(1)开关磁阻电动机的优点 开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统与直流电动机传动系统的优点,主要如下。 ①高启动转矩、低启动电流。试验结果显示,开关磁阻电动机在15%的额定电流时,即可获得100%的额定转矩,而且还能够延伸到低速运行段,恒转矩的调速范围可达1:30。 而通常直流电动机在100%的额定电流时可获得100%的额定转矩,感应电动机在300%额定电流时,方可获得100%的额定转矩。用低启动电流即可获得高启动转矩,而且没有启动冲击电流,是开关磁阻电动机的最大特点。开关磁阻电动机具有较高的功率密度,其效率及输出功率又可在宽广的转速和负载范围内保持较高的水平实现高效优化调节控制,其系统效率能够达到85%以上,具有明显的节能效果,比不调速电动机的效率还要高,非常适于混合动力汽车的驱动要求,这对采用电池作为动力能源的混合动力汽车具有极大的吸引力和实用性。 ②高效率、低损耗、耐温。开关磁阻电动机的调速系统效率非常高,电流的幅值、转矩的方向及大小均能得到控制,可实现软启动和四象限运转,控制起来灵活、方便,具有其他调速系统很难达到的水平。开关磁阻电动机系统在运行时电动机绕组通电状态的改变和电动机转子位置变化相同步,因此不会产生失步现象。开关磁阻电动机的可控参数多,动态响应快,所以在宽转速范围运行区内和不同负载的条件下,也不会发生在变频器供电时三相异步电动机在低频时易发生的不稳定的振荡现象和永磁电动机因受高温影响而出现的失磁现象。开关磁阻电动机的转子从结构上就不存在铜损,在运转时绕组电阻损耗和铁损均只出现在定子上,使电动机的散热比较容易,另外在转子上没有绕组与永磁体,转子允许的最高温度明显高于其他类型的电动机。
③电动机结构简单,适用于高速运转。开关磁阻电动机的转子仅是一段叠片铁芯,上面没有任何形式的绕组,转子惯量低,系统动态响应快,转子的机械强度高,对转子的转速限制少,可以在15000~50000r/min及更高转速下运转,具有更大的调速范围,还不存在因高速和高温引起的退磁现象,这是开关磁阻电动机的突出特点。其定子上也只有结构简单的集中绕组,转子和定子都是大齿槽结构,绕组端部短而且牢固。它的结构比一般认为最简单的笼型感应电动机的结构还要简单,可靠性高,绝缘结构简单,制造方便,便于维修,这也是开关磁阻电动机的突出特点。
④电动机的功率电路简单。通常感应电动机绕组需要通过双向电流,所以为它供应电流的PWM变频器的功率电路每相均需要两个功率开关。而开关磁阻电动机转矩方向和电流方向无关,只需要单方向绕组电流,为它供应电流的功率电路每相仅需要一个功率开关,功率开关和辅助器件少,电路结构简单,开关磁阻电动机功率变换器系统中的保护电路能够简化,从而提高了功率变换器系统的可靠性,并适用于在频繁启、停、变速和制动的工况下工作。此外,开关磁阻电动机的功率开关器件直接与电动机定子绕组串联,完全避免了在感应电动机及直流无刷电动机驱动系统的逆变器中,上下两个开关同时导通而形成直通短路引起功率开关器件被烧毁的现象发生。
⑤可靠性好。通常感应电动机是在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形磁场,电动机才能正常运转,若其中有一相电路发生故障时感应电动机就无法正常运转以致烧毁,开关磁阻电动机各相的定子绕组及磁路互相独立,各相电路单独为本相绕组供电,并且各自在定的转角范围内产生电磁转矩,通常也是独立工作。当开关磁阻电动机的一相绕组和磁路或控制器的一相电路发生故障时,仅需停止该相工作,电动机仍然可以继续运转,只是减少了电动机的输出总功率,没有其他影响,是一种可靠性极高的系统。
⑥良好的适应性,成本低。开关磁阻电动机加速时间与减速时间可以自动与负载相适应,还可以按照使用条件来设定。瞬时断电时不跳闸,能够自动恢复以前的运行状态。因为其结构简单牢固,转子上没有任何形式的绕组,更适宜在潮湿、多粉尘的恶劣环境条件下工作,结构特性好,制造成本低,不需要进行维护。
(2)开关磁阻电动机的缺点。
①转矩有脉动现象。从工作原理可知,S开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的,因为双凸极结构和磁路饱和非线性的影响,合成转矩不是一个恒定转矩,而是有一定的谐波分量,这影响了开关磁阻电动机低速运行性能。目前只能够在不太宽的转速范围内,使开关磁阻电动机的脉动下降到交流感应电动机的水平,但要在宽度较大的转速范围内均能控制脉动在小的范围内,限于开关磁阻电动机系统有高的非线性特性,实际控制中是非常困难的。
②振动与噪声。开关磁阻电动机的转速与转矩有脉动现象,此外还有单边磁拉力的作用,使电动机产生振动与噪声,有时功率变换器的开关频率也会产生噪声,通常开关磁阻电动机的噪声要超过其他类型的电动机。
③控制系统复杂。开关磁阻电动机的控制系统相对于其他电动机的控制系统要复杂些,包括位置检测器及电流检测器等控制总成,开关磁阻电动机的引线比其他电动机要多使控制及接线更复杂。
④脉冲电流的影响。开关磁阻电动机的相电流是脉冲电流,这就会对为它供电的直流电源产生很大的脉冲电流,所以功率变换器直流电流一侧的电流波动也较大,因此在直流母线上需要设置一个很大的滤波电容器。
上述缺点通过对混合动力汽车电动机进行精心设计,采取合适措施,并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。
