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什么是BLDC電機?電機年產超10億臺,BLDC電機滲透率有望持續提升

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來源:公眾號【電機通】網址:https://mp.weixin.qq.com/s/o64IWXb7G2TgaglBk2tOuA

        隨著高能效電機在汽車、農業、空調和洗衣機等領域的廣泛使用,全球的電機市場得到了很大的增長。據MarketsandMarkets統計,2019年全球電機市場的規模為1220億美元,由于受到新冠疫情的影響,2020年的市場規模有所下滑,降到了1133億美元。不過,今年市場已經有所好轉,因此,該機構預計未來電機市場的年復合增長率為6.9%左右,到2026年將會達到1691億美元。也就是說,未來,這將是一個萬億級人民幣的大市場。

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        從市場格局來看,BLDC電機市場中,亞洲市場的占比最大,占了46.94%,其次是美國,占了21.08%。亞洲其實有不少技術實力都不錯的BLDC電機企業,但主要集中在日本,比如尼得科,松下、美蓓亞、三洋電氣等。國內的話,目前主要還是處于追趕階段。但是可以預見的是,未來BLDC電機的增長將主要來自亞洲,而亞洲又將主要在中國。

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       電機的應用其實非常廣泛,大部分能動的東西都需要用到電機,具體來說有,風機、泵、電動車、電動工具、壓縮機、農機具,以及汽車應用等。具體來說,汽車應用的占比最大,占了整個電機市場的40%左右。下面,我們來看一看這些具體的應用情況。


1.1汽車應用

       隨著新能源汽車的崛起、智能駕駛的滲透,以及車聯網的應用試點,汽車的電子化趨勢越來越明顯。在汽車中,除了驅動電機以外,電動助力轉向系統、電子懸架系統、汽車穩定性控制系統、汽車巡航控制系統、ABS、車身系統(比如說車窗、門鎖、座椅、后視鏡、雨刷、天窗等)都將會使用到大量的電機。
       特別是新能源汽車的發展,需要用到BLDC電機的地方越來越多,拿汽車內的電子水泵為例,新能源汽車需要對三電系統進行精確的溫度控制,在使用水冷的情況下,每車需要2~5個電子水泵,平均為3個。單價的話,從傳統水泵的100~150元提升到了200~300元。

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       2020年中國新能源汽車電子水泵市場規模為11.2億元,未來幾年,從新能源汽車的滲透率來看,2020年,我國的新能源汽車產量是136.6萬輛,但到了今年,1~10月份,新能源汽車的累計產量就達到了256.6萬輛,同比增長了約1.8倍。這就可以看到電子汽車水泵市場的增長量將會是非常驚人的。
       另外從汽車內使用的電機數量來看,一般來說,經濟型燃油車會配備10個左右的電機,普通的汽車會配備20到30臺電機,而豪華型汽車則會配備60到70臺,甚至上百臺電機,而新能源汽車所需的電機將會更多。
1.2風機應用

       風機領域,風機包括:風扇、排氣扇、油煙機、吹風機、暖通空調風機、循環扇、工業風扇等等。主要的下游制造商有美的、艾美特、格力、先鋒、華帝、老板等等。
       從家用電風扇來看,中國家用風扇的產量是非常大的,根據國家統計局的數據,從2013年到2020年家用電風扇的數量在逐年增長,2020年的產量是2.3億臺。

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       目前國內主流的小家電廠商,比如美的、先鋒、日彩、艾美特等等,基本上都有采用無刷電機的產品面市。其中艾美特的數量最大,小米的成本最低。
       隨著小米等一些跨界廠商的進入,家用風扇領域的無刷電機轉換率開始加快?,F在,在家用風扇領域,國內無刷電機廠商已經有一席之地了。根據我們的了解,在家用風扇這塊,目前,BLDC電機的滲透率在15%左右。
       風機方面,還有抽油煙機,它是廚房電器的重要組成部分。不過由于成本原因,抽油煙機的無刷化轉換率還不高。目前BLDC的市場滲透率大概在10%。
      還有新風機和空氣凈化器很多也是采用無刷電機方案來做的。目前市面上的產品,小型的一般采用Nidec的外轉子電機,大型的空氣凈化器一般都是采用EBM的風機。這里用的無刷電機的成本已經非常接近傳統交流電機的成本了,因此新風機機采用無刷電機的方案比較多。
       此外,還有一個這兩年開始起量的空氣循環扇,目前價值量還算高,比一般的風扇要高出100到幾百不等。貴一點的還有兩三千的。
       還有一些手持的小風扇和便攜的小吊扇也越來越多地用到無刷電機。因為無刷電機的靜音效果更好,產品的價格可以賣得更高。
       此外,其實工業吊扇也是一個不小的市場。以前工廠車間都是采用大的工業風扇,功率大,而且還不太安全。而工業風扇可以廣泛應用于工業廠房、物流倉儲、展覽館、體育館、候車廳、機場等大型場所和高大空間。采用BLDC的工業吊扇可以達到國家一級能耗標準。
1.3吸塵器應用

