虽然电机的历史已经超过百年,但是无刷直流(BLDC)电机的历史不过 50 年的历史。随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术,以及电力电子技术,特别是大功率开关器件的发展 BLDC 电机得到了长足的发展。现在,BLDC 电机已经在军事、航空、工业、汽车、民用控制系统,以及家用电器等领域都有广泛的应用。
 
2018 年全球 BLDC 电机市场的规模为 153.6 亿美元,据记者估计,未来几年的市场增长率为 6.5%左右,预计 2022 年 BLDC 电机市场规模将达 197.6 亿美元左右。这主要是由于全球各国的能效标准变得越来越严格;BLDC 电机相关技术变得越来越成熟,比如说锂电池的价格更加亲民,国内半导体厂商逐渐强大,元器件成本降低;以及 BLDC 电机驱动电路成本的下降,无刷电机与有刷电机相比,因为多了驱动电路,增加了电气元器件,特别是在初期电机本体与驱动电路的价格大约为 1:10,高昂的价格制约了无刷电机的发展。但近年来,随着技术的进步电机本体与驱动电路的价格比已经降至 1:1~3,这为无刷电机的大规模应用创造的先决条件。
 
BLDC 电机的应用场景越来越多,<电子发烧友>根据晶丰明源半导体有限公司电机系统负责人钱志存的演讲与市场观察,总结了目前 BLDC 电机的 15 大热门应用。
 
一、吸尘器 / 扫地机器人
吸尘器和扫地机器人是 BLDC 电机应用中备受重视的一个领域,目前新型的吸尘器和扫地机器人主要以 Dyson 和莱克等为代表。
这几年来,心尘器的开发热点主要集中在高速电机上,各个厂家的方案有所不同,其中 Dyson 以单相高速电机为主,国内很多厂家为了规避专利,以三相居多。另外,Nedic 直接开发性价比很好的高度电机,对国内厂家造成了一定的冲击。
 
在<电子发烧友>举办的 BLDC 电机控制技术沙龙上,来自深圳市赛领未来科技有限公司的研发主管彭鸿表示,目前国内的扫地机器人大部分都是采用了 Nedic 的无刷电机,主要是他们的电机不仅性能不错,价格也下降得厉害,“我们现在用的是自己设计的电机,不过下一代产品,我们可能也要换成 Nedic 的电机了。”
 
图 1:<电子发烧友>举办的 BLDC 电机控制技术沙龙现场。
 
他同时透露,现在扫地机器人不仅仅是在室内使用,现在也有大街上使用的,只是打扫街道的扫地机器人需要更精确的定位功能。
 
其实室外的扫地机器人不仅可以用来打扫卫生,还可以用来除草,彭鸿谈到他们有些国外的客户就有这方面的需求,将扫地机器人改装一下,加上刀片和定位功能,就可以自动割除花园里面的杂草了。他承认这对设备的定位精度要求比较高,不过因为是在室外,也不难实现。
 
图 2:Qorvo 的 PAC5532A 芯片平台。
 
二、电动工具
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。
 
据统计,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。
 
这主要是由于无刷电机的节能和高效率,让手持式电动工具可以运行更长时间。现在很多国际厂商和国内厂商都投入很多资源进行产品开发,比如 Bosch、Dewalt、Milwaukee、Ryobi、Makita 等。
 
目前国内的电动工具发展也很迅速,特别是在江浙一带,集中很多电动工具厂商。最近几年江浙一带的无刷电机控制方案成本下降很快,不少厂商已经发动了价格战,据说一个电动工具的无刷电机控制方案也就 6、7 元左右,有的甚至只需要 4、5 元。据参加 BLDC 电机控制技术沙龙的网友透露,现在电动工具的方案价格战并没有结束。
 
