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工控行業(yè)最新黑科技-磁阻同步電機的驅(qū)動控制

時間：2018-09-18    作者：津信變頻    點擊：次
電機作為重要的動力設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)用途。其中交流電機由于制造便宜、結(jié)構(gòu)簡單、維護容易，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面得到普遍應(yīng)用。
磁阻電機

同步電機的由來
 
交流電機可以分為同步電機和異步電機兩種。在沒有交流電子調(diào)速技術(shù)的年代里，電機的工頻啟動電流都很大，同步電機啟動電流約為額定值的10~20倍，異步電機的啟動電流也要達(dá)到額定的5~7倍。由于同步電機啟動電流太高，當(dāng)時在技術(shù)上很難實現(xiàn)同步電機工頻直接啟動，因此交流驅(qū)動電機幾乎全為異步電機。但是異步電機最大的缺點在于轉(zhuǎn)子銅耗與鐵耗較大，降低了運行能效。

伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代交流驅(qū)動器能很方便地解決交流電機的啟動問題，而同步電機在能效和響應(yīng)速度方面又有卓越的表現(xiàn)，因此同步電機在傳動領(lǐng)域的應(yīng)用又被提上了日程。

什么是永磁同步電機和磁阻同步電機



同步電機主要分為永磁同步電機和磁阻同步電機兩種。
 
我們先來說說永磁同步電機，20世紀(jì)80年代發(fā)明的釹鐵硼稀土永磁材料加速了永磁同步電機的技術(shù)成熟。能效高、體積小、過載能力強、響應(yīng)速度快等特點使得永磁同步電機的應(yīng)用迅速推廣。然而稀土材料的稀缺性也使得永磁同步電機的價格一直相對較高。
 
在這種背景下，另一種交流同步電機——磁阻同步電機進入了人們的視野。
 
其實磁阻同步電機的理論模型早在1923年就被提出來了。只是當(dāng)時缺乏實現(xiàn)的條件而漸漸被遺忘了。當(dāng)所有的技術(shù)障礙都有成熟解決方案的時候，磁阻同步電機又從沉睡中被喚醒了，其優(yōu)勢在于保持了同步電機一貫的節(jié)能高效的同時，制造工藝不再需要任何稀土材料。
 
磁阻同步電機的原理
 
異步電機中，轉(zhuǎn)子損耗大約占到電機總損耗的20~30%，而磁阻同步電機沒有轉(zhuǎn)子損耗，因此總損耗比異步電機至少低20~30%。更強的殺手锏是：制造磁阻同步電機的材料成本也比異步電機低。(見下圖）



 
 
磁阻同步電機的驅(qū)動控制
 
磁阻同步電機的設(shè)計和發(fā)展并非一帆風(fēng)順，早期的磁阻電機采用方波驅(qū)動，轉(zhuǎn)矩脈動過大，由此帶來的振動和噪音問題難以解決。而科學(xué)家們設(shè)計的正弦波驅(qū)動方案遇到了嚴(yán)重的齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動問題，使得磁阻同步電機的應(yīng)用一度擱淺。
 
直到1998年意大利都靈理工大學(xué)的Vagati教授通過推算，發(fā)現(xiàn)了一個神奇的公式，終于掃清了磁阻同步電機在技術(shù)上的最后一個障礙：
ns — nr = ±4
 
具體來說，就是為了將齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動降到最低，磁阻同步電機的定子每對極槽數(shù)ns和轉(zhuǎn)子每對極槽數(shù)nr應(yīng)滿足上述關(guān)系，這樣就能解決齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動問題。（見下圖）

 
 
Vagati還進一步規(guī)劃了磁阻同步電機的制造工藝，完全借用異步電機的定子，對轉(zhuǎn)子沖片進行了特殊設(shè)計，轉(zhuǎn)子d軸磁阻與q軸磁阻不同，根據(jù)磁阻最小原理，轉(zhuǎn)子會與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，角度差由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。（見下圖）
   
 
 
磁阻同步電機的商用技術(shù)
   
由于磁阻同步電機的諸多優(yōu)點，目前各大工業(yè)集團都在積極推進，磁阻同步電機已經(jīng)在泵類、擠出機、壓縮機、造紙設(shè)備上有典型應(yīng)用，并有快速增長之勢。可以預(yù)言，這將掀起自異步電機發(fā)明以來，業(yè)界最大的一場變革。
 
但是，磁阻同步電機在應(yīng)用中所需的開環(huán)控制技術(shù)屬于一項典型的黑科技，能夠掌握這項技術(shù)的廠商少之又少。丹佛斯（Danfoss）集團秉承46年電力驅(qū)動領(lǐng)先技術(shù)，在2014年成功開發(fā)了高端變頻器開環(huán)驅(qū)動磁阻同步電機的功能，成為業(yè)界為數(shù)不多的掌握磁阻同步電機變頻驅(qū)動技術(shù)的設(shè)備供應(yīng)商之一。
 
 
 
丹佛斯進一步把這個技術(shù)成功地進行了商業(yè)化應(yīng)用?，F(xiàn)在，意大利知名泵業(yè)集團凱斯比（KSB）通過配套使用丹佛斯FC300系列變頻器，逐步采用磁阻同步電機替代傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動水泵，年平均節(jié)能可達(dá)到25%。由于磁阻同步電機的轉(zhuǎn)子不存在發(fā)熱現(xiàn)象，使得電機軸承的壽命大幅度延長，降低設(shè)備的維護保養(yǎng)成本，減少了軸承失效帶來的停機風(fēng)險。
 
目前，丹佛斯已經(jīng)在FC102、FC202、FC302等系列變頻器上全面支持磁阻同步電機的驅(qū)動控制功能，在這個新領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)上居于領(lǐng)先地位。




 
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