何為同步磁阻電機(jī)？

同步磁阻電機(jī)（SynRM）又稱為反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)，是利用轉(zhuǎn)子上直軸和交軸方向磁阻不等產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩而工作的同步電機(jī)。同步磁阻電機(jī)工藝簡(jiǎn)單、材料成本低，轉(zhuǎn)子內(nèi)無(wú)永磁體、繞組、電刷和環(huán)等，與直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)均有不同。

緣起一場(chǎng)稀土危機(jī)

事實(shí)上，同步磁阻電機(jī)的理論模型早在1923年就被提出來(lái)了，只是當(dāng)時(shí)缺乏實(shí)現(xiàn)的條件而漸漸被遺忘。當(dāng)所有的技術(shù)障礙都有了成熟的解決方案的時(shí)候，同步磁阻電機(jī)在一場(chǎng)席卷世界的稀土危機(jī)中被喚醒了。

在2011年前后，全球掀起了一次空前的炒稀土熱，在短短幾個(gè)月內(nèi)，重要稀土元素鏑（Dy）、釹（Nd）等價(jià)格抬升了幾十倍，然后又快速懸崖式下降。稀土的這一輪“過(guò)山車”讓很多人一夜暴富，也讓很多電機(jī)企業(yè)企業(yè)受到重創(chuàng)。當(dāng)年的稀土出口也受到了重大影響，這場(chǎng)風(fēng)波在歐美市場(chǎng)持續(xù)發(fā)酵，重創(chuàng)了美國(guó)的國(guó)家安全感。

稀土資源主要集中在中國(guó)，那么以稀土為主要原材料的永磁同步電機(jī)的技術(shù)路線將會(huì)讓歐美企業(yè)受制于中國(guó)市場(chǎng)，因此美國(guó)政府認(rèn)為這不僅僅是一場(chǎng)稀土危機(jī)，更是涉及到國(guó)家安全的“政治正確的問(wèn)題”。于是，在美國(guó)能源部的主導(dǎo)下，去稀土化項(xiàng)目紛紛上馬，其中一個(gè)重要的方向就是同步磁阻電機(jī)路線。

自此，同步磁阻電機(jī)路線在國(guó)外得到了長(zhǎng)足發(fā)展。近年來(lái)，長(zhǎng)期受成本、降耗節(jié)能問(wèn)題困擾的中國(guó)廠商也開(kāi)始將目光聚焦在同步磁阻電機(jī)上，期望加快這一技術(shù)的市場(chǎng)轉(zhuǎn)換，以解決目前電機(jī)應(yīng)用的難點(diǎn)問(wèn)題。

圖1 同步磁阻電機(jī)運(yùn)行原理（資料來(lái)源：瑞拉騰電氣）

圖2 同步磁阻電機(jī)性能優(yōu)勢(shì)（資料來(lái)源：瑞拉騰電氣）

同步磁阻電機(jī)優(yōu)勢(shì)顯著

深圳市百盛傳動(dòng)有限公司（簡(jiǎn)稱：百盛傳動(dòng)）技術(shù)總監(jiān)劉忱表示，一方面國(guó)家節(jié)能減排力度、決心加大，對(duì)能效要求越來(lái)越高，高效電機(jī)需求量大增，普通異步電機(jī)IE4能效成本過(guò)高很難普及；另一方面，受限于稀土材料的戰(zhàn)略管控，電機(jī)材料成本瘋漲，中大功率高效永磁同步電機(jī)客戶已無(wú)力買單。面對(duì)雙重應(yīng)用難題，同步磁阻電機(jī)通過(guò)磁阻轉(zhuǎn)矩，接近零損耗轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、免除稀土材料，先天具有低成本高效率的優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，同步磁阻電機(jī)效率、節(jié)能均優(yōu)于異步電機(jī)；成本低于永磁同步電機(jī)且不存在高溫失磁現(xiàn)象。

此外，在大家最關(guān)注的的價(jià)格成本上，臺(tái)達(dá)產(chǎn)品總監(jiān)史文祥表示，同步磁阻電機(jī)目前仍然處于新技術(shù)推廣階段，投入成本比較高，在同等能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下，目前市場(chǎng)普遍價(jià)格介于異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)之間，臺(tái)達(dá)方面IE4和IE5的價(jià)格是高于異步機(jī)的。然而一旦市場(chǎng)大批量應(yīng)用之后，同步磁阻電機(jī)的價(jià)格勢(shì)必會(huì)大幅下降，其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)也將日益顯著。

