CN104796049A - 一种开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电缆卷绕系统，尤其涉及一种开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒。该电缆卷筒包括电缆卷筒筒体、开关磁阻电机调速系统以及减速器；开关磁阻电机调速系统包括：开关磁阻电机、控制器以及位置检测器；开关磁阻电机与减速器相连接，减速器主轴输出端与电缆卷筒筒体相连接；开关磁阻电机通过驱动减速器为电缆卷筒提供驱动力，驱动电缆卷筒筒体与移动设备上的电缆卷筒同步收、放电缆；位置检测器设置在开关磁阻电机一端，用以检测开关磁阻电机内部转子的转速以及角位移；控制器接收位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，并结合外部操作对电缆卷筒的转速、转向进行调整。本发明提供的电缆卷筒能耗小、调速宽、能够有效保护电缆。

Description

一种开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒
技术领域
本发明涉及一种移动设备电缆卷绕系统，尤其涉及一种开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒。
背景技术
电缆卷筒是移动式起重机等工业移动设备必不可少的组件之一，而且电缆卷筒上电缆运行速度必须与移动设备运行速度保持一致。移动设备的电缆卷筒为了满足这个要求，一般采用电机调速系统驱动电缆卷筒的方式来实现。
传统的变频调速感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性，需采用复杂的矢量控制系统。对一些转动惯量大，加速度大，速度快的工况，变频调速感应电动机驱动的电缆卷筒已不能很好的满足这一要求。在响应速度上，变频调速卷筒通常要降低能效，用大马拉小车的方式才可勉强解决，不能够有效的保护电缆。电缆在放缆时所受张力相比较结果为，力矩电机式电缆卷筒通常是堵转时电缆所受张力的2～3倍，磁滞耦合式电缆卷筒为1.8～2倍左右，力矩模式变频调速电缆卷筒为2.5倍左右，而开关磁阻电机电缆卷筒为0.3～1倍之间可调。同时，传统驱动类型电缆卷筒在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性以及散热性上也具有明显的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能耗小、调速宽、能够有效保护电缆的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种开关磁阻电机驱动的电缆卷筒。该电缆卷筒包括：电缆卷筒筒体、开关磁阻电机调速系统以及减速器；
所述开关磁阻电机调速系统包括：开关磁阻电机、控制器以及位置检测器；
所述开关磁阻电机与所述减速器主轴相连接，所述减速器主轴输出端与所述电缆卷筒筒体相连接；所述开关磁阻电机通过驱动所述减速器为所述电缆卷筒提供驱动力，驱动所述电缆卷筒筒体与移动设备上的电缆卷筒同步收、放电缆；
所述位置检测器设置在所述开关磁阻电机一端，用以检测所述开关磁阻电机内部转子的转速以及角位移；
所述控制器接收所述位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，并结合外部操作对所述电缆卷筒的转速、转向进行调整。
优选地，所述控制器包括：控制电路以及功率电路，所述控制电路接收所述位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，并结合所述外部操作对所述控制电路的输出信号进行调整；所述功率电路根据接收的所述输出信号对所述开关磁阻电机各绕组的通断电进行控制。
优选地，所述功率电路包括：功率开关器件，所述功率开关器件的导通与关断控制所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断；所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断，控制所述开关磁阻电机的转动与制动；所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断的顺序，控制所述开关磁阻电机的转动方向；所述开关磁阻电机各相绕组的电流以及开通与关断角度，控制所述开关磁阻电机的转动速度。
优选地，所述功率开关器件为功率晶体管、功率MOS场效应管、绝缘栅双极晶体管或智能功率集成模块。
优选地，还包括导缆架，所述导缆架置于所述移动设备或所述电缆卷筒筒体下方，用以引导电缆。
优选地，所述开关磁阻电机的定子以及转子均为凸极式，所述定子各极线圈采用集中式绕组；所述转子为硅钢片，无绕组及永磁体。
优选地，所述减速器一侧通过主轴输出端法兰螺栓与所述电缆卷筒筒体相连接，所述减速器主轴通过键与所述开关磁阻电机相连接。
优选地，还包括制动器，所述制动器置于所述开关磁阻电机上部，用以制动所述开关磁阻电机。
