翟紅英,熊立新

(1.淄博市技師學院，山東 淄博 255013；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255000)

直驅式劍桿織機用開關磁阻電機的設計與應用

翟紅英1,熊立新2

(1.淄博市技師學院，山東 淄博 255013；2.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255000)

為了適應劍桿織機傳動系統(tǒng)高效直驅、節(jié)能低耗的發(fā)展要求，介紹劍桿織機運行特性、性能要求，以及國內外劍桿織機用電機的發(fā)展趨勢，分析開關磁阻電機的結構及特點，研發(fā)設計出高啟動轉矩的開關磁阻電機驅動系統(tǒng)，采用開、閉環(huán)自動切換技術和位置預分技術，解決直驅式劍桿織機的快速啟動、慢速尋緯等關鍵技術，實現劍桿織機的直接驅動。對731型劍桿織機進行基于該系統(tǒng)的直驅改造，并進行實際應用。結果表明：基于開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的劍桿織機，減少傳動鏈，實現織機直驅；具有織造織物質量高、智能自動化水平高、可靠性高、高效節(jié)能等優(yōu)點。

劍桿織機；直驅；開關磁阻電機；系統(tǒng)；節(jié)能

0 引言

目前常用的無梭織機分為劍桿織機、噴氣織機、噴水織機和片梭織機等；其中劍桿織機的生產效率和產品質量高，能適應不同原料、不同截面形狀、不同號數的緯紗，有極強的緯紗選色功能[1]，除滿足家用紡織品和時尚服裝面料的要求外，一些特殊織物只能由劍桿織機織造。

劍桿織機要求能以正常速度和慢速運行，而慢速運行是為了帶動織機完成斷緯、織口調整等功能；還要求電機過載力矩大，降低開車檔，并能克服織機的慣性[2]。為保證張力的恒定，并有效地消除開車痕，提高織物質量，織機轉速必須在一圈之內從零轉速加速到額定轉速[3]，同時織機主軸運動達到以下要求：① 嚴格地限制起停角，避免停機后再開機可能造成的開車痕；② 較寬的調速范圍，以滿足慢速尋緯時較低的車速；③ 靈敏的響應速度和較高的穩(wěn)速精度，以保證主軸轉速的穩(wěn)定[4]。

1 國內外劍桿織機用電機的發(fā)展趨勢

國際上高檔劍桿織機均采用直驅式結構，即去掉離合器、皮帶傳動等，電機直接驅動織機主軸運轉，減少了傳動鏈，系統(tǒng)效率高，可實現高速運行。

織機直驅要求驅動電機的啟動轉矩應達到額定轉矩的5倍以上，無論轉速高低、負載輕重，電機均能保持較高的效率。由于普通的三相異步感應電機在低速運行和輕載運行時電機效率不高，因此國際上高檔劍桿織機都使用開關磁阻電機或永磁電機。永磁電機的永磁材料在高溫、振動下易發(fā)生退磁問題，導致電機性能會隨使用時間的延長而逐漸衰減，因此，采用開關磁阻電機作為織機主軸直驅電機越來越獲得認可。

英國SRD公司最早將開關磁阻電機應用于紡織機械，并對我國實行技術和市場壟斷，拒絕向我國織機制造企業(yè)供貨，給我國研發(fā)高檔直驅劍桿織機帶來困難。為打破國外對高檔劍桿織機驅動電機的技術和市場壟斷，筆者針對國內織機行業(yè)的市場需求，研發(fā)高檔直驅劍桿織機開關磁阻電機驅動系統(tǒng)，實現了該電機的國產化。

2 開關磁阻電機的結構及特點

2.1 開關磁阻電機的結構

開關磁阻電機為定、轉子雙凸極結構，見圖1。

圖1 12/8極定、轉子截面

電機的轉子上既無繞組也無永磁體，電機的運行遵循“磁阻最小原理”。

開關磁阻電機系統(tǒng)(SRD)是一種典型的機電一體化調速電機系統(tǒng)，主要由開關磁阻電機、功率變換器、位置檢測器和控制器等4部分組成，見圖2。

功率變換器是系統(tǒng)能量交換的通道；位置檢測器用來確定電機定、轉子的相對位置，根據位置信號對電機進行控制；電流檢測、電壓檢測部分的作用是采集電機相繞組輸出母線上的電流、電壓信息；檢測部分通常使用霍爾傳感器采樣；控制器是系統(tǒng)的控制中樞，它綜合處理電流傳感器、位置傳感器等的反饋信息，可根據采集的信息進行閉環(huán)控制實現對電機的控制。

