歐立生，馬小芳
摘要：直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)。結(jié)合直流無刷電動(dòng)機(jī)在紡織機(jī)械中的廣泛應(yīng)用，說明了直流無刷電動(dòng)機(jī)在紡織機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用前景非常廣闊。
關(guān)鍵詞：直流無刷電動(dòng)機(jī)；無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；梳棉機(jī)；絡(luò)筒機(jī)
0 引言
直流無刷電動(dòng)機(jī)是一種機(jī)械與電子相結(jié)合的一體化產(chǎn)品，它利用先進(jìn)的電子換相取代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相，從而從根本上解決了直流電動(dòng)機(jī)的因?yàn)殡娝⒌拇嬖诙鴰淼脑肼�、火花、無線電干擾、壽命短及需經(jīng)常維護(hù)等致命弱點(diǎn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)仍保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制。其應(yīng)用已從最初的軍事工業(yè)，迅速向航空航天、醫(yī)療、紡織機(jī)械、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域發(fā)展。
隨著紡織機(jī)械技術(shù)的發(fā)展和需要，現(xiàn)在的紡織機(jī)械上如絡(luò)筒機(jī)、梳棉機(jī)及無紡布等需要大量的調(diào)速及控制電機(jī)作為原動(dòng)力。目前紡織機(jī)械上需要調(diào)速的場(chǎng)合，多采用直流電動(dòng)機(jī)或者異步電動(dòng)機(jī)加變頻器來實(shí)現(xiàn)，在精度要求較高的場(chǎng)合，多采用伺服電機(jī)進(jìn)行控制。眾所周知，傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來了火花、壽命短以及需經(jīng)常維護(hù)等致命弱點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。由于異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，目前在工業(yè)中大多數(shù)都采用異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力。但為了對(duì)其速度進(jìn)行控制，必須配以合適的變頻器，從而大大提高了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本，而且異步電動(dòng)機(jī)本身的特點(diǎn)決定了其控制精度不高，更值得一提的是異步電動(dòng)機(jī)在較低頻(小于5 Hz)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)多抖動(dòng)的厲害，以致無法使用。
由于直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，沒有勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率。因此該類電動(dòng)機(jī)在紡織機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用前景非常廣闊。
1直流無刷電機(jī)的系統(tǒng)組成和顯著特點(diǎn)
直流無刷電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)，如圖1所示。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器巾的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。
直流無刷電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：
與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，直流無刷電動(dòng)機(jī)具有更大的功率密度、更高的效率和更好的控制性能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)由于采用高性能永磁材料，直流無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子體積得以減小，丌J以具有較低的慣性、更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)矩／慣量比。
(2)由于沒有轉(zhuǎn)子損耗，電無需定子勵(lì)磁電流分量，所以直流無刷電動(dòng)機(jī)具有較高的效率和功率密度。對(duì)于同等容量輸出，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要更大功率的整流器和逆變器(3)南于沒有轉(zhuǎn)子發(fā)熱，直流無刷電動(dòng)機(jī)也無需考慮轉(zhuǎn)子冷卻問題。
(4)盡管感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍和成熟，但由丁其非線性本質(zhì)，控制系統(tǒng)極為復(fù)雜永磁同步電動(dòng)機(jī)把交流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的磁場(chǎng)定向控制轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子位置定向控制，而直流無刷電動(dòng)機(jī)則進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為離散六狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置控制，也無需坐標(biāo)變換。與永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，直流無刷電動(dòng)機(jī)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)：
(1)直流無刷電動(dòng)機(jī)采用方波電流供電，可以提供更高的轉(zhuǎn)矩／體積比，相同條件下輸出轉(zhuǎn)矩大15％。
(2)在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生梯形波的磁場(chǎng)分布和梯形波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要比產(chǎn)生正弦波的磁場(chǎng)分布和正弦變化的電動(dòng)勢(shì)簡(jiǎn)單，因此直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低。