图 3:<电子发烧友>举办的 BLDC 电机控制技术沙龙合影。
 
有人担心这种价格战会让把行业做坏,也有人认为价格战对整个行业来说并非坏事。深圳市东安华科技有限公司研发总监王峰在 BLDC 电机控制技术沙龙讨论环节表示,价格战其实对产品的普及是利好的。他拿北斗芯片举例说,“北斗芯片刚开始出来的时候,一套系统的价格都在 4000 元左右,但当时有家公司就直接在行业内报出 2000 元的价格,开始的时候大家都很难受,觉得没钱赚了,但其实价格下来后,出货量增加了,最后做下来发现赚的比之前还多。”
 
现在国内不少芯片厂商也都推出了相应的电动工具无刷化解决方案。比如华大半导体,灵动微和凌鸥创芯等。
 
图 4:华大半导体 MCU 市场部经理梁少峰在介绍其电动工具解决方案。
 
图 5:凌鸥创芯 CEO 李鹏在介绍其无霍尔枪钻控制方案。
 
图 6:凌鸥创芯的电动园林剪刀无霍尔控制器。
三、设备散热风扇
设备散热风扇在多年以前就开始向 BLDC 电机方向转换,在这个领域内有一个标杆企业,那就是依必安派特(EBM),该公司的风机和电机产品广泛应用在了通风、空调、制冷、家电、供暖、汽车等多个行业。
 
据钱志存透露,目前国内有不少公司在做与 EBM 类似的无刷散热风机,而且抢占了不少 EBM 的市场,甚至有好几公司已经成功上市。
 
特别是国内充电桩的兴起,给了很多厂家以信心。现在国内很多厂家都加大了在 DC 风扇,可实现智能互联的 EC 技术风扇上的创新投入,在技术和工艺上与台资厂商的产品已经非常接近了。
 
四、冰柜冷却风机
由于行业标准和国家能效标准的影响,冰柜冷却风机开始转向 BLDC 电机,而且转换速度相对较快,产品数量比较大。据钱志存观察,现在出口使用 SP 电机的产品越来越少,他预计在 2022 年之前,60%的冰柜冷却机将会换成变频电机。
 
冰柜冷却机使用的 BLDC 电机有三相的,也有单相的;电压也有高压和低压的区分,一般来说,功率大于 30W 的 BLDC 电机将会采用高压方案。
 
在冰柜冷却机方面,目前国内配套的厂家,主要集中在长三角和珠三角一带。
 
五、冰箱压缩机
由于冰箱压缩机的转速决定了冰箱内部的温度,而变频冰箱压缩机的转速可根据温度来发生改变,从而可以让冰箱根据当前的温度情况做出调整,让冰箱内的温度更好地保持恒定。这样,食物的保鲜效果将更好。变频冰箱压缩机大都选择 BLDC 电机,因此工作的时候效率更高,噪声更小,而且使用寿命更高。
 
这一领域以前是日、韩、台系厂商的产品为主,但 2010 年之后,国内厂商的起步很快,据说上海有一家厂商的年出货量已经接近 3000 万台左右了。
 
随着国内半导体厂商的进步,不论是主控 MCU 厂商,预驱 Gate Driver,还是功率 MOSFET,国内厂商基本都能提供了。
 
比如说 ST 推出的冰箱方案,采用了 STSPIN 系列 MCU 和 STGD5H60DF 驱动新品,可实现 30mW 的待机功耗。
 
图 7:ST 冰箱方案。
 
国产芯片厂商华大半导体也推出了其冰箱压缩机平台变频驱动方案,该方案采用了基于 HC32 系列芯片,使用了无位置传感器 FOC 控制策略,可实现压缩机的调速功能。
 
图 8:华大半导体的冰箱压缩机平台变频驱动方案。
 
六、空气净化器
自从前几年雾霾天气加剧后,人们对空气净化器的需求量越来越大。现在有很多厂家都进入了这个领域。
据钱志存透露,目前空气净化器市场上的产品,小型的一般采用 NMB 和 Nedic 的外转子电机,大型的空气净化器一般都使用 EBM 的风机。
 
