同步磁阻电机研发提速扩大行业应用规模是关键

电机能效新国标下,传统高能耗的三相异步电机迎来危机挑战,加上永磁同步电机中稀土原材料容易产生高温消磁导致设备故障,同步磁阻电机这一新品凭借高效节能、无退磁风险等优势被推至风口、备受青睐。

国内众多实力厂商纷至沓来,各家研发技术各有千秋、旗鼓相当,面对异步电机上百年悠久而成熟的技术与行业应用,同步磁阻电机要想完全将其替代依然压力不小,携手拓宽行业应用,扩大市场规模是降低成本、提高产品市场竞争力的关键途径。

新国标下传统电机迎挑战

我国是电机制造与使用大国之一,在全球碳达峰、碳中和降低能耗的背景下,推广高效电机已成为电机产业发展的方向。若要使我国电机产品走向世界市场,其能效水平必须达到国际市场的技术要求。近年来,国际电机能效标准一直处于持续升级阶段,将IE3作为强制性能效标准已经达成共识。

自2021年6月1日起,《电动机能效限定值及能效等级》(GB18613-2020)国家标准正式实施。新标准于去年5月发布,对原国家强制性标准GB18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值与能效等级》和GB25958-2010《小功率电动机能效限定值与能效等级》两项强制性能效标准进行整合。

新国标对电机能效限定值的要求提升幅度较大,限定的功率范围也更广。新标准将IE3定为三级能效的最低标准,与国际标准保持一致,低于IE3能效限定值的三相异步电动机不允许生产、销售和采购,同时新国标还将IE4、IE5列为一、二级节能评价值指标。这给传统三相异步电机(低于IE3能效)的生产制造商带来不小的危机与挑战。

与此同时,稀土作为永磁同步电机的主要原材料,素有工业“黄金”之称,是各国求之不得、不可再生的稀缺矿产资源。近年来随着储量不断下降,稀土逐渐成为国家重要的战略储备资源,可以说拥有了稀土,也就在工业制造上拥有了真正有话语权的国之重器。

永磁同步电机对稀土原材料非常依赖,该品类电机成本较高,价格波动大,且稀土永磁材料受环境温度影响产生退磁效应,导致设备故障。

长期以来,工业领域驱动的电机以异步电机和永磁同步电机为主,不过这两种电机分别存在高能耗和对高性能稀土材料依赖的问题,同步磁阻电机这种无需永磁体、且更高效节能的新型电机产品在近年来被推至风口,备受青睐。

天生荣耀的同步磁阻电机

同步磁阻电机(又称Syn Rm)是一种具有磁阻性质的同步电机,其运行原理与开关磁阻电动机相似,与传统的交、直流电动机有着根本的区别,它不像传统电动机那样依靠定、转子磁场相互作用形成转矩,而是基于磁阻最小路径闭合原理,通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩,这种转矩被称为磁阻转矩。

与传统直流电动机相比,Syn Rm 没有电刷和换向器,简单可靠,维护方便;与传统交流异步电动机相比,Syn Rm 转子上没有绕组,则没有转子铜耗,提高了电机的效率、延长使用寿命;与开关磁阻电机相比,Syn Rm 转子表面光滑、磁阻变化较为连续,避免开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题,同时Syn Rm 定子为正弦波磁场,控制简单,硬件平台成熟,从而降低驱动控制系统的成本费用;与永磁同步电机相比,Syn Rm 转子上没有永磁体,成本更低,无弱磁和失磁的问题,长期使用,效率更稳定,如表1所示。

表1

综上所述,同步磁阻电机凭借着高效节能(转子无损耗、更节能)、稳定可靠(无退磁风险)、成本低(主要材料只有铜和铁)等优势在众多电机品类中脱颖而出,不仅可用于驱动塑料、造纸、纺织、制药机械等轻工机械需求,也可用于石油化工、机床主轴、风机水泵等各种复杂工业环境下重型机械设备的自动化应用,是新一代高性价比的绿色工业驱动产品。

实力厂商提速研发

高科技浪潮的席卷下,自2017-2018年起,国内众多“有识之士”厂商纷纷紧跟航向灯,根据自身优势技术路线,抓紧研发同步磁阻电机及配套驱动系统,在部分细分行业得到试用检测并取得节能减排良好的效果。

杭州瑞拉腾电气科技有限公司是一家专注提供同步磁阻电机+驱动器+控制系统整体解决方案,具有独立知识产权的服务商。据公司总经理胡超介绍,瑞拉腾RM、RMFA、RME系列全封闭、自扇风冷高效三相同步磁阻电动机,满足欧盟IE4能效要求,无磁钢退磁风险。

RD100系列变频器则是一款采用高性能矢量控制算法的通用型变频器,能够实现高性能、高精度的电机调速,集成多种控制方式,可广泛用于感应电动机、永磁同步电机、同步磁阻电机的驱动,如图1所示。

