随着全球工业自动化、智能化和人们生活水平的提高,电机在汽车、家用电器、电子音像、信息处理设备,以及工业自动化等领域的应用将越来越广泛。

 

据统计,发达国家每个家庭平均拥有的电机数量是 80 到 130 台,而我国大城市家庭平均拥有的电机数量大约在 20 到 40 台之间,目前还远低于发达国家的平均水平,因此,国内的电机产业还有很大的发展空间。

 

相对于电机 200 多年的历史,BLDC 电机其实是相对来说比较年轻的,从发展至今也就 50 多年的历史。但是随着半导体技术的发展,MCU 和驱动组件的普及,使得 BLDC 电机的总体成本降低了很多,因此,这几年 BLDC 电机得到了发展,其总体成长率也高于电机的成长率。

 

图 1:BLDC 电机市场规模预测。

 

预计未来几年 BLDC 电机的年复合增长率将会是 6.5%左右。据统计,2019 年 BLDC 的市场规模约为 163 亿美元,预计到 2024 年将会达到 224.4 亿美元左右。

 

市场规模摆在那里,那具体应用又有哪些呢?最近,在<电子发烧友网>举办的第三届 2020 年无刷直流电机控制技术研讨会上,其行业分析师程文智分享了“BLDC 电机的十大潜力应用市场分析”报告。在他看来,未来 BLDC 电机使用量比较大的应用市场主要有汽车、5G、无人机 / 水下机器人、电踏车 / 电动车、工业机器人、风机、压缩机、电动工具、泵类和个人保健护理等。

 

一、汽车应用市场

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,汽车电子化的趋势越来越明显。

 

未来汽车中,除了驱动电机外,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(车窗、门锁、座椅、后视镜、雨刷、天窗等)都将会大量使用到电机。

 

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,而新能源汽车一般需要 130 到 200 台电机。

 

图 2:汽车内使用的电机数量。

 

随着人们对汽车使用性能的日益注重,特别是对汽车舒适性、安全性、燃油经济性,以及环境保护等要求越来越高,汽车上的电子控制装置和用电设备相应增加,各种电动装置的使用,使得汽车电机的装备数量上升。

 

新能源汽车是这几年的发展趋势,现在全球政策都同时在推进新能源汽车发展。欧美等发达国家积极布局新能源汽车市场,通过各种补贴优惠政策和法案,推动新能源汽车的发展,促进传统燃油车到电动汽车的转变。

 

国内 2019 年 7 月之后,由于补贴大幅退坡,增速有所下滑,但随着 2020 年各大车企的新能源车型不断推出,特别是 TESLA Model3,大众 ID.3 等车型的上市,行业有望由补贴驱动转向需求驱动,进入第二个快速增长期。

 

二、5G

2020 年时中国 5G 发展的关键之年,虽然受疫情影响,第一季度 5G 建设出现迟滞,但中国移动表示,力争 2020 年底,5G 基站数达到 30 万的目标不变,中国电信也将与中国联通力争在三季度完成新增共建 5G 基站 25 万站,追回受疫情影响。加上中国广电计划筹建的 5 万座基站,中国在今年将要建设 60 万座基站。

 

图 3:四大运营商 2020 年计划建设的 5G 基站数量。

 

在 5G 基站中,需要用到电机的地方也不少,首先是基站天线。目前 5G 基站天线应用配套的含齿轮箱组件的控制电机产品,包括步进电机和无刷电机两种方案,每面电调天线配套使用一台加齿轮箱的控制电机。

 

一般情况下,普通的通讯基站需要配置约 3 面天线,4G 基站需要配置 4 到 6 面天线,5G 基站的数量和天线数量将会进一步增加。

 

除了基站天线,基站中的冷却系统也需要用到电机产品。比如散热风扇、空调压缩机等等。

 

三、无人机 / 水下无人机

无人机几年前就已经很火了,但并不是所有的无人机都是使用无刷电机的。现在很多无人机都在向无刷电机转换,以获得更长轻的机身,更长的续航时间。

 

