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山東艾磁驅動科技有限公司

Shandong Ai Magnetic Drive Technology Co., Ltd.

山東開關磁阻電機

  • 服務名稱: 山東開關磁阻電機
  • 服務分類: 開關磁阻電機綜合
  • 公司名稱: 山東艾磁驅動科技有限公司
  • 添加時間: 19/06/28
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產品詳情

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                         開關磁阻電機基本情況                                                       高速直驅SRD                                                         低速大扭力SRD


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  開關磁阻電機技術特性介紹
  近幾年,開關磁阻電機在我國認知度和應用度日益普遍,技術和產品逐漸成熟。而公開的介紹資料普遍存在不完整、不深入、不準確甚至和實際相反的情況。對此,本文將簡明扼要地介紹開關磁阻電機的基本技術特性(尤其是和其它電機系統的比較特性), 以便于使大家形成更準確的認知。
  一、開關磁阻電機驅動系統的技術優勢
  1. 寬幅調速及其效率和扭矩輸出特性
  以下是我公司標準生產的37kw 1500轉開關磁阻電機驅動系統(含電機本體和控制器, 簡稱”SRD”,)在第三方檢測機構測試的數據。產品是從生產線上隨機選取的,未經過任何特殊設計和制作。

  從中可見,SRD系統的有效調速范圍非常寬,而且在非常寬的調速范圍內(本樣機在200rpm-2000rpm),在各種負載情況下,開關磁阻電機系統都展示了較高的效率。我們稱之為“綜合效率”。
  我們再進一步看看這種電機的扭矩特性。
  以下是我公司標準生產的45kw 1500轉SRD系統,是從生產線上隨機選取的,未經過任何特殊設計和制作。

  從中可見, 在非常寬泛的恒扭矩調速范圍內(既:額定轉速1500rpm以下范圍),在高負載情況下(如120%負載), 開關磁阻電機系統均能保持連續的高扭矩輸出特性。我們簡單稱為:開關磁阻電機的中低速扭矩非常硬。
  2. 電流對轉速和負載特性
  以下是我公司標準生產的22kw 750rpm SRD系統,是從生產線上隨機選取的,未經過任何特殊設計和制作。
  下圖展示的是SRD的空載電流特性。


  從中可知,SRD的空載電流很?。ㄋ{色線是電流,在1.3A以下;紅色線是功率)。這揭示了SRD具有很高的功率因數,無功損耗小,也揭示了在空載狀態下的節電特性。
  下圖是45KW 1500rpm SRD系統的電流負載關系圖:

  下圖是22KW 750rpm SRD系統的電流負載關系圖:


  從上圖可知,結合前面SRD系統的扭矩特性圖,綜合可以看出,SRD的電流扭矩關系在負載變化的情況下,較優良。
  3. 大轉比調速特性
  開關磁阻電機在很寬的轉速范圍內的直驅特性較為優異,在低、中、高速的廣闊范圍內,扭矩輸出兼顧性優異。


  照片是我公司生產的小功率直驅SRD系統,是批量生產的標準品,在40轉-10000轉范圍內直驅調速。
  4. 高速超高速特性
  SRD轉子沒有任何繞組、永磁體或者復雜的機械結構,僅僅為硅鋼片(或其他材料比如非晶合金)粘結而成。因此,其轉子動力學特性、耐離心力特性、發熱特性、工藝性等最為適合做成高速超高速電機。同時,開關磁阻電機的高速控制比其它電機控制系統都更加簡單而且效率高。
  5. 軟起動特性
  SRD是可以全壓軟起動的電機系統,能以額定電流的30%實現1.5倍額定扭矩負重載啟動。
   6. 環保、不衰減、高壽命、高可靠特性
  SRD系統不消耗(或極少消耗)珍惜的稀土資源,從而避免了稀土開采和加工所帶來的嚴重的環境破壞和污染。
  同時, SRD在漫長的生命周期內,不存在性能和功率的衰減,可靠性高,是一種可持續發展的、清潔的、節能電機系統。
  二、開關磁阻電機驅動系統的劣勢
  SRD性能優異、節能效果顯著,但也存在一些劣勢。
  1. 技術復雜(門檻高)
  以下由我公司研發中心編制的資料,較為集中地概括了SRD系統的技術復雜性和體系性。


