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。

同时，开关磁阻电机本身能够寸动和慢速运行，因此不用再配置微调传动，调模试模极为方便。

2）生产率提高
可以根据工况和自动化连线的需要，在较大范围内数字设定滑块行程次数，其宽范围调速功能，可以提高生产率。

3）能量数控
使“大马拉小车”的压力机不再过能量。

如开关磁阻数控螺旋压力机，打击
能量为
2
2
1
mv
，数控其速度，即数控其能量，可以轻打，也可重打，且不过多耗
能。

其他机型压力机调能原理与之类似。

4）智能数控
不同工艺、不同材料可调用计算机存储的不同工作曲线，使压力机的加工性能、加工范围大大提高。

工艺曲线、时间、产量、耗电量等数据可由微机智能存储和处理，易实现制造过程信息化管理的目标。

5）设备通用性提高
现有压力机根据工艺不同而种类繁多，开关磁阻数控压力机可依工艺调节，而满足不同工艺的需求，使同一台压力机工作在不同工况，如同一台螺旋压力机可以工作在制坯、预锻、终锻等不同工艺状态，也可实现多膛模锻。

6）制件精度高，模具寿命高
因锻压工件的能量和速度可准确数控，使得制件精度和模具寿命提高。

7）结构简化
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，伺服压力机没有了大皮带轮（飞轮）、离合器等，结构简化。

8）正常停机时，确保滑块停在上止点
位置传感器反馈位置信号，在停机前电机减速；当滑块处在上止点时，电机轴的制动启动，确保滑块停在上止点。

离合器式机型可有效降低离合器、制动器的摩擦热量。

9）安全性高
在电机制动（可加转子抱死功能）和制动器作用下，滑块可以在任何位置制动停止。

10）节能
压力机多在额定状态点以下工作，开关磁阻电机比其它电机耗能低；在低速运行时，节能更加明显。

以315吨压力机为例，开关磁阻数控调速压力机驱动电机30kW，一般冲片每小时耗电仅5度左右，比原有的耗电大副降低。

对于数控螺旋压力机、数控伺服压力机来说，没有离合器结合能耗，滑块停止后，电机停转，
也没有了电机、皮带轮空转，能耗显著降低。

目前应用中的开关磁阻数控螺旋压力机比摩擦螺旋压力机节能50%以上。

11）工作可靠性高
与其他电机系统相比，开关磁阻电机转子即无绕组也无永磁体，机械强度高。

电机在三相输入电源缺相或者欠功率运行或者闷车的情况下，不会烧毁电机和控制器。

功率器件不会发生因控制错误导致短路而烧毁的现象，并且温升低。

4 结束语
开关磁阻数控压力机由开关磁阻电动机调速系统驱动，其突出特点是效率高、节能效果好、调速范围广、无起动冲击电流、起动转矩大、数字化控制灵活、此外，还具有结构简单、坚固可靠、成本低等优点。

经权威部门测试，采用开关磁阻电动机的螺旋压力机可节能达29.3%。

应用证明，与现有压力机相比，开关磁阻数控压力机的优势为数控、调速、变速、调能、节能、智能、可靠性高。

因此，开关磁阻数控压力机必将会逐步取代现有的压力机，成为压力机换代的首选产品。