驅(qū)動(dòng)同步磁阻電機(jī)，需要點(diǎn)黑科技

由于同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特殊，因此在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方面會(huì)涉及比較多的算法上的難點(diǎn)。深圳偉創(chuàng)電氣有限公司（簡(jiǎn)稱：偉創(chuàng)電氣）研發(fā)總監(jiān)駱鵬表示，首先同步磁阻電機(jī)的參數(shù)獲取有一定難度，在電機(jī)的電感飽和特性上，與永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)都有較大的差異。其次，同步磁阻電機(jī)電感會(huì)隨著頻率、負(fù)載的變化而變化，傳統(tǒng)算法并不能取得理想效果。最后在弱磁區(qū)、低頻大力矩等工況下，如何優(yōu)化控制電機(jī)，使電機(jī)性能發(fā)揮理想中的狀態(tài)也是棘手的難題。

杭州瑞拉騰電氣科技有限公司總經(jīng)理胡超強(qiáng)調(diào)，同步磁阻電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景主要有：一是高效動(dòng)力提供，二是速度、位置、力矩的自動(dòng)控制；在對(duì)其的驅(qū)控上明顯有別于傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)控系統(tǒng)，同步磁阻電機(jī)需要構(gòu)建電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的協(xié)同互補(bǔ)開(kāi)發(fā)，新工藝的生產(chǎn)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)控系統(tǒng)與行業(yè)工藝及設(shè)備專家的深度融合的新型生態(tài)，才能充分發(fā)揮其高效、高驅(qū)動(dòng)特性。

杭州中達(dá)電機(jī)有限公司副總經(jīng)理毛華先認(rèn)為，同步磁阻電機(jī)要想將自身優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致必須在驅(qū)動(dòng)算法上緊密配合電機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以需要驅(qū)動(dòng)廠家從算法底層做好開(kāi)發(fā)。如果不能做到控制、驅(qū)動(dòng)上下打通，同步磁阻電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、噪音、電流突變或失速等問(wèn)題，而用戶是不會(huì)為這樣的產(chǎn)品買單的。

目前來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)同步磁阻電機(jī)在算法上主要有三種選擇：第一種閉環(huán)矢量控制模式，由于應(yīng)用過(guò)程中需要配備編碼器，以獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子信息參數(shù)，市場(chǎng)實(shí)用性不強(qiáng)；第二種，V/F控制算法，在低頻力矩等諸多方面的控制效果不理想；第三種，也是目前同步磁阻電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的黑科技——開(kāi)環(huán)矢量控制技術(shù)，它可輕松應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)同步磁阻電機(jī)中的眾多難題，但對(duì)算法開(kāi)發(fā)能力有較高要求，目前掌握這項(xiàng)技術(shù)的廠商并不多，主要玩家為ABB、丹佛斯、安川等。

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)同步磁阻電機(jī)的日益重視，突破這一算法難題已是迫在眉睫。為響應(yīng)需求，偉創(chuàng)電氣推出了AC310系列變頻器與同步磁阻電機(jī)廠家做配套。該變頻器運(yùn)用的正是開(kāi)環(huán)矢量控制算法，為充分發(fā)揮電機(jī)性能優(yōu)勢(shì)，偉創(chuàng)在算法上主要實(shí)現(xiàn)了三大突破：一，設(shè)計(jì)全新的磁鏈觀測(cè)器；二、增加全新電機(jī)電感自學(xué)習(xí)功能；三、優(yōu)化弱磁控制等。

基于這一算法基礎(chǔ)，偉創(chuàng)電氣AC310變頻器不僅可以準(zhǔn)確獲取電機(jī)電感參數(shù)；在弱磁區(qū)控制上，可在達(dá)到電壓極限下盡可能拓寬電機(jī)的恒定功率運(yùn)行范圍；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在不同工況下，精準(zhǔn)控制電機(jī)電流，獲得最優(yōu)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流比，最大限度地提高電機(jī)效率。AC310變頻器在開(kāi)環(huán)矢量控制算法的技術(shù)上，可幫助同步磁阻電機(jī)輕松達(dá)到IE4及以上能效標(biāo)準(zhǔn)。

史文祥同樣表示，由于同步磁阻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以磁阻力為主，會(huì)針對(duì)其應(yīng)用負(fù)載不同而有不同轉(zhuǎn)子磁障層設(shè)計(jì)，且不同負(fù)載電流下，磁阻電機(jī)硅鋼片磁飽和情況亦不相同，而磁飽和會(huì)造成電機(jī)感值變化，若控制無(wú)法針對(duì)此電感飽和現(xiàn)象提供有效控制策略，將無(wú)法發(fā)揮同步磁阻電機(jī)高效率之電機(jī)特性。針對(duì)上述議題，臺(tái)達(dá)變頻器提供同步磁阻電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)功能及弱扇區(qū)控制算法優(yōu)化，搭配電機(jī)快速調(diào)適流程，使同步磁阻電機(jī)于各操作頻率皆有穩(wěn)定加載性能及高效率表現(xiàn)以應(yīng)付各行業(yè)所需負(fù)載工況。

