超越LED，電動(dòng)機(jī)將拯救地球

LED 照明是環(huán)保主義者的典型代表。他們確實(shí)有道理。據(jù)美國能源部稱，固態(tài)照明是一種高能效技術(shù)，比傳統(tǒng)白熾燈泡節(jié)能 75% 至 90%，使用壽命延長 25 倍。該部門表示，廣泛采用可以減少相當(dāng)于 44 個(gè)大型發(fā)電站的美國年度能源消耗。LED 令人興奮、時(shí)尚，并且可以無縫集成到無線技術(shù)中。購買大量 LED 燈泡的消費(fèi)者對(duì)為環(huán)境盡一份力感到高興。有什么不喜歡的？

也許很少。除此之外，雖然照明消耗了美國發(fā)電量的很大一部分（約五分之一），但它遠(yuǎn)非最大的能源消耗者。這個(gè)稱號(hào)屬于一項(xiàng)不可或缺但乏味的技術(shù)，它不知疲倦地工作在工廠的百葉窗后面，隱藏在白色家電中，潛伏在許多汽車的地板后面，以及數(shù)以百萬計(jì)的其他角落和縫隙中，在看不見和不在的地方公眾的心。然而，如果我們真的要拯救地球，就需要將我們的集體注意力轉(zhuǎn)向最大的電力消耗者——電動(dòng)機(jī)。

確切數(shù)字很難統(tǒng)計(jì)，但美國能源部幾年前的數(shù)據(jù)顯示，電動(dòng)機(jī)約占工業(yè)用電量的三分之二，約占美國總用電量的 50%。這是令人難以置信的每年 2000TWh。照明排在第二位，消耗了大約 19%。有了這么大的數(shù)字，即使電動(dòng)機(jī)效率提高 1% 也將消除對(duì) 200 多個(gè)大型發(fā)電站的需求。

雖然環(huán)保主義者可能忽視了電動(dòng)機(jī)對(duì)總能源消耗的貢獻(xiàn)，但工程師們卻沒有那么遲到。公平地說，技術(shù)人員的動(dòng)機(jī)并非完全無私——他們的客戶不斷需要更小、更輕、更耐用且運(yùn)行成本更低的電機(jī)（在其使用壽命期間，電機(jī)產(chǎn)生的電費(fèi)通常是設(shè)備的 20 倍）購買成本）——但結(jié)果是一樣的——更高的效率導(dǎo)致更低的電力需求。

珩磨電機(jī)設(shè)計(jì)

電機(jī)效率取決于與電機(jī)產(chǎn)生的功率相比提供的功率有多少。例如，如果需要 2W 的電功率來產(chǎn)生 1W 的電機(jī)功率，則該裝置的效率為 50%。差異（損耗）在克服機(jī)械摩擦、電阻和電感損耗等問題時(shí)被消散。通過多次迭代，工程師們通過低摩擦軸承、高磁導(dǎo)率磁鐵和無刷（感應(yīng)）穩(wěn)固因素等創(chuàng)新來完善他們的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代電機(jī)的效率高達(dá) 80% 或 90%。但再提高幾個(gè)百分點(diǎn)會(huì)對(duì)未來的發(fā)電能力產(chǎn)生重大影響。

電子電源也在電機(jī)革命中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)代開關(guān)模式電源裝置產(chǎn)生三相正弦輸入，進(jìn)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在不使用損耗感應(yīng)電刷的情況下拉動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)子。此外，疊加在基本工作頻率上的脈寬調(diào)制 (PWM) 可實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩和滑差等參數(shù)的精確控制。這種對(duì)參數(shù)的精確控制有助于進(jìn)一步限制電損耗。

現(xiàn)在，工程師們正在更進(jìn)一步：

首先，與傳統(tǒng)的大電流設(shè)計(jì)相比，他們更青睞高壓設(shè)計(jì)。這是因?yàn)闃?biāo)稱電機(jī)功率是電源電壓和電流 (V x A) 的乘積。更高的電流推高了功率，但也需要使用更大的線圈，從而增加了電機(jī)成本和尺寸。高壓（10kV 量級(jí)）對(duì)功率具有相同的影響，但不需要昂貴且笨重的銅線圈。

其次，工程師正在加快電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。這主要是因?yàn)樗试S更緊湊的電機(jī)完成與更大、更慢的旋轉(zhuǎn)機(jī)器相同的工作，但它對(duì)效率的影響也很小。例如，增加工作頻率可以限制電流紋波（初始整流電源輸入的偽像和損耗源）和電磁干擾 (EMI)。高頻操作還可以減少可能導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)、增加摩擦和過早磨損的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

WBG Semiconductors 出手相助

挑戰(zhàn)依然存在；用作電機(jī)電源開關(guān)元件的硅 MOSFET 和 IGBT 正在達(dá)到其極限。問題有四個(gè)方面：

這些組件無法承受更高的溫度以及更高的工作條件。

它們相對(duì)較低的擊穿電壓限制了工程師可以將輸入電壓推高的程度。

開關(guān)損耗——每次晶體管從“ON”翻轉(zhuǎn)到“OFF”時(shí)由殘余電阻和電容引起——隨著工作頻率的攀升而增加（抵消其他地方的效率增益）。

由于開關(guān)時(shí)間長，這些器件的最大開關(guān)頻率相對(duì)較低。

救世主以寬帶隙(WBG) 半導(dǎo)體的形式出現(xiàn)。與硅的 1eV 至 1.5eV 相比，氮化鎵 (GaN) 等材料的帶隙為 2eV 至 4eV。帶隙是釋放電子以在半導(dǎo)體中導(dǎo)電所需能量的量度。

由于 GaN 的電子需要更多的能量才能從原子中逸出并有助于導(dǎo)電，因此半導(dǎo)體不太容易因熱量積聚而不是有意施加受控電壓而導(dǎo)致意外開關(guān)。GaN 還表現(xiàn)出比硅更高的擊穿電壓，可以在大約四分之一的時(shí)間內(nèi)切換，并且對(duì)于給定的開關(guān)頻率和電機(jī)電流，開關(guān)損耗約為硅晶體管的 10% 到 30%。最后，由于 GaN 中的電子能夠比硅中的電子更自由地移動(dòng)穿過晶體管的晶格，因此 GaN 器件可以更快地翻轉(zhuǎn)。

商用 GaN 解決方案的價(jià)格正在下降，這使它們成為對(duì)成本敏感的電動(dòng)機(jī)電源的可行選擇——尤其是當(dāng)最終客戶考慮電動(dòng)機(jī)的使用壽命能源成本及其初始購買價(jià)格時(shí)。但這種節(jié)能技術(shù)的部分應(yīng)用將由客戶需求驅(qū)動(dòng)。LED 比傳統(tǒng)照明更昂貴，但考慮到運(yùn)行成本和壽命，它們比其他形式的照明便宜得多。這就是消費(fèi)者采用該技術(shù)的原因?，F(xiàn)在，它需要家電制造商在其洗衣機(jī)和冰箱中銷售基于 GaN 的電動(dòng)機(jī)的相同優(yōu)勢。這樣，消費(fèi)者和環(huán)保主義者都會(huì)真正對(duì)地球的未來環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

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