据 Droneii 报告,2018 年,全球无人机市场规模为 141 亿美元,预计到 2024 年,全球无人机市场规模将达到 431 亿美元,其中增速最快的是亚洲和北美地区。复合增长率为 20.5

 

根据民航局“民用无人机使命登记信息系统”统计,截至 2018 年底,中国共有 28.5 万架无人机注册,到 2019 年底,共有注册无人机超过 39.2 万架,无人机商业飞行 125 万小时。

 

特别是在今年年初的疫情期间,无人机发挥了很大作用,比如它在医院和疾控中心间穿梭,实施疫情防控急救药品和标本的自动化转运;在公路上盘旋,代替人工进行空中指挥的工作;化身消毒神器,在全国各地广大农村乃至城区完成防疫消杀工作;化身宣传小能手,隔空喊话宣传劝导,让人们好好宅在家里等等。

 

也正式由于疫情的影响,无接触配送再次被推上风口浪尖。国内,民航局在去年就开展了无人机物流配送服务试点。由于疫情的影响,国内的推进速度应该会加快;国外,物流巨头 UPS 与德国无人机制造商 Wingcopter 联手,将新型垂直起降无人机带入货运行业,以运送包裹。

 

还有一个我们不太熟悉的水下无人机,也开始慢慢起量。记得我在 2017 年采访的一家水下无人机企业,当时他们刚好量产,通过众筹的出货也就几百来台,现在已经年出货量几万台了。

 

四、电踏车 / 电动车

电踏车既保留了原始骑行体验,又提供了智能化辅助动力。它是一种介于自行车与传统电动车之间的交通工具,电踏车主要通过传感器根据骑行信号提供相应动力辅助,减少骑行者出力,让用户骑行更加轻松。与自行车相比,电踏车增加了电机、电池、传感器、控制器、仪表等,使得骑行体验更加丰富。与传统电动车相比,电踏车不是通过手的转握来控制车速,而是通过传感器捕捉骑行的信号,进而理解骑行者的骑行意图,提供相应的动力辅助,使得骑行更加智能。

 

图 4:自行车、电踏车和传统电动车对比。

 

国内的电踏车售价在 2000 到 10000 元不等。欧洲的轮毂电机电踏车售价在 500 到 1700 欧元之间,中置电机电踏车售价在 2300 到 3300 欧元之间。电踏车的售价远高于自行车和电动车。

 

电机是电踏车电气系统的核心部件。由于电机小型化、轻量化、运行效率及外观可靠性直接决定了电踏车的性能,因此电机企业一般要根据电踏车的需求对电机进行定制化开发。电机占电踏车成本的 10%~30%。

 

欧洲对电踏车的需求旺盛。根据欧洲自行车行业协会数据统计,2006 年到 2018 年,欧洲市场电踏车销量从 9.8 万辆,增长到了 250 万辆。年均复合增长率达到 31%。

 

日本市场也在稳步增长中。日本是最早研发、生产和销售电踏车的国家,在 1980 年代就成功开发出了第一代电踏车,但由于日本多为丘陵地形,道路崎岖不平,老龄化严重,电踏车成为了必要的选择。

 

国内市场处于起步阶段。未来成长空间可观。目前摩拜、小米、哈罗出行,倍速出行,永久等企业开始在国内尝试推广电踏车。

 

五、工业机器人

工业机器人在国内主要是替代市场,其空间相当广阔。虽然中国是全球第一大工业机器人应用市场,但在工业机器人领域,全球知名生产厂商主要集中在以美、日、德国等为代表的发达国家,如瑞典 ABB、日本发那科、安川电机,以及德国库卡为代表的四大家族。

 

图 5:工业机器人销量。(数据来源:国际机器人联合会)

 

