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同步磁阻電機：低成本高性能技術驅動

已有24139次閱讀2021-09-23標簽:

 永磁同步電機由于結構緊湊、能量密度高、效率高等優(yōu)點在電機行業(yè)受到廣泛關注。但是，現(xiàn)有的高性能稀土永磁材料價格很高，而且價格波動極大�，F(xiàn)在國內外都開始尋找可替代永磁同步電機的產品。各廠商都希望能將性能稍低的永磁體鐵氧體利用起來甚至去掉永磁體，同時電機依舊能保持良好的性能。同步磁阻電機（SynRM）因此走進了大家的視線。

其實早在上世紀20年代就有學者提出過同步磁阻電機的概念，即通過d軸與q軸磁阻的擦會議產生轉矩從而驅動電機。近年來工業(yè)發(fā)展對低成本高性能的電機需求急劇上升，并隨著電子器件和磁場定向控制技術的進步，同步磁阻電機在相當多應用場合得到了應用。


對比異步電機

 

從加工工藝和材料上來看，同步磁阻電機的轉子鐵心只需要沖壓疊片，相比于異步電機沖壓疊片后還需要后續(xù)的工藝，這點上同步磁阻電機更有優(yōu)勢。拋開工藝繁雜程度，在相同的定子繞組電流密度下異步電機的輸出轉矩會高于同步磁阻電機；但考慮到鐵心磨損，在兩種電機相同磨損下同步磁阻電機效率仍然會略高一些。

同步磁阻電機基本上都是用于變頻調速領域，異步電機則可采用自起動運行和變頻調速運行。雖然同步磁阻電機是可以設計成自起動模式，但是在同步磁阻電機上完成這種模式代價很大會犧牲凸極率。

綜合來看，同步磁阻電機對比異步電機最主要的優(yōu)勢在于轉子損耗小，不足之處則是不具備自起動以及功率因數(shù)低。

對比永磁同步電機

 

作為和同步磁阻電機最常比較的機型，永磁同步電機在成本和加工工藝上肯定不如同步磁阻電機工藝有優(yōu)勢�？梢哉f同步磁阻電機的成本是遠低于任何一類永磁同步電機的。

永磁同步電機高昂的成本和復雜的加工工藝帶來的轉矩密度、效率、功率因數(shù)當然也無可爭議得領先同步磁阻電機。尤其是效率和功率因數(shù)，都是大幅度領先，只有在轉矩密度上同步磁阻電機會與鐵氧體永磁電機這一類較為接近。機械性能上，由于同步磁阻電機轉子一般采用多層磁障，會弱于只用一層磁障得永磁同步電機。

作為在成本敏感的情況下取代永磁同步電機的產品，同步磁阻電機也性能指標上弱于永磁同步電機是很正常的。隨著行業(yè)內同步磁阻電機技術的深入突破，同步磁阻電機的性能指標會與永磁同步電機越來越接近。

對比開關磁阻電機

 

依舊先從加工工藝上來看，開關磁阻電機的轉子通常是幾何凸極設計，顯然比多層磁障的同步磁阻電機轉子工藝更為簡單。多層磁障下的同步磁阻電機每一層都通過很薄的磁橋連接，轉子的魯棒性和可靠性會不如開關磁阻電機。但凸極結構依然有其無法避免的一點，就是在運行過程中轉子的風摩損耗會明顯更大。

在驅動上同步磁阻電機需要PWM斬波形成的正弦電流來控制，所以在控制難度上肯定會大一些，驅動器的成本也會提高一些。復雜的控制帶來的是額定工況下更小的轉矩脈動，更小的振動、更低的噪聲以及更高的效率。

高性能同步磁阻電機代表產品

 


（ABB同步磁阻電機）

ABB的IE5 M5AL同步磁阻電機是目前極具代表性的產品之一，提供IE5能效認證。電機工藝上并不含稀土磁體，但是做到了永磁電機的性能指標。

輸出功率覆蓋5.5-315kW。目前國內較為領先的設計院功率大概做到了200kW左右，在高功率上還是比國際上的代表產品還是稍弱一些。ABB的SynRM降低了軸承和繞組溫度，極大延長了軸承的使用壽命。ABB的同步磁阻技術將永磁電動機的性能與感應電動機的簡單易用相結合。轉子既沒有磁體也沒有繞組，并且?guī)缀鯖]有功率損耗，另外，由于轉子中沒有磁力，維護就像感應電動機一樣簡單。


（丹佛斯同步磁阻電機）

磁阻同步電機中的所需的開環(huán)控制技術是目前只有少數(shù)廠商掌握的核心技術。丹佛斯和ABB便在其中。高端變頻器開環(huán)驅動磁阻同步電機這個領域丹佛斯更有優(yōu)勢。

丹佛斯的FC300系列通過開環(huán)同步磁阻輔助技術取代傳統(tǒng)的異步電機在節(jié)能效益上可達到25%。憑借獨特的永磁同步磁阻輔助 (SRPM) 技術，F(xiàn)C102，F(xiàn)C202，F(xiàn)C302系列為重載車輛、機器和船舶開發(fā)和生產高性能的動力系統(tǒng)。

同步磁阻電機具有成本低、效率穩(wěn)定、轉矩脈動小、可靠性高等優(yōu)點，可用于對成本控制嚴格的場合，如風機，水泵類負載。同時相比于異步電機，同步磁阻電機在功率密度上的優(yōu)勢，可以代替異步電機應用下的驅動系統(tǒng)。目前，國內也開始了高性能同步磁阻電機應用于電動汽車的探索。
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