實(shí)現(xiàn)高效交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技巧

對(duì)于負(fù)責(zé)制造高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工程師來(lái)說(shuō)，有一些壞消息和一些好消息。不好的是，你有很多選擇，好是完全一樣的，加上知道如果你投入一點(diǎn)時(shí)間和金錢，你就可以做出一個(gè)非常高效的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器組合。

永磁同步交流電機(jī) (PMSM) 是全城的熱門話題，主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車 (EV) 大部分時(shí)間都在使用這種電機(jī)，而且它們運(yùn)行良好。這些相同類型電機(jī)的低功率版本變得越來(lái)越便宜并且越來(lái)越容易獲得。

說(shuō)到可用性，有很多很多的電機(jī)制造商。數(shù)百個(gè)。并且有幾種電機(jī)類型可供選擇。請(qǐng)注意，在這個(gè)主題上存在比正常更大的夸張批次。這很可能是因?yàn)樗且粋€(gè)非常大的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。根據(jù)Grand View Research 的一份報(bào)告，到 2025 年，全球電動(dòng)機(jī)銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到 2145 億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 7.9%。這包括用于加熱、通風(fēng)和冷卻 (HVAC) 設(shè)備、車輛、家用電器和工業(yè)機(jī)械等各種應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)。您可以找到大多數(shù)您想要的規(guī)格。他們到處都是。因此，您必須勤奮，檢查確切的數(shù)字，如果找不到，請(qǐng)轉(zhuǎn)到另一個(gè)汽車品牌。

三種主要電機(jī)類型

25 年前用電機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的命題。通常，您為 1/10HP 到 100HP 的任何設(shè)備選擇單相交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM)。如果您需要控制速度，您可以使用無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)（伺服電機(jī)）和模擬輸入控制器。

所有這些交流感應(yīng)電機(jī)仍在使用中，有時(shí)仍在設(shè)計(jì)中，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格便宜且工作正常。但它們的效率非常低。這種電機(jī)類型有幾個(gè)品種。有分相和電容器啟動(dòng)，以及永久分相電容器 (PSC) 的變化。它們是類似的單速設(shè)備，效率約為 20% 到 30%。PSC 類型要好一些（也有點(diǎn)貴），效率為 35% 到 45%。

層次結(jié)構(gòu)中的下一個(gè)是電子換向電機(jī) (ECM)，它基本上是內(nèi)置交流到直流轉(zhuǎn)換的無(wú)刷直流電機(jī)。它們的成本將增加 60%，體積小 30%，重量輕 30%，效率為 70% 到 85%。舊的感應(yīng)電機(jī)可能設(shè)計(jì)為在單一速度/負(fù)載下以相當(dāng)高的效率運(yùn)行，而 ECM 電機(jī)在較寬的速度和扭矩范圍內(nèi)保持高效率。

ECM 電機(jī)提供軟啟動(dòng)，可降低常見(jiàn)的“叮當(dāng)”啟動(dòng)噪音，并且電機(jī)噪音通常會(huì)大大降低。例如，用 ECM 替代熔爐 PSC 電機(jī)，除了大大提高效率外，還為房主提供了降低噪音的好處。

列表中的最后一個(gè)是開(kāi)頭提到的 PMSM 電機(jī)。它可以在較寬的速度范圍內(nèi)達(dá)到 95% 的效率，并且比 ECM 類型的價(jià)格再增加 30%。一種擔(dān)憂是，電機(jī)的磁性材料，包括高磁導(dǎo)率鋼、釹鐵硼和鈷鐵合金，在某些時(shí)候可能會(huì)受到商品價(jià)格和/或可用性壓力的影響。

PMSM 電機(jī)可以在零速下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，提供平穩(wěn)的低速和高速性能，具有低可聽(tīng)噪聲，并且具有低電磁干擾 (EMI)。使用（相當(dāng)復(fù)雜的）磁場(chǎng)定向控制方案可在非常寬的速度/負(fù)載范圍內(nèi)擴(kuò)展平滑度和效率。重要的是要了解，由于材料和設(shè)計(jì)的變化，各種 PMSM 電機(jī)可能具有顯著的性能差異。你不能把所有這些放在一起。

帶有或不帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的 PMSM 控制系統(tǒng)可能非常復(fù)雜。更簡(jiǎn)單的梯形控制通常與電機(jī)內(nèi)置的三個(gè)霍爾傳感器配合使用。它可能受轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，可能不適合低速運(yùn)行。

研究提供了一些實(shí)數(shù)

來(lái)自O(shè)STI.gov（美國(guó)能源部科學(xué)和技術(shù)信息辦公室）的研究報(bào)告提供了一些好的、確鑿的數(shù)據(jù)。2019 年 9 月題為“商業(yè)制冷用永磁同步電機(jī)”的報(bào)告（由 Brian A. Fricke 和 Bryan R. Becker 撰寫）非常針對(duì)特定應(yīng)用——它是關(guān)于制冷蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)的。它具有從測(cè)功機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中獲得的三種電機(jī)的一些出色的測(cè)量數(shù)據(jù)。

根據(jù)該報(bào)告，罩極感應(yīng)電機(jī)是成本最低的電機(jī)，其效率約為 25%。您會(huì)在展示柜、步入式冷卻器和其他商業(yè)制冷用途等應(yīng)用中找到它們。