圖2 SRD基本構成

2.2 開關磁阻電機的特點

與傳統(tǒng)的直流、交流電機調速系統(tǒng)比較，開關磁阻電機具有以下優(yōu)點：① 結構簡單、堅固，制造成本低，可做成水冷防爆結構，無需特殊維護；② 在寬廣的調速范圍內能保持高效率運行；③ 啟動電流小，對電網無沖擊，啟動轉矩大，適用于重載啟動；④ 可頻繁正、反轉，調速范圍大，四象限運行，具有串級電機的機械特性；⑤ 制動性能較好，能實現再生制動，節(jié)能效果顯著；⑥ 無刷結構適于在高粉塵、高速、易燃、易爆等惡劣環(huán)境下運行。

從功率因數、效率、調速范圍、起動轉矩及制動等方面分析可知，開關磁阻電機非常適合作為劍桿織機的主驅動電機，既能滿足布面均勻等技術要求，也能達到節(jié)能的目的，提升了織機檔次和加工水平。

3 直驅織機用開關磁阻電機的設計

3.1 直驅系統(tǒng)要求

傳統(tǒng)織機的主傳動結構由異步電機通過皮帶傳動飛輪，再由飛輪通過離合器帶動織機運轉；另加一套慢速離合器和慢速電機單獨驅動織機，織機調速可通過更換皮帶輪或用雙速電機來實現。

開關磁阻電機通過齒輪組直接驅動開口機構，而它與主軸之間由類似于以前慢速離合盤的一個雙齒連接器來完成可控制的驅動。當織機正常運轉或開慢車時，雙齒連接器咬合，電機驅動主軸和開口機構；當織機尋緯時，雙齒連接器脫開，電機只驅動開口機構以達到防止停車檔的目的。與傳統(tǒng)結構相比，采用開關磁阻電機驅動系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

a) 新機械結構降低了織機的能耗，改變了過去主電機不停運轉中消耗大量電能問題；而新結構只有當織機運轉時電機才轉動，降低了織機能耗。

b) 根據開關磁阻電機的特性，電機能在瞬間產生很大的扭矩而迅速啟動，保證第一緯有足夠的打緯力，避免第一緯打緯力不足造成開車稀檔的問題，布面質量明顯優(yōu)于三相異步電機系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)設計

為了減少傳動鏈、實現直驅，首先應研究電機建模與電磁計算的新方法，對電機的電磁參數、鐵芯長度進行優(yōu)化設計，采用寬槽多跨距等技術提高了啟動轉矩，并對電機自身的轉動慣量進行了優(yōu)化，使電機啟動轉矩達到額定轉矩的5倍以上，滿足織機直驅的要求。

開關磁阻電機采用三相12/8極結構，各相獨立控制、靈活可靠，可實現缺相運行。高性能開關磁阻電機的技術指標見表1。

表1 高性能開關磁阻電機技術指標

項目技術指標額定功率/kW7.5峰值功率/kW37.5額定轉速/(r·min-1)2000調速范圍/(r·min-1)100～2500額定轉矩/(N·m)36啟動時最大轉矩/(N·m)202額定轉速時最大轉矩/(N·m)179

