对于负责制造高效电机驱动系统的工程师来说，有一些坏消息，也有一些好消息。坏处是，你有很多选择可以看，好处是完全相同的，再加上如果你投入一点时间和金钱，你可以做出真正高效的电机/驱动器组合的知识。

永磁同步交流电机（PMSM）是该镇的话题，主要是因为这是电动汽车（EV）大部分时间都在使用的，而且它们运行良好。这些相同类型电机的低功率版本越来越便宜，而且越来越容易获得。

说到可用性，有很多很多电机制造商。数百。并且有几种电机类型可供选择。请注意，在这个问题上，还有比正常情况更大的夸张。这很可能是因为这是一个非常大的商业领域。根据Grand View Research的一份报告，到214年，全球电动机销售额预计将达到5亿美元，在预测期内的复合年增长率为2025.7%。这包括用于加热、通风和冷却 （HVAC） 设备、车辆、家用电器和工业机械等各种应用的电动机。您几乎可以找到所需的任何规格。他们到处都是。因此，您必须勤奋，检查确切的数字，如果找不到它们，请转到另一个电机品牌。

三种主要电机类型

25年前，用电机设计产品是一个非常简单的主张。通常，您为从 1/10HP 到 100HP 的任何内容选择单相交流感应电机 （ACIM）。如果您需要控制速度，您可以使用无刷直流 （BLDC） 电机（伺服电机）和模拟输入控制器。

所有这些交流感应电机仍在使用中，有时仍在设计中，因为它们便宜且有效。但它们的效率非常低。这种电机类型有几个品种。有分相和电容启动，以及永久分离电容（PSC）的变化。它们是类似的单速设备，效率约为 20% 至 30%。PSC 类型在 35% 到 45% 的效率下更好（而且更贵一点）。

层次结构中的下一个是电子换向电机 （ECM），它基本上是内置交流到直流转换的无刷直流电机。这些成本将增加60%，体积缩小30%，重量减轻30%，效率为70%至85%。旧的感应电机可以设计为在单个速度/负载下以不错的效率运行，而ECM电机在宽速度和扭矩范围内保持高效率。

ECM电机提供软启动，可降低常见的“笨拙”启动噪音，并且电机噪音通常大大降低。例如，用ECM替代炉子PSC电机，除了大大提高效率外，还为房主提供了降噪的好处。

列表中的最后一个是开头提到的永磁同步电机。它可以在很宽的速度范围内达到 95% 的效率，并且比 ECM 类型还有 30% 的价格上涨。令人担忧的是，电机的磁性材料，包括高磁导率钢、钕铁硼和钴铁合金，在某些时候可能会受到商品价格和/或可用性压力的影响。

永磁同步电机可以在零速下产生扭矩，提供平稳的低速和高速性能，具有低可闻噪声和低电磁干扰 （EMI）。使用（相当复杂的）磁场定向控制方案可在非常宽的速度/负载范围内扩展平滑度和效率。重要的是要了解，由于材料和设计的变化，各种PMSM电机可能会有显着的性能差异。你不能把所有这些混为一谈。

带或不带转子位置传感器的PMSM控制系统可能非常复杂。更简单的梯形控制通常与电机内置的三个霍尔传感器一起工作。它可能受到转矩脉动的影响，可能不适合低速运行。

OSTI.gov（美国能源部，科学和技术信息办公室）的研究报告提供了一些很好的硬数据。根据该报告，罩极感应电机是成本最低的电机，效率约为25%。您可以在展示柜、步入式冷却器和其他商业制冷用途等应用中找到它们。

他们的数据显示，最先进的ECM电机的效率约为66%。这些高价 ECM 电机在商用制冷风扇应用中的使用始于 10 到 15 年前。PSC 电机介于罩极和 ECM 电机价格和效率之间。PSC 电机的效率通常约为 29%。

根据这项研究，在电网供电的交流电上运行的PMSM交流电机的效率为75%，并有可能显着降低商用制冷设备中蒸发器风扇电机的能耗。该研究还强调了永磁同步电机更好的功率因数。报告中的表1提供了蒸发器风扇电机效率的摘要。图2A和2B也来自该报告，提供了电机效率的图形表示。

表 1.测得的蒸发器风扇电机效率和功率因数摘要。由橡树岭国家实验室提供。

图 2B.38–50W ECM 和 PMSM 电机的风扇电机效率和功率因数。图片由橡树岭国家实验室提供。

该研究包括对一家商店的蒸发器风扇电机（其中 262 台）进行全面改造，其中风扇功率使用量减少了 52%，功率因数大大提高。

另外两种不太常见的电机类型

开关磁阻电机提供出色的启动扭矩和高可靠性、良好的效率和非常简单的结构。它们可以无限期地在失速时运行而不会过热 - 这一功能使他们迷恋核电和安全人群。扭矩产生不受电机转速的影响。然而，总的来说，由于扭矩脉动过大的问题，它们的采用率很低，这给消费者应用贴上了不可接受的标签。

然后还有最后一种高效电机类型：轴向磁通电机。其设计将永磁体放置在定子两侧的两个转子的表面上。磁通回路从转子上的磁铁开始，通过气隙到达定子，然后通过第一个定子齿和另一个转子上的第二个磁铁。与径向磁通电机不同，磁通路径是一维的，允许使用晶粒取向的磁钢来提高效率。据说效率比PMSM高10%。短的煎饼形电机被设想用于高功率负载，特别是电动汽车，并且正在由许多制造商进行原型设计。

功率晶体管和栅极驱动器IC

与PMSM一起使用的高频开关增加了功率密度，从而减小了电机尺寸。电流纹波也降低了，这意味着用于滤波的无源元件更小、更便宜。高频操作还减少了可能导致电机振动和过早磨损的转矩脉动。

氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 等宽带隙 （WBG） 半导体由于输出电容较低，可以在较高频率下高效运行。它们表现出比硅更高的击穿电压（高于600V）。它们具有高电子饱和速度，通常称为电子迁移率。更高的移动性使设备能够处理两倍的电流密度（A/cm）2）的硅。WBG半导体可以在更高的温度下安全运行 - 高达300°C左右。 SiC的导热系数为4，而硅的导热系数为1.5，已成为驱动PMSM电机的首选功率半导体。隐蔽和集成的SiC FET桥模块值得考虑。

驱动这些出色的 FET 变得非常容易。例如，Maxim MAX22701E隔离式栅极驱动器是一款单通道器件，具有300kV/μs （典型值）的超高共模瞬变抗扰度（CMTI），可承受3kV有效值60年代。它设计用于驱动各种逆变器或电机控制应用中的 SiC 或 GaN 晶体管。

图4.MAX22701E栅极驱动器IC的功能框图

MAX22700和MAX22702具有最大R 德森低边驱动器为1.25Ω;MAX22701为2.5Ω。这三款器件均支持20ns的最小脉冲宽度和2ns的最大脉冲宽度失真。

仔细看看电机的格局

仔细看看汽车景观，你会发现它充满了闪闪发光的概括和纯粹的非真相。例如，许多人吹捧他们神奇的电机比旧设计的效率高 60%，这几乎没有任何意义。他们实际上是将他们非常标准的 ECM 或 PMSM 电机与古老的感应分相电机进行比较，这是最糟糕的能源用户，他们 60% 效率中的 25% 是 15，所以我们有 40% 的效率。你可以做得更好。