超越LED，電動機將拯救地球

LED 照明是環(huán)保主義者的典型代表。他們確實有道理。據(jù)美國能源部稱，固態(tài)照明是一種高能效技術，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于 44 個大型發(fā)電站的美國年度能源消耗。LED 令人興奮、時尚，并且可以無縫集成到無線技術中。購買大量 LED 燈泡的消費者對為環(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），但它遠非最大的能源消耗者。這個稱號屬于一項不可或缺但乏味的技術，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——電動機。

確切數(shù)字很難統(tǒng)計，但美國能源部幾年前的數(shù)據(jù)顯示，電動機約占工業(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，即使電動機效率提高 1% 也將消除對 200 多個大型發(fā)電站的需求。

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

珩磨電機設計

電機效率取決于與電機產(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 的電機功率，則該裝置的效率為 50%。差異（損耗）在克服機械摩擦、電阻和電感損耗等問題時被消散。通過多次迭代，工程師們通過低摩擦軸承、高磁導率磁鐵和無刷（感應）穩(wěn)固因素等創(chuàng)新來完善他們的設計?，F(xiàn)代電機的效率高達 80% 或 90%。但再提高幾個百分點會對未來的發(fā)電能力產(chǎn)生重大影響。

電子電源也在電機革命中發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)代開關模式電源裝置產(chǎn)生三相正弦輸入，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在不使用損耗感應電刷的情況下拉動設備的轉(zhuǎn)子。此外，疊加在基本工作頻率上的脈寬調(diào)制 (PWM) 可實現(xiàn)對啟動電流、轉(zhuǎn)矩和滑差等參數(shù)的精確控制。這種對參數(shù)的精確控制有助于進一步限制電損耗。

現(xiàn)在，工程師們正在更進一步：

首先，與傳統(tǒng)的大電流設計相比，他們更青睞高壓設計。這是因為標稱電機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，從而增加了電機成本和尺寸。高壓（10kV 量級）對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的旋轉(zhuǎn)速度。這主要是因為它允許更緊湊的電機完成與更大、更慢的旋轉(zhuǎn)機器相同的工作，但它對效率的影響也很小。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致電機振動、增加摩擦和過早磨損的轉(zhuǎn)矩波動。

WBG Semiconductors 出手相助

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

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。

開關損耗——每次晶體管從“ON”翻轉(zhuǎn)到“OFF”時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）。

由于開關時間長，這些器件的最大開關頻率相對較低。

救世主以寬帶隙(WBG) 半導體的形式出現(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體中導電所需能量的量度。

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電，因此半導體不太容易因熱量積聚而不是有意施加受控電壓而導致意外開關。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間內(nèi)切換，并且對于給定的開關頻率和電機電流，開關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 解決方案的價格正在下降，這使它們成為對成本敏感的電動機電源的可行選擇——尤其是當最終客戶考慮電動機的使用壽命能源成本及其初始購買價格時。但這種節(jié)能技術的部分應用將由客戶需求驅(qū)動。LED 比傳統(tǒng)照明更昂貴，但考慮到運行成本和壽命，它們比其他形式的照明便宜得多。這就是消費者采用該技術的原因。現(xiàn)在，它需要家電制造商在其洗衣機和冰箱中銷售基于 GaN 的電動機的相同優(yōu)勢。這樣，消費者和環(huán)保主義者都會真正對地球的未來環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

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