對于負責制造高效電機驅動系統(tǒng)的工程師來說，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時間和金錢，你可以做出真正高效的電機/驅動器組合的知識。

永磁同步交流電機（PMSM）是該鎮(zhèn)的話題，主要是因為這是電動汽車（EV）大部分時間都在使用的，而且它們運行良好。這些相同類型電機的低功率版本越來越便宜，而且越來越容易獲得。

說到可用性，有很多很多電機制造商。數(shù)百。并且有幾種電機類型可供選擇。請注意，在這個問題上，還有比正常情況更大的夸張。這很可能是因為這是一個非常大的商業(yè)領域。根據(jù)Grand View Research的一份報告，到214年，全球電動機銷售額預計將達到5億美元，在預測期內的復合年增長率為2025.7%。這包括用于加熱、通風和冷卻 （HVAC） 設備、車輛、家用電器和工業(yè)機械等各種應用的電動機。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，請轉到另一個電機品牌。

三種主要電機類型

25年前，用電機設計產(chǎn)品是一個非常簡單的主張。通常，您為從 1/10HP 到 100HP 的任何內容選擇單相交流感應電機 （ACIM）。如果您需要控制速度，您可以使用無刷直流 （BLDC） 電機（伺服電機）和模擬輸入控制器。

所有這些交流感應電機仍在使用中，有時仍在設計中，因為它們便宜且有效。但它們的效率非常低。這種電機類型有幾個品種。有分相和電容啟動，以及永久分離電容（PSC）的變化。它們是類似的單速設備，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）。

層次結構中的下一個是電子換向電機 （ECM），它基本上是內置交流到直流轉換的無刷直流電機。這些成本將增加60%，體積縮小30%，重量減輕30%，效率為70%至85%。舊的感應電機可以設計為在單個速度/負載下以不錯的效率運行，而ECM電機在寬速度和扭矩范圍內保持高效率。

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

列表中的最后一個是開頭提到的永磁同步電機。它可以在很寬的速度范圍內達到 95% 的效率，并且比 ECM 類型還有 30% 的價格上漲。令人擔憂的是，電機的磁性材料，包括高磁導率鋼、釹鐵硼和鈷鐵合金，在某些時候可能會受到商品價格和/或可用性壓力的影響。

永磁同步電機可以在零速下產(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（相當復雜的）磁場定向控制方案可在非常寬的速度/負載范圍內擴展平滑度和效率。重要的是要了解，由于材料和設計的變化，各種PMSM電機可能會有顯著的性能差異。你不能把所有這些混為一談。

帶或不帶轉子位置傳感器的PMSM控制系統(tǒng)可能非常復雜。更簡單的梯形控制通常與電機內置的三個霍爾傳感器一起工作。它可能受到轉矩脈動的影響，可能不適合低速運行。

OSTI.gov（美國能源部，科學和技術信息辦公室）的研究報告提供了一些很好的硬數(shù)據(jù)。根據(jù)該報告，罩極感應電機是成本最低的電機，效率約為25%。您可以在展示柜、步入式冷卻器和其他商業(yè)制冷用途等應用中找到它們。

他們的數(shù)據(jù)顯示，最先進的ECM電機的效率約為66%。這些高價 ECM 電機在商用制冷風扇應用中的使用始于 10 到 15 年前。PSC 電機介于罩極和 ECM 電機價格和效率之間。PSC 電機的效率通常約為 29%。

根據(jù)這項研究，在電網(wǎng)供電的交流電上運行的PMSM交流電機的效率為75%，并有可能顯著降低商用制冷設備中蒸發(fā)器風扇電機的能耗。該研究還強調了永磁同步電機更好的功率因數(shù)。報告中的表1提供了蒸發(fā)器風扇電機效率的摘要。圖2A和2B也來自該報告，提供了電機效率的圖形表示。

表 1.測得的蒸發(fā)器風扇電機效率和功率因數(shù)摘要。由橡樹嶺國家實驗室提供。

圖 2B.38–50W ECM 和 PMSM 電機的風扇電機效率和功率因數(shù)。圖片由橡樹嶺國家實驗室提供。

該研究包括對一家商店的蒸發(fā)器風扇電機（其中 262 臺）進行全面改造，其中風扇功率使用量減少了 52%，功率因數(shù)大大提高。

另外兩種不太常見的電機類型

開關磁阻電機提供出色的啟動扭矩和高可靠性、良好的效率和非常簡單的結構。它們可以無限期地在失速時運行而不會過熱 - 這一功能使他們迷戀核電和安全人群。扭矩產(chǎn)生不受電機轉速的影響。然而，總的來說，由于扭矩脈動過大的問題，它們的采用率很低，這給消費者應用貼上了不可接受的標簽。

然后還有最后一種高效電機類型：軸向磁通電機。其設計將永磁體放置在定子兩側的兩個轉子的表面上。磁通回路從轉子上的磁鐵開始，通過氣隙到達定子，然后通過第一個定子齒和另一個轉子上的第二個磁鐵。與徑向磁通電機不同，磁通路徑是一維的，允許使用晶粒取向的磁鋼來提高效率。據(jù)說效率比PMSM高10%。短的煎餅形電機被設想用于高功率負載，特別是電動汽車，并且正在由許多制造商進行原型設計。

功率晶體管和柵極驅動器IC

與PMSM一起使用的高頻開關增加了功率密度，從而減小了電機尺寸。電流紋波也降低了，這意味著用于濾波的無源元件更小、更便宜。高頻操作還減少了可能導致電機振動和過早磨損的轉矩脈動。

氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等寬帶隙 （WBG） 半導體由于輸出電容較低，可以在較高頻率下高效運行。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。更高的移動性使設備能夠處理兩倍的電流密度（A/cm）2）的硅。WBG半導體可以在更高的溫度下安全運行 - 高達300°C左右。 SiC的導熱系數(shù)為4，而硅的導熱系數(shù)為1.5，已成為驅動PMSM電機的首選功率半導體。隱蔽和集成的SiC FET橋模塊值得考慮。

驅動這些出色的 FET 變得非常容易。例如，Maxim MAX22701E隔離式柵極驅動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。它設計用于驅動各種逆變器或電機控制應用中的 SiC 或 GaN 晶體管。

圖4.MAX22701E柵極驅動器IC的功能框圖

MAX22700和MAX22702具有最大R 德森低邊驅動器為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。

仔細看看電機的格局

仔細看看汽車景觀，你會發(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比舊設計的效率高 60%，這幾乎沒有任何意義。他們實際上是將他們非常標準的 ECM 或 PMSM 電機與古老的感應分相電機進行比較，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