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什么是BLDC电机?

时间:2022-02-28 11:36:26 来源:未知 点击:

随着高能效电机在汽车、农业、空调和洗衣机等领域的广泛使用,全球的电机市场得到了很大的增长。据MarketsandMarkets统计,2019年全球电机市场的规模为1220亿美元,由于受到新冠疫情的影响,2020年的市场规模有所下滑,降到了1133亿美元。不过,今年市场已经有所好转,因此,该机构预计未来电机市场的年复合增长率为6.9%左右,到2026年将会达到1691亿美元。也就是说,未来,这将是一个万亿级人民币的大市场。
 
 
       从市场格局来看,BLDC电机市场中,亚洲市场的占比最大,占了46.94%,其次是美国,占了21.08%。亚洲其实有不少技术实力都不错的BLDC电机企业,但主要集中在日本,比如尼得科,松下、美蓓亚、三洋电气等。国内的话,目前主要还是处于追赶阶段。但是可以预见的是,未来BLDC电机的增长将主要来自亚洲,而亚洲又将主要在中国。
 
 
       欧洲的市场份额也不小,约为19%,由于欧洲和美国的起步比较早,他们掌握了很多BLDC电机的核心技术,未来随着全球市场对高端BLDC电机需求的增多,欧美市场的占比也会缓慢增长。但比例肯定没有亚洲地区高。
 
 

 

电机的主要应用市场
       电机的应用其实非常广泛,大部分能动的东西都需要用到电机,具体来说有,风机、泵、电动车、电动工具、压缩机、农机具,以及汽车应用等。具体来说,汽车应用的占比最大,占了整个电机市场的40%左右。下面,我们来看一看这些具体的应用情况。

 

 
汽车应用
       随着新能源汽车的崛起、智能驾驶的渗透,以及车联网的应用试点,汽车的电子化趋势越来越明显。在汽车中,除了驱动电机以外,电动助力转向系统、电子悬架系统、汽车稳定性控制系统、汽车巡航控制系统、ABS、车身系统(比如说车窗、门锁、座椅、后视镜、雨刷、天窗等)都将会使用到大量的电机。
 
       特别是新能源汽车的发展,需要用到BLDC电机的地方越来越多,拿汽车内的电子水泵为例,新能源汽车需要对三电系统进行精确的温度控制,在使用水冷的情况下,每车需要2~5个电子水泵,平均为3个。单价的话,从传统水泵的100~150元提升到了200~300元。
 
 
       2020年中国新能源汽车电子水泵市场规模为11.2亿元,未来几年,从新能源汽车的渗透率来看,2020年,我国的新能源汽车产量是136.6万辆,但到了今年,1~10月份,新能源汽车的累计产量就达到了256.6万辆,同比增长了约1.8倍。这就可以看到电子汽车水泵市场的增长量将会是非常惊人的。
 
       另外从汽车内使用的电机数量来看,一般来说,经济型燃油车会配备10个左右的电机,普通的汽车会配备20到30台电机,而豪华型汽车则会配备60到70台,甚至上百台电机,而新能源汽车所需的电机将会更多。
 
风机应用
       风机领域,风机包括:风扇、排气扇、油烟机、吹风机、暖通空调风机、循环扇、工业风扇等等。主要的下游制造商有美的、艾美特、格力、先锋、华帝、老板等等。
 
       从家用电风扇来看,中国家用风扇的产量是非常大的,根据国家统计局的数据,从2013年到2020年家用电风扇的数量在逐年增长,2020年的产量是2.3亿台。
 
 
       目前国内主流的小家电厂商,比如美的、先锋、日彩、艾美特等等,基本上都有采用无刷电机的产品面市。其中艾美特的数量最大,小米的成本最低。
 
       随着小米等一些跨界厂商的进入,家用风扇领域的无刷电机转换率开始加快。现在,在家用风扇领域,国内无刷电机厂商已经有一席之地了。根据我们的了解,在家用风扇这块,目前,BLDC电机的渗透率在15%左右。
 
