電子行業(yè)將為電機驅(qū)動和控制組件提供新動力

鏑，釹，釤和鋱等稀土元素是高效永磁電機（PMM）中使用的磁鐵的關(guān)鍵成分。這些電機提供的效率，出色的扭矩特性和緊湊的外形使其在空調(diào)壓縮機，鼓風機，風扇，泵和電動汽車（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)更嚴重的供應(yīng)中斷之后，許多電氣設(shè)備和電動汽車制造商都在爭先恐后地尋找不依賴于可用性有限的材料的替代電機技術(shù)，無論是實際稀缺還是政治問題。他們被開采的國家。1這對電子行業(yè)來說既是挑戰(zhàn)也是機遇，電子行業(yè)將提供驅(qū)動和控制組件，為這些新電機提供動力（圖1和圖2）。

圖1：特斯拉Roadster是新一代先進交流感應(yīng)電機的早期采用者，可替代永磁電機，在其結(jié)構(gòu)中使用稀土材料。這款115磅，300馬力的馬達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，眼球平坦度為3.9秒。

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

稀土替代品

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

開關(guān)磁阻電機（SRMs） - 開關(guān)磁阻電機（圖3）使用類似于無刷直流電機的定子，但其轉(zhuǎn)子由鐵層壓板組成。它們結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并且能夠在濫用中存活，這使它們在許多工業(yè)和其他非車輛應(yīng)用中很受歡迎。雖然它們在低速時效率不如同等PMM，但它們在較高速度（20至50，000 rpm）下享有優(yōu)勢，因為它們不需要PMM需要對抗轉(zhuǎn)子反電動勢的“弱磁通”電流注入隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。

圖3：開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子和定子的分解圖說明了其簡單的結(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或多個相位或驅(qū)動電子設(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，因為電機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”，另一個問題使它們無法被更廣泛地采用和標準化。

異步感應(yīng)電動機（ACIM） - 最初由Nicola Tesla開發(fā)，感應(yīng)電動機的簡單結(jié)構(gòu)（圖4），堅固且表征良好的拓撲結(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機可以接近PMM。

圖4：AC感應(yīng)電動機的元件。

雖然ACIM往往比同等PMM更大，性能更低，但它們在某些電動車中使用，因為它們堅固耐用，價格低廉，而且像SRM一樣，沒有磁鐵，如果它們過熱就不會消磁。最近在電機架構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)電子設(shè)備方面的改進縮小了性能差距，并且在某些情況下消除了它。 IDTechEx報告稱，自2011年以來，高達50％的新車型設(shè)計使用ACIM，其中包括特斯拉汽車，其法拉利性能級跑車使用115磅，300馬力的交流感應(yīng)電機，可提供高達295磅 - 英尺的速度。 。扭矩

具有重整磁體的同步電動機 - 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。美國能源部最近資助了幾項計劃，以研究用于風力發(fā)電機的其他非稀土磁體的開發(fā)（每體積稀土磁體的最大市場之一）。

日本新能源和工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）也有一個類似的計劃，用于開發(fā)替代電機材料和技術(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)的計劃，以消除其永磁電機中的稀土。日立計劃的一些初步成果已經(jīng)以11千瓦PMSM牽引電機的形式進入市場，該電機采用結(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現(xiàn)90％以上的效率。然而，在設(shè)計人員廣泛使用高性能無稀土PMM/PMSM之前，將需要幾年（或更長時間）。

技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

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

除了SRM之外，電動機驅(qū)動電子設(shè)備的基本架構(gòu)幾乎與用作虛擬標準的六晶體管逆變器（電橋）相同 - 盡管用于驅(qū)動電橋的控制技術(shù)隨每個電機而變化。對于低功率驅(qū)動器（《2 hp），通常使用功率FET。對于高達數(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（SRM）需要創(chuàng)新的機械設(shè)計，以保持轉(zhuǎn)子和定子之間的保護氣隙盡可能薄，而不允許它們接觸，因為電機的框架尺寸因高扭矩而變化。當簡單的電機控制器用于激勵電機的巨大定子線圈產(chǎn)生的尖銳機械應(yīng)力導致其框架彎曲時，電子元件將在減少SRM中的轉(zhuǎn)矩波動方面發(fā)揮重要作用。開發(fā)人員現(xiàn)在正在使用許多先進數(shù)字電機控制器中的強大DSP和32位微控制器，如德州儀器的Stellaris MCU和TMS570 Hercules自動級安全MCU，以塑造驅(qū)動波形，以幫助平滑非線性機械響應(yīng)。幀。這些微控制器還可以通過運行向驅(qū)動波形添加諧波的算法來馴服SRM令人不快的“咆哮”，從而使電機的聲發(fā)射更柔和，對人耳不那么不愉快。 TI提供用于Stellaris和Hercules MCU的電機控制開發(fā)套件（圖5）。

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

感應(yīng)電機（ACIM）的最大挑戰(zhàn)可能是實現(xiàn)與PMM相當?shù)墓β拭芏群托省Ｆ渲幸环N更有前景的電機架構(gòu)采用轉(zhuǎn)子設(shè)計，通過使用銅條作為轉(zhuǎn)子導體來提高效率。其他改進可以通過在怠速時降低轉(zhuǎn)子磁通量來顯著提高ACIM效率，但也可能導致扭矩響應(yīng)（高達半秒）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現(xiàn)更高速度的操作。該技術(shù)還允許在電動機減速時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定向控制（FOC）系統(tǒng)的一部分來實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠比使用開環(huán)標量控制或滑動控制的早期低成本ACIM驅(qū)動器更精確地放置驅(qū)動波形。 FOC正在迅速采用，因為當今MCU的高集成度有助于將這些拓撲之間的成本差異降至接近零。