二十年行穩(wěn)致遠(yuǎn)，山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司（科匯股份，股票代碼： 688681）已成為國(guó)內(nèi)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一面旗幟，在電磁設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制、現(xiàn)場(chǎng)匹配等進(jìn)行了深入研究，在鍛壓機(jī)械、紡織機(jī)械、油田機(jī)械中廣泛應(yīng)用并銷往印度、美國(guó)等國(guó)，年銷售量過億元，開發(fā)出了國(guó)內(nèi)外首臺(tái)單機(jī)功率最大的630kW電機(jī)并成功應(yīng)用于8000噸電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不需要永磁材料，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、低碳、智能數(shù)控，使多種機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，具有起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)切換的優(yōu)點(diǎn)，在寬的調(diào)速范圍內(nèi)具有高的系統(tǒng)效率，總體技術(shù)與應(yīng)用達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、在壓力機(jī)應(yīng)用等方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位?？茀R股份先后參與起草了開關(guān)磁阻電機(jī)國(guó)內(nèi)第一部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、第一部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，獲得山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
一、什么是開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)？
開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive system，SRD），是繼直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流異步電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)之后發(fā)展起來的新一代無級(jí)變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是以現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)開發(fā)的機(jī)電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品，其綜合性能指標(biāo)高于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電機(jī)及控制器兩部分組成。電機(jī)為定轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，無繞組與永磁體，定子上繞有集中繞組?？刂破黩?qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，由嵌入式微處理器、大規(guī)模集成電路、電力電子功率器件和軟件構(gòu)成。
SRD具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、效率高、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小、可頻繁起停及正反轉(zhuǎn)切換、低速下可長(zhǎng)期運(yùn)行等特點(diǎn)，非常適合需頻繁啟動(dòng)及換向、重載啟動(dòng)、負(fù)載變動(dòng)大、頻繁過載及長(zhǎng)期低速運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景使用。
二、發(fā)展歷程
開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM），是一個(gè)古老的電機(jī)技術(shù)，1838年，蘇格蘭學(xué)者Davidson發(fā)明了該種電機(jī)，受當(dāng)時(shí)電力電子器件的限制，采用機(jī)械開關(guān)，其運(yùn)行特性、可靠性和機(jī)電轉(zhuǎn)換能量很低，沒有引起引起市場(chǎng)的關(guān)注。
1920年，英國(guó)學(xué)者C.L.Walker發(fā)明了變磁阻步進(jìn)電機(jī)，并獲得專利，該電機(jī)已具現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的諸多特性；1971年，Bedford和Hoft申請(qǐng)了現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的專利。
1980年，英國(guó)學(xué)者P.J.Lawrenson及其同事在ICEM會(huì)議上，系統(tǒng)地闡述了開關(guān)磁阻電機(jī)的原理及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，奠定了現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機(jī)的國(guó)際地位。
20世紀(jì)80年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是IGBT的使用，在全球范圍內(nèi)掀起了開關(guān)磁阻電機(jī)的研發(fā)熱潮，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛或開始應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、通風(fēng)工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等行業(yè)領(lǐng)域，功率范圍從10W(轉(zhuǎn)速為10000r/min)到5MW(轉(zhuǎn)速為50r/min)，轉(zhuǎn)速上限高達(dá)100000r/min，幾乎難以找到不適合開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)景。但由于開關(guān)磁阻電機(jī)獨(dú)特的非線性特性，其理論尚在不斷發(fā)展中，有很多的研發(fā)工作要做，因此開關(guān)磁阻電機(jī)的普遍應(yīng)用尚需時(shí)日。