(3)對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于定子電流是轉(zhuǎn)子位置的正弦函數(shù)，系統(tǒng)需要高分辨率的位置傳感器，構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格昂貴．
(4)產(chǎn)生方波電壓和電流的變頻器比產(chǎn)生正弦波電壓和電流的變頻器簡(jiǎn)單，控制也簡(jiǎn)單得多，因此直流無刷電動(dòng)機(jī)控制簡(jiǎn)單、控制器成本較低。
2直流無刷電機(jī)在紡織機(jī)械中的應(yīng)用
隨著微電子技術(shù)和電力電子器件等技術(shù)的發(fā)展，紡織機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)變得越來越簡(jiǎn)單，原先整體式的機(jī)械傳動(dòng)由現(xiàn)在的分部電氣驅(qū)動(dòng)代替，其精度、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度有了極大的提高。拿紡織機(jī)械的自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)來說吧，宏大公刊生產(chǎn)的Es—PRON-M型絡(luò)筒機(jī)的單錠部分只有一臺(tái)200瓦的變頻電動(dòng)機(jī)作為單錠驅(qū)動(dòng)，而意大利sAVIO公司已投放市場(chǎng)的0R10N絡(luò)筒機(jī)單錠由一個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)和五個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。通過這樣的改進(jìn)使得所需加工的機(jī)械部件數(shù)量減少，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性提高。同樣梳棉機(jī)也朝著這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展，如：意大利馬佐里公司生產(chǎn)的c50l梳棉機(jī)單元組已發(fā)展到11個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中變頻電動(dòng)機(jī)4個(gè)，直流無刷電動(dòng)機(jī)3個(gè)，三相異步電動(dòng)機(jī)4個(gè)。
另外新型無紡布沒備每臺(tái)需交流伺服電動(dòng)機(jī)就有8臺(tái)之多。其它如包裝機(jī)械、造紙機(jī)械、印染機(jī)械、針織機(jī)械等機(jī)械行業(yè)也多是如此。
就紡織機(jī)械用控制電動(dòng)機(jī)的性價(jià)比而言，直流無刷電動(dòng)機(jī)一般較交流伺服電動(dòng)機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等特殊電動(dòng)機(jī)高，目前優(yōu)良的直流無刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范同可達(dá)I：300，其速度跟蹤響應(yīng)精度在毫秒級(jí)左右。就紡織機(jī)械沒備而言，直流無刷電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異性能完全可以取代變頻電動(dòng)機(jī)，在價(jià)格基本相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，能顯著提高其設(shè)備的工作性能；也呵以取代很大一部分交流伺服電動(dòng)機(jī)，有很多設(shè)備用直流見刷電動(dòng)機(jī)便能滿足要求，而且價(jià)格會(huì)降低很多，如新型無紡布設(shè)備每臺(tái)所需交流伺服電動(dòng)機(jī)8臺(tái)，從同外進(jìn)口需花費(fèi)近50萬元，而采用直流尤刷電動(dòng)機(jī)，完全滿足要求，化費(fèi)至少可降低一半。
直流無刷電動(dòng)機(jī)具有控制性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速范圍大、易維護(hù)壽命長(zhǎng)、無線電干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在大多數(shù)場(chǎng)合上應(yīng)用較之三相異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)要好的多。****梳棉機(jī)的自調(diào)勻整部分、壓輥部分、原用交流伺服電動(dòng)機(jī)的罔條器部分止在準(zhǔn)備選用直流無刷電動(dòng)機(jī)，另外加之梳棉機(jī)c501的三種直流無刷電動(dòng)機(jī)、意大利馬佐里公司牛產(chǎn)的絡(luò)筒機(jī)二種、ORION絡(luò)筒機(jī)的一種、清梳聯(lián)設(shè)備上至少可選用兩種等等，單就紡織機(jī)械上使用的直流無刷電動(dòng)機(jī)不下十種。絡(luò)簡(jiǎn)機(jī)直流無刷電動(dòng)機(jī)額定功率約為200w，調(diào)速范圍1300 r／min～700Or／m，已經(jīng)在21c，oRION，PoLAR等機(jī)型廣泛應(yīng)用。梳棉機(jī)自調(diào)勻整用直流無刷電動(dòng)機(jī)額定功率370w，凋速范圍200r／min～2400r／min，正反轉(zhuǎn)控制。
隨著電機(jī)材料、制造工藝的提高和電力電子器件的發(fā)展，直流無刷電機(jī)和控制器成本的逐步降低，直流無刷電機(jī)將在越來越多的紡織機(jī)械廣泛應(yīng)用。
3結(jié)語 從技術(shù)、市場(chǎng)的這兩方面來說，結(jié)合產(chǎn)學(xué)研的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在進(jìn)入直流無刷電動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域是完全切實(shí)可行的，我們要加大對(duì)這方面投入的力度和速度，并逐步使之產(chǎn)業(yè)化，為民族丁業(yè)做出貢獻(xiàn)。直流無刷電動(dòng)機(jī)是隨著電力電子元器件技術(shù)和永磁材料技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，其優(yōu)異的可控性能及較低的成本，必將成為現(xiàn)代紡機(jī)機(jī)械不可缺少的驅(qū)動(dòng)設(shè)備之 |
