開關(guān)磁阻電機(jī)在高速劍桿織機(jī)中的應(yīng)用

王英輝

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450001）

高速劍桿織機(jī)作為一種智能、先進(jìn)的織機(jī)，具有性能良好、加工效率高、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在織造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)磁阻電機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，在提升高速劍桿織機(jī)的電氣自動化控制水平，簡化高速劍桿織機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證織機(jī)生產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面發(fā)揮了重要作用。因此，為了進(jìn)一步提升高速劍桿織機(jī)的運(yùn)行性能和應(yīng)用價(jià)值，如何將開關(guān)磁阻電機(jī)科學(xué)地應(yīng)用于高速劍桿織機(jī)中是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 高速劍桿織機(jī)主軸驅(qū)動對電機(jī)的要求

高速劍桿織機(jī)因織造工藝的特殊性，要求主軸運(yùn)轉(zhuǎn)有嚴(yán)格的啟停角，以避免停機(jī)后再開機(jī)造成開車痕。普通劍桿織機(jī)多采用離合器間接傳動的方式驅(qū)動主軸，并配合機(jī)械抱閘制動，但是離合器和剎車片的磨損會使啟停性能逐漸降低，對于車速較慢的織機(jī)，只需要定期更換維修。但是，高轉(zhuǎn)速織機(jī)的消耗是巨大的。另外，改變車速也只能通過調(diào)節(jié)皮帶輪來實(shí)現(xiàn)，尋緯還需要另外配備電機(jī)等，而開關(guān)磁阻電機(jī)作為世界上公認(rèn)最簡潔的主傳動，整機(jī)無一根皮帶，也沒有離合器等易磨損零件，可實(shí)現(xiàn)線變速和每一緯變速等，性能優(yōu)越，很適合作為高速劍桿織機(jī)的驅(qū)動源。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)含有定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)組成部分，屬于一種雙凸型結(jié)構(gòu)。該電機(jī)用到的系統(tǒng)是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)主要由以下部分組成：控制器、功率變換器、開關(guān)磁阻電機(jī)和位置檢測器等。其中，功率變換器作為開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于能量的交換；位置檢測器的主要功能是精準(zhǔn)地確定開關(guān)磁阻電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，然后針對位置信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的自動化控制[2]；電流檢測主要負(fù)責(zé)向電機(jī)繞組內(nèi)傳輸母線電壓信息和電流信息；控制器作為開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的控制中樞，綜合、集中處理電流傳感器所反饋的信息。同時(shí)，根據(jù)采集到的信息數(shù)據(jù)，采用閉環(huán)控制的方式，完成對開關(guān)磁阻電機(jī)的自動化控制和管理。總之，將開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)、科學(xué)地應(yīng)用于高速劍桿織機(jī)中，不僅符合高速劍桿織機(jī)的相關(guān)要求，還能充分發(fā)揮和利用該電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大、制動轉(zhuǎn)矩大以及調(diào)速范圍廣等性能，為進(jìn)一步提升高速劍桿織機(jī)的使用性能，保證產(chǎn)品生產(chǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性提供重要的平臺支持。

2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，無需對其加以特殊維護(hù)；（2）當(dāng)電機(jī)調(diào)速范圍比較廣時(shí)，仍能始終保持高效、良好的運(yùn)行性能；（3）啟動電流比較小，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，同時(shí)，啟動轉(zhuǎn)矩比較大，完全符合重載啟動需求；（4）可以頻繁進(jìn)行正反轉(zhuǎn)操作，調(diào)速范圍比較廣，具有強(qiáng)大的串級電機(jī)特性；（5）制動性能良好，不僅可以保證再生制動效率和效果[3]，還能取得顯著的節(jié)能效果；（6）內(nèi)部無刷結(jié)構(gòu)，即使在易燃、易爆、高粉塵的環(huán)境下，也能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。通過綜合分析開關(guān)磁阻電機(jī)的功率因數(shù)、調(diào)速范圍、制動性能等因素不難發(fā)現(xiàn)，將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于高速劍桿織機(jī)主軸驅(qū)動具有很高的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性，不僅完全符合布面均勻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[4]，還能起到節(jié)能降耗的作用，為進(jìn)一步提高織機(jī)的檔次和加工質(zhì)量創(chuàng)造良好的條件。

3 高速劍桿織機(jī)用開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)高速劍桿織機(jī)對主軸驅(qū)動電機(jī)的要求，研究設(shè)計(jì)一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，對該織機(jī)性能進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和研究。