       吸塵器也是電機應用中很大的一塊市場。吸塵器在歐美家庭是家庭必備的清潔電器,滲透率已經非常高了。因此需求一直都比較穩定,從2016年到2020年,銷售量從3560萬臺增長到了3700萬臺,增長率在5.5%左右。

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       中國的體量相對比較小,2016年才1400萬的銷量,到2020年達到了2490萬銷量,預計未來的年復合增長率在15.4%左右。增長潛力更大。
       但其實美國、歐洲售賣的很多吸塵器產品都是在中國制造的,國內吸塵器的產量其實是非常大的,比如新寶股份、富佳股份、德昌股份等ODM廠商的吸塵器產品超過8成都出口海外了。
       其實這幾年除了灰塵吸塵器之外,這幾年興起了一種可以一邊吸塵,一邊拖地,也能掃地的洗地機產品銷量也還不錯。一些在線商城上的相關產品,評價數量已經超過10萬+了。這類產品普遍使用了無刷電機解決方案。

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圖:洗地機產品

1.4電動工具
       電動工具是應用最為廣泛的五金機電產品之一。因其結構輕盈、攜帶使用方便、出產效率高,能耗低等特點,廣泛應用在建筑、裝飾裝潢、木業加工、金屬加工,以及其他制造業等各應用行業的鉆、切、磨等加工環節。
       隨著技術的不斷發展,以及DIY觀念逐漸被人們接受,電動工具的應用范圍也在不斷擴展,許多傳統手動工具作業的領域開始更多地被電動工具所取代,電動工具也正在從產業應用拓展到家庭生活當中。電動工具的需求量正在逐年增加。

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       電動工具的無刷化其實很早就開始了,在2010年時,國外有些品牌就推出了采用無刷電機的電動工具了。隨著鋰電池技術的成熟,價格越來越親民,手持工具的量級在逐年增加,現在可與插電式的工具平分秋色。
       其實國內的電動工具產量一直都比較大,這幾年有所下滑。根據國家統計局的統計,2021年,我國電動工具的產量為2.2億臺左右。
       據我們了解,國內電扳手基本上已經實現了無刷化,電鉆類、高壓型,以及園林類工具還沒有完全無刷化,不過也轉換過程中。轉化慢的原因主要還是因為成本問題。目前BLDC電機相對傳統電機來說還是比較貴的。
       目前國內的電動工具主要集中在華東、華南、西南地區生產;其中華東地區產量最高,特別是浙江省貢獻了最多產量;浙江和江蘇兩省產量加起來超過了80%。
1.5電動自行車
       在國內,電動自行車也是一個不小的市場,根據國家統計局的數據,2020年,我國電動自行車產量達到2966.1萬輛。

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       國內對電動自行車的需求大,隨著新國標的執行,以前的存量市場也將會需要替換成新國標的電動自行車。據我們了解,這個存量超過了1億。想想這個市場也是蠻大的。

2、BLDC電機在家電市場的滲透率


       我們也統計了一下BLDC電機在家電領域的滲透率情況。這個更多是我們跟業內的一些比較熟悉市場的人交流后獲得的,并不一定很準確,只是給大家一個參考。
       其實家電產品中的電機用量是非常大的,我們粗略做了一個統計,在沒算上空調、冰箱和洗衣機等大家電的情況下,年需電機量就超過8億臺了。如果算上的話,應該遠超10億臺電機的用量了。

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       這幾個市場的滲透率普遍在10%以下,暢想一下未來,不說做新的產品市場,就是將現有的這些市場替換到50%,或者60%,市場規模也是相當可觀的。
       無刷直流電機(BLDC)克服了有刷直流電機的先天性缺陷,以電子換向器取代了機械換向器,所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。無刷直流電機的實質是直流電源輸入,采用電子逆變器將直流電轉換為交流電,有轉子位置反饋的三相交流永磁同步電機。性能上相較一般的傳統直流電機有很大優勢,是當今最理想的調速電機。