优选地，还包括安装支架，所述减速器通过所述安装支架进行固定。
优选地，所述电缆卷筒进行放卷动作时，所述开关磁阻电机处于发电状态。
本发明的上述技术方案具有如下优点：采用开关磁阻电机调速系统驱动电缆卷筒，可调的速度范围宽且平滑无级，能够确保电缆在收放过程中与电缆卷筒筒体同步协调。通过根据位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，对收放力矩进行预设，进而收放缆时无任何冲击抖动，有效地保护电缆提高电缆使用寿命。开关磁阻电机转矩惯性比较高，因此本发明提供的电缆卷筒具有更高的电能-机械能转换效率。同时，利用开关磁阻电机启动时电流小、转矩大的特点，使得启动过程中电流冲击小、性能稳定可靠，能够持续长时间(24小时)连续堵转，且堵转时发热量小升温在10℃左右。另外，放卷时开关磁阻电机处于发电工作状态，可实现能量回收，相比传统感应电机调速系统驱动卷筒节电率达20～30％以上。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电缆卷筒侧视图；
图2是本发明实施例提供的电缆卷筒正视图；
图3是本发明实施例提供的开关磁阻电机的示意图；
图4是本发明实施例提供的控制器功率电路示意图；
图5是本发明实施例提供的开关磁阻电机正转时功率开关的导通顺序示意图；
图6是本发明实施例提供的系统逻辑示意图；
图7是本发明实施例提供的系统结构示意图。
图中：1：电缆卷筒筒体；2：安装支座；3：控制器；4：开关磁阻电机；5：制动器；6：导缆架；7：齿轮箱减速器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
开关磁阻电机调速驱动系统是继变频调速感应电动机，无刷直流电机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是开关磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置。
开关磁阻电机调速驱动系统结构简单坚固、调速范围宽、调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，这是变频调速感应电动机难以企及的。另外开关磁阻电机转子的转动惯量小，在转矩/转动惯量的比值上较变频调速感应电动机占有较大的优势，有更高的电能-机械能转换效率，使节能更有效。与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等具有明显的优势。
本发明实施例提供了一种开关磁阻电机驱动的电缆卷筒。如图1所示，为本发明实施例提供的电缆卷筒侧视图。该电缆卷筒包括：电缆卷筒筒体1、开关磁阻电机调速系统以及减速器；开关磁阻电机调速系统包括：开关磁阻电机4、控制器3以及位置检测器；开关磁阻电机4与减速器主轴相连接，减速器主轴输出端与电缆卷筒筒体1相连接；开关磁阻电机4通过驱动减速器为电缆卷筒提供驱动力，驱动电缆卷筒筒体与移动设备上的电缆卷筒同步收、放电缆；位置检测器设置在开关磁阻电机4一端，用以检测开关磁阻电机4内部转子的转速以及角位移；控制器接收位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，并结合外部操作对电缆卷筒的转速、转向进行调整。
其中，本实施例中的减速器以齿轮箱减速器7为例，但并不以此为限，其他能够实现将电机驱动力传动至电缆卷筒筒体1的功能的器件均可。开关磁阻电机4通过直连或者皮带(链轮)传动方式驱动齿轮箱减速器7的齿轮传动系统。齿轮箱减速器7的输出轴法兰与电缆卷筒筒体1通过螺栓连接，并驱动电缆卷筒筒体1与移动设备上的电缆卷筒同步收、放电缆。
进一步地，如图2所示，为本发明实施例提供的电缆卷筒正视图。本发明实施例提供的电缆卷筒还包括导缆架6，导缆架6置于移动设备或电缆卷筒筒体1下方，用以引导收放缆时的电缆。由于收放缆过程中电缆运动方向不定，导缆架6的设置可以使收缆时电缆能够柔和定向的收揽在电缆卷筒筒体1上，放缆时电缆能够有方向性的从电缆卷筒筒体1上放缆。其中，移动设备主要指工业移动系统信号(视频、音频等)及能量(电能、液压能、气压能)供给设备，如门式起重机、港口起重机、场桥、岸桥、盾构机、抓斗、过跨车、克令吊、移动应急电源车、车间电动平车、铲土车、堆取料机、升降平台等。
进一步地，如图3所示，为本发明实施例提供的开关磁阻电机的示意图。本发明实施例提供的开关磁阻电机4的定子以及转子均为凸极式，定子各极线圈采用集中式绕组，定子绕组上的电压为不连续的矩形波而非连续的正弦波(所述矩形波为外接连续的正弦波，并经功率变换器整流后得到)；转子仅由硅钢片叠压而成，无绕组及永磁体。本发明实施例提供的开关磁阻电机4为三相12/8极电动机，12个定子磁极A1-A4、B1-B4、C1-C4的位置如图3中所示。其中4个A磁极在圆周上均匀分布，其上的绕组相互串联成A相的绕组，同样可以得到B相、C相的绕组。当某一相绕组通电时，将产生一个使临近绕组齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各绕组通电，例如A1-B1-C1-A2…，使得转子连续正转。改变各绕组的通电次序，即可改变开关磁阻电机4的转向。控制每一相电流的大小和通断电时刻(即控制开通角与关断角度)，可以改变收放缆时的转矩、转速，以及控制开关磁阻电机4的转动与制动。