由表1可以看出，開關磁阻電機的峰值功率能達到其額定功率的5倍，且啟動時最大轉矩能達到額定轉矩的5倍以上，滿足了高端劍桿織機的性能要求。

3.3 電機控制技術

常規(guī)的開關磁阻電機控制中，電機開通角隨著轉速相對固定，控制簡單。由于織機在運行中經常在不同轉速、不同負載等工況下切換，為更好地控制電機狀態(tài)、提高電機效率，作者研究了開關磁阻電機的直接轉矩控制技術，將電機控制與精確數字仿真技術相結合，在線計算磁鏈直接控制各相繞組的導通關斷，單獨控制每一相繞組的電流波形，優(yōu)化開通角度，增大單位電流輸出轉矩的能力，減小IGBT開關損耗，提高系統(tǒng)效率。由于織機主軸由電機直接驅動，去掉了慢車機構，因此要求開關磁阻電機必須能在織機慢速尋緯時以非常低的轉速平穩(wěn)運轉，且在織機需要快速啟動時，電機能滿足啟動要求與調速運行要求?，F在的開關磁阻電機控制一般采用電流閉環(huán)、轉矩開環(huán)的方式，這種控制方式難以兼顧織機慢速尋緯和快速啟動的性能要求；筆者采用了神經網絡控制的方式，將電流開環(huán)控制與PID閉環(huán)控制相結合，并根據位置預判信息進行電機轉矩控制，實現在不同工況下電流、轉矩間的無縫切換，使電機在啟動織機時能快速達到設定轉速，在慢速尋緯時又能保證轉矩的平穩(wěn)性，以低速平穩(wěn)運轉。

4 應用實例

高密市某紡織公司采用開關磁阻電機代替三相異步電機對GA731-Ⅱ型撓性劍桿織機進行了節(jié)能改造，改造前后節(jié)能效果見表2。

表2 GA731-Ⅱ型撓性劍桿織機節(jié)能改造前后對比

項目改造前改造后織布長度L/m81102耗電量W/(kW·h)41.634.5每米布耗電量M/(kW·h)0.510.34 注:織布長度、耗電量以24h計。

由表2可知，在滿足正常生產要求的情況下，將劍桿織機原配的三相異步電機更換為開關磁阻電機后，其節(jié)電率為33.3%?？梢婇_關磁阻電機適合在劍桿織機上應用，節(jié)電效果顯著。

5 結語

高端劍桿織機的關鍵技術是高性能電機及控制技術，筆者根據劍桿織機的發(fā)展要求研發(fā)了開關磁阻電機驅動系統(tǒng)，可使啟動轉矩達到額定轉矩的5倍以上，且去掉離合器等傳動部件，實現了織機直驅。經紡織企業(yè)實際應用表明，基于開關磁阻電機設計的織機節(jié)能達30%以上，織機的綜合性能和自動化程度均有了較大提高。由于該電機售價遠低于國外進口設備，且性能穩(wěn)定、性價比高，能滿足國內紡織企業(yè)設備更新換代的需要，可以替代進口，具有良好的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊。

[1] 代金友.劍桿織機的發(fā)展趨勢與品種適應性[J].科技信息，2012(14)：428.

[2] 宋志軍.劍桿織機車間功率因數過低的影響與對策[J]. 紡織機械,2011(3):24-26.

[3] 吳和福.劍桿織機的開車痕探討[J].化纖與紡織技術， 2014，43(1)：37-41.

[4] 閆志平.開關磁阻電機用于織機主軸驅動的可行性分析[J].紡織機械,2004(2):24-27.

Design and Application of Direct Driven Motors with Switched Reluctance of Rapier Loom

ZHAI Hongying1,XIONG Lixin2

(1.Zibo Technician College,Zibo 255013,China;2.Shandong Kehui Power Automation Co.,Ltd.,Zibo 255000,China)

To conform with the requirement of the rapier loom driving system with high direct drive and low energy consumption,introduction is given to the operation characteristics and performance of the rapier loom,as well as the domestic and foreign motor development trend.Analysis is done to the structure and characteristics of the motor with switched reluctance.A new driving system of motors with switched reluctance is introduced with high starting torque,adopting automatic switching technology with the open and closed loop and pre positioning technology.The key technology with the direct driven rapier loom with quick start and slow weft seeking is introduced.The rapier loom 731 is modified on the basis of the direct driven system.The results show that rapier looms based on the direct driving with switched reluctance is of high quality,high intelligent and automation high reliability, high efficiency and energy saving.

rapier loom;direct drive;motor with switched reluctance;system;energy saving

2016-06-27

翟紅英(1976—)，女，山東淄博人，講師，主要從事電機控制方面的研究。

TS103.3

B

1001-9634(2017)01-0018-03