工控行业最新黑科技-磁阻同步电机的驱动控制

电机作为重要的动力设备之一，广泛应用于民用和工业用途。其中交流电机由于制造便宜、结构简单、维护容易，在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面得到普遍应用。

同步电机的由来

交流电机可以分为同步电机和异步电机两种。在没有交流电子调速技术的年代里，电机的工频启动电流都很大，同步电机启动电流约为额定值的10~20倍，异步电机的启动电流也要达到额定的5~7倍。由于同步电机启动电流太高，当时在技术上很难实现同步电机工频直接启动，因此交流驱动电机几乎全为异步电机。但是异步电机最大的缺点在于转子铜耗与铁耗较大，降低了运行能效。

伴随着电力电子技术的发展，现代交流驱动器能很方便地解决交流电机的启动问题，而同步电机在能效和响应速度方面又有卓越的表现，因此同步电机在传动领域的应用又被提上了日程。

什么是永磁同步电机和磁阻同步电机

同步电机主要分为永磁同步电机和磁阻同步电机两种。

我们先来说说永磁同步电机，20世纪80年代发明的钕铁硼稀土永磁材料加速了永磁同步电机的技术成熟。能效高、体积小、过载能力强、响应速度快等特点使得永磁同步电机的应用迅速推广。然而稀土材料的稀缺性也使得永磁同步电机的价格一直相对较高。

在这种背景下，另一种交流同步电机——磁阻同步电机进入了人们的视野。

其实磁阻同步电机的理论模型早在1923年就被提出来了。只是当时缺乏实现的条件而渐渐被遗忘了。当所有的技术障碍都有成熟解决方案的时候，磁阻同步电机又从沉睡中被唤醒了，其优势在于保持了同步电机一贯的节能高效的同时，制造工艺不再需要任何稀土材料。

磁阻同步电机的原理

异步电机中，转子损耗大约占到电机总损耗的20~30%，而磁阻同步电机没有转子损耗，因此总损耗比异步电机至少低20~30%。更强的杀手锏是：制造磁阻同步电机的材料成本也比异步电机低。(见下图）

磁阻同步电机的驱动控制

磁阻同步电机的设计和发展并非一帆风顺，早期的磁阻电机采用方波驱动，转矩脉动过大，由此带来的振动和噪音问题难以解决。而科学家们设计的正弦波驱动方案遇到了严重的齿谐波转矩脉动问题，使得磁阻同步电机的应用一度搁浅。

直到1998年意大利都灵理工大学的Vagati教授通过推算，发现了一个神奇的公式，终于扫清了磁阻同步电机在技术上的最后一个障碍：
n_s — n_r = ±4

具体来说，就是为了将齿谐波转矩脉动降到最低，磁阻同步电机的定子每对极槽数n_s和转子每对极槽数n_r应满足上述关系，这样就能解决齿谐波转矩脉动问题。（见下图）

Vagati还进一步规划了磁阻同步电机的制造工艺，完全借用异步电机的定子，对转子冲片进行了特殊设计，转子d轴磁阻与q轴磁阻不同，根据磁阻最小原理，转子会与定子磁场同步旋转，角度差由负载转矩决定。（见下图）

磁阻同步电机的商用技术

由于磁阻同步电机的诸多优点，目前各大工业集团都在积极推进，磁阻同步电机已经在泵类、挤出机、压缩机、造纸设备上有典型应用，并有快速增长之势。可以预言，这将掀起自异步电机发明以来，业界最大的一场变革。

但是，磁阻同步电机在应用中所需的开环控制技术属于一项典型的黑科技，能够掌握这项技术的厂商少之又少。丹佛斯（Danfoss）集团秉承46年电力驱动领先技术，在2014年成功开发了高端变频器开环驱动磁阻同步电机的功能，成为业界为数不多的掌握磁阻同步电机变频驱动技术的设备供应商之一。

丹佛斯进一步把这个技术成功地进行了商业化应用。现在，意大利知名泵业集团凯斯比（KSB）通过配套使用丹佛斯FC300系列变频器，逐步采用磁阻同步电机替代传统的异步电机驱动水泵，年平均节能可达到25%。由于磁阻同步电机的转子不存在发热现象，使得电机轴承的寿命大幅度延长，降低设备的维护保养成本，减少了轴承失效带来的停机风险。

目前，丹佛斯已经在FC102、FC202、FC302等系列变频器上全面支持磁阻同步电机的驱动控制功能，在这个新领域的技术研发上居于领先地位。

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