电机的应用趋势及控制解决方案

电机的应用趋势及控制解决方案

蒋德智

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省常州市 213125

摘要：近些年，随着社会经济的快速发展，人们大力倡导环保理念，这样就使得诸如汽车行业加强了对于电机的不断开发和应用，尤其是对于一些电动汽车的生产和使用，对于环境保护工作有着很好的效果。本文主要就对电机的应用趋势及控制解决方案进行分析和探讨。

关键词：电机；应用趋势；控制

1电机的应用趋势

随着智能家居、工业自动化、物流自动化等概念的普及深化，在与每个人息息相关的家电领域、车载领域以及工业领域，各类电机在技术方面都出现了新的需求。

在家电领域，电器的智能化需要电器对人机交流产生相应的反馈。例如扫地机器人需要扫描计算空间，规划路线，然后执行移动以及相应的清洁工作。这里除了各类传感器和复杂的计算，其执行单元都离不开电机的应用。再譬如，智能家居概念下，在接收到控制命令后，冰箱的开门、打开抽屉可自动完成，这个概念也需要增加多组电机。

汽车智能化对电机的需求更加明显，例如新开发的乘用汽车，普遍将电动车门、电动车窗、电动后视镜、电动座椅、多风口可控自动变频空调等概念普及，这些新增的功能使电机的数量急剧增加。考虑到这些电机的应用场合以及设计使用寿命，48V以下的BLDC、步进电机等会出现较快的增长。同时新的需求以及成本的压力，对电机控制器提出更复杂的要求，例如从原有的并行通讯，改为串行或者总线通讯，以减少整体布线并提高兼容性。例如增加各类电压、电流、温度的实时监测并反馈，以便电器安全自诊断与保护。例如对电机控制的待机功耗提出苛刻的要求，以满足各类电器的能耗要求等。并且对电机本身的功率密度也会有强烈的要求，以满足工作条件下更低功耗、更低的散热、更紧凑的结构。这些都是电机技术发展的课题。

2相应的元器件趋势

对于电机控制元器件的发展，主要有以下几个要求。

1）MCU的处理速度需要提高。随着电机性能的提高，相应的控制算法越来越复杂，对MCU的要求会越来越高。

2）功率器件性能提高。在电机损耗中，除了电机结构本身的铁损和铜损之外，主要的功率损耗就是IPM等功率器件的损耗。电机的功率密度提升与功率器件的效率有着直接的关系。ROHM（罗姆半导体）非常注重功率器件的发展。例如在空调领域，ROHM在空调风机以及压缩机领域，提出了用高压PrestoMOS替代功率IGBT，用来控制BLDC。与传统空调相比，可使空调电机工作功耗减少30%以上。当前更是采用了新材料SiCMOSFET，可使空调工作功耗进一步减低至50%左右。

3）随着电机的功率密度提高，需要对元器件的耐高温参数进一步要求。在工业的伺服电机、车载驱动电机的应用中，控制器和电机是分开的两个壳体。因为电机工作中的高温是半导体不能承受的。但随着SiC(碳化硅)技术的发展，在不久的将来，有望将电路的工作温度大大提高，从而将控制电路集成到电机内部，这对电机功率密度是有很大的帮助的。

3电机的应用控制解决方案

目前我国在汽车领域中虽然已经开始应用永磁电机，但是，受到诸多因素的影响还存在很多问题，不能确保相关永磁电机的合理应用，甚至还存在诸多问题。针对这些问题，现阶段随着科学技术的发展，提出了很多针对性的技术措施。