       风机方面,还有抽油烟机,它是厨房电器的重要组成部分。不过由于成本原因,抽油烟机的无刷化转换率还不高。目前BLDC的市场渗透率大概在10%。
 
      还有新风机和空气净化器很多也是采用无刷电机方案来做的。目前市面上的产品,小型的一般采用Nidec的外转子电机,大型的空气净化器一般都是采用EBM的风机。这里用的无刷电机的成本已经非常接近传统交流电机的成本了,因此新风机机采用无刷电机的方案比较多。
 
       此外,还有一个这两年开始起量的空气循环扇,目前价值量还算高,比一般的风扇要高出100到几百不等。贵一点的还有两三千的。
 
       还有一些手持的小风扇和便携的小吊扇也越来越多地用到无刷电机。因为无刷电机的静音效果更好,产品的价格可以卖得更高。
 
       此外,其实工业吊扇也是一个不小的市场。以前工厂车间都是采用大的工业风扇,功率大,而且还不太安全。而工业风扇可以广泛应用于工业厂房、物流仓储、展览馆、体育馆、候车厅、机场等大型场所和高大空间。采用BLDC的工业吊扇可以达到国家一级能耗标准。
 
吸尘器应用
       吸尘器也是电机应用中很大的一块市场。吸尘器在欧美家庭是家庭必备的清洁电器,渗透率已经非常高了。因此需求一直都比较稳定,从2016年到2020年,销售量从3560万台增长到了3700万台,增长率在5.5%左右。
 
 
       中国的体量相对比较小,2016年才1400万的销量,到2020年达到了2490万销量,预计未来的年复合增长率在15.4%左右。增长潜力更大。
 
       但其实美国、欧洲售卖的很多吸尘器产品都是在中国制造的,国内吸尘器的产量其实是非常大的,比如新宝股份、富佳股份、德昌股份等ODM厂商的吸尘器产品超过8成都出口海外了。
 
       其实这几年除了灰尘吸尘器之外,这几年兴起了一种可以一边吸尘,一边拖地,也能扫地的洗地机产品销量也还不错。一些在线商城上的相关产品,评价数量已经超过10万+了。这类产品普遍使用了无刷电机解决方案。
图:洗地机产品
 
 
 
 
电动工具
 
       电动工具是应用最为广泛的五金机电产品之一。因其结构轻盈、携带使用方便、出产效率高,能耗低等特点,广泛应用在建筑、装饰装潢、木业加工、金属加工,以及其他制造业等各应用行业的钻、切、磨等加工环节。
 
       随着技术的不断发展,以及DIY观念逐渐被人们接受,电动工具的应用范围也在不断扩展,许多传统手动工具作业的领域开始更多地被电动工具所取代,电动工具也正在从产业应用拓展到家庭生活当中。电动工具的需求量正在逐年增加。
 
 
       电动工具的无刷化其实很早就开始了,在2010年时,国外有些品牌就推出了采用无刷电机的电动工具了。随着锂电池技术的成熟,价格越来越亲民,手持工具的量级在逐年增加,现在可与插电式的工具平分秋色。
 
       其实国内的电动工具产量一直都比较大,这几年有所下滑。根据国家统计局的统计,2021年,我国电动工具的产量为2.2亿台左右。
 
       据我们了解,国内电扳手基本上已经实现了无刷化,电钻类、高压型,以及园林类工具还没有完全无刷化,不过也转换过程中。转化慢的原因主要还是因为成本问题。目前BLDC电机相对传统电机来说还是比较贵的。
 
       目前国内的电动工具主要集中在华东、华南、西南地区生产;其中华东地区产量最高,特别是浙江省贡献了最多产量;浙江和江苏两省产量加起来超过了80%。
 
电动自行车
 
       在国内,电动自行车也是一个不小的市场,根据国家统计局的数据,2020年,我国电动自行车产量达到2966.1万辆。
 
 
       国内对电动自行车的需求大,随着新国标的执行,以前的存量市场也将会需要替换成新国标的电动自行车。据我们了解,这个存量超过了1亿。想想这个市场也是蛮大的。
 

 