3.1 調(diào)速性能

為了進(jìn)一步提升高速劍桿織機(jī)的運(yùn)行性能和節(jié)能效果，現(xiàn)針對高速劍桿織機(jī)的使用需求，根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)（電機(jī)調(diào)速范圍為50~2 000 r/min、額定功率為6 kW、額定轉(zhuǎn)距為38.2 N·m、響應(yīng)速度為0.1 s、轉(zhuǎn)速精度為10%），完成對開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)[5]，以滿足高速劍桿織機(jī)主軸驅(qū)動電機(jī)的要求。

3.2 啟動能力

由于高速劍桿織機(jī)對主軸驅(qū)動電機(jī)的過載能力提出了更高的要求，對開關(guān)磁阻電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和定量測試很有必要。首先，為了簡化開關(guān)磁阻電機(jī)啟動特性測量流程，現(xiàn)利用飛輪慣量負(fù)載，精確測量出開關(guān)磁阻電機(jī)在不同時(shí)刻下所對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，為計(jì)算和總結(jié)啟動轉(zhuǎn)矩相關(guān)特性提供重要的依據(jù)和參考。其次，還要科學(xué)控制其他實(shí)驗(yàn)條件，如將負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)實(shí)測轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置為0.057 kg·m2。通過測量幾組電機(jī)啟動過程中轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系的相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)出電機(jī)的升速規(guī)律，然后采用線性化處理方式，選取兩個(gè)具有代表性的數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算出開關(guān)磁阻電機(jī)在啟動過程中所獲得的最大功率值和轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的最大功率值、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表1所示。

表1 電機(jī)最大功率值、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)的過載能力較高，完全滿足高速劍桿織機(jī)的啟動需求，同時(shí)，也完全符合額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。此外，當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)的啟動動力達(dá)到一定值時(shí)，對于高速劍桿織機(jī)而言，在負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量這一因素的影響下，開關(guān)磁阻電機(jī)的啟動時(shí)間和旋轉(zhuǎn)角度受到顯著影響，因此，在對高速劍桿織機(jī)內(nèi)部機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要盡可能地降低高速劍桿織機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，以減少高速劍桿織機(jī)實(shí)際所需的電機(jī)容量，并降低開關(guān)磁阻電機(jī)的使用成本和維修成本。

3.3 慢速定位精度

開關(guān)磁阻電機(jī)在具體的設(shè)計(jì)中，使用四相8/6極電機(jī)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)步距角達(dá)到了15°，采用了提高減速比的方式，因此，完全滿足高速劍桿織機(jī)小于3的定位精度需求。總之，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，將開關(guān)磁阻電機(jī)納入高速劍桿織機(jī)的設(shè)計(jì)方案具有非常高的可行性和有效性，不僅簡化了高速劍桿織機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證了高速劍桿織機(jī)的運(yùn)行性能和節(jié)能效果，也為后期更好地推廣和普及高速劍桿織機(jī)創(chuàng)造了良好的條件。因此，將開關(guān)磁阻電機(jī)用于高速劍桿織機(jī)具有非常高的經(jīng)濟(jì)可行性和技術(shù)可行性，將開關(guān)磁阻電機(jī)與高速劍桿織機(jī)改造設(shè)計(jì)進(jìn)行充分結(jié)合，提高相關(guān)企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，促進(jìn)高速劍桿織機(jī)的健康、可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極的作用。

4 應(yīng)用實(shí)例

某紡織公司利用開關(guān)磁阻電機(jī)對高速劍桿織機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造和設(shè)計(jì)，高速劍桿織機(jī)節(jié)能改造前后對比如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在滿足織機(jī)生產(chǎn)需求的基礎(chǔ)上，利用開關(guān)磁阻電機(jī)代替高速劍桿織機(jī)內(nèi)部三相異步電機(jī)，獲得的節(jié)電率達(dá)到了33.3%。由此可見，開關(guān)磁阻電機(jī)在高速劍桿織機(jī)中具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，為提升高速劍桿織機(jī)的節(jié)能效果和運(yùn)行性能創(chuàng)造了良好的條件。

表2 高速劍桿織機(jī)節(jié)能改造前后對比

5 結(jié)語

通過分析和研究開關(guān)磁阻電機(jī)用于高速劍桿織機(jī)主軸驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：（1）將開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于高速劍桿織機(jī)中具有重要意義，不僅可以實(shí)現(xiàn)對高速劍桿織機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化，還能進(jìn)一步提升高速劍桿織機(jī)的運(yùn)行性能，減少高速劍桿織機(jī)的維修成本。如根據(jù)緯紗強(qiáng)度、硬度、粗細(xì)等相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對車速的自動化調(diào)整和控制，為進(jìn)一步提升高速劍桿織機(jī)的生產(chǎn)效率和效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（2）開關(guān)磁阻電機(jī)完全符合高速劍桿織機(jī)對主軸驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)要求，在提高織機(jī)檔次和加工質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。