近年来,一种新型电机----开关磁阻电机(SRD)逐渐走进了市场,该电机有着有别于其他电机的优势和特点,因此逐渐成为市场未来发展的主要方向,目前已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域。
1、电动车应用
开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车,这也是开关磁阻电机最主要的应用领域。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种,然而开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固,适合于高速运行,并且驱动电路简单成本低、性能可靠,在宽广的转速范围内效率都比较高,而且可以方便地实现四象限控制,这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行,相比目前主要使用的两种电机具有其独特的优势,是电动车辆中极具有潜力的机种。
2、纺织工业应用
近十多年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高,在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品无梭织机的主传动技术也有了新的突破:采用开关磁阻电机作为无梭织机的主传动,相比于使用其他电机系统,开关磁阻电机系统带来许多好处,减少传动齿轮、不用皮带和皮带盘,不用电磁离合器和刹车盘,不用寻纬电机,节能10%等优点,国内已有开关磁阻电机和驱动器的产品(北京中纺锐力机电有限公司),目前还在与无梭织机主机厂合作,共同开发应用技术,希望能尽快取得成功,填补国内空白。
3、焦炭工业应用
相比于其他电机,开关磁阻电机起动力矩大、起动电流小,可以频繁重载起动,无需其它的电源变压器,节能,维护简单,特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。90年代英国已研制成功300kW的开关磁阻电机,用于刮板输送机,效果很好。我国已研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动,良好的起动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引,运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车,提高了电机车运行的可靠性和效率。
4、家电行业应用
一些家用电器,比如洗衣机经过不断的发展,结构由简单的有级调速电机发展为无级调速电机。而开关磁阻电机由于低成本、高性能、智能化已开始应用于洗衣机,在美国高档洗衣机中已小批量采用,相比其他电机有着明显的优势,未来应用前景广阔。
二、开关磁阻电机的特点
开关磁阻电机具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点,这使其有别于交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统,成为他们的竞争者和替代者。开关磁阻电机的调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点,是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统。
1、电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。SRD结构简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组,因此不会有制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高,可以用于超高速运转(如每分钟上万转)。在定子方面,它只有几个集中绕组,因此制造简便、绝缘结构简单。在这一点上,开关磁阻电机非常适合应用于电动车,并有着无可比拟的优势。
2、功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关,即只需单方相绕组电流,故功率电路可以做到每相一个功率开关。开关磁阻电动机调速系统中所需的功率元件少,电路结构简单,其中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联,根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化,即降低了成本,又有较高的工作可靠性。
3、系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看,各项绕组和磁路相互独立,各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。从控制结构上看,各相电路一般也是相互独立工作。因此,当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时,只需停止该相工作,电动机除总输出功率能力有所减小外,并无其他妨碍。
4、起动转矩大,起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流,在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是:起动电流为额定电流的15%时,获得起动转矩为100%的额定转矩;起动电流为额定电流的30%时,起动转矩可达其额定转矩的250%,比其他电机有着很大的优势。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段,因此本系统也十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械,如矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车。
5、适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点,使之在起动过程中电流冲击小,电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性,非常适合用于频繁起停及正反向转换运行,次数可达1000次/小时。
6、可控参数多,调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可控参数多,意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况,采取不同控制方法和参数值,即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等),还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。由于开关磁阻电机系统速度闭环是必备的,因此系统具有很高的稳速精度,可以很方便的构成无静差调速系统。
7、效率高,损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统,易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kW的开关磁阻电机系统为例,其系统效率在很宽范围内都在87%以上,这是其它一些调速系统不容易达到的。将本系统同其他目前广泛使用的电动机的系统进行比较,本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高,一般要高5~10个百分点。
三、中国开关磁阻电机行业现状分析
英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早,并已取得显着效果,产品功率等级从数w直到数百kw。中国队开关磁阻电机的研究虽然起步较晚,但是起点较高,目前国内开关磁阻电动机及其控制器的市场需求越来越大,而国内仅有很少的企业从事开关磁阻电机行业。并且由于开关磁阻电机系统产品技术含量高,因此产品利润空间很大。据相关资料,2010年前后国内开关磁阻电机产品的成本与销售价格大致如下:3kW系统的电机加控制器的生产成本约3000元,销售价为9000多元;7.5kW系统的电机加控制器的生产成本不超过8000元,报价为5万元。现在随着生产技术的进步,使得开关磁阻电机产品的成本有所降低,并且越来越多的企业将目标瞄准该行业,产品的价格比2010年应有下滑,但仍然保持着高于行业平均指数的高利润,而且系统功率越大,利润越高。
目前中国主要生产研发开关磁阻电机系统的企业有以下几家:
1.北京中纺锐力机电有限公司
北京中纺锐力机电有限公司成立于2004年7月5日,在我国调速电机的研究开发领域占有重要地位。八十年代中期起,作为我国第一批从事开关磁阻调速电动机(SRD)的研制单位,在该领域始终处于国际先进和国内绝对领先水平,并被科技部授予该项目重点推广计划的技术依托单位。
该公司现有科研生产基地4000平米,并配套了国内第一条SRD控制器专用生产流水线,产能可达到5000套/年,为国内最大。公司拥有约20套电机测功机和电磁兼容、振动、温湿度、三坐标测量仪等先进的型式试验设备,能满足从事本行业有关科研开发生产项目的需要。该公司目前拥有三个系列几十个规格的产品,功率范围为2.2~1600KW,提供的产品占国内同类市场的85%以上。