新技術(shù) 新工藝 BLDC電機(jī)如何增效降本

隨著政策扶植、智能化技術(shù)、高性能磁性材料和新工藝的發(fā)展，BLDC電機(jī)市場(chǎng)增量空間將被有力推動(dòng)，滲透率有望加速提高。

前言

隨著全球?qū)τ诃h(huán)保和能源效率的要求越來(lái)越高，BLDC電機(jī)作為一種高效、環(huán)保、智能化的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，正逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域的主流選擇。高可靠性、低振動(dòng)、高效率、低噪音、節(jié)能降耗是BLDC電機(jī)顯著的性能優(yōu)勢(shì)，其下游應(yīng)用市場(chǎng)已廣泛擴(kuò)展到白色家電、風(fēng)機(jī)、泵、電動(dòng)工具、汽車電子等領(lǐng)域，BLDC電機(jī)市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。雖然當(dāng)前BLDC電機(jī)市場(chǎng)滲透率較低，但隨著政策扶植、智能化技術(shù)、高性能磁性材料和新工藝的發(fā)展，BLDC電機(jī)市場(chǎng)增量空間將被有力推動(dòng)。

BLDC電機(jī)多元化應(yīng)用，新能源汽車市場(chǎng)快速發(fā)展

從全球范圍來(lái)看，美國(guó)和加拿大已經(jīng)分別于2011年和2012年強(qiáng)制要求工業(yè)電機(jī)滿足IE3能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)也已于2021年6月1日正式實(shí)施，新版標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行勢(shì)必會(huì)對(duì)電機(jī)整體能效的提升產(chǎn)生影響。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，自2015年以來(lái)，全球BLDC電機(jī)市場(chǎng)始終保持一個(gè)較為平穩(wěn)的增長(zhǎng)，2021年全球BLDC電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)185億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到260億美元。

相較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)，BLDC電機(jī)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，表現(xiàn)在控制性能好、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)特性，同時(shí)具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

制表：?jiǎn)舾鐔籼禺a(chǎn)業(yè)研究室

據(jù)嗶哥嗶特產(chǎn)業(yè)研究室報(bào)告，目前醫(yī)療器械、家用電器、新能源汽車、電動(dòng)自行車、風(fēng)機(jī)、機(jī)器人、電動(dòng)工具和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，已成為BLDC電機(jī)八大熱點(diǎn)應(yīng)用市場(chǎng)。

值得關(guān)注的是，隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，BLDC電機(jī)作為新能源汽車的核心驅(qū)動(dòng)技術(shù)，市場(chǎng)需求量也在不斷增加。

Grand View Research數(shù)據(jù)顯示，汽車板塊在2021年以27.6%的份額占據(jù)主導(dǎo)地位。未來(lái)汽車板塊年復(fù)合增長(zhǎng)將超6%，是增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。而B(niǎo)LDC電機(jī)主要應(yīng)用于汽車自動(dòng)車窗操作、天窗執(zhí)行器、后視鏡調(diào)節(jié)器、空調(diào)和HVAC系統(tǒng)等。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，相較于普通汽車，一輛新能源汽車內(nèi)部至少需要配備170個(gè)電機(jī)，用量大大提升。據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)研究所副所長(zhǎng)王青預(yù)測(cè)，到2025年，新能源汽車的銷量會(huì)在1700萬(wàn)輛左右。假設(shè)未來(lái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)全無(wú)刷化，那么BLDC電機(jī)市場(chǎng)需求量在新能源汽車領(lǐng)域預(yù)計(jì)2025年達(dá)到28.9億個(gè)。

同時(shí)，隨著下游終端市場(chǎng)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，智能控制器的市場(chǎng)增長(zhǎng)空間預(yù)計(jì)也會(huì)大大提高。拓邦股份研發(fā)部軟件工程師陳攀登表示，目前BLDC電機(jī)在電機(jī)控制器內(nèi)的使用滲透率至少達(dá)到70%，而且BLDC電機(jī)控制器已是比較成熟的方案。在實(shí)際應(yīng)用中，BLDC電機(jī)有感控制算法擁有更廣的應(yīng)用場(chǎng)景范圍。

