直驱式剑杆织机用开关磁阻电机的设计与应用

翟红英,熊立新

(1.淄博市技师学院，山东 淄博 255013；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255000)

直驱式剑杆织机用开关磁阻电机的设计与应用

翟红英1,熊立新2

(1.淄博市技师学院，山东 淄博 255013；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 淄博 255000)

为了适应剑杆织机传动系统高效直驱、节能低耗的发展要求，介绍剑杆织机运行特性、性能要求，以及国内外剑杆织机用电机的发展趋势，分析开关磁阻电机的结构及特点，研发设计出高启动转矩的开关磁阻电机驱动系统，采用开、闭环自动切换技术和位置预分技术，解决直驱式剑杆织机的快速启动、慢速寻纬等关键技术，实现剑杆织机的直接驱动。对731型剑杆织机进行基于该系统的直驱改造，并进行实际应用。结果表明：基于开关磁阻电机驱动系统的剑杆织机，减少传动链，实现织机直驱；具有织造织物质量高、智能自动化水平高、可靠性高、高效节能等优点。

剑杆织机；直驱；开关磁阻电机；系统；节能

0 引言

目前常用的无梭织机分为剑杆织机、喷气织机、喷水织机和片梭织机等；其中剑杆织机的生产效率和产品质量高，能适应不同原料、不同截面形状、不同号数的纬纱，有极强的纬纱选色功能[1]，除满足家用纺织品和时尚服装面料的要求外，一些特殊织物只能由剑杆织机织造。

剑杆织机要求能以正常速度和慢速运行，而慢速运行是为了带动织机完成断纬、织口调整等功能；还要求电机过载力矩大，降低开车档，并能克服织机的惯性[2]。为保证张力的恒定，并有效地消除开车痕，提高织物质量，织机转速必须在一圈之内从零转速加速到额定转速[3]，同时织机主轴运动达到以下要求：① 严格地限制起停角，避免停机后再开机可能造成的开车痕；② 较宽的调速范围，以满足慢速寻纬时较低的车速；③ 灵敏的响应速度和较高的稳速精度，以保证主轴转速的稳定[4]。

1 国内外剑杆织机用电机的发展趋势

国际上高档剑杆织机均采用直驱式结构，即去掉离合器、皮带传动等，电机直接驱动织机主轴运转，减少了传动链，系统效率高，可实现高速运行。

织机直驱要求驱动电机的启动转矩应达到额定转矩的5倍以上，无论转速高低、负载轻重，电机均能保持较高的效率。由于普通的三相异步感应电机在低速运行和轻载运行时电机效率不高，因此国际上高档剑杆织机都使用开关磁阻电机或永磁电机。永磁电机的永磁材料在高温、振动下易发生退磁问题，导致电机性能会随使用时间的延长而逐渐衰减，因此，采用开关磁阻电机作为织机主轴直驱电机越来越获得认可。

英国SRD公司最早将开关磁阻电机应用于纺织机械，并对我国实行技术和市场垄断，拒绝向我国织机制造企业供货，给我国研发高档直驱剑杆织机带来困难。为打破国外对高档剑杆织机驱动电机的技术和市场垄断，笔者针对国内织机行业的市场需求，研发高档直驱剑杆织机开关磁阻电机驱动系统，实现了该电机的国产化。

2 开关磁阻电机的结构及特点

2.1 开关磁阻电机的结构

开关磁阻电机为定、转子双凸极结构，见图1。

图1 12/8极定、转子截面

电机的转子上既无绕组也无永磁体，电机的运行遵循“磁阻最小原理”。

开关磁阻电机系统(SRD)是一种典型的机电一体化调速电机系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、位置检测器和控制器等4部分组成，见图2。

功率变换器是系统能量交换的通道；位置检测器用来确定电机定、转子的相对位置，根据位置信号对电机进行控制；电流检测、电压检测部分的作用是采集电机相绕组输出母线上的电流、电压信息；检测部分通常使用霍尔传感器采样；控制器是系统的控制中枢，它综合处理电流传感器、位置传感器等的反馈信息，可根据采集的信息进行闭环控制实现对电机的控制。

图2 SRD基本构成

2.2 开关磁阻电机的特点

与传统的直流、交流电机调速系统比较，开关磁阻电机具有以下优点：① 结构简单、坚固，制造成本低，可做成水冷防爆结构，无需特殊维护；② 在宽广的调速范围内能保持高效率运行；③ 启动电流小，对电网无冲击，启动转矩大，适用于重载启动；④ 可频繁正、反转，调速范围大，四象限运行，具有串级电机的机械特性；⑤ 制动性能较好，能实现再生制动，节能效果显著；⑥ 无刷结构适于在高粉尘、高速、易燃、易爆等恶劣环境下运行。

从功率因数、效率、调速范围、起动转矩及制动等方面分析可知，开关磁阻电机非常适合作为剑杆织机的主驱动电机，既能满足布面均匀等技术要求，也能达到节能的目的，提升了织机档次和加工水平。

3 直驱织机用开关磁阻电机的设计

3.1 直驱系统要求

传统织机的主传动结构由异步电机通过皮带传动飞轮，再由飞轮通过离合器带动织机运转；另加一套慢速离合器和慢速电机单独驱动织机，织机调速可通过更换皮带轮或用双速电机来实现。

