二十年行穩(wěn)致遠，山東科匯電力自動化股份有限公司（科匯股份，股票代碼： 688681）已成為國內(nèi)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的一面旗幟，在電磁設(shè)計、先進控制、現(xiàn)場匹配等進行了深入研究，在鍛壓機械、紡織機械、油田機械中廣泛應用并銷往印度、美國等國，年銷售量過億元，開發(fā)出了國內(nèi)外首臺單機功率最大的630kW電機并成功應用于8000噸電動螺旋壓力機。開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)，不需要永磁材料，實現(xiàn)了環(huán)保、低碳、智能數(shù)控，使多種機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到簡化，具有起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大、可頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)切換的優(yōu)點，在寬的調(diào)速范圍內(nèi)具有高的系統(tǒng)效率，總體技術(shù)與應用達到國際先進水平、在壓力機應用等方面處于國際領(lǐng)先地位?？茀R股份先后參與起草了開關(guān)磁阻電機國內(nèi)第一部行業(yè)標準、第一部國家標準，獲得山東省科技進步二等獎。
一、什么是開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)？
開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive system，SRD），是繼直流電機驅(qū)動、交流異步電機變頻驅(qū)動之后發(fā)展起來的新一代無級變速驅(qū)動系統(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)的機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品，其綜合性能指標高于傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電機及控制器兩部分組成。電機為定轉(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)動電機的運行，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)簡單、堅固可靠、效率高、調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小、可頻繁起停及正反轉(zhuǎn)切換、低速下可長期運行等特點，非常適合需頻繁啟動及換向、重載啟動、負載變動大、頻繁過載及長期低速運行的應用場景使用。
二、發(fā)展歷程
開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM），是一個古老的電機技術(shù)，1838年，蘇格蘭學者Davidson發(fā)明了該種電機，受當時電力電子器件的限制，采用機械開關(guān)，其運行特性、可靠性和機電轉(zhuǎn)換能量很低，沒有引起引起市場的關(guān)注。
1920年，英國學者C.L.Walker發(fā)明了變磁阻步進電機，并獲得專利，該電機已具現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機的諸多特性；1971年，Bedford和Hoft申請了現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機的專利。
1980年，英國學者P.J.Lawrenson及其同事在ICEM會議上，系統(tǒng)地闡述了開關(guān)磁阻電機的原理及設(shè)計特點，奠定了現(xiàn)代開關(guān)磁阻電機的國際地位。
20世紀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)磁阻電機的研發(fā)熱潮，產(chǎn)品已經(jīng)廣泛或開始應用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)、家用電器、通風工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機、高轉(zhuǎn)速電機等行業(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100000r/min，幾乎難以找到不適合開關(guān)磁阻電機應用的場景。但由于開關(guān)磁阻電機獨特的非線性特性，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)磁阻電機的普遍應用尚需時日。
近年來，隨著電動汽車市場的快速發(fā)展，越來越多的目光轉(zhuǎn)向無需稀土材料的開關(guān)磁阻電機研發(fā)，隨著技術(shù)水平的提升，開關(guān)磁阻電機的性能已接近永磁電機的水平，在電動汽車上的批量應用將會指日可待。
科匯股份從2000年開始開關(guān)磁阻電機的研發(fā)，經(jīng)過二十多年的努力，現(xiàn)在已經(jīng)將開關(guān)磁阻電機批量應用到電動螺旋壓力機、壓磚機、劍桿織機、抽油機等場景，正在進行電動汽車、工程機械、家用電器等領(lǐng)域的應用研發(fā)。
三、工作原理
開關(guān)磁阻電機的旋轉(zhuǎn)動力來源于磁阻最小原理產(chǎn)生的磁拉力。
當轉(zhuǎn)子磁極處于靜止或順時針旋轉(zhuǎn)時，給繞組通電，則定子會產(chǎn)生順時針方向的轉(zhuǎn)矩，拉著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機處于電動狀態(tài)，直到定轉(zhuǎn)子磁極對齊。
當轉(zhuǎn)子磁極順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極遠離定子磁極，則線圈通電時會阻礙定子磁極的旋轉(zhuǎn)，電機處于發(fā)電或制動狀態(tài)。
以三相12/8極的開關(guān)磁阻電機為例，依次給B→C→A相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向旋轉(zhuǎn)；反之，依次給C→B→A相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會順時針方向旋轉(zhuǎn)。電機的轉(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)，就可以改變電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、制動等工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)四象限運行。
開關(guān)磁阻電機定子繞組的電流是單向的，功率開關(guān)器件與電機繞組串聯(lián)，這使得功率電路設(shè)計簡單化，無直通故障，可靠性高。
四、系統(tǒng)構(gòu)成
開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)由控制器與電機兩大部分構(gòu)成?？刂破魍ㄟ^控制電機定子繞組電流的通斷控制電機的運行，與繞組電流的方向無關(guān)。轉(zhuǎn)子上固定有確定轉(zhuǎn)子相對定子位置的齒盤，定子上裝有檢測齒盤轉(zhuǎn)動脈沖的傳感器，位置信號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)斷相應的繞組，使電機可在四象限運行，從而實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向運行、制動、點動及位置保持功能。