高效、環(huán)保、智能化下的BLDC電機(jī)控制算法

近年來(lái)，工信部、科技部、國(guó)家發(fā)改委等國(guó)家機(jī)關(guān)陸續(xù)發(fā)布相關(guān)政策扶持BLDC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)工信部規(guī)劃，到2023年，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上，2025年新增高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到70%以上，替換空間巨大。電機(jī)控制算法在其中的作用不言而喻。

我們知道，BLDC電機(jī)控制算法主要應(yīng)用于控制BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置等參數(shù)，對(duì)其效率和響應(yīng)性能至關(guān)重要。BLDC電機(jī)可以基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇驅(qū)動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)多樣化的控制需求。但由于電機(jī)控制所用參數(shù)較多且互為關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)控制算法復(fù)雜度較高且伴隨控制性能提升而提升，因此算法的優(yōu)劣直接影響電機(jī)的控制性能。

近些年來(lái)，BLDC的控制算法一直在優(yōu)化升級(jí)。從早期的6步方波到現(xiàn)在的FOC算法，響應(yīng)速度、運(yùn)行效率、控制精度和減低電機(jī)噪音等多方面取得了很大進(jìn)步。因電機(jī)低速下反電動(dòng)勢(shì)難以觀察的特性，無(wú)感FOC在低速下應(yīng)用也成為了各大BLDC驅(qū)動(dòng)方案公司的技術(shù)難點(diǎn)和攻克對(duì)象。

而且隨著B(niǎo)LDC電機(jī)控制終端需求升級(jí)，電機(jī)控制任務(wù)愈加復(fù)雜化。高性能BLDC電機(jī)又是未來(lái)電機(jī)發(fā)展的重要趨勢(shì)。BLDC電機(jī)在滿足更高效、低功耗、低噪音、多功能的復(fù)雜控制任務(wù)的需求下，對(duì)芯片設(shè)計(jì)公司提出了更高的技術(shù)要求。

制表：?jiǎn)舾鐔籼禺a(chǎn)業(yè)研究室

MCU主要控制BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)讀取傳感器獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法來(lái)控制電機(jī)的相序和電流大小，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通常來(lái)講，BLDC電機(jī)控制算法需要MCU具備較強(qiáng)的計(jì)算、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、ADC、接口和存儲(chǔ)器等資源。通過(guò)不斷優(yōu)化MCU控制算法、PWM波形、PID控制器、位置檢測(cè)算法、電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法、功率電子器件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面，以提高BLDC電機(jī)的效率和響應(yīng)性能。

另外，安森美系統(tǒng)應(yīng)用工程師卜仕鋒也提到，BLDC電機(jī)控制器除了優(yōu)越的控制算法外，功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)的選擇同樣非常重要，對(duì)電機(jī)控制的效率和可靠性有決定性影響。

新型磁性材料在BLDC電機(jī)中的應(yīng)用

近年來(lái)，越來(lái)越多的新型高性能磁性材料使用在BLDC電機(jī)上來(lái)提高性能。磁性材料不僅直接影響到BLDC電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等因素，而且可以為BLDC電機(jī)提供更高的轉(zhuǎn)矩和功率密度，以達(dá)到最佳的磁場(chǎng)效果和性能指標(biāo)。

永磁電機(jī)里面需要用到的磁性材料，主要包含釹鐵硼磁體、釤鈷磁鐵和鐵氧體永磁體等，其中釹鐵硼磁性材料是目前應(yīng)用最為廣泛的永磁體。釹鐵硼具有高磁能積、高矯頑力等特點(diǎn)，也被稱為強(qiáng)力磁鐵。以釹鐵硼為部件的電機(jī)尺寸小、重量輕，而且性價(jià)比高。