空气净化器使用的国产电机,大多是仿制 Nedic 的产品,不过现在国产电机平台的种类也变得越来越丰富了。
 
七、落地扇
落地扇历来都是小家电电机厂家必争的领域。目前国内主流的小家电厂商,比如美的,先锋、日彩、艾美特等,基本上都有采用无刷电机的产品面市。其中艾美特的出货数量最大,小米的成本最低。
 
当然,也有部分家电厂商在向无刷电机转换的过程中,不是那么顺畅,这主要是跟这些厂商原来的研发和生产体系有关,比如前期在有刷电机的研发和生产设备投入较大,再转换成无刷电机有要投入大量资金,因此转换动力不足。
 
但现在有些跨界的厂商正在进入落地扇领域,导致落地扇的无刷变频转换率加快了。再加上国内电机厂的进步,在落地扇应用领域,已经把不少日系电机厂商挤出了中国市场。可以说,国内无刷电机厂家已经在落地扇主流品牌中占有一席之地了。
 
图 9:灵动微针对电动工具、电动车和风扇等应用的解决方案。
 
八、水泵
水泵是一个比较传统的行业,其种类繁多,方案类型也多种多样。就算是相同功率的驱动板,目前市面上就有多种,价格从不到两元的,到四、五十元不等。
 
在水泵应用中,中大型功率多以三相异步电机为主,小微型水泵以 AC 两极泵为主。现在北方取暖改造对于泵类方案的技术创新是一个好机会。不过,钱志存透露说,虽然有厂家在该领域有投入,但效果还不太明显。
 
如果只从技术的角度来说,无刷电机是比较适合在泵类领域应用的,其体积、功率密度,甚至成本都有一定的优势。
 
九、风筒
风筒是个人护理领域出货量比较大的一个应用,特别是自从 Dyson 推出了高速数码电机产品后,带火了整个风筒市场。
 
目前国内的风筒方案主要有三个方向:一是以 Dyson 为标杆的,采用超高速无刷电机的方案,转速一般是 10 万转左右,最高的有 16 万转每分钟;二是 U 马达取代方案,转速与 U 马达类似,其优势是重量轻,风压大;三是外转子高压方案,其电机主要是仿制 Nedic 的方案。
 
目前国内的仿制产品,不是以前单纯的抄了,基本上都做到了专利规避,并且做了一定的创新。比如凌鸥创芯的高速风筒控制方案就很好地规避了 Dyson 的专利。据其 CEO 李鹏介绍,该方案启动平稳,最高转速达 12 万转,拥有 100%的知识产权,不用担心专利问题。
 
图 10:凌鸥创芯的高速吹风机控制方案。
 
十、吊扇及吊扇灯
近年来市场上很多的灯厂,陆续转型生产吊扇灯。吊扇灯产品的主要销往印度、马来西亚、澳大利亚、美国等国家,不过近年来,国内市场也开始火热起来。
 
目前国内的的厂商主要以代工为主,厂商集中在中山、佛山等地,产品出货量比较大,据说有的厂商一个月有 400K 的出货量。
 
以前的吊扇主要以电容感应马达为主,因为电容感应马达容易控制,但效率不高,所以现在国内不少厂商陆续开发了以外转子为主的无刷电机吊扇灯方案。吊扇灯方案分为高压和低压两种类型,一般低功率的产品以低压为主,大于 50W 的产品以高压为主。
现在高压方案的产品出货量增长速度很快。
 
图 11:晶丰明源的高压吊扇灯控制方案。
 
图 12:晶丰明源的低压吊扇灯解决方案。
 
十一、排气扇
排气扇的无刷化转换其实很早之前就开始了,但是由于排气扇的种类相当多,功率范围特别广,再加上 SP 马达的价格实在太低了,其转化率一直不高,也相当混乱。
 
