开关磁阻电动机在电动螺旋压力机上的应用

开关磁阻电动机在电动螺旋压力机上的应用

1 概述

目前国内外广泛应用的压力机分两类，一类是螺旋压力机，另一类是机械压力机。由于技术的限制，现有压力机动力系统多数采用交流异步电机，对于特殊场合有调速要求的机型，要么采用交流变频调速，要么采用直流调速。对于高端需要，国内外近几年有的机型选用交流伺服电机驱动。

由于压力机承受的是短期高峰负荷，即压力机的负载具有强烈的冲击性，在一个完整的工作周期内只在较短的时间内承受工作载荷，而较长的时间内是空程运转；还由于压力机的工作负荷一般在设计值的60%左右，采用交流异步机使得压力机处于“大马拉小车”工作状态；再由于电机长时间处于空载，而一般电机空载功率因数为0.2 0.3，所以现有压力机耗能很大。而采用变频调速，由于变频器控制困难，调速范围窄，使得其应用受到很大的限制；采用交流伺服电机固然可以实现数字化控制的目的，但存在成本高，技术由国外垄断的情况。

随着计算机技术、电力电子技术、数字化控制技术的发展，一种新型的动力系统--开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Driver，简称SRD）应运而生，它是以现代电力电子与微机数控技术为基础的机电一体化产品，由于其独有的性能，使其非常适用于压力机的动力系统，解决现有动力系统存在的问题，提升压力机的性能。

2 开关磁阻电动机调速系统简介

开关磁阻电动机调速系统由电机及控制器两大部分组成，开关磁阻电机与传统电机差别很大，为双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子齿极上绕有集中绕组。控制器包括嵌入式微处理器、可编程逻辑器件、IGBT驱动电路、电力电子器件、软件及通信接口，完成电动机的驱动与控制。如图1、图2所示。

电机装有位置传感器，位置信号反馈给控制器，控制器按程序数字化控制电机运转。如图2所示，当绝缘栅双极晶体管（IGBT）S1、S2导通时，A相绕组从

直流电源U吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管D1、D2继续流通，并回馈给电源U。因此，SRD的特点是具有再生作用，系统节电、效率高。因此开关磁阻电动机调速系统可以数字化控制设备的工作执行机构，属于数控调速和数控伺服系统。

图1 SRD控制器系统框图图2 SRM控制原理图开关磁阻电动机调速系统与交流或直流电机系统相比，其特点在于：系统效率高，功率因数0.98以上；数控调速范围宽，低速下可长期运转；高起动转矩，低起动电流；可频繁起停及正反转切换，四象限运转性能相同；过载能力强，可靠性高，三相输入电源缺相或控制器输出缺相不烧电机，功率器件控制错误不会引起短路。

3 开关磁阻电动机在电动螺旋压力机上应用

在压力机上，要利用开关磁阻电动机调速系统取代现有的驱动系统，需要针对不同的机型，对设备现有的结构进行改进，可以应用于包括螺旋压力机、伺服压力机、调速压力机、热模锻压力机的各种压力机（以下简称为开关磁阻数控压力机）。

2.1 开关磁阻数控螺旋压力机

开关磁阻数控螺旋压力机采用电动螺旋压力机结构，可替代现有摩擦压力机、离合器式螺旋压力机等机型，其整机结构由开关磁阻电机、皮带传动（或齿轮传动）、飞轮（大传动轮）、螺杆、螺母、滑块、制动器和机身组成，如图3所示。因开关磁阻电机能频繁起停及正反转，起停速度快，且起动转矩大，起动电流小，摩擦压力机可去掉双摩擦盘，离合器式螺旋压力机可去掉离合器及其提升机构。

图3 开关磁阻数控螺旋压力机

1-开关磁阻电机 2-皮带传动 3-制动器 4-飞轮 5-止推轴承 6-螺杆 7-螺母 8-滑块 9-机身2.2 开关磁阻数控调速压力机

开关磁阻数控调速压力机是在现有机械压力机基础上，更换动力系统后产生的。其整机结构由开关磁阻电机——皮带传动——飞轮（大皮带轮）——离合器制动器——齿轮传动——执行机构组成如图4所示。这种机型的特点是带有离合器和飞轮。

图4 开关磁阻数控调速压力机

1-开关磁阻电机 2-小带轮 3-大带轮 4-制动器 5-离合器 6、8-小齿轮 7-大齿轮 9-偏心齿轮10-心轴 11-机身 12-连杆 13-滑块 14-上模 15-下模 16-垫板 17-工作台 18-液压气垫

2.3 开关磁阻数控伺服压力机

开关磁阻数控伺服压力机与现有机械压力机相比，结构变化比较大，没有皮带传动和离合器，电机轴设置制动器。其整机结构为：开关磁阻电机+一级或二级齿轮传动+执行机构，如图5所示。因开关磁阻电机速降比现有电机大很多，其转动惯量可减小，以起停时间缩短，这种压力机可没有大皮带轮（飞轮）、离合器等，简化其原有结构。

图5 开关磁阻数控伺服压力机

1-开关磁阻电机 2-制动器 3-小齿轮 4-大齿轮 5-曲轴 6-连杆 7-滑块 8-机身

2.4 开关磁阻数控热模锻压力机

开关磁阻数控热模锻压力机是在现有热模锻压力机基础上，更换动力系统后产生的。其整机结构由开关磁阻电机+皮带传动+离合器制动器+曲柄连杆滑块执行机构组成，如图6所示。

图6 开关磁阻数控热模锻压力机

1-大带轮 2-小带轮 3-开关磁阻电机 4-传动轴 5-轴承 6-小齿轮 7-大齿轮8-离合器 9-偏心轴10-连杆 11-滑块 12-楔形工作台 13-下顶件装置 14-上顶件装置 15-导轨 16-制动器 17-轴承

3 开关磁阻数控压力机的功能特点

开关磁阻数控压力机分别在山东科汇电气股份有限公司、淄博牵引电机集团、青岛益友锻压机械有限公司、荣成东源锻压机械有限公司、河北天辰锻压机床有限公司、河北省沧州机械厂、天津市昊鼎精密机械技术有限公司等单位进行了试运行，部分型号已投入批量生产并获得了良好的市场反响，取得了良好的社会经济效益。

在应用过程中，与现有压力机比较，开关磁阻数控压力机的突出特点为：

1.滑块运动数字化控制

由于开关磁阻电机的速度可方便准确的数字化控制，因此压力机滑块运动曲线可根据工艺要求进行数字设置，也可以设计特殊的工作特性曲线，进行高难度、高精度加工，能够实现低速锻冲急回的变速功能。