防爆开关磁阻电机系统的应用

　　无轨胶轮车可以在爆炸气体环境中运行，用于包括人员、材料、设备和矸石等运输的煤矿辅助运输领域，使用方便灵活，适用性强，保证矿井的高产高效及安全生产，有利于改善目前国内煤矿落后运输工具，是煤矿辅助运输中先进系统之。

　　目前无轨胶轮车主要采用防爆柴油机为主动力，油耗大，运营成本高，在井下尾气和噪音污染严重，应用受到限制。从油耗、环境和性能等方面综合考虑，纯电动是重要发展方向。纯电动无轨胶轮车运行环境复杂，对主驱动电机的要求也较高。北京中纺锐力公司开关磁阻电机系统结构简单可靠，恒功率范围宽，系统效率高，高效区达70%以上，可制动回馈能量，具备防爆资质，非常适合作为纯电动无轨胶轮车的主驱动电机。本文介绍防爆开关磁阻电机系统在纯电动无轨胶轮车中应用情况，并给出试验测试结果。

　　1.防爆开关磁阻电机系统开关磁阻电机系统由开关磁阻电机和控制器组成，是一种新型机电一体化产品，如所示。开关磁阻电机控制器安装在防爆外壳中，采用DSP作为主控芯片，实现多种控制策略，控制电机高效运转；集成CAN总线控制器，通过定制通讯协议和整车通讯，灵活可靠；采用IGBT和电机绕组串联形式的双开关型结构的功率电路，功率器件无短路爆炸的危险。

　　开关磁阻电机系统组成框图开关磁阻电机的定子和转子均由硅钢片叠压而成，定子上有集中绕组，转子上没有绕组和永磁体，无高速永磁涡轮损耗问题，调速范围宽。开关磁阻电机结构方案灵活多样，有单相、两相、三相、四相等多相结构，定子和转子极数有多种搭配。采用三相12/8极结构的开关磁阻电机。由于采用双凸极结构，铁芯磁场变化复杂且磁路存在非线性，开关磁阻电机的设计方法复杂。通过初步计算，有限元仿真进行设计。为转子角位置处于17.2°时有限元网格剖分图；为转子角位置处于17.2°时磁链分布图。

　　网格剖分图磁链分布图开关磁阻电机控制器安装在防爆外壳中，主要包括控制电路、接口电路、功率电路和驱动电路。控制电路以TI公司的C28x型32位DSP为核心，符合美国汽车电子协会的AEC-Q100认证，运算速度达150MHz，内置IEEE-754浮点乘法器，可高速解算多种控制策略，保证开关磁阻电机高效可靠运转。DSP集成CAN总线控制器，通过接口电路中接口芯片和整车控制器组成CAN网络，根据双方定制的通讯协议交换信息。驱动电路根据DSP输出信号，控制IGBT开通和关断，进而控制电机绕组相电流，驱动电机运转；同时驱动电路具备过流、短路和欠压等多种保护功能，保证IGBT可靠工作。开关磁阻电机功率电路可以采用多种拓扑结构，本文采用IGBT和电机绕组串联形式的双开关型结构的功率电路，功率器件无短路爆炸的危险，保证系统可靠工作。

　　防爆外壳能承受通过外壳任何接合面或间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。防爆外壳结合面的宽度、间隙、公差、螺钉选用需满足国标要求。开关磁阻电机的转轴穿过防爆外壳壁处需采用防爆轴承端盖，不能因轴承磨损和偏心而受损以至影响防爆性能。同时防爆外壳需布置水路为电机和控制器功率元件散热。电机定子和控制器引线在内部布置后引出至防爆接线盒，经喇叭口引出电缆。

　　开关磁阻电机主要控制策略包括电流斩波（CCC）、电压斩波（PWM）和单脉冲（APC）。在设计中，将多种控制策略结合使用，以满足无轨胶轮车要求电机转速范围宽的需求，从而使得电机在各种不同工作条件下达到良好性能。采用多种控制策略时，需解决控制策略之间切换问题，使得电机在各个转速段输出平稳连续的转矩。

　　本文设计开关磁阻电机，在低速段，采用电流斩波方式，限制电流峰值，输出转矩平稳；在中速段，采用电压斩波方式，抗负载扰动，响应快；在高速段，采用单脉冲方式，转矩调节范围大，电机效率较高。同时在升速点和降速点之间留出5%的回差，使得电机不至于在此区域频繁切换控制策略。并且在控制软件中增加预置补偿器，在控制策略切换时进行必要的补偿，如所示。