图 1 瑞拉腾同步磁阻电机系统

深圳市百盛传动有限公司总经理邓大鹏介绍,百盛同步磁阻电机系统(BSR)由同步磁阻电机(BSRM)及同步磁阻电机专用驱动器(BSR)组成。BSRM具有效率高,转矩大,耐高温,调速范围宽广且稳态精度高、噪声振动低等特点。

产品采用独特的矢量控制算法,并设计成书本型的结构,功率段为11千瓦-355千瓦,采用不加编码器的开环控制,具有自动谐波抑制、瞬时启停、零速转矩、零漂抑制等功能,满足客户不同设备的动态负载需求。达到IE4、IE5超高能效水平。

图 2 百盛同步磁阻电机系统

百盛同步磁阻电机系统(BSR),如图2所示。

苏州伟创电气科技股份有限公司产品线总监邓雄介绍,伟创AC310系列平台针对同步磁阻电机开环矢量控制技术进行深入研究及优化,基于现有领先的矢量控制软件,采用全新的磁链观测器,实现较低的电机参数敏感性,准确的转子位置观测以及精确的电流解耦。

除了常规的自学习外,伟创最新研发的AC310系列平台具有电感参数饱和学习功能,学习时间短,精度高,通过学习可以获得不同磁场饱和程度下的电机d、q轴电感饱和特性参数,从而对电机进行更加精确的控制。

该款系列产品具有较好的MTPA控制性能,即采用最大转矩电流比控制,在产生相同转矩的情况下,最优地分配d-q轴定子电流,使定子电流最小,进而使定子铜耗最小达到效率最优。此外,弱磁控制优化方面,基速以下对电机进行MTPA控制,在基速以上进行弱磁控制,最大程度地利用电压极限从而实现输出转矩最大化,扩大恒功率范围,如图3所示。

图 3 伟创 AC310 系列

与此同时,格力凯邦经过多年研究、探索、实验,目前开发出无稀土永磁辅助同步磁阻电机体积减小50%,损耗降低60%,功率覆盖范围3-90KW,额定转速1500-3000rpm,搭载高性能变频器系统,达到IE5超高能效水平,节能效果显著。

凯邦永磁辅助同步磁阻电机具备超强抗退磁能力,得益于凯邦独有的均匀抗退磁技术,抗退磁裕量达到3倍以上,超过同等稀土永磁电机水平。同时采用电磁热耦合仿真计算、实验验证,得出最佳电磁方案及散热系统,有效降低电机温升,充分延长电机的使用寿命。

校企合作、共建同盟科

研院校在重大科学前沿创新、关键核心技术突破、显著效益成果转化等方面发挥重大作用,校企合作力求做到与市场接轨、IE4实现高效科研与企业实践有机结合,长期以来已成为科技成果输出的重要方式。

百盛传动在欧洲建设研发实验室,利用高校在电机领域多年强大的积累与实力,联合研发同步磁阻系统,获得多项实用新型专利、发明及外观设计专利。

据了解,百盛传动已于与欧洲著名大学团队合作签署长期合作协议,不仅研发出无稀土永磁超高效 IE4、IE5同步磁阻电机,更开发居世界前沿性的驱动算法及控制程序,并完成电机及控制器无位置传感器控制算法的开发、测试及生产。在风机、水泵、造纸、塑料机械、空压机等各行业的应用。

瑞拉腾注重技术创新,不断加快产学研一体化步伐,与国内多所高校如浙江大学,上海交通大学,东南大学等科研院所保持深度合作,自主研发同步磁阻电机、驱控系统,为行业客户提供整套解决方案。

伟创与国内著名高校、科研机构建立广泛的合作关系,公司基于同步磁阻电机驱动的技术和产品,依托西安交通大学在同步磁阻电机设计技术,在新型调速电机方面进行深度合作,攻破技术难关。

面对异步电机上百年悠久而成熟的技术与行业应用发展历程,邓雄认为国家对低于IE3能效标准的传统电机进行强制淘汰的背景下,同步磁阻电机将迎来更为光明的发展前景。一旦更多的高能耗企业采用同步磁阻系列产品,势必将促进生产厂商聚集产生规模效应,纷纷降低成本,并进一步加速同步磁阻产品替代过程。

针对同步磁阻电机的市场规模,胡超认为同步磁阻电机作为新兴后起之秀虽自带“荣光”,但在各细分行业要想完全替换传统异步电机依然压力不小。尽管传统异步电机为达到IE3新能效国标,其生产与制造成本有一定幅度的上涨,但同步磁阻电机目前仅小部分试用于风机水泵、塑压挤出等高能耗领域,由于缺乏规模化应用、其高效节能成本优势体现地并不尽明显。

不过他还是满怀希望地预测,“同步磁阻电机这艘飞机已经度过离地起飞期,处于缓慢爬升期,尽管目前市场占有率不尽如人意,未来的电机市场一定将朝着同步磁阻电机、三相异步电机、永磁同步电机三分天下的目标迈进”,他建议在同步磁阻电机向各行业应用市场全面推广的初期,各厂商应加大同盟合作,互相交流生产与市场推广经验、为共同做大市场,降低成本,提高产品市场竞争力贡献自己的行业推动力。

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