的任务
瑞典公司Emotron AB是SR技术的长期供应商，它注意到工业领域的需求几乎没有增加。相反，Emotron看到SR在OEM产品中的作用，用于需要更高产量和坚固性的应用。Emotron产品营销副总裁Per Zellman表示:“我们发现SR电机和驱动器在更独特的应用中很难被击败。”采矿机械是一个主要的应用，以及其他恶劣的环境，需要极端的电机速度或无补偿SR电机的噪声是可以容忍的。Zellman说:“通过阻尼和精明的机电设计，电机噪音得到了缓解，但这增加了产品成本。”
冷运行的SR电机还允许临时大电流操作，以达到峰值扭矩输出，用于苛刻的应用。Zellman提到了SR技术的另一个优点，即多用途的电机几何形状，包括从长圆柱形单元到煎饼模型的电机版本。
虽然高速能力是众所周知的，Zellman指出，一个非常成功的低速SR电机应用。Emotron是欧洲著名的旋转热交换器市场领导者，SR技术为其提供了400 rpm标称速度的解决方案，而无需变速箱。低速运行也降低了噪声，这是在这种应用中关注的问题。
SR驱动是关键
SR驱动(功率变换器)拓扑结构在功率开关和反激二极管电路的布置上与传统的交流驱动不同。对于较小的驱动器，使用功率模块是一种具有成本效益的设计路线，但现成的模块不适用于SR，因为其他电机技术。通常使用定制模块或其他更昂贵的设计。“为驱动器提供低成本的电源模块将是使SR系统更具竞争力的关键一步。霍林说:“1-50千瓦范围内的驱动器受到的影响最大。对于较大的驱动器，情况就不同了。他说:“对于真正大的驱动器，我们使用单个电源器件，而不是模块，设备成本与其他类似尺寸的驱动器类型相似。”
SR驱动器的开关频率通常比交流驱动器低10倍，因为SR电机在不需要正弦电压或电流的情况下高效运行。根据艾默生的说法，由此产生的好处包括减少电机谐波损耗，减少电子加热，降低RFI，提高系统效率。Rocky Mountain Technologies的Holling也指出了这种SR驱动器的优势，并指出“通过输出非正弦波形的SR驱动器可以获得非常高的效率。”
为了获得平稳的旋转，定子线圈的开关与转子的角度位置严格同步(见图)，这意味着相电流的电频率跟随转子的速度，而不是相反，博特勒解释说。SR驱动器需要某种类型的转子位置反馈，以精确地在电机相位之间切换时间。这可以来自一个简单的低分辨率编码器或通过“无传感器”的方法，估计转子位置从相电流和电压。在电机高速运行时，相位切换变得至关重要，因为在电流积累或衰减期间会发生显著的转子运动。“随着速度的增加，有必要通过提高开关角度来弥补这一点——类似于集成电路发动机中的‘真空推进’，”博特勒补充道。
SR电机不是步进电机
艾默生将SR电机称为“自同步”电机，旨在提供平稳、连续的旋转——“与表面上类似的步进电机形成对比”。(其他一些资料似乎把这两种发动机归为同一类。)Emotron同意，今天的SR电机不是步进电机，因为电流是连续监测和控制相对于转子的角度位置。Emotron的专业知识包括SR电机的无传感器控制方法。Zellman引用了超过20,000个安装了其专利IntraSens解决方案的SR系统来监控转子位置。
由于SR驱动器对开关角度和电流补偿的最佳控制，可以将未补偿SR电机的相关齿槽和可听噪声降至最低，从而实现平稳旋转和最佳扭矩输出。Holling补充说:“电机机械和电磁结构也必须设计成减少可听噪音，这在通用应用中竞争可能是一个大问题。”“结合正确的电机几何形状和适当的控制将使电机明显更安静。这是一个制度问题。”
此外，设计工具对于解决与SR电机相关的非线性电流和转矩关系至关重要。Holling引用SPEED软件(由英国格拉斯哥大学开发，苏格兰电力电子和电力驱动是一个财团)作为RMT建造SR电机的有价值的设计工具。对于大型气隙电机(见下文)，RMT将有限元分析与The Mathworks的Matlab-Simulink结合使用，进行整体系统优化，例如，在设计转速超过50,000 rpm的电机时。
气隙经济
洛基山技术公司强调，制造经济的SR电机的关键是设计大气隙的能力，这简化了机械结构和组装。Holling表示:“对于整体马力马达，我们通常使用20至60mil (0.5-1.5 mm)的气隙，最好是40至60mil。“小的气隙会导致问题，如轴承磨损、扭矩不平衡和噪音。”这与许多设计具有更紧密气隙的电机形成鲜明对比，通常在0.010-0.020英寸。的范围内。
Holling通过比较转子经常受到高侧力时的两种间隙大小来说明这一点。一个10毫米的气隙
有40毫米的气隙，同样的
随着管道中的许多开发和倡议，例如艾默生汽车公司将新的SR平台引入北美市场(参见第10页的“独家产品”部分)，开关磁阻系统可能会得到更广泛的采用。
- SR电机解剖:见开关磁阻电机内部;
-开关磁阻电机的春季?(2003年2月);
-与SR科技合作的“展望过去”(1999年11月);和
-独家产品:艾默生开关磁阻电机系统。
| 作者信息 |
体育运动员弗兰克·j·巴托斯是控制工程咨询编辑器。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net． 反馈 我以为艾默生的工业电机部门要出售。 |
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