電子行業(yè)將為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制組件提供新動(dòng)力

鏑，釹，釤和鋱等稀土元素是高效永磁電機(jī)（PMM）中使用的磁鐵的關(guān)鍵成分。這些電機(jī)提供的效率，出色的扭矩特性和緊湊的外形使其在空調(diào)壓縮機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)扇，泵和電動(dòng)汽車（EV）等應(yīng)用中越來越受歡迎。然而，在經(jīng)歷了幾次供應(yīng)中斷以及未來可能出現(xiàn)更嚴(yán)重的供應(yīng)中斷之后，許多電氣設(shè)備和電動(dòng)汽車制造商都在爭(zhēng)先恐后地尋找不依賴于可用性有限的材料的替代電機(jī)技術(shù)，無(wú)論是實(shí)際稀缺還是政治問題。他們被開采的國(guó)家。1這對(duì)電子行業(yè)來說既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，電子行業(yè)將提供驅(qū)動(dòng)和控制組件，為這些新電機(jī)提供動(dòng)力（圖1和圖2）。

圖1：特斯拉Roadster是新一代先進(jìn)交流感應(yīng)電機(jī)的早期采用者，可替代永磁電機(jī)，在其結(jié)構(gòu)中使用稀土材料。這款115磅，300馬力的馬達(dá)略微超過四分之一桶啤酒，可以將跑車從0加速到60英里/小時(shí)，眼球平坦度為3.9秒。

圖2：通用汽車將使用一臺(tái)85千瓦（115馬力）的先進(jìn)永磁電機(jī)為他們的Spark微型車的電動(dòng)版本供電，計(jì)劃于2014年在美國(guó)進(jìn)行試生產(chǎn)。如果稀土短缺仍在繼續(xù)，通用汽車可能會(huì)隨著生產(chǎn)率的提高，需要為其強(qiáng)大的磁鐵（或替代電機(jī)技術(shù)）尋求新的磁性材料。 （由通用汽車公司提供。）

稀土替代品

IDTechEx2最近的一份報(bào)告引用了三種被制造商認(rèn)為最有希望用于制造減少或消除稀土磁體的高效電機(jī)的方法：

開關(guān)磁阻電機(jī)（SRMs） - 開關(guān)磁阻電機(jī)（圖3）使用類似于無(wú)刷直流電機(jī)的定子，但其轉(zhuǎn)子由鐵層壓板組成。它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，并且能夠在濫用中存活，這使它們?cè)谠S多工業(yè)和其他非車輛應(yīng)用中很受歡迎。雖然它們?cè)诘退贂r(shí)效率不如同等PMM，但它們?cè)谳^高速度（20至50，000 rpm）下享有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儾恍枰狿MM需要對(duì)抗轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢(shì)的“弱磁通”電流注入隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。

圖3：開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的分解圖說明了其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。

除了不受過電流或其他沖擊的磁化影響之外，SRM優(yōu)雅地失效，并且在失去繞組的一個(gè)或多個(gè)相位或驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備之后可以跛行。但SRM仍然在努力克服它們傾向于產(chǎn)生的高水平扭矩波動(dòng)，因?yàn)殡姍C(jī)的框架被定子中的巨大電磁鐵彎曲。 SRM還在某些操作條件下產(chǎn)生令人不快的“咆哮”，另一個(gè)問題使它們無(wú)法被更廣泛地采用和標(biāo)準(zhǔn)化。

異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（ACIM） - 最初由Nicola Tesla開發(fā)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)（圖4），堅(jiān)固且表征良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其成為許多大型工業(yè)應(yīng)用和HVAC系統(tǒng)的首選工具大型電動(dòng)機(jī)可以接近PMM。

圖4：AC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的元件。

雖然ACIM往往比同等PMM更大，性能更低，但它們?cè)谀承╇妱?dòng)車中使用，因?yàn)樗鼈儓?jiān)固耐用，價(jià)格低廉，而且像SRM一樣，沒有磁鐵，如果它們過熱就不會(huì)消磁。最近在電機(jī)架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電子設(shè)備方面的改進(jìn)縮小了性能差距，并且在某些情況下消除了它。 IDTechEx報(bào)告稱，自2011年以來，高達(dá)50％的新車型設(shè)計(jì)使用ACIM，其中包括特斯拉汽車，其法拉利性能級(jí)跑車使用115磅，300馬力的交流感應(yīng)電機(jī)，可提供高達(dá)295磅 - 英尺的速度。 。扭矩

具有重整磁體的同步電動(dòng)機(jī) - 直到最近，稀土磁體的唯一替代品是鐵氧體和鋁鎳鈷材料，其磁通密度要低得多，但有幾種方法可以開發(fā)具有更高磁通密度的其他配方。美國(guó)能源部最近資助了幾項(xiàng)計(jì)劃，以研究用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其他非稀土磁體的開發(fā)（每體積稀土磁體的最大市場(chǎng)之一）。