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一、有刷直流電機簡介

        介紹無刷直流電機之前,我們先來看看有刷電機:

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        直流電機以良好的啟動性能、調速性能等優點著稱,其中屬于直流電機一類的有刷直流電機采用機械換向器,使得驅動方法簡單,其模型示意圖如下圖所示。

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直流電機模型示意圖

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DC電機(有刷電機)的運轉示意圖

        電機主要由永磁材料制造的定子、繞有線圈繞組的轉子(電樞) 、換向器和電刷等構成。只要在電刷的A和B兩端通入一定的直流電流, 電機的換向器就會自動改變電機轉子的磁場方向,這樣,直流電機的轉子就會持續運轉下去。
直流電機有以下缺點

結構相對復雜,增加了制造成本;容易被環境(如灰塵等)影響,降低了工作的可靠性;換向時會產生火花,限制了使用范圍;容易損壞,增加了維護成本等。


二、無刷直流電機簡介
       BLDC電機中的“BL”意為“無刷”,就是DC電機(有刷電機)中的“電刷”沒有了。
       無刷直流電機(BLDC)以電子換向器取代了機械換向器,所以無刷直流電機既具有直流電機良好的調速性能等特點,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優點。

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圖1:無刷直流電機模型示意圖

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BLDC電機的運轉示意圖


       無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器(可有可無)組成??梢?,它和直流電機有著很多共同點,定子和轉子的結構差不多(原來的定子變為轉子,轉子變為定子),繞組的連線也基本相同。但是,結構上它們有一個明顯的區別:無刷直流電機沒有直流電機中的換向器和電刷,取而代之的是位置傳感器。這樣,電機結構就相對簡單,降低了電機的制造和維護成本,但無刷直流電機不能自動換向(相),犧牲的代價是電機控制器成本的提高(如同樣是三相直流電機,有刷直流電機的驅動橋需要 4 只功率管,而無刷直流電機的驅動橋則需要 6 只功率管)。
       圖1所示為其中一種小功率三相、星形連接、單副磁對極的無刷直流電機,它的定子在內,轉子在外。另一種無刷直流電機的結構和這種剛剛相反,它的定子在外,轉子在內,即定子是線圈繞組組成的機座,而轉子用永磁材料制造。
無刷直流電機有以下特點

       無刷直流電機的外特性好,能夠在低速下輸出大轉矩,使得它可以提供大的起動轉矩;無刷直流電機的速度范圍寬,任何速度下都可以全功率運行;無刷直流電機的效率高、過載能力強,使得它在拖動系統中有出色的表現;
無刷直流電機的再生制動效果好,由于它的轉子是永磁材料,制動時電機可以進入發電機狀態;無刷直流電機的體積小,功率密度高;無刷直流電機無機械換向器,采用全封閉式結構,可以防止塵土進入電機內部,可靠性高;無刷直流電機比異步電機的驅動控制簡單。


三、無刷直流電機工作原理
       無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞,轉子是永磁體。如果只給電機通以固定的直流電流,則電機只能產生不變的磁場,電機不能轉動起來,只有實時檢測電機轉子的位置,再根據轉子的位置給電機的不同相通以對應的電流,使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場,電機才可以跟著磁場轉動起來。
       如圖2所示為無刷直流電機的轉動原理示意圖,為了方便描述,電機定子的線圈中心抽頭接電機電源POWER,各相的端點接功率管,位置傳感器導通時使功率管的 G極接 12V,功率管導通,對應的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉子的轉動,會依次導通,使得對應的相線圈也依次通電,從而定子產生的磁場方向也不斷地變化,電機轉子也跟著轉動起來,這就是無刷直流電機的基本轉動原理——檢測轉子的位置,依次給各相通電,使定子產生的磁場的方向連續均勻地變化。

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圖2:無刷直流電機轉動原理示意圖
       為了方便理解,本文以下內容統一用如下圖所示的這兩種符號作為模型簡介,圖 A為電機轉子和定子在同一圓心上,圖B 為不同一圓心上,是為了方便說明電機內部磁場。

