對于負責制造高效電機驅(qū)動系統(tǒng)的工程師來說，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時間和金錢，你就可以做出一個非常高效的電機/驅(qū)動器組合。

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

說到可用性，有很多很多的電機制造商。數(shù)百個。并且有幾種電機類型可供選擇。請注意，在這個主題上存在比正常更大的夸張批次。這很可能是因為它是一個非常大的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。根據(jù)Grand View Research 的一份報告，到 2025 年，全球電動機銷售額預計將達到 2145 億美元，預測期內(nèi)的復合年增長率為 7.9%。這包括用于加熱、通風和冷卻 (HVAC) 設(shè)備、車輛、家用電器和工業(yè)機械等各種應(yīng)用的電動機。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，請轉(zhuǎn)到另一個汽車品牌。

三種主要電機類型

25 年前用電機設(shè)計產(chǎn)品是一個非常簡單的命題。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 (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(yīng)電機仍在使用中，有時仍在設(shè)計中，因為它們價格便宜且工作正常。但它們的效率非常低。這種電機類型有幾個品種。有分相和電容器啟動，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（也有點貴），效率為 35% 到 45%。

層次結(jié)構(gòu)中的下一個是電子換向電機 (ECM)，它基本上是內(nèi)置交流到直流轉(zhuǎn)換的無刷直流電機。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)電機可能設(shè)計為在單一速度/負載下以相當高的效率運行，而 ECM 電機在較寬的速度和扭矩范圍內(nèi)保持高效率。

ECM 電機提供軟啟動，可降低常見的“叮當”啟動噪音，并且電機噪音通常會大大降低。例如，用 ECM 替代熔爐 PSC 電機，除了大大提高效率外，還為房主提供了降低噪音的好處。

列表中的最后一個是開頭提到的 PMSM 電機。它可以在較寬的速度范圍內(nèi)達到 95% 的效率，并且比 ECM 類型的價格再增加 30%。一種擔憂是，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。

PMSM 電機可以在零速下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，提供平穩(wěn)的低速和高速性能，具有低可聽噪聲，并且具有低電磁干擾 (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(nèi)擴展平滑度和效率。重要的是要了解，由于材料和設(shè)計的變化，各種 PMSM 電機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)可能非常復雜。更簡單的梯形控制通常與電機內(nèi)置的三個霍爾傳感器配合使用。它可能受轉(zhuǎn)矩脈動的影響，可能不適合低速運行。

研究提供了一些實數(shù)

來自O(shè)STI.gov（美國能源部科學和技術(shù)信息辦公室）的研究報告提供了一些好的、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”的報告（由 Brian A. Fricke 和 Bryan R. Becker 撰寫）非常針對特定應(yīng)用——它是關(guān)于制冷蒸發(fā)器風扇電機的。它具有從測功機和現(xiàn)場測試中獲得的三種電機的一些出色的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)該報告，罩極感應(yīng)電機是成本最低的電機，其效率約為 25%。您會在展示柜、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，最先進的 ECM 電機的效率約為 66%。10 到 15 年前，這些高價 ECM 電機正式開始用于商業(yè)制冷風扇應(yīng)用。PSC 電機的價格和效率介于罩極電機和 ECM 電機之間。PSC 電機的效率通常約為 29%。

根據(jù)這項研究，由電網(wǎng)供電的交流電運行的 PMSM 交流電機的效率為 75%，并且有可能顯著降低商用制冷設(shè)備中蒸發(fā)器風扇電機的能耗。該研究還強調(diào)了 PMSM 電機的功率因數(shù)要好得多。報告中的表 1 提供了蒸發(fā)器風扇電機效率的總結(jié)。報告中的圖 2A 和 2B 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)匯總。由橡樹嶺國家實驗室提供。

圖 2A。38–50W 罩極電機和 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。

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 個）進行全面改造，其中風扇用電量減少了 52%，功率因數(shù)大大提高。

其他兩種不太常見的電機類型

開關(guān)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(jié)構(gòu)。它們可以無限期地停轉(zhuǎn)而不會過熱——這一特性使它們深受核能和安全人群的喜愛。扭矩產(chǎn)生不受電機速度的影響。然而，總的來說，由于扭矩波動過大的問題，它們的采用率很低，這些問題已將它們標記為消費者應(yīng)用程序不可接受的問題。

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

功率晶體管和柵極驅(qū)動器 IC

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

由于輸出電容較低，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙 (WBG) 半導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 半導體可以在更高的溫度下安全運行——高達 300°C 左右。SiC 的熱導率為 4，而硅的熱導率為 1.5，已成為驅(qū)動 PMSM 電機的首選功率半導體。離散和集成的 SiC FET 橋模塊值得考慮。

驅(qū)動這些出色的 FET 變得非常容易。例如，MaximMAX22701E隔離式柵極驅(qū)動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)動各種逆變器或電機控制應(yīng)用中的 SiC 或 GaN 晶體管。

圖 3. MAX22701E 柵極驅(qū)動器 IC 的功能圖。

MAX22700和MAX22702的低邊驅(qū)動器的最大 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。

仔細觀察汽車市場

仔細看看汽車的風景，你會發(fā)現(xiàn)它充滿了閃閃發(fā)光的概括性和簡單的不真實。例如，許多人吹捧他們的神奇電機比舊設(shè)計的效率高 60%——這幾乎沒有任何意義。他們確實將他們非常標準的 ECM 或 PMSM 電機與古老的感應(yīng)分相電機進行比較，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