新國標下傳統(tǒng)電機迎挑戰(zhàn) 同步磁阻電機研發(fā)提速

電機能效新國標下，傳統(tǒng)高能耗的三相異步電機迎來危機挑戰(zhàn)，加上永磁同步電機中稀土原材料容易產(chǎn)生高溫消磁導致設備故障，同步磁阻電機這一新品憑借高效節(jié)能、無退磁風險等優(yōu)勢被推至風口、備受青睞。

國內(nèi)眾多實力廠商紛至沓來，各家研發(fā)技術各有千秋、旗鼓相當，面對異步電機上百年悠久而成熟的技術與行業(yè)應用，同步磁阻電機要想完全將其替代依然壓力不小，攜手拓寬行業(yè)應用，擴大市場規(guī)模是降低成本、提高產(chǎn)品市場競爭力的關鍵途徑。

新國標下傳統(tǒng)電機迎挑戰(zhàn)

我國是電機制造與使用大國之一，在全球碳達峰、碳中和降低能耗的背景下，推廣高效電機已成為電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。若要使我國電機產(chǎn)品走向世界市場，其能效水平必須達到國際市場的技術要求。近年來，國際電機能效標準一直處于持續(xù)升級階段，將IE3作為強制性能效標準已經(jīng)達成共識。

自2021年6月1日起，《電動機能效限定值及能效等級》（GB18613-2020）國家標準正式實施。新標準于去年5月發(fā)布，對原國家強制性標準GB18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值與能效等級》和GB25958-2010《小功率電動機能效限定值與能效等級》兩項強制性能效標準進行整合。

新國標對電機能效限定值的要求提升幅度較大，限定的功率范圍也更廣。新標準將IE3定為三級能效的最低標準，與國際標準保持一致，低于IE3能效限定值的三相異步電動機不允許生產(chǎn)、銷售和采購，同時新國標還將IE4、IE5列為一、二級節(jié)能評價值指標。這給傳統(tǒng)三相異步電機（低于IE3能效）的生產(chǎn)制造商帶來不小的危機與挑戰(zhàn)。

與此同時，稀土作為永磁同步電機的主要原材料，素有工業(yè)“黃金”之稱，是各國求之不得、不可再生的稀缺礦產(chǎn)資源。近年來隨著儲量不斷下降，稀土逐漸成為國家重要的戰(zhàn)略儲備資源，可以說擁有了稀土，也就在工業(yè)制造上擁有了真正有話語權的國之重器。

永磁同步電機對稀土原材料非常依賴，該品類電機成本較高，價格波動大，且稀土永磁材料受環(huán)境溫度影響產(chǎn)生退磁效應，導致設備故障。

長期以來，工業(yè)領域驅(qū)動的電機以異步電機和永磁同步電機為主，不過這兩種電機分別存在高能耗和對高性能稀土材料依賴的問題，同步磁阻電機這種無需永磁體、且更高效節(jié)能的新型電機產(chǎn)品在近年來被推至風口，備受青睞。 ?

天生榮耀的同步磁阻電機

? 同步磁阻電機（又稱Syn Rm）是一種具有磁阻性質(zhì)的同步電機，其運行原理與開關磁阻電動機相似，與傳統(tǒng)的交、直流電動機有著根本的區(qū)別，它不像傳統(tǒng)電動機那樣依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用形成轉(zhuǎn)矩，而是基于磁阻最小路徑閉合原理，通過轉(zhuǎn)子在不同位置引起的磁阻變化產(chǎn)生的磁拉力形成轉(zhuǎn)矩，這種轉(zhuǎn)矩被稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。

與傳統(tǒng)直流電動機相比，Syn Rm 沒有電刷和換向器，簡單可靠，維護方便；與傳統(tǒng)交流異步電動機相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子上沒有繞組，則沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高了電機的效率、延長使用壽命；與開關磁阻電機相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子表面光滑、磁阻變化較為連續(xù)，避免開關磁阻電機運行時轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲大的問題，同時Syn Rm 定子為正弦波磁場，控制簡單，硬件平臺成熟，從而降低驅(qū)動控制系統(tǒng)的成本費用；與永磁同步電機相比，Syn Rm 轉(zhuǎn)子上沒有永磁體，成本更低，無弱磁和失磁的問題，長期使用，效率更穩(wěn)定，如表1所示。

