新國(guó)標(biāo)下傳統(tǒng)電機(jī)迎挑戰(zhàn) 同步磁阻電機(jī)研發(fā)提速

電機(jī)能效新國(guó)標(biāo)下，傳統(tǒng)高能耗的三相異步電機(jī)迎來(lái)危機(jī)挑戰(zhàn)，加上永磁同步電機(jī)中稀土原材料容易產(chǎn)生高溫消磁導(dǎo)致設(shè)備故障，同步磁阻電機(jī)這一新品憑借高效節(jié)能、無(wú)退磁風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)被推至風(fēng)口、備受青睞。

國(guó)內(nèi)眾多實(shí)力廠商紛至沓來(lái)，各家研發(fā)技術(shù)各有千秋、旗鼓相當(dāng)，面對(duì)異步電機(jī)上百年悠久而成熟的技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用，同步磁阻電機(jī)要想完全將其替代依然壓力不小，攜手拓寬行業(yè)應(yīng)用，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模是降低成本、提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵途徑。

新國(guó)標(biāo)下傳統(tǒng)電機(jī)迎挑戰(zhàn)

我國(guó)是電機(jī)制造與使用大國(guó)之一，在全球碳達(dá)峰、碳中和降低能耗的背景下，推廣高效電機(jī)已成為電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。若要使我國(guó)電機(jī)產(chǎn)品走向世界市場(chǎng)，其能效水平必須達(dá)到國(guó)際市場(chǎng)的技術(shù)要求。近年來(lái)，國(guó)際電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)一直處于持續(xù)升級(jí)階段，將IE3作為強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。

自2021年6月1日起，《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB18613-2020）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)于去年5月發(fā)布，對(duì)原國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB18613-2012《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值與能效等級(jí)》和GB25958-2010《小功率電動(dòng)機(jī)能效限定值與能效等級(jí)》兩項(xiàng)強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合。

新國(guó)標(biāo)對(duì)電機(jī)能效限定值的要求提升幅度較大，限定的功率范圍也更廣。新標(biāo)準(zhǔn)將IE3定為三級(jí)能效的最低標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，低于IE3能效限定值的三相異步電動(dòng)機(jī)不允許生產(chǎn)、銷(xiāo)售和采購(gòu)，同時(shí)新國(guó)標(biāo)還將IE4、IE5列為一、二級(jí)節(jié)能評(píng)價(jià)值指標(biāo)。這給傳統(tǒng)三相異步電機(jī)（低于IE3能效）的生產(chǎn)制造商帶來(lái)不小的危機(jī)與挑戰(zhàn)。

與此同時(shí)，稀土作為永磁同步電機(jī)的主要原材料，素有工業(yè)“黃金”之稱(chēng)，是各國(guó)求之不得、不可再生的稀缺礦產(chǎn)資源。近年來(lái)隨著儲(chǔ)量不斷下降，稀土逐漸成為國(guó)家重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，可以說(shuō)擁有了稀土，也就在工業(yè)制造上擁有了真正有話語(yǔ)權(quán)的國(guó)之重器。

永磁同步電機(jī)對(duì)稀土原材料非常依賴(lài)，該品類(lèi)電機(jī)成本較高，價(jià)格波動(dòng)大，且稀土永磁材料受環(huán)境溫度影響產(chǎn)生退磁效應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備故障。

長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)的電機(jī)以異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)為主，不過(guò)這兩種電機(jī)分別存在高能耗和對(duì)高性能稀土材料依賴(lài)的問(wèn)題，同步磁阻電機(jī)這種無(wú)需永磁體、且更高效節(jié)能的新型電機(jī)產(chǎn)品在近年來(lái)被推至風(fēng)口，備受青睞。 ?

天生榮耀的同步磁阻電機(jī)

? 同步磁阻電機(jī)（又稱(chēng)Syn Rm）是一種具有磁阻性質(zhì)的同步電機(jī)，其運(yùn)行原理與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相似，與傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)機(jī)有著根本的區(qū)別，它不像傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)那樣依靠定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用形成轉(zhuǎn)矩，而是基于磁阻最小路徑閉合原理，通過(guò)轉(zhuǎn)子在不同位置引起的磁阻變化產(chǎn)生的磁拉力形成轉(zhuǎn)矩，這種轉(zhuǎn)矩被稱(chēng)為磁阻轉(zhuǎn)矩。

與傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)相比，Syn Rm 沒(méi)有電刷和換向器，簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)方便；與傳統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，則沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，提高了電機(jī)的效率、延長(zhǎng)使用壽命；與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子表面光滑、磁阻變化較為連續(xù)，避免開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲大的問(wèn)題，同時(shí)Syn Rm 定子為正弦波磁場(chǎng)，控制簡(jiǎn)單，硬件平臺(tái)成熟，從而降低驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的成本費(fèi)用；與永磁同步電機(jī)相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永磁體，成本更低，無(wú)弱磁和失磁的問(wèn)題，長(zhǎng)期使用，效率更穩(wěn)定，如表1所示。

