二十年行穩致遠，山東科匯電力自動化股份有限公司（科匯股份，股票代碼： 688681）已成為國內開關磁阻電機驅動系統的一面旗幟，在電磁設計、先進控制、現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，開發出了國內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。開關磁阻電機驅動系統，不需要永磁材料，實現了環保、低碳、智能數控，使多種機械設備的結構得到簡化，具有起動電流小、起動轉矩大、可頻繁啟停及正反轉切換的優點，在寬的調速范圍內具有高的系統效率，總體技術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先地位。科匯股份先后參與起草了開關磁阻電機國內第一部行業標準、第一部國家標準，獲得山東省科技進步二等獎。
一、什么是開關磁阻電機驅動系統？
開關磁阻電機驅動系統（Switched Reluctance Drive system，SRD），是繼直流電機驅動、交流異步電機變頻驅動之后發展起來的新一代無級變速驅動系統，是以現代微電子技術、數字技術、電力電子技術及現代控制理論為基礎開發的機電一體化高新技術產品，其綜合性能指標高于傳統驅動系統。該系統由開關磁阻電機及控制器兩部分組成。電機為定轉子雙凸極結構，轉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。控制器驅動電機的運行，由嵌入式微處理器、大規模集成電路、電力電子功率器件和軟件構成。
SRD具有結構簡單、堅固可靠、效率高、調速范圍寬、起動轉矩大，起動電流小、可頻繁起停及正反轉切換、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、發展歷程
開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM），是一個古老的電機技術，1838年，蘇格蘭學者Davidson發明了該種電機，受當時電力電子器件的限制，采用機械開關，其運行特性、可靠性和機電轉換能量很低，沒有引起引起市場的關注。
1920年，英國學者C.L.Walker發明了變磁阻步進電機，并獲得專利，該電機已具現代開關磁阻電機的諸多特性；1971年，Bedford和Hoft申請了現代開關磁阻電機的專利。
1980年，英國學者P.J.Lawrenson及其同事在ICEM會議上，系統地闡述了開關磁阻電機的原理及設計特點，奠定了現代開關磁阻電機的國際地位。
20世紀80年代后，隨著電力電子技術的發展，特別是IGBT的使用，在全球范圍內掀起了開關磁阻電機的研發熱潮，產品已經廣泛或開始應用于電動車驅動系統、家用電器、通風工業、伺服與調速系統、牽引電機、高轉速電機等行業領域，功率范圍從10W(轉速為10000r/min)到5MW(轉速為50r/min)，轉速上限高達100000r/min，幾乎難以找到不適合開關磁阻電機應用的場景。但由于開關磁阻電機獨特的非線性特性，其理論尚在不斷發展中，有很多的研發工作要做，因此開關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展，越來越多的目光轉向無需稀土材料的開關磁阻電機研發，隨著技術水平的提升，開關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年開始開關磁阻電機的研發，經過二十多年的努力，現在已經將開關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、家用電器等領域的應用研發。
三、工作原理
開關磁阻電機的旋轉動力來源于磁阻最小原理產生的磁拉力。
當轉子磁極處于靜止或順時針旋轉時，給繞組通電，則定子會產生順時針方向的轉矩，拉著轉子旋轉，電機處于電動狀態，直到定轉子磁極對齊。
當轉子磁極順時針旋轉，轉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，電機處于發電或制動狀態。
以三相12/8極的開關磁阻電機為例，依次給B→C→A相繞組通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向旋轉；反之，依次給C→B→A相繞組通電，則轉子會順時針方向旋轉。電機的轉向與相繞組的電流方向無關，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（IGBT）的工作狀態，就可以改變電機的轉向、轉矩、轉速、制動等工作狀態，可以實現四象限運行。
開關磁阻電機定子繞組的電流是單向的，功率開關器件與電機繞組串聯，這使得功率電路設計簡單化，無直通故障，可靠性高。
四、系統構成
