电子行业将为电机驱动和控制组件提供新动力

镝，钕，钐和铽等稀土元素是高效永磁电机（PMM）中使用的磁铁的关键成分。这些电机提供的效率，出色的扭矩特性和紧凑的外形使其在空调压缩机，鼓风机，风扇，泵和电动汽车（EV）等应用中越来越受欢迎。然而，在经历了几次供应中断以及未来可能出现更严重的供应中断之后，许多电气设备和电动汽车制造商都在争先恐后地寻找不依赖于可用性有限的材料的替代电机技术，无论是实际稀缺还是政治问题。他们被开采的国家。¹这对电子行业来说既是挑战也是机遇，电子行业将提供驱动和控制组件，为这些新电机提供动力（图1和图2）。

图1：特斯拉Roadster是新一代先进交流感应电机的早期采用者，可替代永磁电机，在其结构中使用稀土材料。这款115磅，300马力的马达略微超过四分之一桶啤酒，可以将跑车从0加速到60英里/小时，眼球平坦度为3.9秒。

图2：通用汽车将使用一台85千瓦（115马力）的先进永磁电机为他们的Spark微型车的电动版本供电，计划于2014年在美国进行试生产。如果稀土短缺仍在继续，通用汽车可能会随着生产率的提高，需要为其强大的磁铁（或替代电机技术）寻求新的磁性材料。 （由通用汽车公司提供。）

稀土替代品

IDTechEx²最近的一份报告引用了三种被制造商认为最有希望用于制造减少或消除稀土磁体的高效电机的方法：

开关磁阻电机（SRMs） - 开关磁阻电机（图3）使用类似于无刷直流电机的定子，但其转子由铁层压板组成。它们结构简单，成本低，并且能够在滥用中存活，这使它们在许多工业和其他非车辆应用中很受欢迎。虽然它们在低速时效率不如同等PMM，但它们在较高速度（20至50，000 rpm）下享有优势，因为它们不需要PMM需要对抗转子反电动势的“弱磁通”电流注入随着转速的增加而增加。

图3：开关磁阻电机的转子和定子的分解图说明了其简单的结构。

除了不受过电流或其他冲击的磁化影响之外，SRM优雅地失效，并且在失去绕组的一个或多个相位或驱动电子设备之后可以跛行。但SRM仍然在努力克服它们倾向于产生的高水平扭矩波动，因为电机的框架被定子中的巨大电磁铁弯曲。 SRM还在某些操作条件下产生令人不快的“咆哮”，另一个问题使它们无法被更广泛地采用和标准化。

异步感应电动机（ACIM） - 最初由Nicola Tesla开发，感应电动机的简单结构（图4），坚固且表征良好的拓扑结构使其成为许多大型工业应用和HVAC系统的首选工具大型电动机可以接近PMM。

图4：AC感应电动机的元件。

虽然ACIM往往比同等PMM更大，性能更低，但它们在某些电动车中使用，因为它们坚固耐用，价格低廉，而且像SRM一样，没有磁铁，如果它们过热就不会消磁。最近在电机架构和驱动系统电子设备方面的改进缩小了性能差距，并且在某些情况下消除了它。 IDTechEx报告称，自2011年以来，高达50％的新车型设计使用ACIM，其中包括特斯拉汽车，其法拉利性能级跑车使用115磅，300马力的交流感应电机，可提供高达295磅 - 英尺的速度。 。扭矩

具有重整磁体的同步电动机 - 直到最近，稀土磁体的唯一替代品是铁氧体和铝镍钴材料，其磁通密度要低得多，但有几种方法可以开发具有更高磁通密度的其他配方。美国能源部最近资助了几项计划，以研究用于风力发电机的其他非稀土磁体的开发（每体积稀土磁体的最大市场之一）。

日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）也有一个类似的计划，用于开发替代电机材料和技术，支持工业努力，如日立工业于2008年推出的企业范围内的计划，以消除其永磁电机中的稀土。日立计划的一些初步成果已经以11千瓦PMSM牵引电机的形式进入市场，该电机采用结构优化和损耗最小化等技术，使用铁基非晶金属芯实现90％以上的效率。然而，在设计人员广泛使用高性能无稀土PMM/PMSM之前，将需要几年（或更长时间）。

技术挑战和解决方案

每个替代电机都有若干技术挑战，必须克服这些挑战，以提高电动汽车，工业和商业设备以及风力涡轮机和其他发电系统的成本和性能。通过先进的电机架构和驱动它们的电子设备的改进的某些组合，可以克服大多数这些问题。电机制造商已经与飞思卡尔，英飞凌，意法半导体和德州仪器等IC制造商合作开发解决方案，以应对这些新电机技术带来的挑战。

除了SRM之外，电动机驱动电子设备的基本架构几乎与用作虚拟标准的六晶体管逆变器（电桥）相同 - 尽管用于驱动电桥的控制技术随每个电机而变化。对于低功率驱动器（《2 hp），通常使用功率FET。对于高达数千马力的更高应用，使用IGBT或IGBT模块。晶闸管仍常用于需要更大功率的应用中。

高效开关磁阻电机（SRM）需要创新的机械设计，以保持转子和定子之间的保护气隙尽可能薄，而不允许它们接触，因为电机的框架尺寸因高扭矩而变化。当简单的电机控制器用于激励电机的巨大定子线圈产生的尖锐机械应力导致其框架弯曲时，电子元件将在减少SRM中的转矩波动方面发挥重要作用。开发人员现在正在使用许多先进数字电机控制器中的强大DSP和32位微控制器，如德州仪器的Stellaris MCU和TMS570 Hercules自动级安全MCU，以塑造驱动波形，以帮助平滑非线性机械响应。帧。这些微控制器还可以通过运行向驱动波形添加谐波的算法来驯服SRM令人不快的“咆哮”，从而使电机的声发射更柔和，对人耳不那么不愉快。 TI提供用于Stellaris和Hercules MCU的电机控制开发套件（图5）。

图5：该开发套件基于德州仪器的TMS570 Hercules自动级安全MCU，可开发支持高级算法的电机控制系统。这提高了电气设备和电动汽车的效率和性能。 （德州仪器公司提供。）

感应电机（ACIM）的最大挑战可能是实现与PMM相当的功率密度和效率。其中一种更有前景的电机架构采用转子设计，通过使用铜条作为转子导体来提高效率。其他改进可以通过在怠速时降低转子磁通量来显着提高ACIM效率，但也可能导致扭矩响应（高达半秒）的不可接受的延迟，这可能损害车辆快速加速的能力。

另一种用于提高牵引应用效率的技术是用可变直流母线电压驱动逆变器。这允许总线电压超过电池电压，从而在必须使用弱磁之前实现更高速度的操作。该技术还允许在电动机减速时降低总线电压以减轻晶体管开关损耗。所有这些方法都可以作为磁场定向控制（FOC）系统的一部分来实现，该系统能够比使用开环标量控制或滑动控制的早期低成本ACIM驱动器更精确地放置驱动波形。 FOC正在迅速采用，因为当今MCU的高集成度有助于将这些拓扑之间的成本差异降至接近零。