　　纯电动无轨胶轮车对防爆开关磁阻电机系统主要要求指标如下：额定功率P/kW额定转速n/r额定转矩T/Nm最高转速nM/rmin-1峰值功率PM/kW最高效率n/%电机性能得到的测试结果应满足上述技术指标要求。

　　应用测功机测试开关磁阻电机系统，额定转速为1500r/min，最高转速4 000r/min；输出额定功率55kW，额定扭矩350Nm，满足S1工作制要求；输出峰值功率75kW，峰值扭矩478Nm，满足S2工作制要求，持续工作时间>1min.应用测功机对开关磁阻电机系统逐个转速点测试输出转矩和系统效率，绘制系统MAP图，如所示。系统最高效率达93.17%，高效区（效率>80%的区域）>72.31%，满足技术指标要求。

　　测试结果表明，开关磁阻电机系统最高转速>4500r/min，达额定转速3倍。系统在额定转速点以上输出峰值功率>75kW，恒功率范围宽，满足无轨胶轮车载货时高速运行要求。

　　测试结果表明，开关磁阻电机系统输出额定功率长时间工作时，应用电阻法计算温升<90K；输出煤矿机械新型矿井输送机输送带纵向撕裂检测方法童敏明，汪博，蒋昌龙，童紫原，唐守锋（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）高，提出了一种新型的检测方案。该检测方案通过在输送机输送带内部置入双环导线回路，并依据电磁感应原理得到检测信号，最后交由单片机对信息进行处理分析。由于导线内嵌于输送带内部，电磁感应的非接触方式，使该检测方案能够有效地减小外部干扰，达到提高检测精度的效果。

　　引言煤矿的运输是煤矿开采中的一个重要环节，输送机输送带成本约占整机成本的1/2.如果输送带出现纵向撕裂，将会给煤矿生产带来很大的经济损失。矿井输送机在输送带的内部纵向埋下了很多钢峰值功率，持续工作时间>1min.可见，本开关磁阻电机系统温升指标留有较大余地，适合于运行在煤矿类环境恶劣的纯电动无轨胶轮车。

　　开关磁阻电机系统可方便实现制动能量回馈功能。测试结果表明，制动能量回馈峰值功率>75kW，系统效率90%，可用于刹车时制动回收能量。

　　3.车辆动力性能测试在试验场内，对采用防爆开关磁阻电机系统作为主驱动电机的纯电动无轨胶轮车进行试车测试，主要测试车辆动力性能，具体试验情况如下：起步和行驶纯电动无轨胶轮车起步平稳，无抖动现象；在各个车速段行驶平稳，开关磁阻电机系统转矩输出平稳，无抖动现象；最高车速纯电动无轨胶轮车最高车速达50km/h以上，高速驾驶体验良好；爬坡性能纯电动无轨胶轮车可以在15%坡道上正常起步，行驶通过坡道。

　　4.结语本文介绍防爆开关磁阻电机系统在纯电动无轨胶轮车中应用情况，通过实验室测试和现场试车试验，可以看到，在满足低噪声和零排放的同时，还丝绳，这增加了输送带抗拉的强度，可以基本抑制输送带的横向撕裂，然而输送带的纵向强度仍然没有改善。目前在国内比较常见的纵向撕裂检测方法有本安型防撕裂装置、振动检测装置、ZFA型自动接触式防撕裂装置、SL纵向撕裂开关等，但是限于具有如下特点：开关磁阻电机系统转矩控制和状态切换平稳，纯电动无轨胶轮车起步平稳，各个车速段行驶平稳；开关磁阻电机系统的效率和高效区指标满足国家“十二五”863电动汽车重大项目要求，且具备能量回馈功能，有利于提高车辆续航里程，适合于采用蓄电池类有限能源的纯电动无轨胶轮车；开关磁阻电机系统温升低，过载性能好，可以满足煤矿类无轨胶轮车坡道行驶时间长的需求；开关磁阻电机系统恒功率范围宽，达额定转速3倍以上，满足无轨胶轮车载货时高速运行要求；开关磁阻电机已取得防爆资质证书，满足煤矿设备的防爆性能要求。