開關磁阻電機驅動系統由控制器與電機兩大部分構成。控制器通過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。轉子上固定有確定轉子相對定子位置的齒盤，定子上裝有檢測齒盤轉動脈沖的傳感器，位置信號以電脈沖的方式傳送給控制器，控制器根據位置編碼，開通和關斷相應的繞組，使電機可在四象限運行，從而實現電機的連續運轉、轉向運行、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、驅動電路、電力電子器件及軟件組成。提供數據顯示功能，可查看電機的運行數據及各種參數的設置情況；具有鍵盤輸入功能，通過對鍵盤的操作，可實現電機的起停控制及各種參數的設置；具有開關量和模擬量接口，可輸入傳感器及開關信號，可輸出模擬量及繼電器信號，可實現簡單的PLC控制功能；具有通訊接口，用戶可通過該接口實現遠方監控，同時也可通過該通訊口下載程序，進行系統的維護。
電機是定子、轉子雙凸極可變磁阻電機，定子、轉子均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極上繞有集中繞組，轉子上既無繞組也無永磁體。
三相電機通常采用定子12極、轉子8極結構，對于額定轉速低于600r/min的低速電機應采用更多的級數，如定子24極，轉子16極；對于額定轉速超過10000r/min的高速電機，可采用定子6極、轉子4極。
五、技術特點
開關磁阻電機驅動系統是一種新穎的、高性價比的、具有典型機電一體化結構的無級調速系統。
01.系統效率高
在其寬廣的調速范圍內，整體效率比其它調速系統高出至少10%。
在低轉速及非額定負載下，效率更加明顯。
02.調速范圍寬，低速下可長期運轉
在零到最高轉速的轉速范圍內均可帶負荷長期運轉，電機及控制器的溫升均低于工作在額定負載時的溫升。
03.高起動轉矩，低起動電流
起動轉矩達到額定轉矩的150%時，起動電流僅為額定電流的30%。
04.可頻繁起停，及正反轉切換
可頻繁起動和停止，頻繁正反轉切換。在有制動單元及制動功率滿足時間要求的情況下，起停及正反轉切換可達每小時二千次以上。
05.過載能力強
起動轉矩可以達到額定轉矩的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，不存在發生功率器件控制錯誤導致短路而燒毀的現象。
08.可靠性高
電機熱耗大部分產生于定子，便于冷卻；轉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。
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，常規應用雙盤摩擦壓力機，采用異步電機驅動，能耗大。
電動螺旋壓力機采用開關磁阻電機驅動，電機通過齒輪或皮帶驅動飛輪，傳動機構簡單，效率高，比摩擦壓力機節能30%以上，而且打擊精度高，生產效率高，易于實現自動化生產。
02.直驅螺旋壓力機
直驅螺旋壓力機采用低速開關磁阻電機驅動，電機直接安裝在螺桿上，與飛輪合二為一，沒有傳動機構，直接驅動螺桿的旋轉，結構簡單、效率高，是螺旋壓力機的發展方向。
03.壓磚機
耐火材料行業常規采用異步電機驅動的摩擦壓力機生產耐火磚，耗能高、效率低。采用開關磁阻電機驅動，打擊能量、打擊力可數控，制件精度高，自動化程度高，節能達60%以上。
劍桿織機采用開關磁阻電機驅動，電機的起動轉矩可達額定轉矩的5倍以上，主軸在一圈之內就可以達到設定轉速，省掉了離合器與變速箱，簡化了機械結構，減少了維護量；織機可以根據織物的類別方便調整電機的轉速，操作靈活。
05.立式抽油機
立式抽油機采用開關磁阻電機驅動，實現電氣換向，結構簡單；方便調節沖程與沖次，可以實現長沖程抽油；占地面積小，易于實現叢式井；比游梁式抽油機節能20%以上，節能效果明顯。
06.鉆井機
開關磁阻直驅電機可低速運行及頻繁換向，作為鉆井機的頂驅電機，去掉了傳統鉆井機的齒輪變速箱機構、潤滑油及冷卻過濾系統，顯著降低了設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勢與節能效果。隨著開關磁阻電機技術的進一步發展與產業化生產，應用場景會越來越普遍。
七、技術研發與產業化
科匯股份是山東省科技廳批準的“山東省開關磁阻電機調速工程技術研究中心”，建有1000kW開關磁阻電機驅動系統試驗站，配備了相關開關磁阻電機及其驅動系統測試儀器設備，并擁有多套開關磁阻電機驅動與電機設計仿真軟件。
目前，科匯股份研發的開關磁阻電機及其驅動系統單機功率從3kW到630kW，覆蓋了工業領域常用的功率等級范圍，具備年產一萬臺套的生產能力，已在鍛壓機械、紡織機械、油田設備等場景廣泛應用并批量出口，產品性能良好，節能15%以上，產品總體技術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先地位。
此外，還研發與開關磁阻電機及其驅動系統配套的電氣控制系統，為不同應用場景提供完整的工業電氣控制解決方案。