进一步地，如图6所示，为本发明实施例提供的系统逻辑示意图。控制器3包括：控制电路以及功率电路，控制电路接收位置检测器检测的转速信号以及角位移信号(即开关磁阻电机4的实际运行情况)，并结合外部操作对控制电路的输出信号进行调整；功率电路根据接收的输出信号对开关磁阻电机4各绕组的通断电进行控制。在定、转子极相接近时对绕组通电，可实现开关磁阻电动机4运动；相离开时通电，则可实现开关磁阻电机4制动。由此，若要准确控制开关磁阻电动机4的运行，则需检测电动机转子的转速转向和瞬间位置，即向控制器3提供相应的转速信号以及角位移信号。
进一步地，功率电路包括：功率开关器件，功率开关器件的导通与关断控制开关磁阻电机4各相绕组的导通与关断；开关磁阻电机4各相绕组的导通与关断，控制开关磁阻电机4的转动与制动，且转动方向与电流大小无关；开关磁阻电机4各相绕组的导通与关断的顺序，控制开关磁阻电机4的转动方向；开关磁阻电机4各相绕组的电流以及开通与关断角度，控制开关磁阻电机4的转动速度。
进一步地，开关磁阻电机的可控量有加于绕组两端的电压、相电流，开通角和关断角等参数。针对以上可控变量有三种控制方式：角度位置控制、电流斩波控制和电压斩波控制。一般情况下电机低速运动时采用电流斩波方式，高速运动时采用单脉冲角度控制方式。
在加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上开关的开通角和关断角，来改变绕组的通电、断电时刻，进而调节相电流的波形实现转速的闭环控制。开通角和关断角都可以进行调节，通过改变开通角可以改变电流波形的宽度、峰值和有效值的大小，以及电流波形与电感波形的相对位置，从而改变电机的转矩和转速。而关断角一般不影响电流的峰值，但通过改变关断角可改变电流波形的宽度及其与电感曲线的相对位置，进而改变电流的有效值，同样可以改变电极的转矩和转速。当电流波形主要位于电感的上升区域时，产生正的平均电磁转矩，电机运行处于转动状态；当电流波形主要位于电感的下降区域时，产生负的平均电磁转矩，电机工作处于制动状态。而通过对开通角、关断角的控制，可以使电流的波形处在绕组电感波形的不同位置。因此，可以用控制开通角、关断角的方式来使电机运行在不同的状态。
电机低速运行特别是启动时，旋转电动势的压降很小，相电流上升很快，为了避免电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，这时可采用电流的斩波控制，而今获得恒转矩。电流控制一般不会对开通角、关断角进行控制，直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。让相电流与电流斩波限进行比较，将相电流维持在斩波限附近。
进一步地，如图4所示，为本发明实施例提供的控制器功率电路示意图。控制器3中的功率电路包括整流器件，其中本实施例中以二极管整流桥V为例，其他能够实现整流的电子器件均可；六个功率开关和对应的续流二极管组成的三相桥式逆变电路，用以分别向开关磁阻电机4的三相进行供电；其中功率开关器件为功率晶体管(GTR)、功率MOS场效应管(功率MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或智能功率集成模块(IPM)，本实施例以IGBT为例，它不但具有MOSFET的输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、驱动电路简单等特点，而且具有GTR的通态压降小、耐高压、大电流等优点。当一相IGBT(如TA、TA’)导通时，经端子(A1、A2)向开关磁阻电机4中A相的绕组通电。当IGBT(如TA、TA’)关断时，该A相绕组通过A相桥式逆变电路中的续流二极管(DA、DA’)向功率电路中的电容C续流和回馈能量，并使该A相绕组电流迅速降至为零。同理其他相是一样的原理，如图5所示，为本发明实施例提供的开关磁阻电机正转时功率开关的导通顺序示意图。进而本发明实施例提供的功率电路具有能量回馈的特点，进而本发明提供的电缆卷筒工作时能耗小，有更高的电能-机械能转换效率使节能更为有效。
进一步地，如图7所示，为本发明实施例提供的系统结构示意图，其所对应的逻辑示意图如图6所示。其中，控制板(控制器)根据外部操作控制要求和开关磁阻电动机4的实际运行情况不断调节其输出信号，以通过推动板和功率电路改变开关磁阻电动机4绕组的通电时刻，使之达到规定的运行要求。推动板根据控制板信号产生IGBT的推动信号，且包括一多路开关电源，开关电源输出供控制板使用的+5V和±15V控制电源和供多路推动电路使用的隔离电源。显示板可以显示开关磁阻电动机4的运行参数(如转速等)以及故障情况。
