工控行業(yè)中磁阻同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制

電機(jī)作為重要的動(dòng)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(jī)由于制造便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)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。

交流電機(jī)可以分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩種。在沒有交流電子調(diào)速技術(shù)的年代里，電機(jī)的工頻啟動(dòng)電流都很大，同步電機(jī)啟動(dòng)電流約為額定值的10~20倍，異步電機(jī)的啟動(dòng)電流也要達(dá)到額定的5~7倍。由于同步電機(jī)啟動(dòng)電流太高，當(dāng)時(shí)在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)工頻直接啟動(dòng)，因此交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾乎全為異步電機(jī)。但是異步電機(jī)最大的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子銅耗與鐵耗較大，降低了運(yùn)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(dòng)器能很方便地解決交流電機(jī)的啟動(dòng)問題，而同步電機(jī)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(jī)在傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用又被提上了日程。

同步電機(jī)主要分為永磁同步電機(jī)和磁阻同步電機(jī)兩種。我們先來說說永磁同步電機(jī)，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(jī)的技術(shù)成熟。能效高、體積小、過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)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(jī)的價(jià)格一直相對(duì)較高。

在這種背景下，另一種交流同步電機(jī)——磁阻同步電機(jī)進(jìn)入了人們的視野。其實(shí)磁阻同步電機(jī)的理論模型早在1923年就被提出來了。只是當(dāng)時(shí)缺乏實(shí)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(shí)候，磁阻同步電機(jī)又從沉睡中被喚醒了，其優(yōu)勢(shì)在于保持了同步電機(jī)一貫的節(jié)能高效的同時(shí)，制造工藝不再需要任何稀土材料。

異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子損耗大約占到電機(jī)總損耗的20~30%，而磁阻同步電機(jī)沒有轉(zhuǎn)子損耗，因此總損耗比異步電機(jī)至少低20~30%。更強(qiáng)的殺手锏是：制造磁阻同步電機(jī)的材料成本也比異步電機(jī)低。(見下圖）

磁阻同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和發(fā)展并非一帆風(fēng)順，早期的磁阻電機(jī)采用方波驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大，由此帶來的振動(dòng)和噪音問題難以解決。而科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)的正弦波驅(qū)動(dòng)方案遇到了嚴(yán)重的齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，使得磁阻同步電機(jī)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(gè)神奇的公式，終于掃清了磁阻同步電機(jī)在技術(shù)上的最后一個(gè)障礙：ns—nr=±4具體來說，就是為了將齒諧波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降到最低，磁阻同步電機(jī)的定子每對(duì)極槽數(shù)ns和轉(zhuǎn)子每對(duì)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(dòng)問題。（見下圖）

VagaTI還進(jìn)一步規(guī)劃了磁阻同步電機(jī)的制造工藝，完全借用異步電機(jī)的定子，對(duì)轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(huì)與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，角度差由負(fù)載轉(zhuǎn)矩決定。（見下圖）由于磁阻同步電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前各大工業(yè)集團(tuán)都在積極推進(jìn)，磁阻同步電機(jī)已經(jīng)在泵類、擠出機(jī)、壓縮機(jī)、造紙?jiān)O(shè)備上有典型應(yīng)用，并有快速增長(zhǎng)之勢(shì)?？梢灶A(yù)言，這將掀起自異步電機(jī)發(fā)明以來，業(yè)界最大的一場(chǎng)變革。

但是，磁阻同步電機(jī)在應(yīng)用中所需的開環(huán)控制技術(shù)屬于一項(xiàng)典型的黑科技，能夠掌握這項(xiàng)技術(shù)的廠商少之又少。丹佛斯（Danfoss）集團(tuán)秉承46年電力驅(qū)動(dòng)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(dòng)磁阻同步電機(jī)的功能，成為業(yè)界為數(shù)不多的掌握磁阻同步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的設(shè)備供應(yīng)商之一。