防爆開關磁阻電機系統的應用

　　無軌膠輪車可以在爆炸氣體環境中運行，用于包括人員、材料、設備和矸石等運輸的煤礦輔助運輸領域，使用方便靈活，適用性強，保證礦井的高產高效及安全生產，有利于改善目前國內煤礦落后運輸工具，是煤礦輔助運輸中先進系統之。

　　目前無軌膠輪車主要采用防爆柴油機為主動力，油耗大，運營成本高，在井下尾氣和噪音污染嚴重，應用受到限制。從油耗、環境和性能等方面綜合考慮，純電動是重要發展方向。純電動無軌膠輪車運行環境復雜，對主驅動電機的要求也較高。北京中紡銳力公司開關磁阻電機系統結構簡單可靠，恒功率范圍寬，系統效率高，高效區達70%以上，可制動回饋能量，具備防爆資質，非常適合作為純電動無軌膠輪車的主驅動電機。本文介紹防爆開關磁阻電機系統在純電動無軌膠輪車中應用情況，并給出試驗測試結果。

　　1.防爆開關磁阻電機系統開關磁阻電機系統由開關磁阻電機和控制器組成，是一種新型機電一體化產品，如所示。開關磁阻電機控制器安裝在防爆外殼中，采用DSP作為主控芯片，實現多種控制策略，控制電機高效運轉；集成CAN總線控制器，通過定制通訊協議和整車通訊，靈活可靠；采用IGBT和電機繞組串聯形式的雙開關型結構的功率電路，功率器件無短路爆炸的危險。

　　開關磁阻電機系統組成框圖開關磁阻電機的定子和轉子均由硅鋼片疊壓而成，定子上有集中繞組，轉子上沒有繞組和永磁體，無高速永磁渦輪損耗問題，調速范圍寬。開關磁阻電機結構方案靈活多樣，有單相、兩相、三相、四相等多相結構，定子和轉子極數有多種搭配。采用三相12/8極結構的開關磁阻電機。由于采用雙凸極結構，鐵芯磁場變化復雜且磁路存在非線性，開關磁阻電機的設計方法復雜。通過初步計算，有限元仿真進行設計。為轉子角位置處于17.2°時有限元網格剖分圖；為轉子角位置處于17.2°時磁鏈分布圖。

　　網格剖分圖磁鏈分布圖開關磁阻電機控制器安裝在防爆外殼中，主要包括控制電路、接口電路、功率電路和驅動電路?？刂齐娐芬訲I公司的C28x型32位DSP為核心，符合美國汽車電子協會的AEC-Q100認證，運算速度達150MHz，內置IEEE-754浮點乘法器，可高速解算多種控制策略，保證開關磁阻電機高效可靠運轉。DSP集成CAN總線控制器，通過接口電路中接口芯片和整車控制器組成CAN網絡，根據雙方定制的通訊協議交換信息。驅動電路根據DSP輸出信號，控制IGBT開通和關斷，進而控制電機繞組相電流，驅動電機運轉；同時驅動電路具備過流、短路和欠壓等多種保護功能，保證IGBT可靠工作。開關磁阻電機功率電路可以采用多種拓撲結構，本文采用IGBT和電機繞組串聯形式的雙開關型結構的功率電路，功率器件無短路爆炸的危險，保證系統可靠工作。

　　防爆外殼能承受通過外殼任何接合面或間隙滲透到外殼內部的可燃性混合物在內部爆炸而不損壞，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環境的點燃。防爆外殼結合面的寬度、間隙、公差、螺釘選用需滿足國標要求。開關磁阻電機的轉軸穿過防爆外殼壁處需采用防爆軸承端蓋，不能因軸承磨損和偏心而受損以至影響防爆性能。同時防爆外殼需布置水路為電機和控制器功率元件散熱。電機定子和控制器引線在內部布置后引出至防爆接線盒，經喇叭口引出電纜。

　　開關磁阻電機主要控制策略包括電流斬波（CCC）、電壓斬波（PWM）和單脈沖（APC）。在設計中，將多種控制策略結合使用，以滿足無軌膠輪車要求電機轉速范圍寬的需求，從而使得電機在各種不同工作條件下達到良好性能。采用多種控制策略時，需解決控制策略之間切換問題，使得電機在各個轉速段輸出平穩連續的轉矩。

　　本文設計開關磁阻電機，在低速段，采用電流斬波方式，限制電流峰值，輸出轉矩平穩；在中速段，采用電壓斬波方式，抗負載擾動，響應快；在高速段，采用單脈沖方式，轉矩調節范圍大，電機效率較高。同時在升速點和降速點之間留出5%的回差，使得電機不至于在此區域頻繁切換控制策略。并且在控制軟件中增加預置補償器，在控制策略切換時進行必要的補償，如所示。

