更高效電機(jī)驅(qū)動的基本挑戰(zhàn)和解決方案

摘要：本文針對汽車和電機(jī)行業(yè)介紹能夠減緩CO₂增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

　　根據(jù) OICA(世界汽車工業(yè)國際協(xié)會)，人類活動導(dǎo)致氣候變化可能是21世紀(jì)人類社會面臨的最大挑戰(zhàn)，而CO2是一個主要副產(chǎn)物。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會各界和各行各業(yè)做些積極的事情來控制CO2對氣候變化的影響。世界資源研究所關(guān)于全球資源CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16%來自機(jī)動車輛、44%來自發(fā)電和加熱、40%電力由工業(yè)和消費(fèi)電子電機(jī)消耗[1]。本文針對汽車和電機(jī)行業(yè)介紹能夠減緩CO2增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

汽車： 車輛電氣化

　　減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，研究替代燃料來源以及如何改進(jìn)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。長期挑戰(zhàn)包括生產(chǎn)周期的長時間(也就是5-7年)概念，支持新架構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價格可行的替代燃料來源。使用新燃料并不重要，因?yàn)檐囕v設(shè)計(jì)需要滿足預(yù)定的質(zhì)量和性能標(biāo)準(zhǔn)。近期挑戰(zhàn)包括減少動力系統(tǒng)的重量和尺寸并實(shí)現(xiàn)車輛電氣化。車輛電氣化是將機(jī)械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動和混合動力驅(qū)動電機(jī)。實(shí)例包括選擇較小電機(jī)，輔以電動增壓器、電動助力轉(zhuǎn)向、電動水泵、電驅(qū)動空調(diào)和電氣推動系統(tǒng)。解決這些挑戰(zhàn)有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產(chǎn)CO2排放量更少的車輛。

工業(yè)和消費(fèi)電子： 感應(yīng)電機(jī)到變頻電機(jī)(ECM、無刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機(jī)有助于減少CO2排放量。人們在不斷研究更節(jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長壽命設(shè)計(jì)(8-15 年無故障壽命)、重點(diǎn)關(guān)注可再生、替代能源的研發(fā)投資、以及能夠最大程度地提高各種電機(jī)效率的復(fù)雜控制和變頻驅(qū)動。面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇是尋找合適的應(yīng)用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機(jī) 90% 的可靠感應(yīng)電機(jī)，并使用更高效電機(jī)(包括風(fēng)扇和泵)，來循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢包括電子整流電機(jī) (ECM) 或無刷直流 (BLDC) 電機(jī)，以及專業(yè)開關(guān)磁阻 (SR) 電機(jī)。對變頻電機(jī)不斷增長的需求可以節(jié)省電機(jī)消耗電力的約 30%，或者節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機(jī)有助于降低 CO₂排放的增長率。

最終影響趨勢的解決方案和平衡

　　電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服很多挑戰(zhàn)才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機(jī)驅(qū)動。在汽車和工業(yè)/消費(fèi)電子應(yīng)用中，環(huán)境和應(yīng)用條件都很嚴(yán)峻，并且總擁有成本必須經(jīng)過嚴(yán)格控制。例如，汽車機(jī)架式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能遇到超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動負(fù)載，并且會接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時要求提供150A或更高的電機(jī)相電流，而損耗最小。家用電器、工業(yè)電機(jī)和泵都是針對放置于幾乎沒有強(qiáng)制氣流外殼中的設(shè)計(jì)和電路。高效電機(jī)將不同的電機(jī)技術(shù)、復(fù)雜的控制、熱機(jī)械創(chuàng)造性設(shè)計(jì)、新封裝和新硅技術(shù)融合到功率半導(dǎo)體中。若電源結(jié)構(gòu)和工作條件(包括電源電壓、轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和溫度)已定義好，則效率決定因素包括電機(jī)技術(shù)類型、不同脈寬調(diào)制(PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

解決方案1：恢復(fù)和改進(jìn)的電機(jī)技術(shù)

　　雖然滿載效率評級較高，但是大部分電機(jī)不是以滿載條件運(yùn)轉(zhuǎn)。哪種電機(jī)技術(shù)最好? 看情況而定。大多數(shù)ACIM在75%至90%的額定負(fù)載下以最高效率運(yùn)行。ACIM的轉(zhuǎn)子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產(chǎn)生，而其磁芯損耗是由鐵轉(zhuǎn)子和定子中的渦電流和滯后效應(yīng)導(dǎo)致的。對于通常以峰值幾分之一的負(fù)載使用電機(jī)的應(yīng)用而言，通過優(yōu)化預(yù)期負(fù)載范圍內(nèi)的效率，每年節(jié)省下來的能量相當(dāng)于節(jié)省電機(jī)/控制采購價格的 50%。美國能源部(DOE)預(yù)計(jì)44%的工業(yè)電機(jī)(記得90% 已安裝電機(jī)為感應(yīng)電機(jī))始終以低于其額定負(fù)載的40%運(yùn)行。平均來說，交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM)僅提供 44%的效率，而BLDC電機(jī)通常以65% 至90%的效率運(yùn)行。 作為電動汽車牽引電機(jī)，圖1比較了ACIM和BLDC的電機(jī)效率(實(shí)際上，此處為室內(nèi)永磁交流電機(jī))。 由于BLDC電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，BLDC電機(jī)不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅損。BLDC電機(jī)還具有更高效變速運(yùn)行的優(yōu)勢，而在類似負(fù)載條件下傳統(tǒng)ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機(jī)技術(shù)和驅(qū)動電機(jī)的更復(fù)雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM)、正弦電機(jī)(即永磁交流和永磁同步電機(jī))和ECM或無刷直流(BLDC)電機(jī)的效率。

解決方案2：通過PWM提高效率的方法

　　理想的電機(jī)功率波形可以顯著提高效率。有很多種PWM方法，每種都有利有弊(表1)。連續(xù)PWM (CPWM)比如正弦PWM和空間矢量PWM(SVPWM)是指電源電壓波形輸送到電機(jī)三相前的調(diào)制。非連續(xù)PWM(DPWM)是指基于空間矢量 PWM的兩相調(diào)制，因?yàn)殡姍C(jī)只有兩相進(jìn)行PWM，而第三相配合始終“導(dǎo)通”的高側(cè)或低側(cè)晶體管運(yùn)行。DPWM產(chǎn)生較低的開關(guān)損耗，但會產(chǎn)生施加到電機(jī)的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場定向控制(FOC)、變頻驅(qū)動(VFD)和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可視為三次諧波注入技術(shù)。通常來說，開關(guān)損耗和電源電壓波形質(zhì)量比較表明較低調(diào)制下的SVPWM和高調(diào)制范圍內(nèi)的DPWM方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當(dāng)?shù)墓β拾雽?dǎo)體器件和恰當(dāng)?shù)腜WM控制方法，從而產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)碾娫措妷翰ㄐ危兄诟咝苿右环N電機(jī)技術(shù)^[2]。