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同步磁阻电机:低成本高性能技术驱动

永磁同步电机由于结构紧凑、能量密度高、效率高等优点在电机行业受到广泛关注。但是,现有的高性能稀土永磁材料价格很高,而且价格波动极大。现在国内外都开始寻找可替代永磁同步电机的产品。各厂商都希望能将性能稍低的永磁体铁氧体利用起来甚至去掉永磁体,同时电机依旧能保持良好的性能。同步磁阻电机(SynRM)因此走进了大家的视线。
其实早在上世纪20年代就有学者提出过同步磁阻电机的概念,即通过d轴与q轴磁阻的擦会议产生转矩从而驱动电机。近年来工业发展对低成本高性能的电机需求急剧上升,并随着电子器件和磁场定向控制技术的进步,同步磁阻电机在相当多应用场合得到了应用。

对比异步电机

从加工工艺和材料上来看,同步磁阻电机的转子铁心只需要冲压叠片,相比于异步电机冲压叠片后还需要后续的工艺,这点上同步磁阻电机更有优势。抛开工艺繁杂程度,在相同的定子绕组电流密度下异步电机的输出转矩会高于同步磁阻电机;但考虑到铁心磨损,在两种电机相同磨损下同步磁阻电机效率仍然会略高一些。
同步磁阻电机基本上都是用于变频调速领域,异步电机则可采用自起动运行和变频调速运行。虽然同步磁阻电机是可以设计成自起动模式,但是在同步磁阻电机上完成这种模式代价很大会牺牲凸极率。
综合来看,同步磁阻电机对比异步电机最主要的优势在于转子损耗小,不足之处则是不具备自起动以及功率因数低。

对比永磁同步电机

作为和同步磁阻电机最常比较的机型,永磁同步电机在成本和加工工艺上肯定不如同步磁阻电机工艺有优势。可以说同步磁阻电机的成本是远低于任何一类永磁同步电机的。
永磁同步电机高昂的成本和复杂的加工工艺带来的转矩密度、效率、功率因数当然也无可争议得领先同步磁阻电机。尤其是效率和功率因数,都是大幅度领先,只有在转矩密度上同步磁阻电机会与铁氧体永磁电机这一类较为接近。机械性能上,由于同步磁阻电机转子一般采用多层磁障,会弱于只用一层磁障得永磁同步电机。
作为在成本敏感的情况下取代永磁同步电机的产品,同步磁阻电机也性能指标上弱于永磁同步电机是很正常的。随着行业内同步磁阻电机技术的深入突破,同步磁阻电机的性能指标会与永磁同步电机越来越接近。

对比开关磁阻电机

依旧先从加工工艺上来看,开关磁阻电机的转子通常是几何凸极设计,显然比多层磁障的同步磁阻电机转子工艺更为简单。多层磁障下的同步磁阻电机每一层都通过很薄的磁桥连接,转子的鲁棒性和可靠性会不如开关磁阻电机。但凸极结构依然有其无法避免的一点,就是在运行过程中转子的风摩损耗会明显更大。
在驱动上同步磁阻电机需要PWM斩波形成的正弦电流来控制,所以在控制难度上肯定会大一些,驱动器的成本也会提高一些。复杂的控制带来的是额定工况下更小的转矩脉动,更小的振动、更低的噪声以及更高的效率。

高性能同步磁阻电机代表产品

同步磁阻电机:低成本高性能技术驱动
(ABB同步磁阻电机)
ABB的IE5 M5AL同步磁阻电机是目前极具代表性的产品之一,提供IE5能效认证。电机工艺上并不含稀土磁体,但是做到了永磁电机的性能指标。
输出功率覆盖5.5-315kW。目前国内较为领先的设计院功率大概做到了200kW左右,在高功率上还是比国际上的代表产品还是稍弱一些。ABB的SynRM降低了轴承和绕组温度,极大延长了轴承的使用寿命。ABB的同步磁阻技术将永磁电动机的性能与感应电动机的简单易用相结合。转子既没有磁体也没有绕组,并且几乎没有功率损耗,另外,由于转子中没有磁力,维护就像感应电动机一样简单。
同步磁阻电机:低成本高性能技术驱动
(丹佛斯同步磁阻电机)
磁阻同步电机中的所需的开环控制技术是目前只有少数厂商掌握的核心技术。丹佛斯和ABB便在其中。高端变频器开环驱动磁阻同步电机这个领域丹佛斯更有优势。
丹佛斯的FC300系列通过开环同步磁阻辅助技术取代传统的异步电机在节能效益上可达到25%。凭借独特的永磁同步磁阻辅助 (SRPM) 技术,FC102,FC202,FC302系列为重载车辆、机器和船舶开发和生产高性能的动力系统。

小结

同步磁阻电机具有成本低、效率稳定、转矩脉动小、可靠性高等优点,可用于对成本控制严格的场合,如风机,水泵类负载。同时相比于异步电机,同步磁阻电机在功率密度上的优势,可以代替异步电机应用下的驱动系统。目前,国内也开始了高性能同步磁阻电机应用于电动汽车的探索。

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