近年來，隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，越來越多的目光轉(zhuǎn)向無需稀土材料的開關(guān)磁阻電機(jī)研發(fā)，隨著技術(shù)水平的提升，開關(guān)磁阻電機(jī)的性能已接近永磁電機(jī)的水平，在電動(dòng)汽車上的批量應(yīng)用將會(huì)指日可待。
科匯股份從2000年開始開關(guān)磁阻電機(jī)的研發(fā)，經(jīng)過二十多年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)將開關(guān)磁阻電機(jī)批量應(yīng)用到電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、壓磚機(jī)、劍桿織機(jī)、抽油機(jī)等場(chǎng)景，正在進(jìn)行電動(dòng)汽車、工程機(jī)械、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)。
三、工作原理
開關(guān)磁阻電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來源于磁阻最小原理產(chǎn)生的磁拉力。
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極處于靜止或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，給繞組通電，則定子會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩，拉著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，直到定轉(zhuǎn)子磁極對(duì)齊。
當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極遠(yuǎn)離定子磁極，則線圈通電時(shí)會(huì)阻礙定子磁極的旋轉(zhuǎn)，電機(jī)處于發(fā)電或制動(dòng)狀態(tài)。
以三相12/8極的開關(guān)磁阻電機(jī)為例，依次給B→C→A相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；反之，依次給C→B→A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而取決于相繞組通電的順序。
控制器通過控制相繞組的電子開關(guān)（IGBT）的工作狀態(tài)，就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、制動(dòng)等工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。
開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組的電流是單向的，功率開關(guān)器件與電機(jī)繞組串聯(lián)，這使得功率電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，無直通故障，可靠性高。
四、系統(tǒng)構(gòu)成
開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由控制器與電機(jī)兩大部分構(gòu)成。控制器通過控制電機(jī)定子繞組電流的通斷控制電機(jī)的運(yùn)行，與繞組電流的方向無關(guān)。轉(zhuǎn)子上固定有確定轉(zhuǎn)子相對(duì)定子位置的齒盤，定子上裝有檢測(cè)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖的傳感器，位置信號(hào)以電脈沖的方式傳送給控制器，控制器根據(jù)位置編碼，開通和關(guān)斷相應(yīng)的繞組，使電機(jī)可在四象限運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向運(yùn)行、制動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)及位置保持功能。
控制器由嵌入式微處理器、可編程邏輯器件、驅(qū)動(dòng)電路、電力電子器件及軟件組成。提供數(shù)據(jù)顯示功能，可查看電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及各種參數(shù)的設(shè)置情況；具有鍵盤輸入功能，通過對(duì)鍵盤的操作，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起?？刂萍案鞣N參數(shù)的設(shè)置；具有開關(guān)量和模擬量接口，可輸入傳感器及開關(guān)信號(hào)，可輸出模擬量及繼電器信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PLC控制功能；具有通訊接口，用戶可通過該接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控，同時(shí)也可通過該通訊口下載程序，進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)。
電機(jī)是定子、轉(zhuǎn)子雙凸極可變磁阻電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極上繞有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體。
三相電機(jī)通常采用定子12極、轉(zhuǎn)子8極結(jié)構(gòu)，對(duì)于額定轉(zhuǎn)速低于600r/min的低速電機(jī)應(yīng)采用更多的級(jí)數(shù)，如定子24極，轉(zhuǎn)子16極；對(duì)于額定轉(zhuǎn)速超過10000r/min的高速電機(jī)，可采用定子6極、轉(zhuǎn)子4極。
五、技術(shù)特點(diǎn)
開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種新穎的、高性價(jià)比的、具有典型機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。
01.系統(tǒng)效率高
在其寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，整體效率比其它調(diào)速系統(tǒng)高出至少10%。
在低轉(zhuǎn)速及非額定負(fù)載下，效率更加明顯。
02.調(diào)速范圍寬，低速下可長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)
在零到最高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可帶負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)及控制器的溫升均低于工作在額定負(fù)載時(shí)的溫升。
03.高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的150%時(shí)，起動(dòng)電流僅為額定電流的30%。
04.可頻繁起停，及正反轉(zhuǎn)切換