他們的數(shù)據(jù)顯示，最先進(jìn)的 ECM 電機(jī)的效率約為 66%。10 到 15 年前，這些高價(jià) ECM 電機(jī)正式開(kāi)始用于商業(yè)制冷風(fēng)扇應(yīng)用。PSC 電機(jī)的價(jià)格和效率介于罩極電機(jī)和 ECM 電機(jī)之間。PSC 電機(jī)的效率通常約為 29%。

根據(jù)這項(xiàng)研究，由電網(wǎng)供電的交流電運(yùn)行的 PMSM 交流電機(jī)的效率為 75%，并且有可能顯著降低商用制冷設(shè)備中蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)的能耗。該研究還強(qiáng)調(diào)了 PMSM 電機(jī)的功率因數(shù)要好得多。報(bào)告中的表 1 提供了蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)效率的總結(jié)。報(bào)告中的圖 2A 和 2B 提供了電機(jī)效率的圖形表示。表 1. 測(cè)得的蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)效率和功率因數(shù)匯總。由橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供。

圖 2A。38–50W 罩極電機(jī)和 PMSM 電機(jī)的風(fēng)扇電機(jī)效率和功率因數(shù)。圖片由橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供。

圖 2B。38–50W ECM 和 PMSM 電機(jī)的風(fēng)扇電機(jī)效率和功率因數(shù)。圖片由橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供。

該研究包括對(duì)一家商店的蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)（其中 262 個(gè)）進(jìn)行全面改造，其中風(fēng)扇用電量減少了 52%，功率因數(shù)大大提高。

其他兩種不太常見(jiàn)的電機(jī)類型

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)提供出色的啟動(dòng)扭矩和高可靠性、良好的效率和非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。它們可以無(wú)限期地停轉(zhuǎn)而不會(huì)過(guò)熱——這一特性使它們深受核能和安全人群的喜愛(ài)。扭矩產(chǎn)生不受電機(jī)速度的影響。然而，總的來(lái)說(shuō)，由于扭矩波動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，它們的采用率很低，這些問(wèn)題已將它們標(biāo)記為消費(fèi)者應(yīng)用程序不可接受的問(wèn)題。

然后是最后一種高效電機(jī)類型：軸向磁通電機(jī)。它的設(shè)計(jì)將永磁體放置在定子兩側(cè)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子的表面上。磁通回路從轉(zhuǎn)子上的磁體開(kāi)始，通過(guò)氣隙到達(dá)定子，然后通過(guò)第一個(gè)定子齒，到達(dá)另一個(gè)轉(zhuǎn)子上的第二個(gè)磁體。與徑向磁通電機(jī)不同，磁通路徑是一維的，允許使用晶粒取向磁鋼以獲得更高的效率。據(jù)說(shuō)效率比 PMSM 高 10%。這種短而扁平的電機(jī)被設(shè)想用于高功率負(fù)載，尤其是電動(dòng)汽車，并且正在由許多制造商進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

功率晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC

與 PMSM 一起使用的高頻開(kāi)關(guān)增加了功率密度，從而使電機(jī)更小。電流紋波也降低了，這意味著用于濾波的無(wú)源元件更小、成本更低。高頻操作還減少了可能導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)和過(guò)早磨損的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

由于輸出電容較低，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體可以在較高頻率下高效工作。它們表現(xiàn)出比硅更高的擊穿電壓（高于 600V）。它們具有高電子飽和速度，通常稱為電子遷移率。更高的遷移率允許器件處理兩倍的硅電流密度 (A/cm2)。WBG 半導(dǎo)體可以在更高的溫度下安全運(yùn)行——高達(dá) 300°C 左右。SiC 的熱導(dǎo)率為 4，而硅的熱導(dǎo)率為 1.5，已成為驅(qū)動(dòng) PMSM 電機(jī)的首選功率半導(dǎo)體。離散和集成的 SiC FET 橋模塊值得考慮。

驅(qū)動(dòng)這些出色的 FET 變得非常容易。例如，MaximMAX22701E隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是一款單通道器件，具有 300kV/μs（典型值）的超高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，可承受 3kVRMS60 秒。它旨在驅(qū)動(dòng)各種逆變器或電機(jī)控制應(yīng)用中的 SiC 或 GaN 晶體管。

圖 3. MAX22701E 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的功能圖。

MAX22700和MAX22702的低邊驅(qū)動(dòng)器的最大 RDSON為1.25Ω ；MAX22701 為 2.5Ω。這三款器件均支持 20ns 的最小脈沖寬度和 2ns 的最大脈沖寬度失真。

仔細(xì)觀察汽車市場(chǎng)

仔細(xì)看看汽車的風(fēng)景，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它充滿了閃閃發(fā)光的概括性和簡(jiǎn)單的不真實(shí)。例如，許多人吹捧他們的神奇電機(jī)比舊設(shè)計(jì)的效率高 60%——這幾乎沒(méi)有任何意義。他們確實(shí)將他們非常標(biāo)準(zhǔn)的 ECM 或 PMSM 電機(jī)與古老的感應(yīng)分相電機(jī)進(jìn)行比較，這是最糟糕的能源用戶，他們 25% 的效率中有 60% 是 15，所以我們有 40% 的效率。你可以做得更好。

審核編輯：郭婷