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同步磁阻电机的“王者荣耀”,新一轮电机应用革命发酵中

 

何为同步磁阻电机?同步磁阻电机(SynRM)又称为反应式同步电动机,是利用转子上直轴和交轴方向磁阻不等产生磁阻转矩而工作的同步电机。同步磁阻电机工艺简单、材料成本低,转子内无永磁体、绕组、电刷和环等,与直流电机、异步电机、永磁同步电机结构均有不同。

同步磁阻电机

 ▲同步磁阻电机运行原理

 

事实上,同步磁阻电机的理论模型早在1923年就被提出来了,只是当时缺乏实现的条件而渐渐被遗忘。当所有的技术障碍都有了成熟的解决方案的时候,同步磁阻电机在一场席卷世界的稀土危机中被唤醒了。

在2011年前后,全球掀起了一次空前的炒稀土热,在短短几个月内,重要稀土元素镝(Dy)、钕(Nd)等价格抬升了几十倍,然后又快速悬崖式下降。稀土的这一轮“过山车”让很多人一夜暴富,也让很多电机企业企业受到重创。当年的稀土出口也受到了重大影响,这场风波在欧美市场持续发酵,重创了美国的国家安全感。

稀土资源主要集中在中国,那么以稀土为主要原材料的永磁同步电机的技术路线将会让欧美企业受制于中国市场,因此美国政府认为这不仅仅是一场稀土危机,更是涉及到国家安全的“政治正确的问题”。于是,在美国能源部的主导下,去稀土化项目纷纷上马,其中一个重要的方向就是同步磁阻电机路线。

自此,同步磁阻电机路线在国外得到了长足发展。近年来,长期受成本、降耗节能问题困扰的中国厂商也开始将目光聚焦在同步磁阻电机上,期望加快这一技术的市场转换,以解决目前电机应用的难点问题。

深圳市百盛传动有限公司(简称:百盛传动)技术总监刘忱表示,一方面国家节能减排力度、决心加大,对能效要求越来越高,高效电机需求量大增,普通异步电机IE4能效成本过高很难普及;另一方面,受限于稀土材料的战略管控,电机材料成本疯涨,中大功率高效永磁同步电机客户已无力买单。面对双重应用难题,同步磁阻电机通过磁阻转矩,接近零损耗转子设计、免除稀土材料,先天具有低成本高效率的优势。

同步磁阻电机

总结来说,同步磁阻电机效率、节能均优于异步电机;成本低于永磁同步电机且不存在高温失磁现象。

此外,在大家最关注的的价格成本上,台达产品总监史文祥表示,同步磁阻电机目前仍然处于新技术推广阶段,投入成本比较高,在同等能效等级标准下,目前市场普遍价格介于异步电机与永磁同步电机之间,台达方面IE4和IE5的价格是高于异步机的。然而一旦市场大批量应用之后,同步磁阻电机的价格势必会大幅下降,其性价比优势也将日益显著。

 

由于同步磁阻电机转子结构特殊,因此在电机的驱动控制方面会涉及比较多的算法上的难点。深圳伟创电气有限公司(简称:伟创电气)研发总监骆鹏表示,首先同步磁阻电机的参数获取有一定难度,在电机的电感饱和特性上,与永磁同步电机与异步电机都有较大的差异。其次,同步磁阻电机电感会随着频率、负载的变化而变化,传统算法并不能取得理想效果。最后在弱磁区、低频大力矩等工况下,如何优化控制电机,使电机性能发挥理想中的状态也是棘手的难题。

杭州瑞拉腾电气科技有限公司总经理胡超强调,同步磁阻电机的应用场景主要有:一是高效动力提供,二是速度、位置、力矩的自动控制;在对其的驱控上明显有别于传统的电机驱控系统,同步磁阻电机需要构建电机与驱动器的协同互补开发,新工艺的生产协作网络,驱控系统与行业工艺及设备专家的深度融合的新型生态,才能充分发挥其高效、高驱动特性。

杭州中达电机有限公司副总经理毛华先认为,同步磁阻电机要想将自身优势发挥得淋漓尽致必须在驱动算法上紧密配合电机的结构,所以需要驱动厂家从算法底层做好开发。如果不能做到控制、驱动上下打通,同步磁阻电机将会出现振动、噪音、电流突变或失速等问题,而用户是不会为这样的产品买单的。

目前来说,驱动同步磁阻电机在算法上主要有三种选择:第一种闭环矢量控制模式,由于应用过程中需要配备编码器,以获取准确的转子信息参数,市场实用性不强;第二种,V/F控制算法,在低频力矩等诸多方面的控制效果不理想;第三种,也是目前同步磁阻电机应用领域的黑科技——开环矢量控制技术,它可轻松应对驱动同步磁阻电机中的众多难题,但对算法开发能力有较高要求,目前掌握这项技术的厂商并不多,主要玩家为ABB、丹佛斯、安川等。