开关磁阻电机通过齿轮组直接驱动开口机构，而它与主轴之间由类似于以前慢速离合盘的一个双齿连接器来完成可控制的驱动。当织机正常运转或开慢车时，双齿连接器咬合，电机驱动主轴和开口机构；当织机寻纬时，双齿连接器脱开，电机只驱动开口机构以达到防止停车档的目的。与传统结构相比，采用开关磁阻电机驱动系统具有以下优势。

a) 新机械结构降低了织机的能耗，改变了过去主电机不停运转中消耗大量电能问题；而新结构只有当织机运转时电机才转动，降低了织机能耗。

b) 根据开关磁阻电机的特性，电机能在瞬间产生很大的扭矩而迅速启动，保证第一纬有足够的打纬力，避免第一纬打纬力不足造成开车稀档的问题，布面质量明显优于三相异步电机系统。

3.2 系统设计

为了减少传动链、实现直驱，首先应研究电机建模与电磁计算的新方法，对电机的电磁参数、铁芯长度进行优化设计，采用宽槽多跨距等技术提高了启动转矩，并对电机自身的转动惯量进行了优化，使电机启动转矩达到额定转矩的5倍以上，满足织机直驱的要求。

开关磁阻电机采用三相12/8极结构，各相独立控制、灵活可靠，可实现缺相运行。高性能开关磁阻电机的技术指标见表1。

表1 高性能开关磁阻电机技术指标

项目技术指标额定功率/kW7.5峰值功率/kW37.5额定转速/(r·min-1)2000调速范围/(r·min-1)100～2500额定转矩/(N·m)36启动时最大转矩/(N·m)202额定转速时最大转矩/(N·m)179

由表1可以看出，开关磁阻电机的峰值功率能达到其额定功率的5倍，且启动时最大转矩能达到额定转矩的5倍以上，满足了高端剑杆织机的性能要求。

3.3 电机控制技术

常规的开关磁阻电机控制中，电机开通角随着转速相对固定，控制简单。由于织机在运行中经常在不同转速、不同负载等工况下切换，为更好地控制电机状态、提高电机效率，作者研究了开关磁阻电机的直接转矩控制技术，将电机控制与精确数字仿真技术相结合，在线计算磁链直接控制各相绕组的导通关断，单独控制每一相绕组的电流波形，优化开通角度，增大单位电流输出转矩的能力，减小IGBT开关损耗，提高系统效率。由于织机主轴由电机直接驱动，去掉了慢车机构，因此要求开关磁阻电机必须能在织机慢速寻纬时以非常低的转速平稳运转，且在织机需要快速启动时，电机能满足启动要求与调速运行要求。现在的开关磁阻电机控制一般采用电流闭环、转矩开环的方式，这种控制方式难以兼顾织机慢速寻纬和快速启动的性能要求；笔者采用了神经网络控制的方式，将电流开环控制与PID闭环控制相结合，并根据位置预判信息进行电机转矩控制，实现在不同工况下电流、转矩间的无缝切换，使电机在启动织机时能快速达到设定转速，在慢速寻纬时又能保证转矩的平稳性，以低速平稳运转。

4 应用实例

高密市某纺织公司采用开关磁阻电机代替三相异步电机对GA731-Ⅱ型挠性剑杆织机进行了节能改造，改造前后节能效果见表2。

表2 GA731-Ⅱ型挠性剑杆织机节能改造前后对比

项目改造前改造后织布长度L/m81102耗电量W/(kW·h)41.634.5每米布耗电量M/(kW·h)0.510.34 注:织布长度、耗电量以24h计。

由表2可知，在满足正常生产要求的情况下，将剑杆织机原配的三相异步电机更换为开关磁阻电机后，其节电率为33.3%。可见开关磁阻电机适合在剑杆织机上应用，节电效果显著。

5 结语

高端剑杆织机的关键技术是高性能电机及控制技术，笔者根据剑杆织机的发展要求研发了开关磁阻电机驱动系统，可使启动转矩达到额定转矩的5倍以上，且去掉离合器等传动部件，实现了织机直驱。经纺织企业实际应用表明，基于开关磁阻电机设计的织机节能达30%以上，织机的综合性能和自动化程度均有了较大提高。由于该电机售价远低于国外进口设备，且性能稳定、性价比高，能满足国内纺织企业设备更新换代的需要，可以替代进口，具有良好的经济效益和社会效益，市场前景广阔。

[1] 代金友.剑杆织机的发展趋势与品种适应性[J].科技信息，2012(14)：428.

[2] 宋志军.剑杆织机车间功率因数过低的影响与对策[J]. 纺织机械,2011(3):24-26.

[3] 吴和福.剑杆织机的开车痕探讨[J].化纤与纺织技术， 2014，43(1)：37-41.

[4] 闫志平.开关磁阻电机用于织机主轴驱动的可行性分析[J].纺织机械,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

翟红英(1976—)，女，山东淄博人，讲师，主要从事电机控制方面的研究。

TS103.3

B

1001-9634(2017)01-0018-03