表1

綜上所述，同步磁阻電機憑借著高效節(jié)能（轉(zhuǎn)子無損耗、更節(jié)能）、穩(wěn)定可靠（無退磁風險）、成本低（主要材料只有銅和鐵）等優(yōu)勢在眾多電機品類中脫穎而出，不僅可用于驅(qū)動塑料、造紙、紡織、制藥機械等輕工機械需求，也可用于石油化工、機床主軸、風機水泵等各種復雜工業(yè)環(huán)境下重型機械設備的自動化應用，是新一代高性價比的綠色工業(yè)驅(qū)動產(chǎn)品。 ?

實力廠商提速研發(fā)

? 高科技浪潮的席卷下，自2017-2018年起，國內(nèi)眾多“有識之士”廠商紛紛緊跟航向燈，根據(jù)自身優(yōu)勢技術路線，抓緊研發(fā)同步磁阻電機及配套驅(qū)動系統(tǒng)，在部分細分行業(yè)得到試用檢測并取得節(jié)能減排良好的效果。

杭州瑞拉騰電氣科技有限公司是一家專注提供同步磁阻電機+驅(qū)動器+控制系統(tǒng)整體解決方案，具有獨立知識產(chǎn)權的服務商。據(jù)公司總經(jīng)理胡超介紹，瑞拉騰RM、RMFA、RME系列全封閉、自扇風冷高效三相同步磁阻電動機，滿足歐盟IE4能效要求，無磁鋼退磁風險。

RD100系列變頻器則是一款采用高性能矢量控制算法的通用型變頻器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、高精度的電機調(diào)速，集成多種控制方式，可廣泛用于感應電動機、永磁同步電機、同步磁阻電機的驅(qū)動，如圖1所示。

深圳市百盛傳動有限公司總經(jīng)理鄧大鵬介紹，百盛同步磁阻電機系統(tǒng)（BSR）由同步磁阻電機（BSRM）及同步磁阻電機專用驅(qū)動器（BSR）組成。BSRM具有效率高，轉(zhuǎn)矩大，耐高溫，調(diào)速范圍寬廣且穩(wěn)態(tài)精度高、噪聲振動低等特點。

產(chǎn)品采用獨特的矢量控制算法，并設計成書本型的結(jié)構(gòu)，功率段為11千瓦-355千瓦，采用不加編碼器的開環(huán)控制，具有自動諧波抑制、瞬時啟停、零速轉(zhuǎn)矩、零漂抑制等功能，滿足客戶不同設備的動態(tài)負載需求。達到IE4、IE5超高能效水平。 ? ? ? 百盛同步磁阻電機系統(tǒng)（BSR） ? 蘇州偉創(chuàng)電氣科技股份有限公司產(chǎn)品線總監(jiān)鄧雄介紹，偉創(chuàng)AC310系列平臺針對同步磁阻電機開環(huán)矢量控制技術進行深入研究及優(yōu)化，基于現(xiàn)有領先的矢量控制軟件，采用全新的磁鏈觀測器，實現(xiàn)較低的電機參數(shù)敏感性，準確的轉(zhuǎn)子位置觀測以及精確的電流解耦。

除了常規(guī)的自學習外，偉創(chuàng)最新研發(fā)的AC310系列平臺具有電感參數(shù)飽和學習功能，學習時間短，精度高，通過學習可以獲得不同磁場飽和程度下的電機d、q軸電感飽和特性參數(shù)，從而對電機進行更加精確的控制。

該款系列產(chǎn)品具有較好的MTPA控制性能，即采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，在產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩的情況下，最優(yōu)地分配d-q軸定子電流，使定子電流最小，進而使定子銅耗最小達到效率最優(yōu)。此外，弱磁控制優(yōu)化方面，基速以下對電機進行MTPA控制，在基速以上進行弱磁控制，最大程度地利用電壓極限從而實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大化，擴大恒功率范圍，如圖3所示。 ? ?

