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高速开关磁阻电机

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高速开关磁阻电机

发布日期:2014-12-10 11:46 来源:http://www.umaqsh.com 点击:

开关磁阻电机(Switched Reluctance Machine,以下简称SRM)是上世纪八十年代出现的一种新型无刷电机,采用功率电路脉冲供电,是典型的机电一体化产品。SRM由于自身特点使其应用于高速场合具有以下独特的优势:① 转子为简单坚固的叠片结构,无永磁材料或绕组,可以承受很高机械强度和离心力,高速性能优异、对高温等恶劣运行环境适应性好;② 绕组相间耦合弱,缺相故障运行能力强,相绕组串在主电路两功率管之间,不会发生桥臂直通短路故障,系统的可靠性高、容错能力强;③ 控制非常灵活,易实现四象限运行,在宽转速范围容易实现高效率运行;④电机起动电流小、起动转矩大,加速性能好。因此,SRM结构简单坚固、高速性能优异、可靠性高、容错能力强等特点,适合在先进制造、航空航天等高速领域中应用,被认为是未来具有很强竞争力的一种调速驱动系统。

南京航空航天大学开关磁阻电机课题组是国内最早开始研究SR电机的研究单位之一,近二十来一直致力于SR电机研究和开发,研制出多种不同规格的样机,其中的6项成果通过了省、部级技术鉴定,4次获得省、部级科技进步奖,部分成果已转让给数家工厂生产,在相关行业得到了成功应用。我们课题组近期先后获得多项纵向和横向的资助,有效系统地开展了高速SRM的关键技术研究,特别是对高速SRM的一体化设计方法、转子动力学、专用集成电路、非直接位置传感器、功率变换器新拓扑及高速SRM转子结构等方面进行了大量的研究和试验,取得了系列成果,南京航空航天大学开关磁阻电机课题组近几年先在国家自然科学基金和江苏省高技术项目等项目资助,系统地开展了高速SRM的关键技术研究,特别是对高速SRM的一体化设计方法、转子动力学、专用集成电路、非直接位置传感器、功率变换器新拓扑及高速SRM转子结构等方面进行了大量的研究和试验,开发了系列样机。

随机床技术和高速切削技术的发展,对机床电主轴的性能也提出越来越高的要求,电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面:高速、高刚度;高速大功率、低速大转矩;高精度、高可靠性和长工作寿命;快速启、停等。SRM能够适应电主轴的这种发展趋势,体现在:SRM系统效率高,输出功率大,在宽广的调速范围内,整体效率比其它系统高出10%以上;在低转速段具有高输出转矩,普通交流电机驱动的主轴空载时功率因数为0.2~0.4,满载时为0.86~0.8。而SR主轴电机的功率因数空载时可达0.995,满载时可达0.98。因此,电主轴开关磁阻电机具有较高的性价比和独特的性能优势,在先进制造、航空航天、能源等领域具有广阔的应用前景。

项目合作基础(包括①已承担各类基础、应用项目;②已获专利、奖项及论文发表情况;③研究团队介绍)

南京航空航天大学开关磁阻电机课题组是国内最早开始研究SR电机的研究单位之一,近二十来一直致力于SR电机研究和开发,研制出多种不同规格的样机,其中的6项成果通过了省、部级技术鉴定,4次获得省、部级科技进步奖,部分成果已转让给数家工厂生产,在相关行业得到了成功应用。我们课题组近期先后获得多项纵向和横向的资助,有效系统地开展了高速SRM的关键技术研究,特别是对高速SRM的一体化设计方法、转子动力学、专用集成电路、非直接位置传感器、功率变换器新拓扑及高速SRM转子结构等方面进行了大量的研究和试验,取得了系列成果,并成功开发了一种高速SRM系统其最高转速达130,000r/min,是国内自主开发的最高转速的SRM。2007年通过国防科工委组织的成果鉴定。申请发明专利8项,拥有已授权发明专利3项。

南航开关磁阻电机课题组现有固定成员6人,5名高级职称、1名中级职称,均有多年从事开关磁阻电机研究和开发的经验,此外每年参与该项目的研究生可达3-4人。

技术特点(技术优势或创新点):

1)超高速开关磁阻电机:额定转速100,000r/min;转速可达130,000r/min;功率1kW;输入电压220/380VAC;

2)高速开关磁阻主轴电机:调速范围转速2,000r/min-24,000r/min;转速可达30,000r/min;功率1。5kW;输入电压220/380VAC;

技术优势:

SR电机环境适应性强,具有起动性能好,工作转速稳定的优点。同时,该电机在宽转速范围内都具有良好的出力特性,因此在宽转速范围内皆具有较好的加工能力,能满足在同一台机床上实现低速重切削、高速精加工的工作要求,符合现代高速主轴电机的发展方向。

主要创新点:

1)在高速SRM结构方面提出一种圆柱凸极复合型转子结构(ZL200610039202.2),保持了SRM凸极转子结构简单、坚固的特点,有效减少电机运行时凸极转子的风阻,同时也有利于转子的散热。

2)研制了国内首片SRM控制的专用集成电路(200710191696.0)(该芯片的角度控制功能为国际首创),设计了全新的高速SRM控制系统,解决了高速SRM的实时角度控制问题,提高了系统的可靠性。

3)采用ASIC+MCU的控制模式,系统控制电路简单,可靠性高,人机界面友好。

应用推广情况:

应用领域

相关产品

应用的优点

精密机床

高速电主轴电机

响应快,调速平稳,起动性能好(远好于普通电机)

电动汽车

驱动主电机

力矩大,体积小,无需减速机构,成本低

高速泵、飞轮储能等

高速驱动电机

调速范围宽、控制灵活。

航空设备

航空高速起动/发电机、泵电机、驱动电机

可靠性高、容错性能好,环境适应性强

效益分析

近几年中国数控机床行业的发展令人瞩目,2006年数控机床的产量达85756台,同比增长了32。7%,主轴电机是易耗品,国内高速精密加工领域对高端主轴电机每年需求几十万台,进口的高端主轴每台价格高达万元以上,其市场产值近百亿元。本项目成果经过进一步的技术改进,可以达到中、高端主轴电机的性能要求,可减少对进口产品依赖、提高国产机床的经济效益,产业化前景广阔。拥有自主知识产权、低成本、高性能的高速SRM在高速加工、航空航天驱动等高速领域的成功应用,可带来巨大的经济效益和社会效益。本项目的研究成果还可应用于电动/混合动力汽车、分布式电源、机械飞轮储能、航空航天等领域,因此本项目的研究对拓展开关磁阻电机的应用领域,发展我国能源工业、汽车工业、国防工业均有重要的现实意义。

合作方式

1)产学研合作共同申报成果转化专项资金/科技支撑计划项目等计划类项目;

2)产学研合作共同成立校企联合研发中心等研发平台;

3)产学研合作共同申报国家、省市工程中心/国家、省市重点实验室等公共平台;

4)技术转让,合作开发。


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