BLDC电机在家电市场的渗透率
 
       我们也统计了一下BLDC电机在家电领域的渗透率情况。这个更多是我们跟业内的一些比较熟悉市场的人交流后获得的,并不一定很准确,只是给大家一个参考。
 
       其实家电产品中的电机用量是非常大的,我们粗略做了一个统计,在没算上空调、冰箱和洗衣机等大家电的情况下,年需电机量就超过8亿台了。如果算上的话,应该远超10亿台电机的用量了。
 
 
       这几个市场的渗透率普遍在10%以下,畅想一下未来,不说做新的产品市场,就是将现有的这些市场替换到50%,或者60%,市场规模也是相当可观的。
 
       无刷直流电机(BLDC)克服了有刷直流电机的先天性缺陷,以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。无刷直流电机的实质是直流电源输入,采用电子逆变器将直流电转换为交流电,有转子位置反馈的三相交流永磁同步电机。性能上相较一般的传统直流电机有很大优势,是当今最理想的调速电机。
 
 
一、有刷直流电机简介
介绍无刷直流电机之前,我们先来看看有刷电机:
 
 
直流电机以良好的启动性能、调速性能等优点著称,其中属于直流电机一类的有刷直流电机采用机械换向器,使得驱动方法简单,其模型示意图如下图所示。
 
直流电机模型示意图
 
DC电机(有刷电机)的运转示意图
 
电机主要由永磁材料制造的定子、绕有线圈绕组的转子(电枢) 、换向器和电刷等构成。只要在电刷的A和B两端通入一定的直流电流, 电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向,这样,直流电机的转子就会持续运转下去。
 
直流电机有以下缺点
结构相对复杂,增加了制造成本;
容易被环境(如灰尘等)影响,降低了工作的可靠性;
换向时会产生火花,限制了使用范围;
容易损坏,增加了维护成本等。
 
二、无刷直流电机简介
 
BLDC电机中的“BL”意为“无刷”,就是DC电机(有刷电机)中的“电刷”没有了。
 
无刷直流电机(BLDC)以电子换向器取代了机械换向器,所以无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。
 
图1:无刷直流电机模型示意图
 
BLDC电机的运转示意图
 
无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器(可有可无)组成。可见,它和直流电机有着很多共同点,定子和转子的结构差不多(原来的定子变为转子,转子变为定子),绕组的连线也基本相同。但是,结构上它们有一个明显的区别:无刷直流电机没有直流电机中的换向器和电刷,取而代之的是位置传感器。这样,电机结构就相对简单,降低了电机的制造和维护成本,但无刷直流电机不能自动换向(相),牺牲的代价是电机控制器成本的提高(如同样是三相直流电机,有刷直流电机的驱动桥需要 4 只功率管,而无刷直流电机的驱动桥则需要 6 只功率管)。
 
图1所示为其中一种小功率三相、星形连接、单副磁对极的无刷直流电机,它的定子在内,转子在外。另一种无刷直流电机的结构和这种刚刚相反,它的定子在外,转子在内,即定子是线圈绕组组成的机座,而转子用永磁材料制造。
 
无刷直流电机有以下特点
无刷直流电机的外特性好,能够在低速下输出大转矩,使得它可以提供大的起动转矩;
无刷直流电机的速度范围宽,任何速度下都可以全功率运行;
无刷直流电机的效率高、过载能力强,使得它在拖动系统中有出色的表现;
无刷直流电机的再生制动效果好,由于它的转子是永磁材料,制动时电机可以进入发电机状态;
无刷直流电机的体积小,功率密度高;
无刷直流电机无机械换向器,采用全封闭式结构,可以防止尘土进入电机内部,可靠性高;
无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。
 