可頻繁起動(dòng)和停止，頻繁正反轉(zhuǎn)切換。在有制動(dòng)單元及制動(dòng)功率滿足時(shí)間要求的情況下，起停及正反轉(zhuǎn)切換可達(dá)每小時(shí)二千次以上。
05.過載能力強(qiáng)
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，過載能力強(qiáng)，起動(dòng)快。
06.缺相不燒電機(jī)
三相輸入電源缺相，電機(jī)欠功率運(yùn)行或者停機(jī)，不會(huì)燒毀電機(jī)和控制器。
07.功率器件控制錯(cuò)誤不會(huì)引起短路
控制器的上下橋臂功率器件和電機(jī)的繞組串聯(lián)，不存在發(fā)生功率器件控制錯(cuò)誤導(dǎo)致短路而燒毀的現(xiàn)象。
08.可靠性高
電機(jī)熱耗大部分產(chǎn)生于定子，便于冷卻；轉(zhuǎn)子本體無永磁體且無繞組與鼠籠條，可允許很高的溫升和高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
六、應(yīng)用場(chǎng)景
01.電動(dòng)螺旋壓力機(jī)
螺旋壓力機(jī)廣泛應(yīng)用于鍛件的生產(chǎn)，常規(guī)應(yīng)用雙盤摩擦壓力機(jī)，采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能耗大。
電動(dòng)螺旋壓力機(jī)采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過齒輪或皮帶驅(qū)動(dòng)飛輪，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，比摩擦壓力機(jī)節(jié)能30%以上，而且打擊精度高，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
02.直驅(qū)螺旋壓力機(jī)
直驅(qū)螺旋壓力機(jī)采用低速開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)直接安裝在螺桿上，與飛輪合二為一，沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)螺桿的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，是螺旋壓力機(jī)的發(fā)展方向。
03.壓磚機(jī)
耐火材料行業(yè)常規(guī)采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的摩擦壓力機(jī)生產(chǎn)耐火磚，耗能高、效率低。采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，打擊能量、打擊力可數(shù)控，制件精度高，自動(dòng)化程度高，節(jié)能達(dá)60%以上。
劍桿織機(jī)采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，主軸在一圈之內(nèi)就可以達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，省掉了離合器與變速箱，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少了維護(hù)量；織機(jī)可以根據(jù)織物的類別方便調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，操作靈活。
05.立式抽油機(jī)
立式抽油機(jī)采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電氣換向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；方便調(diào)節(jié)沖程與沖次，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程抽油；占地面積小，易于實(shí)現(xiàn)叢式井；比游梁式抽油機(jī)節(jié)能20%以上，節(jié)能效果明顯。
06.鉆井機(jī)
開關(guān)磁阻直驅(qū)電機(jī)可低速運(yùn)行及頻繁換向，作為鉆井機(jī)的頂驅(qū)電機(jī)，去掉了傳統(tǒng)鉆井機(jī)的齒輪變速箱機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑油及冷卻過濾系統(tǒng)，顯著降低了設(shè)備故障率及維護(hù)難度、提高了運(yùn)行效率。
07.其他應(yīng)用場(chǎng)合
開關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、電動(dòng)汽車、工程機(jī)械及家用電器上應(yīng)用也具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)與節(jié)能效果。隨著開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來越普遍。
七、技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化
科匯股份是山東省科技廳批準(zhǔn)的“山東省開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速工程技術(shù)研究中心”，建有1000kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)站，配備了相關(guān)開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試儀器設(shè)備，并擁有多套開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電機(jī)設(shè)計(jì)仿真軟件。
目前，科匯股份研發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單機(jī)功率從3kW到630kW，覆蓋了工業(yè)領(lǐng)域常用的功率等級(jí)范圍，具備年產(chǎn)一萬臺(tái)套的生產(chǎn)能力，已在鍛壓機(jī)械、紡織機(jī)械、油田設(shè)備等場(chǎng)景廣泛應(yīng)用并批量出口，產(chǎn)品性能良好，節(jié)能15%以上，產(chǎn)品總體技術(shù)與應(yīng)用達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、在壓力機(jī)應(yīng)用等方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
此外，還研發(fā)與開關(guān)磁阻電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配套的電氣控制系統(tǒng)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供完整的工業(yè)電氣控制解決方案。
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