更高效电机驱动的基本挑战和解决方案
摘要：本文针对汽车和电机行业介绍能够减缓CO2增长速度的挑战和有效解决方案。
根据 OICA(世界汽车工业国际协会)，人类活动导致气候变化可能是21世纪人类社会面临的最大挑战，而CO2是一个主要副产物。CO2并不是影响气候变化的唯一因素，但它允许社会各界和各行各业做些积极的事情来控制CO2对气候变化的影响。世界资源研究所关于全球资源CO2排放量的数据表明 16%来自机动车辆、44%来自发电和加热、40%电力由工业和消费电子电机消耗[1]。本文针对汽车和电机行业介绍能够减缓CO2增长速度的挑战和有效解决方案。
汽车： 车辆电气化
减少石油燃料和能耗的更高效汽车能够减少CO2排放量。每年都投入几十亿美元研发经费，研究替代燃料来源以及如何改进传统的内燃机。长期挑战包括生产周期的长时间(也就是5-7年)概念，支持新架构、可持续发展、容易获得，且价格可行的替代燃料来源。使用新燃料并不重要，因为车辆设计需要满足预定的质量和性能标准。近期挑战包括减少动力系统的重量和尺寸并实现车辆电气化。车辆电气化是将机械系统替代为电气系统，以及电动和混合动力驱动电机。实例包括选择较小电机，辅以电动增压器、电动助力转向、电动水泵、电驱动空调和电气推动系统。解决这些挑战有助于减少燃料和能源消耗，从而帮助生产CO2排放量更少的车辆。
工业和消费电子： 感应电机到变频电机(ECM、无刷式)
能够减少电力消耗的更高效电机有助于减少CO2排放量。人们在不断研究更节能的气冷和水冷系统。挑战包括长寿命设计(8-15 年无故障寿命)、重点关注可再生、替代能源的研发投资、以及能够最大程度地提高各种电机效率的复杂控制和变频驱动。面临的挑战和机遇是寻找合适的应用，继续使用目前占全球已安装电机 90% 的可靠感应电机，并使用更高效电机(包括风扇和泵)，来循环和冷却空气/水。风扇趋势包括电子整流电机 (ECM) 或无刷直流 (BLDC) 电机，以及专业开关磁阻 (SR) 电机。对变频电机不断增长的需求可以节省电机消耗电力的约 30%，或者节省全球所消耗电力的 12%。更高效电机有助于降低 CO2排放的增长率。
最终影响趋势的解决方案和平衡
电力系统设计人员必须克服很多挑战才能生产出耐用、可靠、高效的电机驱动。在汽车和工业/消费电子应用中，环境和应用条件都很严峻，并且总拥有成本必须经过严格控制。例如，汽车机架式电动助力转向系统可能遇到超过100℃的环境温度，以及高冲击和振动负载，并且会接触石油产品和盐水喷雾，同时要求提供150A或更高的电机相电流，而损耗最小。家用电器、工业电机和泵都是针对放置于几乎没有强制气流外壳中的设计和电路。高效电机将不同的电机技术、复杂的控制、热机械创造性设计、新封装和新硅技术融合到功率半导体中。若电源结构和工作条件(包括电源电压、转速、负载转矩和温度)已定义好，则效率决定因素包括电机技术类型、不同脉宽调制(PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模块之间的选择。
解决方案1：恢复和改进的电机技术
虽然满载效率评级较高，但是大部分电机不是以满载条件运转。哪种电机技术最好? 看情况而定。大多数ACIM在75%至90%的额定负载下以最高效率运行。ACIM的转子和定子损耗主要是由铜或铝电阻产生，而其磁芯损耗是由铁转子和定子中的涡电流和滞后效应导致的。对于通常以峰值几分之一的负载使用电机的应用而言，通过优化预期负载范围内的效率，每年节省下来的能量相当于节省电机/控制采购价格的 50%。美国能源部(DOE)预计44%的工业电机(记得90% 已安装电机为感应电机)始终以低于其额定负载的40%运行。平均来说，交流感应电机(ACIM)仅提供 44%的效率，而BLDC电机通常以65% 至90%的效率运行。 作为电动汽车牵引电机，图1比较了ACIM和BLDC的电机效率(实际上，此处为室内永磁交流电机)。 由于BLDC电机的永磁转子结构，BLDC电机不会产生转子铜损。BLDC电机还具有更高效变速运行的优势，而在类似负载条件下传统ACIM仅提供15%-40%的效率。新电机技术和驱动电机的更复杂控制能够进一步最大化交流感应电机(ACIM)、正弦电机(即永磁交流和永磁同步电机)和ECM或无刷直流(BLDC)电机的效率。
解决方案2：通过PWM提高效率的方法
理想的电机功率波形可以显著提高效率。有很多种PWM方法，每种都有利有弊(表1)。连续PWM (CPWM)比如正弦PWM和空间矢量PWM(SVPWM)是指电源电压波形输送到电机三相前的调制。非连续PWM(DPWM)是指基于空间矢量 PWM的两相调制，因为电机只有两相进行PWM，而第三相配合始终“导通”的高侧或低侧晶体管运行。DPWM产生较低的开关损耗，但会产生施加到电机的较高输出纹波电压。本文没有提到DPWM变化和各种控制方法比如磁场定向控制(FOC)、变频驱动(VFD)和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可视为三次谐波注入技术。通常来说，开关损耗和电源电压波形质量比较表明较低调制下的SVPWM和高调制范围内的DPWM方法具有优越的性能。综合恰当的功率半导体器件和恰当的PWM控制方法，从而产生恰当的电源电压波形，有助于高效推动一种电机技术[2]。