　　純電動無軌膠輪車對防爆開關磁阻電機系統主要要求指標如下：額定功率P/kW額定轉速n/r額定轉矩T/NmZ高轉速nM/rmin-1峰值功率PM/kWZ高效率n/%電機性能得到的測試結果應滿足上述技術指標要求。

　　應用測功機測試開關磁阻電機系統，額定轉速為1500r/min，Z高轉速4 000r/min；輸出額定功率55kW，額定扭矩350Nm，滿足S1工作制要求；輸出峰值功率75kW，峰值扭矩478Nm，滿足S2工作制要求，持續工作時間>1min.應用測功機對開關磁阻電機系統逐個轉速點測試輸出轉矩和系統效率，繪制系統MAP圖，如所示。系統Z高效率達93.17%，高效區（效率>80%的區域）>72.31%，滿足技術指標要求。

　　測試結果表明，開關磁阻電機系統Z高轉速>4500r/min，達額定轉速3倍。系統在額定轉速點以上輸出峰值功率>75kW，恒功率范圍寬，滿足無軌膠輪車載貨時高速運行要求。

　　測試結果表明，開關磁阻電機系統輸出額定功率長時間工作時，應用電阻法計算溫升<90K；輸出煤礦機械新型礦井輸送機輸送帶縱向撕裂檢測方法童敏明，汪博，蔣昌龍，童紫原，唐守鋒（中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008）高，提出了一種新型的檢測方案。該檢測方案通過在輸送機輸送帶內部置入雙環導線回路，并依據電磁感應原理得到檢測信號，Z后交由單片機對信息進行處理分析。由于導線內嵌于輸送帶內部，電磁感應的非接觸方式，使該檢測方案能夠有效地減小外部干擾，達到提高檢測精度的效果。

　　引言煤礦的運輸是煤礦開采中的一個重要環節，輸送機輸送帶成本約占整機成本的1/2.如果輸送帶出現縱向撕裂，將會給煤礦生產帶來很大的經濟損失。礦井輸送機在輸送帶的內部縱向埋下了很多鋼峰值功率，持續工作時間>1min.可見，本開關磁阻電機系統溫升指標留有較大余地，適合于運行在煤礦類環境惡劣的純電動無軌膠輪車。

　　開關磁阻電機系統可方便實現制動能量回饋功能。測試結果表明，制動能量回饋峰值功率>75kW，系統效率90%，可用于剎車時制動回收能量。

　　3.車輛動力性能測試在試驗場內，對采用防爆開關磁阻電機系統作為主驅動電機的純電動無軌膠輪車進行試車測試，主要測試車輛動力性能，具體試驗情況如下：起步和行駛純電動無軌膠輪車起步平穩，無抖動現象；在各個車速段行駛平穩，開關磁阻電機系統轉矩輸出平穩，無抖動現象；Z高車速純電動無軌膠輪車Z高車速達50km/h以上，高速駕駛體驗良好；爬坡性能純電動無軌膠輪車可以在15%坡道上正常起步，行駛通過坡道。

　　4.結語本文介紹防爆開關磁阻電機系統在純電動無軌膠輪車中應用情況，通過實驗室測試和現場試車試驗，可以看到，在滿足低噪聲和零排放的同時，還絲繩，這增加了輸送帶抗拉的強度，可以基本抑制輸送帶的橫向撕裂，然而輸送帶的縱向強度仍然沒有改善。目前在國內比較常見的縱向撕裂檢測方法有本安型防撕裂裝置、振動檢測裝置、ZFA型自動接觸式防撕裂裝置、SL縱向撕裂開關等，但是限于具有如下特點：開關磁阻電機系統轉矩控制和狀態切換平穩，純電動無軌膠輪車起步平穩，各個車速段行駛平穩；開關磁阻電機系統的效率和高效區指標滿足國家“十二五”863電動汽車重大項目要求，且具備能量回饋功能，有利于提高車輛續航里程，適合于采用蓄電池類有限能源的純電動無軌膠輪車；開關磁阻電機系統溫升低，過載性能好，可以滿足煤礦類無軌膠輪車坡道行駛時間長的需求；開關磁阻電機系統恒功率范圍寬，達額定轉速3倍以上，滿足無軌膠輪車載貨時高速運行要求；開關磁阻電機已取得防爆資質證書，滿足煤礦設備的防爆性能要求。