由于国外的能效标准更加严格,其转化率更高一点,但出货量其实不算大。钱志存表示,“据我接触的一些给国外排气扇厂家做配套的国内厂商,现在有采用无刷电机方案的排气扇,但几个大的厂商加起来,出货量不到 1000 万台。”
 
据钱志存观察,传统的排气扇主要高压电机、SP 马达和电容马达为主,在中小功率,特别是小于 200W 的排气扇中,转换成无刷电机已经成为了一种趋势。
 
十二、抽油烟机
抽油烟机是厨房电器的重要组成部分,传统动力部分为单相感应异步电机。其实抽油烟机是无刷化转换时间长,但转换率不高的一个应用,这其中一个重要的原因是变频的成本控制得不够好,目前变频的方案大概需要 150 元左右,而非无刷电机方案不要 100 元就能搞定,低成本的可能只需要 30 元左右。
 
如果抽油烟机的无刷电机方案能够把成本控制下来,转换率应该会更高,毕竟无刷电机的优势摆在那里,比如传统的 SP 马达、PSC 马达功率范围是 60W~300W,改成变频后,功率范围可降至 30W~150W 之间。
 
图 13:凌鸥创芯的无刷油烟机方案。
 
十三、个人护理
现在喜欢健身的人越来越多,专业玩家锻炼后往往会给肌肉放松,因此,筋膜枪的出货量近年来开始井喷。据说现在健身房教练和运动爱好者都配备了筋膜枪。筋膜枪是利用了震动的力学原理,通过筋膜枪将震动传递到深层的筋膜肌肉,达到放松筋膜的作用,降低肌肉张力。有人将筋膜枪当作是运动后的放松神器。
 
不过现在筋膜枪的水也很深,虽然外形看起来都差不多,但价格从 100 多元的到 3000 多元的都有。
 
图 14:淘宝上不同价格的筋膜枪。
 
从技术上来说,筋膜枪多数都是采用无感外转子无刷电机。
 
十四、体育器材
近两年来,健身房的相关器械电动化趋势越来越明显,特别是跑步机。现在采用外转子无刷电机的跑步机也是越来越多,其功率范围 800W~2000W,转速多数在 2000rpm~4000rpm 之间,以高压方案为主。一般专业级别的跑步机产品里面有飞轮,以增加惯性,防止在停电时急停。
 
凌鸥创芯的李鹏表示,跑步机产品并不好调试,因为跑步机的“脚感”相当重要,这就要求电机的控制精度很准确,他坦承,他们的这个跑步机方案他调试了三年才调试好。
 
图 15:凌鸥创芯的跑步机电机控制器方案。
 
十五、广告机
近年来,还有一个比较热门的应用就是各大商场的广告机。广告机以其新颖的结构,靓丽的 3D 展示,灵活的摆放等特点成为新应用中的一匹黑马。虽然出货量不大,但值得期待。
 
因为广告机需要电机和灯进行配合,加上对转速精度要求比较高,所以基本都采用变频方案。现在佛山有几个厂商在做这方面的产品。
 
结语
从这些无刷电机的热点应用来看,未来这些应用转换成无刷电机是必然的趋势,主要原因有以下几个:
 
一是能效标准越来越严格;二是产品的外观已经不能在很大程度上左右客户的选择,但技术营销对消费者的影响越来越大;三是无刷电机相关技术的成熟度越来越高,国内半导体厂商越来越强大,无刷电机的成本越来越低;四是国内电机厂商制作的无刷电机无论在技术上,还是工艺和产品一致性上都直追一线电机品牌。
 
也就是说,未来无刷电机的应用场景将会越来越多,越来越普及。而随着自动化的普及,智能家居应用,汽车等进入普通人的生活,个性化产品越来越多,电机种类的细分也更明显,对生产厂商来说,如果他们能够找好自己的定位,专注细分领域,那样就可以更好地体现出他们的竞争力。