與此同時，格力凱邦經(jīng)過多年研究、探索、實驗，目前開發(fā)出無稀土永磁輔助同步磁阻電機體積減小50%，損耗降低60%，功率覆蓋范圍3-90KW，額定轉(zhuǎn)速1500-3000rpm，搭載高性能變頻器系統(tǒng)，達到IE5超高能效水平，節(jié)能效果顯著。

凱邦永磁輔助同步磁阻電機具備超強抗退磁能力，得益于凱邦獨有的均勻抗退磁技術，抗退磁裕量達到3倍以上，超過同等稀土永磁電機水平。同時采用電磁熱耦合仿真計算、實驗驗證，得出最佳電磁方案及散熱系統(tǒng)，有效降低電機溫升，充分延長電機的使用壽命。 ?

校企合作、共建同盟科

研院校在重大科學前沿創(chuàng)新、關鍵核心技術突破、顯著效益成果轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮重大作用，校企合作力求做到與市場接軌、IE4實現(xiàn)高效科研與企業(yè)實踐有機結(jié)合，長期以來已成為科技成果輸出的重要方式。

百盛傳動在歐洲建設研發(fā)實驗室，利用高校在電機領域多年強大的積累與實力，聯(lián)合研發(fā)同步磁阻系統(tǒng)，獲得多項實用新型專利、發(fā)明及外觀設計專利。

據(jù)了解，百盛傳動已于與歐洲著名大學團隊合作簽署長期合作協(xié)議，不僅研發(fā)出無稀土永磁超高效 IE4、IE5同步磁阻電機，更開發(fā)居世界前沿性的驅(qū)動算法及控制程序，并完成電機及控制器無位置傳感器控制算法的開發(fā)、測試及生產(chǎn)。在風機、水泵、造紙、塑料機械、空壓機等各行業(yè)的應用。

瑞拉騰注重技術創(chuàng)新，不斷加快產(chǎn)學研一體化步伐，與國內(nèi)多所高校如浙江大學，上海交通大學，東南大學等科研院所保持深度合作，自主研發(fā)同步磁阻電機、驅(qū)控系統(tǒng)，為行業(yè)客戶提供整套解決方案。

偉創(chuàng)與國內(nèi)著名高校、科研機構(gòu)建立廣泛的合作關系，公司基于同步磁阻電機驅(qū)動的技術和產(chǎn)品，依托西安交通大學在同步磁阻電機設計技術，在新型調(diào)速電機方面進行深度合作，攻破技術難關。

面對異步電機上百年悠久而成熟的技術與行業(yè)應用發(fā)展歷程，鄧雄認為國家對低于IE3能效標準的傳統(tǒng)電機進行強制淘汰的背景下，同步磁阻電機將迎來更為光明的發(fā)展前景。一旦更多的高能耗企業(yè)采用同步磁阻系列產(chǎn)品，勢必將促進生產(chǎn)廠商聚集產(chǎn)生規(guī)模效應，紛紛降低成本，并進一步加速同步磁阻產(chǎn)品替代過程。

針對同步磁阻電機的市場規(guī)模，胡超認為同步磁阻電機作為新興后起之秀雖自帶“榮光”，但在各細分行業(yè)要想完全替換傳統(tǒng)異步電機依然壓力不小。盡管傳統(tǒng)異步電機為達到IE3新能效國標，其生產(chǎn)與制造成本有一定幅度的上漲，但同步磁阻電機目前僅小部分試用于風機水泵、塑壓擠出等高能耗領域，由于缺乏規(guī)?；瘧?、其高效節(jié)能成本優(yōu)勢體現(xiàn)地并不盡明顯。

不過他還是滿懷希望地預測，“同步磁阻電機這艘飛機已經(jīng)度過離地起飛期，處于緩慢爬升期，盡管目前市場占有率不盡如人意，未來的電機市場一定將朝著同步磁阻電機、三相異步電機、永磁同步電機三分天下的目標邁進”，他建議在同步磁阻電機向各行業(yè)應用市場全面推廣的初期，各廠商應加大同盟合作，互相交流生產(chǎn)與市場推廣經(jīng)驗、為共同做大市場，降低成本，提高產(chǎn)品市場競爭力貢獻自己的行業(yè)推動力。 ?

編輯：黃飛