电子技术能否为高企的电机系统能耗踩下刹车？

图源： Frendev/stock.adobe.com；图片由AI生成

作者：Mark Patrick，贸泽专稿
发布日期：2026年7月7日

电机驱动系统对地球产生了重大影响……但并不都是积极的影响。然而，只要稍微转换一下思路来提高它的能效，全球总用电需求就有望减少约一成。从可持续发展的角度来看，这是一个值得追求的目标。

当然，为应对工业污染的影响，我们已经做了很多工作，而且毫无疑问，未来还会有更多变革。电子行业在开发创新技术方面发挥着直接作用，这些创新将促进绿色能源生产、降低能耗、减少维护并防止不必要的浪费。电机驱动系统（EMDS）正是其中的核心。

全球电力消耗

国际能源署（IEA）2011年的一份报告数据显示，EMDS是最大的单一能源终端用户，占全球电力消耗的40%以上[1]。电机驱动的系统消耗了照明系统两倍还多的能源。美国能源部的一份报告更进一步指出，当时的EMDS消耗了“美国总用电量的一半以上，以及许多工厂中70%以上的电力”[2]。

IEA的报告指出，如果不采取补救措施，到2030年，电机的能耗将升至每年13,360TWh，二氧化碳（CO 2 ）年排放量将达到8,570百万吨（Mt）。终端用户每年在EMDS用电上的支出将接近9,000亿美元。该机构还报告称，工业领域是EMDS电力消耗最大的领域（64%），而住宅领域的消耗仅占13%。深入分析这些数据后，IEA估算，虽然输出功率超过375kW的大型电机仅占电机总量的0.03%，但它们消耗了约23%的电机总耗电量，占全球总能耗的10%以上（ 图1 ）。

图1 ： 全球电机系统预计用电量。（图源：《电机驱动系统的能效政策机遇》，国际能源署，以CC BY 4.0许可发布）

优化EMDS

值得欣慰的是，IEA的报告强调了EMDS在能效方面存在巨大的未开发潜力。报告强调，需要扩大实施规模，以实现优化系统所带来的巨大节能潜力。据其测算，高效的电机通常可节省4%至5%的电机总能耗。此外，如果电机系统的能效提高二到三成，就可以让全球电力总需求降低约一成。

报告补充道，如果所有EMDS都能得到全面优化，节能效果将更加显著。据估计，到2030年，提高EMDS效率可减少42,000TWh的电力需求、29Gt的CO2排放量，并节省2.8万亿美元的电力成本。

从这一见解中可以清楚地看出，要想通过优化电机驱动系统的效率来推进各国的可持续发展工作，就必须让电机的设计和维护发挥核心作用。这将提高生产力，并节省大量能源（和资金）。由于EMDS消耗的绝大部分电力是电机本身消耗的，因此工程和维护团队需要专注于优化电机的控制和运行。这些努力将对能耗产生重大而直接的影响。

将边缘AI应用于MEMS

工程团队提高EMDS效率最有效的方法之一，就是将边缘AI应用于预防性维护策略。将边缘AI与微机电系统（MEMS）传感设备相结合，可以更准确地监测设备运行状况，从而降低电机能耗。此前无法获取的实时传感器数据可用于及早发现异常，并预测机器可能发生故障的时间。通过比以往更早地解决问题，边缘AI MEMS传感器不仅可以避免代价高昂的停机维修，更重要的是，还能提高EMDS的效率，使其能耗降低。

与此同时，全球物联网（IoT）设备和装置的数量已达数百万之多，神经网络在商业应用方面更加成熟，并行计算已不再处于起步阶段，5G/6G技术也日趋成熟。这意味着工业领域比以往任何时候都更有条件利用边缘AI所能提供的更深入见解，同时降低运营成本。

电机控制效率

由于电机的状态和可靠性直接影响生产效率和正常运行时间，因此高效的电机控制至关重要。美国能源部的报告指出，影响驱动系统效率的三大关键因素，是电力质量、电机和传动效率，以及监测与维护。报告强调了状态监测的重要性。

IEA的报告还指出了在该领域实现显著节能的三种关键途径：

· 使用规格合适且节能的电机。

· 尽可能使用可调速驱动器（ASD），使电机转速和扭矩与系统的机械负载要求相匹配。

· 通过选用规格合适的电机、高效的齿轮和传动装置以及高效的终端设备来优化整个系统，从而尽可能降低能量损耗。

最低能效标准

在电机驱动系统中降低能耗、提高能效的一种方法是制定设计人员必须遵守的最低能效标准（MEPS）。根据IEA的数据，2010年欧盟受MEPS约束的工业和住宅系统仅占电机总用电量的38%。

提高电机效率的另一种方法是利用宽禁带半导体技术，例如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。与传统半导体相比，宽禁带半导体具有更大的禁带宽度，可以承受更高的电压。它们还能加快开关速度，从而减少电机中的热损耗并提高其效率。

氮化镓因其具有3.4eV的禁带宽度（相较之下碳化硅仅为1.12eV）而特别受到设计人员的青睐。更宽的禁带宽度使半导体能够承受比硅MOSFET更高的电压和温度。通过采用更小、更轻的磁性元器件并降低系统的散热需求，可以实现成本节约。此外，氮化镓半导体有望实现非常低的器件成本，因为它们比碳化硅半导体产生的损耗更少，并且由于使用更小的无源元器件，所占体积也更小。这些加在一起就能降低系统成本。

绿色能源解决方案

电机驱动系统在预防性维护方面的进步，有望显著降低能耗和需求。IEA的报告指出，若将电机驱动系统的能效提高二到三成，就可以让全球电力需求减少约一成。

这是电子行业面临的挑战，该行业在降低能耗、减少浪费以及引领绿色能源生产方面发挥着关键作用。EMDS设计人员尤其需要利用各种可用的工具来提高效率并降低能耗。