进一步地，本发明实施例提供的电缆卷筒还包括制动器5，制动器5置于开关磁阻电机4上部，用以外部制动开关磁阻电机4。
进一步地，本发明实施例提供的电缆卷筒还包括安装支架2，减速器通过安装支架2进行固定，即将整个电缆卷筒装置进行了固定。
需要说明的是，本文中所使用的“左”、“右”、“上”、“下”等方位词是以图中所示的构件相对位置为基准定义的，显然，上述方位词的应用仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
综上所述，本发明提供的电缆卷筒采用开关磁阻电机调速系统驱动电缆卷筒，可调的速度范围宽且平滑无级，能够确保电缆在收放过程中与电缆卷筒筒体同步协调。收放缆柔和自如，稳定精度高，在负载大小变化时转速保持不变，稳速精度在0.5％以内。通过根据位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，对收放力矩进行预设，进而收放缆时无任何冲击抖动，有效地保护电缆提高电缆使用寿命。开关磁阻电机转矩惯性比较高，因此本发明提供的电缆卷筒具有更高的电能-机械能转换效率。本发明提供的开关磁阻电机调速系统进行调速时系统效率均可达到85％以上，功率因数在0.98以上。放卷时电机处于发电工作状态，可实现能量回收，相比传统感应电机调速系统驱动卷筒节电率达20～30％以上。同时，利用开关磁阻电机启动时电流小、转矩大的特点，使得启动过程中电流冲击小、性能稳定可靠，能够持续长时间(24小时)连续堵转，且堵转时发热量小升温在10℃左右。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，包括：电缆卷筒筒体、开关磁阻电机调速系统以及减速器；
所述开关磁阻电机调速系统包括：开关磁阻电机、控制器以及位置检测器；
所述开关磁阻电机与所述减速器相连接，所述减速器主轴输出端与所述电缆卷筒筒体相连接；所述开关磁阻电机通过驱动所述减速器为所述电缆卷筒提供驱动力，驱动所述电缆卷筒筒体使电缆卷筒同步收、放电缆；
所述位置检测器设置在所述开关磁阻电机一端，用以检测所述开关磁阻电机内部转子的转速以及角位移；
所述控制器接收所述位置检测器检测的转速信号以及角位移信号判断是收卷动作还是放卷动作，并结合外部操作对所述收卷和放卷的力矩进行调整，从而对所述电缆卷筒的转速、转向进行调整。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述控制器包括：控制电路以及功率电路，所述控制电路接收所述位置检测器检测的转速信号以及角位移信号，并结合所述外部操作对所述控制电路的输出信号进行调整；所述功率电路根据接收的所述输出信号对所述开关磁阻电机各绕组的通断电进行控制。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述功率电路包括：功率开关器件，所述功率开关器件的导通与关断控制所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断；所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断，控制所述开关磁阻电机的转动与制动；所述开关磁阻电机各相绕组的导通与关断的顺序，控制所述开关磁阻电机的转动方向；所述开关磁阻电机各相绕组的电流以及开通与关断角度，控制所述开关磁阻电机的转动速度。
4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述功率开关器件为功率晶体管、功率MOS场效应管、绝缘栅双极晶体管或智能功率集成模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，还包括导缆架，所述导缆架的中线与所述电缆卷筒的卷盘的中线在同一直线上。
6.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述开关磁阻电机的定子以及转子均为凸极式，所述定子各极线圈采用集中式绕组；所述转子为硅钢片，无绕组及永磁体。
7.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述减速器一侧通过主轴输出端法兰螺栓与所述电缆卷筒筒体相连接，所述减速器主轴通过键与所述开关磁阻电机相连接。
8.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，还包括制动器，所述制动器置于所述开关磁阻电机上部，用以制动所述开关磁阻电机。
9.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，还包括安装支架，所述减速器通过所述安装支架进行固定。
10.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机调速系统驱动的电缆卷筒，其特征在于，所述电缆卷筒进行放卷动作时，所述开关磁阻电机处于发电状态。
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