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，也有一些好消息。壞處是，你有很多選擇可以看，好處是完全相同的，再加上如果你投入一點(diǎn)時(shí)間和金錢，你可以做出真正高效的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器組合的知識(shí)。

永磁同步交流電機(jī)（PMSM）是該鎮(zhèn)的話題，主要是因?yàn)檫@是電動(dòng)汽車（EV）大部分時(shí)間都在使用的，而且它們運(yùn)行良好。這些相同類型電機(jī)的低功率版本越來(lái)越便宜，而且越來(lái)越容易獲得。

說(shuō)到可用性，有很多很多電機(jī)制造商。數(shù)百。并且有幾種電機(jī)類型可供選擇。請(qǐng)注意，在這個(gè)問(wèn)題上，還有比正常情況更大的夸張。這很可能是因?yàn)檫@是一個(gè)非常大的商業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)Grand View Research的一份報(bào)告，到214年，全球電動(dòng)機(jī)銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到5億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)的復(fù)合年增長(zhǎng)率為2025.7%。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)。您幾乎可以找到所需的任何規(guī)格。他們到處都是。因此，您必須勤奮，檢查確切的數(shù)字，如果找不到它們，請(qǐng)轉(zhuǎn)到另一個(gè)電機(jī)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)單的主張。通常，您為從 1/10HP 到 100HP 的任何內(nèi)容選擇單相交流感應(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)樗鼈儽阋饲矣行?。但它們的效率非常低。這種電機(jī)類型有幾個(gè)品種。有分相和電容啟動(dòng)，以及永久分離電容（PSC）的變化。它們是類似的單速設(shè)備，效率約為 20% 至 30%。PSC 類型在 35% 到 45% 的效率下更好（而且更貴一點(diǎn)）。

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)。這些成本將增加60%，體積縮小30%，重量減輕30%，效率為70%至85%。舊的感應(yīng)電機(jī)可以設(shè)計(jì)為在單個(gè)速度/負(fù)載下以不錯(cuò)的效率運(yùn)行，而ECM電機(jī)在寬速度和扭矩范圍內(nèi)保持高效率。

ECM電機(jī)提供軟啟動(dòng)，可降低常見(jiàn)的“笨拙”啟動(dòng)噪音，并且電機(jī)噪音通常大大降低。例如，用ECM替代爐子PSC電機(jī)，除了大大提高效率外，還為房主提供了降噪的好處。

列表中的最后一個(gè)是開(kāi)頭提到的永磁同步電機(jī)。它可以在很寬的速度范圍內(nèi)達(dá)到 95% 的效率，并且比 ECM 類型還有 30% 的價(jià)格上漲。令人擔(dān)憂的是，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。

永磁同步電機(jī)可以在零速下產(chǎn)生扭矩，提供平穩(wěn)的低速和高速性能，具有低可聞噪聲和低電磁干擾 （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)可能會(huì)有顯著的性能差異。你不能把所有這些混為一談。

帶或不帶轉(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)霍爾傳感器一起工作。它可能受到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，可能不適合低速運(yùn)行。

OSTI.gov（美國(guó)能源部，科學(xué)和技術(shù)信息辦公室）的研究報(bào)告提供了一些很好的硬數(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)，效率約為25%。您可以在展示柜、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%。這些高價(jià) ECM 電機(jī)在商用制冷風(fēng)扇應(yīng)用中的使用始于 10 到 15 年前。PSC 電機(jī)介于罩極和 ECM 電機(jī)價(jià)格和效率之間。PSC 電機(jī)的效率通常約為 29%。

根據(jù)這項(xiàng)研究，在電網(wǎng)供電的交流電上運(yùn)行的PMSM交流電機(jī)的效率為75%，并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)了永磁同步電機(jī)更好的功率因數(shù)。報(bào)告中的表1提供了蒸發(fā)器風(fēng)扇電機(jī)效率的摘要。圖2A和2B也來(lái)自該報(bào)告，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)摘要。由橡樹(shù)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(shù)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 臺(tái)）進(jìn)行全面改造，其中風(fēng)扇功率使用量減少了 52%，功率因數(shù)大大提高。

另外兩種不太常見(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)限期地在失速時(shí)運(yùn)行而不會(huì)過(guò)熱 - 這一功能使他們迷戀核電和安全人群。扭矩產(chǎn)生不受電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。然而，總的來(lái)說(shuō)，由于扭矩脈動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，它們的采用率很低，這給消費(fèi)者應(yīng)用貼上了不可接受的標(biāo)簽。

然后還有最后一種高效電機(jī)類型：軸向磁通電機(jī)。其設(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)子上的磁鐵開(kāi)始，通過(guò)氣隙到達(dá)定子，然后通過(guò)第一個(gè)定子齒和另一個(gè)轉(zhuǎn)子上的第二個(gè)磁鐵。與徑向磁通電機(jī)不同，磁通路徑是一維的，允許使用晶粒取向的磁鋼來(lái)提高效率。據(jù)說(shuō)效率比PMSM高10%。短的煎餅形電機(jī)被設(shè)想用于高功率負(fù)載，特別是電動(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，從而減小了電機(jī)尺寸。電流紋波也降低了，這意味著用于濾波的無(wú)源元件更小、更便宜。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)。

氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等寬帶隙 （WBG） 半導(dǎo)體由于輸出電容較低，可以在較高頻率下高效運(yùn)行。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。更高的移動(dòng)性使設(shè)備能夠處理兩倍的電流密度（A/cm）2）的硅。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的導(dǎo)熱系數(shù)為4，而硅的導(dǎo)熱系數(shù)為1.5，已成為驅(qū)動(dòng)PMSM電機(jī)的首選功率半導(dǎo)體。隱蔽和集成的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，Maxim MAX22701E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）的超高共模瞬變抗擾度（CMTI），可承受3kV有效值60年代。它設(shè)計(jì)用于驅(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4.MAX22701E柵極驅(qū)動(dòng)器IC的功能框圖

MAX22700和MAX22702具有最大R 德森低邊驅(qū)動(dòng)器為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)看看電機(jī)的格局

仔細(xì)看看汽車景觀，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它充滿了閃閃發(fā)光的概括和純粹的非真相。例如，許多人吹捧他們神奇的電機(jī)比舊設(shè)計(jì)的效率高 60%，這幾乎沒(méi)有任何意義。他們實(shí)際上是將他們非常標(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 60% 效率中的 25% 是 15，所以我們有 40% 的效率。你可以做得更好。

審核編輯：郭婷