随着国内市场对同步磁阻电机的日益重视,突破这一算法难题已是迫在眉睫。为响应需求,伟创电气推出了AC310系列变频器与同步磁阻电机厂家做配套。该变频器运用的正是开环矢量控制算法,为充分发挥电机性能优势,伟创在算法上主要实现了三大突破:一,设计全新的磁链观测器;二、增加全新电机电感自学习功能;三、优化弱磁控制等。

同步磁阻电机

基于这一算法基础,AC310变频器不仅可以准确获取电机电感参数;在弱磁区控制上,可在达到电压极限下尽可能拓宽电机的恒定功率运行范围;同时可以实现在不同工况下,精准控制电机电流,获得最优电机转矩电流比,最大限度地提高电机效率。AC310变频器在开环矢量控制算法的技术上,可帮助同步磁阻电机轻松达到IE4及以上能效标准。

史文祥同样表示,由于同步磁阻电机输出转矩以磁阻力为主,会针对其应用负载不同而有不同转子磁障层设计,且不同负载电流下,磁阻电机硅钢片磁饱和情况亦不相同,而磁饱和会造成电机感值变化,若控制无法针对此电感饱和现象提供有效控制策略,将无法发挥同步磁阻电机高效率之电机特性。

针对上述议题,台达变频器提供同步磁阻电机参数自学习功能及弱扇区控制算法优化,搭配电机快速调适流程,使同步磁阻电机于各操作频率皆有稳定加载性能及高效率表现以应付各行业所需负载工况。

 

同步磁阻电机虽“初出茅庐”,却自带荣光而来,正如当初永磁同步电机颠覆了整个电机应用,它也被寄予了这样的厚望。不俗实力与光明前景加持,同步磁阻电机受到了越来越多的市场及厂商青睐。

2019年11月,格力将自主开发的新型无稀土磁阻电机技术专利授权给格兰富。作为全球领先的水泵制造商,格兰富年产量近1600万台,将带动同步磁阻电机在水泵等高效节能市场中的大规模应用。

刘忱认为,风机、泵类市场中的电机应用相对简单,同时又能体现节能效果,是同步磁阻电机初入市场的较优选择。但其应用范围绝不仅限于此,例如在空压机、挤塑、搅拌等恒转矩应用领域也是一大块潜在市场。综合来看,按照目前的设计指标,同步磁阻电机有望替代80%左右的电机市场。

由此也可看出,同步磁阻电机的机会点主要是在对异步电机市场的替代上,正如毛华先所说,只要有变频器应用的场合,同步磁阻电机都可以实现替代,其市场空间广阔无比。

目前在同步磁阻电机市场上,涌现的实力派玩家也不少,除格力外,台达、百盛传动、瑞拉腾等厂家都进入了小批量应用阶段中,2020年各厂家也将加速市场布局。

台达目前量产的主要是针对水泵行业推出的3000r/min系列同步磁阻电机,节能及效率表现方面表现突出,此外1500r/min系列产品也已经推出了市场。史文祥表示,除了电机外,台达还可为用户配套相应的驱动产品,通过系列参数优化,以确保电机性能达到最优。

同步磁阻电机

百盛传动2019年已完成了160KW以下同步磁阻电机及驱动产品开发,实现了2-3个行业小批量应用公司计划于2020年完成500kw以下IE4所有系列产品的开发,并且根据市场反馈及时完成产品的优化、升级、定型,推动产品进入大批量销售应用阶段。同时着手研发更高效率、非标同步磁阻电机,进一步拓展产品应用领域。

同步磁阻电机

瑞拉腾自2012年就对同步磁阻电机进行了不断的尝试与探索,公司建立了电机+驱动+嵌入式控制器+行业应用解决方案的完善业务系统,期间与水泵、风机、纺机等行业头部企业建立了紧密合作,目前量产的电机功率范围涵盖了1.5KW-110KW,转速包括1000-3600rpm。2020年瑞拉腾将发布新一代的同步磁阻电机产品,对标欧洲IE5能效等级,以迎接这场电机新应用革命的到来。

同步磁阻电机

毫无疑问,同步磁阻电机的出现弥补了异步电机现有不足,尤其满足了降耗节能领域的行业应用需求,即使是替代应用,其市场规模仍然巨大。目前也吸引了众多厂商加入其中,但在应用端,用户对同步磁阻电机的认知度不高,必要的市场推广是不可缺少的。

 

转载《自直驱与传动》

 

2020-10-10
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