  通過上述可見,SRD技術較為復雜和體系,一些技術課題比如低速噪音較大、功率密度偏低等問題,需要更為深入的研究才能解決。
  2. 成本
  和大多數人認識的不同,目前SRD并非低成本的電機系統,這主要是由于其本身技術特性以及市場情況決定的。
  復雜的技術意味著更高的研發成本;獨特的控制原理意味著更多和更高規格元器件的使用;較低的功率密度意味著更多材料的消耗;尚未大面積普及的市場意味著供應鏈成本更高和制造費用更高。
  三 、最后
  開關磁阻電機驅動系統以其獨特的性能、可持續發展的本質,隨著時代的發展,一定會日漸普及,成為新一代主流的電機驅動系統。

     開關磁阻電機適合變載、調速運行的場合,或者客觀上要求變載、調速運行的場合。這類工況試用具有變載調速功能強大的開關磁阻電機是經濟、有實際意義的選擇。


我公司設計的開關磁阻電機和交流異步電機的對比


我公司開發的變載變速工況下專用的開關磁阻電機,具有以下基本的性能特征:我公司設計的開關磁阻電機和交流異步電機的對比 我公司開發的變載變速工況下專用的開關磁阻電機,具有以下基本的性能特征:
1.有效調速范圍寬,低速區均保持效率和大扭距.能滿足設備對電機的全域調速、調負載的需求。
2.輕載荷狀態下,電機損耗電流很小。而輕載荷狀態是大部分設備的基本狀態。       
3.設備空載運行狀態下,電機的電流保持在1.5 A以下。幾乎不消耗電能。
以下是我公司開發的常用的22kw(750轉)開關磁阻電機的實測性能數據(權威第三方檢測):
22kw  750rpm  量產型開關磁阻電機的實驗室測試數據
以下是我公司開發的常用的22kw(750轉)開關磁阻電機的實測性能數據(權威第三方檢測):

22kw  750rpm  量產型開關磁阻電機的實驗室測試數據。



 開關磁阻電機在輕載(取50%負載)、滿載、過載(取120%過載)下,在各個轉速下的系統效率(系統效率指電機和控制系統的整體效率)。從圖中可知,開關磁阻電機在300轉以下的低速區能保持效率運行。這是其它電機很難做到的,也是其適應變載、變速工況的根本原因。 這也解釋了這種電機在變載變速工況下的優異的輸出特性:節能不是靠額定效率有多高,而是適應工況的能力。



 開關磁阻電機在輕載(取50%負載)、滿載、過載(取120%過載)下,運行電流變化很大。從圖中可知,開關磁阻電機在50%的輕載時候,電流很小。這也解釋了這種電機在變載變速工況下的優異的輸出特性:節能不是靠額定效率有多高,而是適應工況的能力。




開關磁阻電機在空載時候下,電機的電流保持在1.5 A以下。幾乎不消耗電能。
這也解釋了這種電機在變載變速工況下的優異的輸出特性:節能不是靠額定效率有多高,而是適應工況的能力。


以下是我公司產品的一組實測性能曲線:


不同負載功率下的SRM的效率變化

                              37kw在額定轉速(1500r/min)下、 不同負載下SRM(本體)的效率


低負載時,SRM電動機的效率要明顯的高(三相異步電動機的效率會明顯變低,即使與變頻器相結合,其效率也不能得到有效改善)。




                                     轉速1000r/min不同輸出功率下SRM的效率


進一步將電機的轉速調至1000r/min,看不同輸出功率下SRM的效率。SRM進一步體現了低負載下的高效率(變頻器+異步電動機額定轉速降為1000r/min時,帶變頻器三相異步電動機的效率進一步下降)。


                               轉速500r/min下不同輸出功率下SRM的效率


  進一步將下調到500r/min,不同輸出功率下SRM的效率基本不受影響(變頻器+異步電動機在低轉速500r/min下的效率會更低)。


7)、不同轉速下的最大輸出功率



                     不同轉速下的最大輸出功率(額定37kW1500rpm)



在寬廣的調速范圍內,SRM的最大輸出功率和額定功率都隨轉速的增加而提高,在任一轉速下的最大輸出功率都要大于額定功率。
8)、恒功率下(額定轉速以上)SRM的效率



              37kW1500rpm的SRM在恒功率區(額定轉速以上)不同轉速下的效率曲線

                                             全轉速范圍內額定功率下不同轉速下的SRM的效率



這些數據圖表表明:在寬廣的調速范圍內,SRM均保持效率高(我們稱為綜合效率。SRM的綜合效率遠遠高于變頻器+三相異步電動機)。同時在恒定功率區(額定轉速以上),SRM的效率隨著轉速的升高逐漸下降,后趨于平穩。
9)、額定轉速以下(恒扭矩區)綜合效率對比。
  以下兩組數據,對比了37kw1500rpm的SRM和變頻器+三相異步電動機在恒扭矩區(額定轉速以下的區域)的1000rpm和500rpm各個負載下的輸出效率情況。SRM的特性十分明顯。