表1

綜上所述，同步磁阻電機(jī)憑借著高效節(jié)能（轉(zhuǎn)子無(wú)損耗、更節(jié)能）、穩(wěn)定可靠（無(wú)退磁風(fēng)險(xiǎn)）、成本低（主要材料只有銅和鐵）等優(yōu)勢(shì)在眾多電機(jī)品類(lèi)中脫穎而出，不僅可用于驅(qū)動(dòng)塑料、造紙、紡織、制藥機(jī)械等輕工機(jī)械需求，也可用于石油化工、機(jī)床主軸、風(fēng)機(jī)水泵等各種復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下重型機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化應(yīng)用，是新一代高性價(jià)比的綠色工業(yè)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。 ?

實(shí)力廠商提速研發(fā)

? 高科技浪潮的席卷下，自2017-2018年起，國(guó)內(nèi)眾多“有識(shí)之士”廠商紛紛緊跟航向燈，根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)技術(shù)路線，抓緊研發(fā)同步磁阻電機(jī)及配套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在部分細(xì)分行業(yè)得到試用檢測(cè)并取得節(jié)能減排良好的效果。

杭州瑞拉騰電氣科技有限公司是一家專(zhuān)注提供同步磁阻電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器+控制系統(tǒng)整體解決方案，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的服務(wù)商。據(jù)公司總經(jīng)理胡超介紹，瑞拉騰RM、RMFA、RME系列全封閉、自扇風(fēng)冷高效三相同步磁阻電動(dòng)機(jī)，滿足歐盟IE4能效要求，無(wú)磁鋼退磁風(fēng)險(xiǎn)。

RD100系列變頻器則是一款采用高性能矢量控制算法的通用型變頻器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、高精度的電機(jī)調(diào)速，集成多種控制方式，可廣泛用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。

深圳市百盛傳動(dòng)有限公司總經(jīng)理鄧大鵬介紹，百盛同步磁阻電機(jī)系統(tǒng)（BSR）由同步磁阻電機(jī)（BSRM）及同步磁阻電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器（BSR）組成。BSRM具有效率高，轉(zhuǎn)矩大，耐高溫，調(diào)速范圍寬廣且穩(wěn)態(tài)精度高、噪聲振動(dòng)低等特點(diǎn)。

產(chǎn)品采用獨(dú)特的矢量控制算法，并設(shè)計(jì)成書(shū)本型的結(jié)構(gòu)，功率段為11千瓦-355千瓦，采用不加編碼器的開(kāi)環(huán)控制，具有自動(dòng)諧波抑制、瞬時(shí)啟停、零速轉(zhuǎn)矩、零漂抑制等功能，滿足客戶不同設(shè)備的動(dòng)態(tài)負(fù)載需求。達(dá)到IE4、IE5超高能效水平。 ? ? ? 百盛同步磁阻電機(jī)系統(tǒng)（BSR） ? 蘇州偉創(chuàng)電氣科技股份有限公司產(chǎn)品線總監(jiān)鄧雄介紹，偉創(chuàng)AC310系列平臺(tái)針對(duì)同步磁阻電機(jī)開(kāi)環(huán)矢量控制技術(shù)進(jìn)行深入研究及優(yōu)化，基于現(xiàn)有領(lǐng)先的矢量控制軟件，采用全新的磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)較低的電機(jī)參數(shù)敏感性，準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)以及精確的電流解耦。

除了常規(guī)的自學(xué)習(xí)外，偉創(chuàng)最新研發(fā)的AC310系列平臺(tái)具有電感參數(shù)飽和學(xué)習(xí)功能，學(xué)習(xí)時(shí)間短，精度高，通過(guò)學(xué)習(xí)可以獲得不同磁場(chǎng)飽和程度下的電機(jī)d、q軸電感飽和特性參數(shù)，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行更加精確的控制。

該款系列產(chǎn)品具有較好的MTPA控制性能，即采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，在產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩的情況下，最優(yōu)地分配d-q軸定子電流，使定子電流最小，進(jìn)而使定子銅耗最小達(dá)到效率最優(yōu)。此外，弱磁控制優(yōu)化方面，基速以下對(duì)電機(jī)進(jìn)行MTPA控制，在基速以上進(jìn)行弱磁控制，最大程度地利用電壓極限從而實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大化，擴(kuò)大恒功率范圍，如圖3所示。 ? ?