快速崛起的同步磁阻電機(jī)市場(chǎng)

同步磁阻電機(jī)雖“初出茅廬”，卻自帶榮光而來(lái)，正如當(dāng)初永磁同步電機(jī)顛覆了整個(gè)電機(jī)應(yīng)用，它也被寄予了這樣的厚望。不俗實(shí)力與光明前景加持，同步磁阻電機(jī)受到了越來(lái)越多的市場(chǎng)及廠商青睞。

2019年11月，格力將自主開(kāi)發(fā)的新型無(wú)稀土磁阻電機(jī)技術(shù)專利授權(quán)給格蘭富。作為全球領(lǐng)先的水泵制造商，格蘭富年產(chǎn)量近1600萬(wàn)臺(tái)，將帶動(dòng)同步磁阻電機(jī)在水泵等高效節(jié)能市場(chǎng)中的大規(guī)模應(yīng)用。

百盛傳動(dòng)劉忱認(rèn)為，風(fēng)機(jī)、泵類市場(chǎng)中的電機(jī)應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)又能體現(xiàn)節(jié)能效果，是同步磁阻電機(jī)初入市場(chǎng)的較優(yōu)選擇。但其應(yīng)用范圍絕不僅限于此，例如在空壓機(jī)、擠塑、攪拌等恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用領(lǐng)域也是一大塊潛在市場(chǎng)。綜合來(lái)看，按照目前的設(shè)計(jì)指標(biāo)，同步磁阻電機(jī)有望替代80%左右的電機(jī)市場(chǎng)。

由此也可看出，同步磁阻電機(jī)的機(jī)會(huì)點(diǎn)主要是在對(duì)異步電機(jī)市場(chǎng)的替代上，正如毛華先所說(shuō)，只要有變頻器應(yīng)用的場(chǎng)合，同步磁阻電機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)替代，其市場(chǎng)空間廣闊無(wú)比。

目前在同步磁阻電機(jī)市場(chǎng)上，涌現(xiàn)的實(shí)力派玩家也不少，除格力外，臺(tái)達(dá)、百盛傳動(dòng)、瑞拉騰等廠家都進(jìn)入了小批量應(yīng)用階段中，2020年各廠家也將加速市場(chǎng)布局。

臺(tái)達(dá)目前量產(chǎn)的主要是針對(duì)水泵行業(yè)推出的3000r/min系列同步磁阻電機(jī)，節(jié)能及效率表現(xiàn)方面表現(xiàn)突出，此外1500r/min系列產(chǎn)品也已經(jīng)推出了市場(chǎng)。史文祥表示，除了電機(jī)外，臺(tái)達(dá)還可為用戶配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，通過(guò)系列參數(shù)優(yōu)化，以確保電機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)。

百盛傳動(dòng)2019年已完成了160KW以下同步磁阻電機(jī)及驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了2-3個(gè)行業(yè)小批量應(yīng)用。公司計(jì)劃于2020年完成500kw以下IE4所有系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并且根據(jù)市場(chǎng)反饋及時(shí)完成產(chǎn)品的優(yōu)化、升級(jí)、定型，推動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)入大批量銷售應(yīng)用階段。同時(shí)著手研發(fā)更高效率、非標(biāo)同步磁阻電機(jī)，進(jìn)一步拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。

瑞拉騰自2012年就對(duì)同步磁阻電機(jī)進(jìn)行了不斷的嘗試與探索，公司建立了電機(jī)+驅(qū)動(dòng)+嵌入式控制器+行業(yè)應(yīng)用解決方案的完善業(yè)務(wù)系統(tǒng)，期間與水泵、風(fēng)機(jī)、紡機(jī)等行業(yè)頭部企業(yè)建立了緊密合作，目前量產(chǎn)的電機(jī)功率范圍涵蓋了1.5KW-110KW，轉(zhuǎn)速包括1000-3600rpm。2020年瑞拉騰將發(fā)布新一代的同步磁阻電機(jī)產(chǎn)品，對(duì)標(biāo)歐洲IE5能效等級(jí)，以迎接這場(chǎng)電機(jī)新應(yīng)用革命的到來(lái)。

結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)，同步磁阻電機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了異步電機(jī)現(xiàn)有不足，尤其滿足了降耗節(jié)能領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用需求，即使是替代應(yīng)用，其市場(chǎng)規(guī)模仍然巨大。目前也吸引了眾多廠商加入其中，但在應(yīng)用端，用戶對(duì)同步磁阻電機(jī)的認(rèn)知度不高，必要的市場(chǎng)推廣是不可缺少的。

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