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，可查看電機的運行數(shù)據(jù)及各種參數(shù)的設(shè)置情況；具有鍵盤輸入功能，通過對鍵盤的操作，可實現(xiàn)電機的起?？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，可輸出模擬量及繼電器信號，可實現(xiàn)簡單的PLC控制功能；具有通訊接口，用戶可通過該接口實現(xiàn)遠方監(jiān)控，同時也可通過該通訊口下載程序，進行系統(tǒng)的維護。
電機是定子、轉(zhuǎn)子雙凸極可變磁阻電機，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。
三相電機通常采用定子12極、轉(zhuǎn)子8極結(jié)構(gòu)，對于額定轉(zhuǎn)速低于600r/min的低速電機應采用更多的級數(shù)，如定子24極，轉(zhuǎn)子16極；對于額定轉(zhuǎn)速超過10000r/min的高速電機，可采用定子6極、轉(zhuǎn)子4極。
五、技術(shù)特點
開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)是一種新穎的、高性價比的、具有典型機電一體化結(jié)構(gòu)的無級調(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)速及非額定負載下，效率更加明顯。
02.調(diào)速范圍寬，低速下可長期運轉(zhuǎn)
在零到最高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可帶負荷長期運轉(zhuǎn)，電機及控制器的溫升均低于工作在額定負載時的溫升。
03.高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流
起動轉(zhuǎn)矩達到額定轉(zhuǎn)矩的150%時，起動電流僅為額定電流的30%。
04.可頻繁起停，及正反轉(zhuǎn)切換
可頻繁起動和停止，頻繁正反轉(zhuǎn)切換。在有制動單元及制動功率滿足時間要求的情況下，起停及正反轉(zhuǎn)切換可達每小時二千次以上。
05.過載能力強
起動轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，過載能力強，起動快。
06.缺相不燒電機
三相輸入電源缺相，電機欠功率運行或者停機，不會燒毀電機和控制器。
07.功率器件控制錯誤不會引起短路
控制器的上下橋臂功率器件和電機的繞組串聯(lián)，不存在發(fā)生功率器件控制錯誤導致短路而燒毀的現(xiàn)象。
08.可靠性高
電機熱耗大部分產(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轉(zhuǎn)。
六、應用場景
01.電動螺旋壓力機
螺旋壓力機廣泛應用于鍛件的生產(chǎn)，常規(guī)應用雙盤摩擦壓力機，采用異步電機驅(qū)動，能耗大。
電動螺旋壓力機采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，電機通過齒輪或皮帶驅(qū)動飛輪，傳動機構(gòu)簡單，效率高，比摩擦壓力機節(jié)能30%以上，而且打擊精度高，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
02.直驅(qū)螺旋壓力機
直驅(qū)螺旋壓力機采用低速開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，電機直接安裝在螺桿上，與飛輪合二為一，沒有傳動機構(gòu)，直接驅(qū)動螺桿的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、效率高，是螺旋壓力機的發(fā)展方向。
03.壓磚機
耐火材料行業(yè)常規(guī)采用異步電機驅(qū)動的摩擦壓力機生產(chǎn)耐火磚，耗能高、效率低。采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，打擊能量、打擊力可數(shù)控，制件精度高，自動化程度高，節(jié)能達60%以上。
劍桿織機采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，電機的起動轉(zhuǎn)矩可達額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，主軸在一圈之內(nèi)就可以達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，省掉了離合器與變速箱，簡化了機械結(jié)構(gòu)，減少了維護量；織機可以根據(jù)織物的類別方便調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，操作靈活。
05.立式抽油機
立式抽油機采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動，實現(xiàn)電氣換向，結(jié)構(gòu)簡單；方便調(diào)節(jié)沖程與沖次，可以實現(xiàn)長沖程抽油；占地面積小，易于實現(xiàn)叢式井；比游梁式抽油機節(jié)能20%以上，節(jié)能效果明顯。
06.鉆井機
開關(guān)磁阻直驅(qū)電機可低速運行及頻繁換向，作為鉆井機的頂驅(qū)電機，去掉了傳統(tǒng)鉆井機的齒輪變速箱機構(gòu)、潤滑油及冷卻過濾系統(tǒng)，顯著降低了設(shè)備故障率及維護難度、提高了運行效率。
07.其他應用場合
開關(guān)磁阻電機在風機、水泵、壓縮機、電動汽車、工程機械及家用電器上應用也具有明顯的性能優(yōu)勢與節(jié)能效果。隨著開關(guān)磁阻電機技術(shù)的進一步發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，應用場景會越來越普遍。
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的“山東省開關(guān)磁阻電機調(diào)速工程技術(shù)研究中心”，建有1000kW開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)試驗站，配備了相關(guān)開關(guān)磁阻電機及其驅(qū)動系統(tǒng)測試儀器設(shè)備，并擁有多套開關(guān)磁阻電機驅(qū)動與電機設(shè)計仿真軟件。
目前，科匯股份研發(fā)的開關(guān)磁阻電機及其驅(qū)動系統(tǒng)單機功率從3kW到630kW，覆蓋了工業(yè)領(lǐng)域常用的功率等級范圍，具備年產(chǎn)一萬臺套的生產(chǎn)能力，已在鍛壓機械、紡織機械、油田設(shè)備等場景廣泛應用并批量出口，產(chǎn)品性能良好，節(jié)能15%以上，產(chǎn)品總體技術(shù)與應用達到國際先進水平、在壓力機應用等方面處于國際領(lǐng)先地位。
此外，還研發(fā)與開關(guān)磁阻電機及其驅(qū)動系統(tǒng)配套的電氣控制系統(tǒng)，為不同應用場景提供完整的工業(yè)電氣控制解決方案。