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無刷直流電機結構示意圖

       電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法,同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體 ,為了檢測電動機轉子的極性,在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成,其功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號,以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號,用來控制逆變橋各功率管的通斷,產生連續轉矩;接受速度指令和速度反饋信號,用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等等。
       直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能,但直流電機的優點也正是它的缺點,因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能,則電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°,這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外,使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子,免維護、堅固、應用廣,但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到?,F今半導體發展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅動電機的性能。微處理機速度亦越來越快,可實現將交流電機控制置于一旋轉的兩軸直角坐標系統中,適當控制交流電機在兩軸電流分量,達到類似直流電機控制并有與直流電機相當的性能。
       此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中,而且體積越來越??;像模擬/數字轉換器(analog-to-digital converter,adc)、脈沖寬度調制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相,得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構上缺失的一種應用。
四、無刷直流電機的驅動方法
       無刷直機電機的驅動方式按不同類別可分多種驅動方式,它們各有特點。
1.按驅動波形:方波驅動,這種驅動方式實現方便,易于實現電機無位置傳感器控制;
2.正弦驅動:這種驅動方式可以改善電機運行效果,使輸出力矩均勻,但實現過程相對復雜。同時,這種方法又有 SPWM 和 SVPWM(空間矢量PWM)兩種方式,SVPWM的效果好于 SPWM。
五、無刷直流電機應用領域
1、應用領域一:辦公計算機外圍設備、電子數碼消費品領域。
       這是無刷直流電機普及最廣、數量最大的領域。比如在生活中常見的打印機、傳真機、復印機、硬盤驅動器、軟盤驅動器、電影攝影機、磁帶記錄儀等,在它們的主軸和附屬運動的帶動控制中,都有無刷直流電機的身影。
2、應用領域二:工業控制領域。
       近些年,由于無刷直流電機大規模的研發和技術的逐漸成熟,其驅動系統在工業生產中的分布范圍也隨之擴大,已逐步成為工業用電動機的發展主流。圍繞降低生產成本和提高運行效率而展開的研究與嘗試已取得顯著的效益,各大廠商也提供不同型號的電機以滿足不同驅動系統的需求?,F階段在紡織、冶金、印刷、自動化生產流水線、數控機床等工業生產方面,無刷直流電機都有涉獵。
3、應用領域三:醫療設備領域。
       在國外,對無刷直流電機的使用已經較為普遍,可以用來驅動人工心臟中的小型血泵;在國內,手術用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調制器都使用了無刷直流電機。

4、應用領域四:汽車領域。
       據分析在市面上,一般的家用轎車需要永磁電機 20-30 個,而每輛豪華轎車則需要59個之多,除了核心發動機外,在雨刷器、電動車門、汽車空調、電動車窗等部位都有電機的身影。隨著汽車工業向著節能環保的方向發展,所使用的電機也必須滿足高效率、低能耗的標準。而無刷直流電機的低噪聲、壽命長、無火花干擾、方便集中控制等優點完全符合,隨著其調速技術的日益成熟,性價比會越來越高,它在汽車電機驅動的各個環節中的應用會更加廣泛。
5、應用領域五:家用電器領域。
       “變頻”技術已非常普遍,作為中國家電的標志逐漸占據了大部分的消費市場,“直流變頻”受到生產廠商的青睞,已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉變趨勢。這種轉變實質上就是家電所用的電動機由感應電動機向無刷直流電機及其控制器的過渡,以達到節能環保、低噪智能、舒適性高的要求。無刷直流電機的發展方向與電力電子、傳感器、控制理論等技術的發展方向相同,它是多種技術相結合的產物,它的發展取決于與之相關的每一種技術的革新與進步。


       

        佛山市應必優電機有限公司擁有一批長期從事電機研發的技術人才,可為不同客戶和產品定制和開發專用配套電機。目前,應必優電機自主研發的電機主要服務于工業高溫烤箱、烘焙烤箱、食品機械、工業設備、通風設備、空氣能熱泵、化工泵、熱電站等領域,比如:高溫烤箱電機、恒溫烘箱電機、烘焙烤箱電機、食品機械電機、通風設備電機、魚塘自動投料機電機、離心風機等。

       應必優電機自2017年成為通過國家高新技術企業,擁有21項國家專利。我們的電機已通過CE、CCC、CQC、RoHS、UL等認證。2020年通過ISO9001:2015質量管理體系認證。

      本著專業、專注、誠信、進取的服務宗旨,應必優電機與有需求的客戶合作,開發和定制新型電機,不斷提高產品質量和競爭力。


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