與此同時(shí)，格力凱邦經(jīng)過(guò)多年研究、探索、實(shí)驗(yàn)，目前開(kāi)發(fā)出無(wú)稀土永磁輔助同步磁阻電機(jī)體積減小50%，損耗降低60%，功率覆蓋范圍3-90KW，額定轉(zhuǎn)速1500-3000rpm，搭載高性能變頻器系統(tǒng)，達(dá)到IE5超高能效水平，節(jié)能效果顯著。

凱邦永磁輔助同步磁阻電機(jī)具備超強(qiáng)抗退磁能力，得益于凱邦獨(dú)有的均勻抗退磁技術(shù)，抗退磁裕量達(dá)到3倍以上，超過(guò)同等稀土永磁電機(jī)水平。同時(shí)采用電磁熱耦合仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出最佳電磁方案及散熱系統(tǒng)，有效降低電機(jī)溫升，充分延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。 ?

校企合作、共建同盟科

研院校在重大科學(xué)前沿創(chuàng)新、關(guān)鍵核心技術(shù)突破、顯著效益成果轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮重大作用，校企合作力求做到與市場(chǎng)接軌、IE4實(shí)現(xiàn)高效科研與企業(yè)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，長(zhǎng)期以來(lái)已成為科技成果輸出的重要方式。

百盛傳動(dòng)在歐洲建設(shè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，利用高校在電機(jī)領(lǐng)域多年強(qiáng)大的積累與實(shí)力，聯(lián)合研發(fā)同步磁阻系統(tǒng)，獲得多項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利、發(fā)明及外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利。

據(jù)了解，百盛傳動(dòng)已于與歐洲著名大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作簽署長(zhǎng)期合作協(xié)議，不僅研發(fā)出無(wú)稀土永磁超高效 IE4、IE5同步磁阻電機(jī)，更開(kāi)發(fā)居世界前沿性的驅(qū)動(dòng)算法及控制程序，并完成電機(jī)及控制器無(wú)位置傳感器控制算法的開(kāi)發(fā)、測(cè)試及生產(chǎn)。在風(fēng)機(jī)、水泵、造紙、塑料機(jī)械、空壓機(jī)等各行業(yè)的應(yīng)用。

瑞拉騰注重技術(shù)創(chuàng)新，不斷加快產(chǎn)學(xué)研一體化步伐，與國(guó)內(nèi)多所高校如浙江大學(xué)，上海交通大學(xué)，東南大學(xué)等科研院所保持深度合作，自主研發(fā)同步磁阻電機(jī)、驅(qū)控系統(tǒng)，為行業(yè)客戶提供整套解決方案。

偉創(chuàng)與國(guó)內(nèi)著名高校、科研機(jī)構(gòu)建立廣泛的合作關(guān)系，公司基于同步磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)和產(chǎn)品，依托西安交通大學(xué)在同步磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，在新型調(diào)速電機(jī)方面進(jìn)行深度合作，攻破技術(shù)難關(guān)。

面對(duì)異步電機(jī)上百年悠久而成熟的技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用發(fā)展歷程，鄧雄認(rèn)為國(guó)家對(duì)低于IE3能效標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制淘汰的背景下，同步磁阻電機(jī)將迎來(lái)更為光明的發(fā)展前景。一旦更多的高能耗企業(yè)采用同步磁阻系列產(chǎn)品，勢(shì)必將促進(jìn)生產(chǎn)廠商聚集產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，紛紛降低成本，并進(jìn)一步加速同步磁阻產(chǎn)品替代過(guò)程。

針對(duì)同步磁阻電機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模，胡超認(rèn)為同步磁阻電機(jī)作為新興后起之秀雖自帶“榮光”，但在各細(xì)分行業(yè)要想完全替換傳統(tǒng)異步電機(jī)依然壓力不小。盡管傳統(tǒng)異步電機(jī)為達(dá)到IE3新能效國(guó)標(biāo)，其生產(chǎn)與制造成本有一定幅度的上漲，但同步磁阻電機(jī)目前僅小部分試用于風(fēng)機(jī)水泵、塑壓擠出等高能耗領(lǐng)域，由于缺乏規(guī)?；瘧?yīng)用、其高效節(jié)能成本優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)地并不盡明顯。

不過(guò)他還是滿懷希望地預(yù)測(cè)，“同步磁阻電機(jī)這艘飛機(jī)已經(jīng)度過(guò)離地起飛期，處于緩慢爬升期，盡管目前市場(chǎng)占有率不盡如人意，未來(lái)的電機(jī)市場(chǎng)一定將朝著同步磁阻電機(jī)、三相異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)三分天下的目標(biāo)邁進(jìn)”，他建議在同步磁阻電機(jī)向各行業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)全面推廣的初期，各廠商應(yīng)加大同盟合作，互相交流生產(chǎn)與市場(chǎng)推廣經(jīng)驗(yàn)、為共同做大市場(chǎng)，降低成本，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力貢獻(xiàn)自己的行業(yè)推動(dòng)力。 ?

編輯：黃飛