实现高效交流电机驱动系统设计的技巧

对于负责制造高效电机驱动系统的工程师来说，有一些坏消息和一些好消息。不好的是，你有很多选择，好是完全一样的，加上知道如果你投入一点时间和金钱，你就可以做出一个非常高效的电机/驱动器组合。

永磁同步交流电机 (PMSM) 是全城的热门话题，主要是因为电动汽车 (EV) 大部分时间都在使用这种电机，而且它们运行良好。这些相同类型电机的低功率版本变得越来越便宜并且越来越容易获得。

说到可用性，有很多很多的电机制造商。数百个。并且有几种电机类型可供选择。请注意，在这个主题上存在比正常更大的夸张批次。这很可能是因为它是一个非常大的业务领域。根据Grand View Research 的一份报告，到 2025 年，全球电动机销售额预计将达到 2145 亿美元，预测期内的复合年增长率为 7.9% 。这包括用于加热、通风和冷却 (HVAC) 设备、车辆、家用电器和工业机械等各种应用的电动机。您可以找到大多数您想要的规格。他们到处都是。因此，您必须勤奋，检查确切的数字，如果找不到，请转到另一个汽车品牌。

三种主要电机类型

25 年前用电机设计产品是一个非常简单的命题。通常，您为 1/10HP 到 100HP 的任何设备选择单相交流感应电机 (ACIM)。如果您需要控制速度，您可以使用无刷直流 (BLDC) 电机（伺服电机）和模拟输入控制器。

所有这些交流感应电机仍在使用中，有时仍在设计中，因为它们价格便宜且工作正常。但它们的效率非常低。这种电机类型有几个品种。有分相和电容器启动，以及永久分相电容器 (PSC) 的变化。它们是类似的单速设备，效率约为 20% 到 30%。PSC 类型要好一些（也有点贵），效率为 35% 到 45%。

层次结构中的下一个是电子换向电机 (ECM)，它基本上是内置交流到直流转换的无刷直流电机。它们的成本将增加 60%，体积小 30%，重量轻 30%，效率为 70% 到 85%。旧的感应电机可能设计为在单一速度/负载下以相当高的效率运行，而 ECM 电机在较宽的速度和扭矩范围内保持高效率。

ECM 电机提供软启动，可降低常见的“叮当”启动噪音，并且电机噪音通常会大大降低。例如，用 ECM 替代熔炉 PSC 电机，除了大大提高效率外，还为房主提供了降低噪音的好处。

列表中的最后一个是开头提到的 PMSM 电机。它可以在较宽的速度范围内达到 95% 的效率，并且比 ECM 类型的价格再增加 30%。一种担忧是，电机的磁性材料，包括高磁导率钢、钕铁硼和钴铁合金，在某些时候可能会受到商品价格和/或可用性压力的影响。

PMSM 电机可以在零速下产生转矩，提供平稳的低速和高速性能，具有低可听噪声，并且具有低电磁干扰 (EMI)。使用（相当复杂的）磁场定向控制方案可在非常宽的速度/负载范围内扩展平滑度和效率。重要的是要了解，由于材料和设计的变化，各种 PMSM 电机可能具有显着的性能差异。你不能把所有这些放在一起。

带有或不带有转子位置传感器的 PMSM 控制系统可能非常复杂。更简单的梯形控制通常与电机内置的三个霍尔传感器配合使用。它可能受转矩脉动的影响，可能不适合低速运行。

研究提供了一些实数

来自OSTI.gov（美国能源部科学和技术信息办公室）的研究报告提供了一些好的、确凿的数据。2019 年 9 月题为“商业制冷用永磁同步电机”的报告（由 Brian A. Fricke 和 Bryan R. Becker 撰写）非常针对特定应用——它是关于制冷蒸发器风扇电机的。它具有从测功机和现场测试中获得的三种电机的一些出色的测量数据。

根据该报告，罩极感应电机是成本最低的电机，其效率约为 25%。您会在展示柜、步入式冷却器和其他商业制冷用途等应用中找到它们。

他们的数据显示，最先进的 ECM 电机的效率约为 66%。10 到 15 年前，这些高价 ECM 电机正式开始用于商业制冷风扇应用。PSC 电机的价格和效率介于罩极电机和 ECM 电机之间。PSC 电机的效率通常约为 29%。