                                           1000rpm


                                                      500rpm





  


我公司為美國SMC公司(為美國樓宇HVAC系統提供開關磁阻電機)提供的開關磁阻電機方案。


山東艾磁科技公司目前生產系列開關磁阻電機產品,主要應用于工業設備的泵類、風機類、油田抽油機、家用電器、精工和木工設備、小型機械設備等領域。同時,公司具備完整的工程車輛、作業車輛用的開關磁阻電機、300kw30000轉級別的高速大功率開關磁阻電機驅動技術整套方案,并正在產品化。請具體瀏覽各個具體的產品模塊。

同時,公司是一個開關磁阻電機技術提供者。公司致力于SRD技術的深入研發,建立了國際主流算法:電流陣列直接扭矩控制算法、變載變速工況下的SRD節電算法、大電感開關磁阻電機靜音控制算法、多參數自適應調整控制算法、高精度SRM動態數學建模技術體系等全球范圍先進的控制策略算法體系和電磁計算技術。在高速高速(10000rpm-100000rpm)方向、高壓大功率方向、直驅控制方向、節能領域、非晶合金材料開關磁阻電機方向建立了體系的技術和完整的工藝標準。公司目前承擔了開關磁阻電機技術相關的3個市級技術研發項目、3項省級科研項目以及參與1項國家自然科學基金國際合作項目。

現在,AICI和國外同行優良公司已經沒有技術代差??梢愿鶕蛻舻男枨罂焖匍_發具體的應用產品。

一、開關磁阻電機電控(簡稱“SRM”或”SRD”)概論

全球范圍,人們以“無盡的性能”來形容這類電機的高性能和可開發性,這體現了開關磁阻電機是以性能見長的,是可以根據實際需求來進行拓展、開發的“柔性”電機驅動系統。開關磁阻電機驅動系統是由開關磁阻電機本體及其控制系統兩部分構成的“控制類電機”,是全球范圍內新一代高性能電機系統,兼具直流、交流兩類調速系統的優點。

開關磁阻電機(SRM)是磁阻式電機的一種形式,也是步進電機的一種,也是廣義的直流無刷電機。SRM離開專用控制器無法運行,因此是機、電、控一體化的特種電機。SRM是結構簡單的一種電機形式,其轉子不需要繞組和鼠籠結構,也不需要永磁體;定子繞組是集中式繞組,也是非常簡單的形式。隨著技術的發展,雙轉子、異型定轉子的SRM也開始出現,也有在開關磁阻電機里面加入少量永磁體的“永磁式開關磁阻電機(pmSRM)”。

SRM既可以做成微小電機也可以做成中、大型電機。即適合低速運行,也適合開發成高速電機。SRD已經有發展了大約100年的時間,在全球范圍內高度深入應用。SRD技術復雜而體系,電機是典型的非線性特征,控制復雜。我國產業化發展大約25年的時間,目前對它的理解越來越深入,也掌握了一定的核心技術,但整體還比較薄弱。

二、SRM的原理

電機部分由于運用了“磁通總是按照磁阻小路徑閉合而產生磁拉力”的磁阻小原理,故稱為磁阻式電機,又由于其線圈電流通斷、各相通電順序、磁通狀態直接受控制系統的電子開關控制(比如IGBT),故稱為開關磁阻電機。

   

                                                    開關磁阻電機本體                                                                                      主控系統

開關磁阻電機的基本結構:

      開關磁阻電機本體的結構和工作原理與各類傳統交、直流電機有著根本的區別。其轉子由硅鋼片簡單疊壓而成(根據需要,也采用其它更密合的成型工藝),無任何繞組也不需鼠籠結構,也不需要永磁體。定子的繞組簡單集中。整個機械結構十分簡潔。


                     轉子結構非常簡單、機械強度高                                                           定子繞組集中,也很簡單

開關磁阻電機驅動系統的的工作原理:

                                                         圖:1


   

                                          圖2                                                                                                圖3