三、无刷直流电机工作原理
 
无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。
 
如图2所示为无刷直流电机的转动原理示意图,为了方便描述,电机定子的线圈中心抽头接电机电源 POWER,各相的端点接功率管,位置传感器导通时使功率管的 G极接 12V,功率管导通,对应的相线圈被通电。由于三个位置传感器随着转子的转动,会依次导通,使得对应的相线圈也依次通电,从而定子产生的磁场方向也不断地变化,电机转子也跟着转动起来,这就是无刷直流电机的基本转动原理——检测转子的位置,依次给各相通电,使定子产生的磁场的方向连续均匀地变化。
 
图2:无刷直流电机转动原理示意图
 
为了方便理解,本文以下内容统一用如下图所示的这两种符号作为模型简介,图 A为电机转子和定子在同一圆心上,图B 为不同一圆心上,是为了方便说明电机内部磁场。
 
无刷直流电机结构示意图
 
电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ,为了检测电动机转子的极性,在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成,其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。
 
直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,但直流电机的优点也正是它的缺点,因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能,则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°,这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外,使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子,免维护、坚固、应用广,但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多,提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快,可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中,适当控制交流电机在两轴电流分量,达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
 
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中,而且体积越来越小;像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter,adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator,pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相,得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
 
四、无刷直流电机的驱动方法
 
无刷直机电机的驱动方式按不同类别可分多种驱动方式,它们各有特点。
 
1.按驱动波形:方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;
 
2.正弦驱动:这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM)两种方式,SVPWM的效果好于 SPWM。
 
五、无刷直流电机应用领域
 
应用领域一,办公计算机外围设备、电子数码消费品领域。
 
这是无刷直流电机普及最广、数量最大的领域。比如在生活中常见的打印机、传真机、复印机、硬盘驱动器、软盘驱动器、电影摄影机、磁带记录仪等,在它们的主轴和附属运动的带动控制中,都有无刷直流电机的身影。
 
应用领域二,工业控制领域。
 
近些年,由于无刷直流电机大规模的研发和技术的逐渐成熟,其驱动系统在工业生产中的分布范围也随之扩大,已逐步成为工业用电动机的发展主流。围绕降低生产成本和提高运行效率而展开的研究与尝试已取得显著的效益,各大厂商也提供不同型号的电机以满足不同驱动系统的需求。现阶段在纺织、冶金、印刷、自动化生产流水线、数控机床等工业生产方面,无刷直流电机都有涉猎。
 
应用领域三,医疗设备领域。
 
在国外,对无刷直流电机的使用已经较为普遍,可以用来驱动人工心脏中的小型血泵;在国内,手术用高速器具的高速离心机、热像仪和测温仪的红外激光调制器都使用了无刷直流电机。
 
应用领域四,汽车领域。
 
据分析在市面上,一般的家用轿车需要永磁电机 20-30 个,而每辆豪华轿车则需要59个之多,除了核心发动机外,在雨刷器、电动车门、汽车空调、电动车窗等部位都有电机的身影。随着汽车工业向着节能环保的方向发展,所使用的电机也必须满足高效率、低能耗的标准。而无刷直流电机的低噪声、寿命长、无火花干扰、方便集中控制等优点完全符合,随着其调速技术的日益成熟,性价比会越来越高,它在汽车电机驱动的各个环节中的应用会更加广泛。
 
应用领域五,家用电器领域。
 
“变频”技术已非常普遍,作为中国家电的标志逐渐占据了大部分的消费市场,“直流变频”受到生产厂商的青睐,已有逐渐替换掉“交流变频”的转变趋势。这种转变实质上就是家电所用的电动机由感应电动机向无刷直流电机及其控制器的过渡,以达到节能环保、低噪智能、舒适性高的要求。无刷直流电机的发展方向与电力电子、传感器、控制理论等技术的发展方向相同,它是多种技术相结合的产物,它的发展取决于与之相关的每一种技术的革新与进步。
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