根据这项研究，由电网供电的交流电运行的 PMSM 交流电机的效率为 75%，并且有可能显着降低商用制冷设备中蒸发器风扇电机的能耗。该研究还强调了 PMSM 电机的功率因数要好得多。报告中的表 1 提供了蒸发器风扇电机效率的总结。报告中的图 2A 和 2B 提供了电机效率的图形表示。表 1. 测得的蒸发器风扇电机效率和功率因数汇总。由橡树岭国家实验室提供。

 

图 2A。38–50W 罩极电机和 PMSM 电机的风扇电机效率和功率因数。图片由橡树岭国家实验室提供。

图 2B。38–50W ECM 和 PMSM 电机的风扇电机效率和功率因数。图片由橡树岭国家实验室提供。

该研究包括对一家商店的蒸发器风扇电机（其中 262 个）进行全面改造，其中风扇用电量减少了 52%，功率因数大大提高。

其他两种不太常见的电机类型

开关磁阻电机提供出色的启动扭矩和高可靠性、良好的效率和非常简单的结构。它们可以无限期地停转而不会过热——这一特性使它们深受核能和安全人群的喜爱。扭矩产生不受电机速度的影响。然而，总的来说，由于扭矩波动过大的问题，它们的采用率很低，这些问题已将它们标记为消费者应用程序不可接受的问题。

然后是最后一种高效电机类型：轴向磁通电机。它的设计将永磁体放置在定子两侧的两个转子的表面上。磁通回路从转子上的磁体开始，通过气隙到达定子，然后通过第一个定子齿，到达另一个转子上的第二个磁体。与径向磁通电机不同，磁通路径是一维的，允许使用晶粒取向磁钢以获得更高的效率。据说效率比 PMSM 高 10%。这种短而扁平的电机被设想用于高功率负载，尤其是电动汽车，并且正在由许多制造商进行原型设计。

功率晶体管和栅极驱动器 IC

与 PMSM 一起使用的高频开关增加了功率密度，从而使电机更小。电流纹波也降低了，这意味着用于滤波的无源元件更小、成本更低。高频操作还减少了可能导致电机振动和过早磨损的转矩脉动。

由于输出电容较低，氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙 (WBG) 半导体可以在较高频率下高效工作。它们表现出比硅更高的击穿电压（高于 600V）。它们具有高电子饱和速度，通常称为电子迁移率。更高的迁移率允许器件处理两倍的硅电流密度 (A/cm 2 )。WBG 半导体可以在更高的温度下安全运行——高达 300°C 左右。SiC 的热导率为 4，而硅的热导率为 1.5，已成为驱动 PMSM 电机的首选功率半导体。离散和集成的 SiC FET 桥模块值得考虑。

驱动这些出色的 FET 变得非常容易。例如，Maxim MAX22701E隔离式栅极驱动器是一款单通道器件，具有 300kV/μs（典型值）的超高共模瞬态抗扰度 (CMTI)，可承受 3kV RMS 60 秒。它旨在驱动各种逆变器或电机控制应用中的 SiC 或 GaN 晶体管。

图 3. MAX22701E 栅极驱动器 IC 的功能图。

MAX22700和MAX22702的低边驱动器的最大 R DSON为1.25Ω ；MAX22701 为 2.5Ω。这三款器件均支持 20ns 的最小脉冲宽度和 2ns 的最大脉冲宽度失真。

仔细观察汽车市场

仔细看看汽车的风景，你会发现它充满了闪闪发光的概括性和简单的不真实。例如，许多人吹捧他们的神奇电机比旧设计的效率高 60%——这几乎没有任何意义。他们确实将他们非常标准的 ECM 或 PMSM 电机与古老的感应分相电机进行比较，这是最糟糕的能源用户，他们 25% 的效率中有 60% 是 15，所以我们有 40% 的效率。你可以做得更好。

审核编辑：郭婷