根据国际机器人联合会的数据,2018 年全球工业机器人销量为 42.2 万套,其中中国区的销量是 15.4 万套,占比 36.5%。另外,根据国家统计局的数据可以看出,中国工业机器人的产量也在逐渐增加,从 2015 年的 3.3 万套左右,增长到了 2018 年的 18.7 万套。增长速度迅猛。

 

不仅如此,随着近年来政府不断推出产业支持,国内企业的不断突围,国内工业机器人国产化率不断提高。2018 年上半年,机器人本体销售国产占比由 2015 年的 19.42%,上升到了 28.48。与此同时,我国工业机器人的整体销量也保持增长。

 

六、风机

风机包括:风扇、油烟机、吹风机、风帘机、暖通空调风机等等。主要的下游制造商有美的、艾美特、格力、先锋、华帝、老板等等。

 

从家用风扇来看,这一块是非常大的市场,中国家用风扇的产量是非常大的,根据国家统计局的数据,2018 年,我国家用风扇的产量是 1.8 亿台,2017 年没有 12 月的数据,但 11 个月的数据是 1.6 亿台,2016 年是 1.6 亿台,估计 2019 年有 1.9 亿台左右。

 

图 6:中国家用风扇产量。(数据来源:国家统计局)

 

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。

 

除了家用风扇,还有设备散热风扇,设备扇热风扇其实在多年以前就开始向无刷电机开始转换。在这个领域有一个标杆企业,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、供暖和汽车等多个行业。

 

目前,国内有不少公司在做与 EBM 类似的无刷散热风扇,而且已经抢占了不少 EBM 的市场。

 

特别是国内充电桩的兴起,国内厂商的机会应该很大。现在国家还将充电桩列入了“新基建”项目,今年应该会有更大的发展。

 

还有冰柜冷却风机,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。预计在 2022 年之前,60%的冰柜冷却机将会换成变频电机。目前冰柜冷却机方面的国内配套厂商主要集中在长三角和珠三角地区。

 

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。目前变频的方案大约是 150 元左右,但非无刷电机方案基本百元内就能搞定,低成本的甚至只需要 30 元左右。

 

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 Nedic 的外转子电机,大型的空气净化器一般都是采用 EBM 的风机。

 

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,一般成品都是要七八百一台,贵一点的两三千的也有。

 

七、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。

 

图 7:中国冰箱和变频冰箱销量情况。(数据来源:国家统计局)

 

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。

 

还有就是空调压缩机,目前变频空调已经基本上深入人心,空调变频化已经是大势所趋。国内空调的产量也是相当大的。根据国家统计局的统计,2018 年空调用电机的产量是 3.6 亿台,空调用 BLDC 电机的产量为 9600 万台左右。而且,空调用 BLDC 电机的产量基本上每年都在上升。

 

八、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。

 

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。

 

九、泵类

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。

 

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。

 

十、个人保健护理

在个人保健护理方面,有两个比较有代表性的产品,一是戴森的网红产品风筒,另一个是筋膜枪。

 

自从 Dyson 推出了采用高速数码电机的风筒产品后,带火了整个风筒市场。

 

根据以前晶丰明源的钱志存的介绍,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。

 

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。现在筋膜枪使用的 BLDC 电机控制驱动板的市场售价已经下降到了 8.x 元,甚至还出现了 6 元左右的控制驱动板。使得筋膜枪的价格迅速下降了。

 

据说有家电机厂商,本来快要倒闭了的,但靠筋膜枪一个产品,立马起死回生了。而且还过得相当滋润了。

 

当然,除了这两个产品,还有男生用的剃须刀,女生有的美容仪等产品也都有向无刷电机转换的趋势。

 

结语

总的来说,BLDC 电机还处于起步阶段,应用现在也是百花齐放。除了我这里讲到的一些,还有很多,比如服务机器人,AGV,扫地机器人、破壁机、炒菜机、洗碗机等等都有它的身影,其实,我们生活中用到电机的地方很多,未来还有很多应用等待我们去挖掘。