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電機作為重要的動力設備之一，廣泛應用于民用和工業(yè)用途。其中交流電機由于制造便宜、結構簡單、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)療電器設備等各方面得到普遍應用。

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到額定的5~7倍。由于同步電機啟動電流太高，當時在技術上很難實現(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子銅耗與鐵耗較大，降低了運行能效。

伴隨著電力電子技術的發(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速度方面又有卓越的表現(xiàn)，因此同步電機在傳動領域的應用又被提上了日程。

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成熟。能效高、體積小、過載能力強、響應速度快等特點使得永磁同步電機的應用迅速推廣。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。只是當時缺乏實現(xiàn)的條件而漸漸被遺忘了。當所有的技術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

磁阻同步電機的設計和發(fā)展并非一帆風順，早期的磁阻電機采用方波驅(qū)動，轉矩脈動過大，由此帶來的振動和噪音問題難以解決。而科學家們設計的正弦波驅(qū)動方案遇到了嚴重的齒諧波轉矩脈動問題，使得磁阻同步電機的應用一度擱淺。

直到1998年意大利都靈理工大學的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上的最后一個障礙：
n_s — n_r = ±4

具體來說，就是為了將齒諧波轉矩脈動降到最低，磁阻同步電機的定子每對極槽數(shù)n_s和轉子每對極槽數(shù)n_r應滿足上述關系，這樣就能解決齒諧波轉矩脈動問題。（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，對轉子沖片進行了特殊設計，轉子d軸磁阻與q軸磁阻不同，根據(jù)磁阻最小原理，轉子會與定子磁場同步旋轉，角度差由負載轉矩決定。（見下圖）

磁阻同步電機的商用技術

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、造紙設備上有典型應用，并有快速增長之勢?？梢灶A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，磁阻同步電機在應用中所需的開環(huán)控制技術屬于一項典型的黑科技，能夠掌握這項技術的廠商少之又少。丹佛斯（Danfoss）集團秉承46年電力驅(qū)動領先技術，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)動技術的設備供應商之一。

丹佛斯進一步把這個技術成功地進行了商業(yè)化應用?，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)能可達到25%。由于磁阻同步電機的轉子不存在發(fā)熱現(xiàn)象，使得電機軸承的壽命大幅度延長，降低設備的維護保養(yǎng)成本，減少了軸承失效帶來的停機風險。

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，在這個新領域的技術研發(fā)上居于領先地位。

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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