德昌電機(jī)集團(tuán)工程部高級(jí)工程專家干金云表示，目前BLDC電機(jī)基本上偏向于采用稀土。雖然稀土價(jià)格會(huì)較高，但是它性能優(yōu)異，可以使電機(jī)的功率密度高，而且體積做得小，重量輕。目前新能源車上的主驅(qū)電機(jī)運(yùn)用的永磁同步BLDC電機(jī)基本上都是采用稀土材料。但有一部分小型的BLDC電機(jī)用鐵氧體，主要是為了降成本，但它的性能較弱。

但目前來(lái)看，磁性材料占據(jù)了BLDC電機(jī)成本的很大一部分。也就是說(shuō)，BLDC電機(jī)中使用高性能的磁性材料可以提高電機(jī)效率和功率密度等性能指標(biāo)的同時(shí)，其價(jià)格和可用性等因素也會(huì)直接影響到BLDC電機(jī)的成本。這對(duì)于BLDC電機(jī)的設(shè)計(jì)提出了很大挑戰(zhàn)。因此，要想達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果，就需要綜合考慮磁性材料的性能、成本和可用性等因素。

安森美系統(tǒng)應(yīng)用工程師卜仕鋒表示，電機(jī)設(shè)計(jì)需綜合考慮多種因素，其中磁路設(shè)計(jì)、繞組設(shè)計(jì)、永磁體設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等技術(shù)是關(guān)鍵。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化完善這些技術(shù)，可以獲得更高效、高功率、高可靠性、低噪音、小體積的電機(jī)。繞組的傳統(tǒng)繞線方式效率低可靠性差，在材料選擇和制造工藝的提升對(duì)電機(jī)生產(chǎn)效率和電機(jī)一致性會(huì)具有很大幫助。

同時(shí)，伴隨著效益和環(huán)保意識(shí)的提高，電機(jī)本體在應(yīng)用中越來(lái)越需要滿足高功率、高可靠性、低噪音和輕量化設(shè)計(jì)等要求。對(duì)于電機(jī)本體企業(yè)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如何進(jìn)行有效突破也是一個(gè)必須面對(duì)的難題。干金云表示，要想實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，首先體積要小，而且現(xiàn)在磁材也在BLDC電機(jī)的用量上增加，單片機(jī)國(guó)產(chǎn)化的需求量大大提升。

干金云還說(shuō)到：“在近兩三年里，許多電機(jī)都改用無(wú)刷了，這就是機(jī)會(huì)。在降低成本方面，由于原材料受市場(chǎng)需求和國(guó)家對(duì)稀土的控制政策影響很大，從電機(jī)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，就是盡量把設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，充分利用永磁的性能，減少用量的同時(shí)把成本降下來(lái)，而且現(xiàn)在許多企業(yè)在做無(wú)稀土永磁電機(jī)。控制器成本主要還是取決于國(guó)產(chǎn)的MCU、驅(qū)動(dòng)的功率管等半導(dǎo)體器件。因?yàn)閲?guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體性價(jià)比相對(duì)會(huì)高，應(yīng)該也會(huì)全部用國(guó)產(chǎn)替代?！?/p>

結(jié)語(yǔ)

在全球大環(huán)境下，隨著未來(lái)政策實(shí)施、相關(guān)技術(shù)提升和成本下降，BLDC電機(jī)市場(chǎng)的空間將會(huì)進(jìn)一步加大。從主要的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，伴隨新能源汽車逐漸普及發(fā)展，汽車領(lǐng)域BLDC電機(jī)需求量增長(zhǎng)速度較快。未來(lái)BLDC電機(jī)將向微型化、節(jié)能化、智能化、機(jī)電一體化方向和發(fā)展。

總體來(lái)說(shuō)，高效、環(huán)保、智能化將是BLDC電機(jī)市場(chǎng)未來(lái)應(yīng)用和發(fā)展的重要方向，BLDC電機(jī)將會(huì)更加注重高效性能、環(huán)保性能和智能化性能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。同時(shí)高性能磁性材料和新工藝在BLDC電機(jī)中的應(yīng)用，將會(huì)對(duì)于BLDC電機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。相信未來(lái)BLDC電機(jī)控制技術(shù)和性能會(huì)更加成熟可靠，且價(jià)格為更多人接受。

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審核編輯黃宇