3.1永磁直流电机

汽车领域中永磁电机属于广泛应用的设备，输出功率可以划分成为中型、小型与微型集中。①中功率的永磁直流电机，在实际应用的过程中，输出功率在400W到8000W之间，可以用在发动机的启动方面，又被称作是启动电机，其输出转矩较高，并且启动非常频繁，结构也具有一定坚固性特点，其中含有离合器设备与电磁开关设备。近几年的研究中，在启动电机方面已经开始采用减速器代替减速箱，可有效降低电机整体重量，广泛应用在汽车领域中，提高启动功率，并改善汽车的额运行效果。②小功率的永磁直流电机，主要应用在刮雨器设备与散热器设备中。刮雨器中所使用的电机，一般情况下输出转矩较高，并且转速很低，输出的功率一般在4W到100W之间。散热器电机在应用的过程中，环境较为恶劣，要求在零上100摄氏度的环境下连续工作1000小时，并且输出功率在100W到200W之间。③微小功率的永磁直流电机，主要安装在汽车的各个位置中，品种很多，使用的数量较高，已经成为当前的微电机标准设备。无论采用哪种永磁直流电机，在实际工作中均需要注意，将磁铁合理设置在定子上面会导致电机周围出现漏磁的现象，所以，应该预防手表与精密仪表设备与相关永磁电机相互靠近，在安装的时候也应该预防和铁质原材料相互接触，操作的过程中按照实际情况进行处理，以免对电机的运行效果造成不利影响。

3.2永磁发电机分析

汽车中的电源主要组成部分就是发电机与蓄电池，在早期阶段主要使用直流发电机，上个世纪六十年代开始使用交流发电机，当前，在汽车领域中已经开始采用永磁励磁取代，其在运行的过程中，运作原理和同步发电机相同，能够发出三相交流电。对于永磁发电机而言，其电机与电子电路的组成原理和小型的直流发电机相同，能够输出直流电。近年来在我国汽车使用数量逐渐增多的情况下，永磁交流发电机的容量有所提升，最高的可以达到5000W。其中不含有集电环材料与电刷材料，整体的结构非常简易，功率消耗量很低，可靠性良好，安装与维修工作便利，体积可以按照汽车的情况缩小，有助于提升应用的便利性与可靠性。

3.3永磁直流无刷电动机分析

此类电动机主要利用电子转向电路，替代传统的转向器设备与电刷材料，主要的组成部分就是永磁转子部件、传感器部件与电子换向部件等等，当前主要通过霍尔片组建传感器与集成片的电子换向线路。近年来，中小型功率的无刷直流电动机在实际应用的过程中，成本较高，很难代替永磁直流电动机，这就需要按照具体情况合理选择相关电动机的类型，准确开展各方面管理工作与协调工作，满足当前的电动机使用需求。

3.4永磁步进电动机分析

此类电机在应用期间，主要是将脉冲电流利用定子绕组作用在永磁转子，在一定程度上可以形成步进的运动，其结构较为简单，但是，所使用的驱动电路非常繁琐。当前在汽车中所采用的永磁步进电机，一般情况下转矩较低，但是，需要结合实际情况设定步进的具体转角。在汽车中的发动机，执行慢转控制工作的过程中，主要使用步进电动机，针对阀门的流量进行调节，不仅操作形式简单，还具有可靠性的优势，体积很小，重量也很轻。与此同时，在汽车的驾驶室之内，还有相关的组合仪表，具有计时功能与计程功能，可以使用永磁步进电动机，代替传统的机械性仪表设备，使得汽车时间与行程的计算更加精准与可靠，有助于提升应用效果。汽车领域中采用此类电动机，需要注意按照规定合理开展安装工作与处理工作，遵循科学化的原则，按照具体的标准、规范等进行处理，有效提升各方面的工作水平，打破传统工作的局限性，将永磁步进类型的电动机应用优势与重要作用全面发挥出来，提升电机运作的可靠性与有效性。

结语

在汽车的底盘悬架减震，车窗控制，助力转向等系统中，电机是十分重要的设备；在石油资源日益枯竭的今天，发展新能源汽车已经成了主流趋势，在众多新能源中，电动汽车已经悄然兴起成为了一大主力，对于电机研究来说，这不仅仅是一个挑战，更是一个机遇。在汽车发展长河中，电机控制，电机应用，从无到有，从少到多，从辅助控制到核心控制，是汽车行业的进步，电机在新能源汽车的发展上能走的更远。

参考文献

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