        如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電,則磁場沿著A-C-B-A的方向轉動,轉子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉。

三、SRD在全球和中國的狀況

SRD性能強大,但技術復雜,不容易做好。在電機行業,具有全球公認難度。

1、 國外情況

國外高度發達、深入應用。作為一種特種電機,目前國外的應用總量,已經占到整個電機總量的13%以上。這是很大的數量。主要應用于航空航天飛行器、軍事裝備、電動車輛、工業裝備、高速運行裝備、以及紡織、家電和一些需要特種性能的場合。由于這類電機的性能可開發性很強,因此隨著制造業的升級換代和高性能化要求,此類電機正在得到加速研制和應用,國外估計2035年將會達到40%以上的規模(包括其他形式的磁阻電機,比如同步磁阻電機),從而替代目前的永磁電機系統。

國外目前主要代表公司有英國里卡多公司和戴森公司、日本電產尼得科和三葉公司、比利時邦奇公司、美國特斯拉公司、博格華納公司、SMC公司、和美國電氣化公司,此外德國、俄羅斯、意大利、法國、韓國等都有非常強大SRD技術體系和產品。

2、中國情況

國內發展了大約25年,整體而言,還處于初級階段,雛形階段。理論方面也不深入、電機模型和控制算法不夠先進,技術也不體系。人才十分少。具體的產品也很少。目前總量大概占我國所有電機總量的0.3%,和國外的13%相比,是微不足道的存在。

造成這一局面的原因,主要是SRD的確有其復雜性,技術比較復雜,不容易仿制。而我國產業屆和學術屆對其認知水平不夠,創新的體系能力差,投入少,人才也少。

經過20幾年的發展,先后出現過50幾家公司,但目前只有約15家公司在“研制”。整體產品水平,也只能達到國外15年前的水平。這10幾家公司里面,具備一定體系能力的不過4、5家,其他大部分是只有一個技術點的不完全技術公司或者作坊式小微公司。

山東艾磁驅動科技有限公司(AICI),是我國此領域一家高度專業化的科技型公司,團隊專注于新一代高性能開關磁阻電機驅動技術(SRD)的研發已經10多年。目前,建立了完整的技術體系,并開始了對發達國家市場的產品和技術的出口。 整體上達到了國外5、6年前的狀態。代表我國SRD高技術狀態。

四、開關磁阻電機的技術特性(優勢和劣勢)

開關磁阻電機驅動系統,以性能強大見長,在性能、節電能力方面,集中地涵蓋了目前各種交、直流電機系統的特性優點,并且實現程度更加深入。是一種高性能電機驅動系統。具備以下技術優勢:

        1、全壓軟起動。起動轉矩大,起動電流小。額定電流的15%時,可獲得起動轉矩為100%的額定轉矩,起動電流小而轉矩大的優點還可以延伸到低速運行段。

        2、瞬間響應能力快。能在幾十毫秒的時間內,迅速達到幾萬轉甚至更高轉速。對于要求爆發、快速啟動反應的裝備,具有十分明顯的優勢。

        3、直驅范圍寬??梢栽趲装?、幾千甚至幾萬轉的范圍內直驅設備,可省去(或少用)減速及升速設備的檔數,峰值扭矩輸出特性理想。

        4、非常寬。在低速、高速、高速的幾乎全轉速范圍內,效率都很高,而不僅僅是一個額定效率的概念。

        5、在輕載和變載的工況下,扭矩和電流關系更合理,節電效果。過載能力也很強。

        6、高速特性,可以開發成幾萬轉、十幾萬轉甚至幾十萬轉的高速電機.

        7、可帶載頻繁起停、頻繁正反向轉換運行,同時由于前面所述的軟起動特性,因此對電源沖擊很小。

        8、低速下可大扭矩輸出,峰值扭矩更寬。

        9、高可靠、壽命長。不使用無永磁體,不存在失磁衰退問題。

開關磁阻電機的技術瓶頸及弱點:

        1.技術比較復雜、體系性很強,技術門檻比較高。

        2.功率密度比較低,輕量化和小型化場景適用性差。

        3.低速區的轉矩脈動和噪音比較大,高精度場景適用性差。

        4.扭矩過載能力強,但超過2倍以上的扭矩過載,電流上升幅度較大。

        但隨著技術的進步,目前低速區的轉矩脈動和噪音問題,已經基本得到解決。但功率密度問題,除少數公司建立了新的技術體系外,整體而言目前還沒有解決方案.



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