日本新能源和工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）也有一個(gè)類似的計(jì)劃，用于開發(fā)替代電機(jī)材料和技術(shù)，支持工業(yè)努力，如日立工業(yè)于2008年推出的企業(yè)范圍內(nèi)的計(jì)劃，以消除其永磁電機(jī)中的稀土。日立計(jì)劃的一些初步成果已經(jīng)以11千瓦PMSM牽引電機(jī)的形式進(jìn)入市場(chǎng)，該電機(jī)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和損耗最小化等技術(shù)，使用鐵基非晶金屬芯實(shí)現(xiàn)90％以上的效率。然而，在設(shè)計(jì)人員廣泛使用高性能無(wú)稀土PMM/PMSM之前，將需要幾年（或更長(zhǎng)時(shí)間）。

技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

每個(gè)替代電機(jī)都有若干技術(shù)挑戰(zhàn)，必須克服這些挑戰(zhàn)，以提高電動(dòng)汽車，工業(yè)和商業(yè)設(shè)備以及風(fēng)力渦輪機(jī)和其他發(fā)電系統(tǒng)的成本和性能。通過先進(jìn)的電機(jī)架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)它們的電子設(shè)備的改進(jìn)的某些組合，可以克服大多數(shù)這些問題。電機(jī)制造商已經(jīng)與飛思卡爾，英飛凌，意法半導(dǎo)體和德州儀器等IC制造商合作開發(fā)解決方案，以應(yīng)對(duì)這些新電機(jī)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。

除了SRM之外，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的基本架構(gòu)幾乎與用作虛擬標(biāo)準(zhǔn)的六晶體管逆變器（電橋）相同 - 盡管用于驅(qū)動(dòng)電橋的控制技術(shù)隨每個(gè)電機(jī)而變化。對(duì)于低功率驅(qū)動(dòng)器（《2 hp），通常使用功率FET。對(duì)于高達(dá)數(shù)千馬力的更高應(yīng)用，使用IGBT或IGBT模塊。晶閘管仍常用于需要更大功率的應(yīng)用中。

高效開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）需要?jiǎng)?chuàng)新的機(jī)械設(shè)計(jì)，以保持轉(zhuǎn)子和定子之間的保護(hù)氣隙盡可能薄，而不允許它們接觸，因?yàn)殡姍C(jī)的框架尺寸因高扭矩而變化。當(dāng)簡(jiǎn)單的電機(jī)控制器用于激勵(lì)電機(jī)的巨大定子線圈產(chǎn)生的尖銳機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致其框架彎曲時(shí)，電子元件將在減少SRM中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)方面發(fā)揮重要作用。開發(fā)人員現(xiàn)在正在使用許多先進(jìn)數(shù)字電機(jī)控制器中的強(qiáng)大DSP和32位微控制器，如德州儀器的Stellaris MCU和TMS570 Hercules自動(dòng)級(jí)安全MCU，以塑造驅(qū)動(dòng)波形，以幫助平滑非線性機(jī)械響應(yīng)。幀。這些微控制器還可以通過運(yùn)行向驅(qū)動(dòng)波形添加諧波的算法來馴服SRM令人不快的“咆哮”，從而使電機(jī)的聲發(fā)射更柔和，對(duì)人耳不那么不愉快。 TI提供用于Stellaris和Hercules MCU的電機(jī)控制開發(fā)套件（圖5）。

圖5：該開發(fā)套件基于德州儀器的TMS570 Hercules自動(dòng)級(jí)安全MCU，可開發(fā)支持高級(jí)算法的電機(jī)控制系統(tǒng)。這提高了電氣設(shè)備和電動(dòng)汽車的效率和性能。 （德州儀器公司提供。）

感應(yīng)電機(jī)（ACIM）的最大挑戰(zhàn)可能是實(shí)現(xiàn)與PMM相當(dāng)?shù)墓β拭芏群托?。其中一種更有前景的電機(jī)架構(gòu)采用轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，通過使用銅條作為轉(zhuǎn)子導(dǎo)體來提高效率。其他改進(jìn)可以通過在怠速時(shí)降低轉(zhuǎn)子磁通量來顯著提高ACIM效率，但也可能導(dǎo)致扭矩響應(yīng)（高達(dá)半秒）的不可接受的延遲，這可能損害車輛快速加速的能力。

另一種用于提高牽引應(yīng)用效率的技術(shù)是用可變直流母線電壓驅(qū)動(dòng)逆變器。這允許總線電壓超過電池電壓，從而在必須使用弱磁之前實(shí)現(xiàn)更高速度的操作。該技術(shù)還允許在電動(dòng)機(jī)減速時(shí)降低總線電壓以減輕晶體管開關(guān)損耗。所有這些方法都可以作為磁場(chǎng)定向控制（FOC）系統(tǒng)的一部分來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠比使用開環(huán)標(biāo)量控制或滑動(dòng)控制的早期低成本ACIM驅(qū)動(dòng)器更精確地放置驅(qū)動(dòng)波形。 FOC正在迅速采用，因?yàn)楫?dāng)今MCU的高集成度有助于將這些拓?fù)渲g的成本差異降至接近零。