有刷直流電機和無刷直流電機工作原理解析

隨著高能效電機在汽車、農(nóng)業(yè)、空調(diào)和洗衣機等領(lǐng)域的廣泛使用，全球的電機市場得到了很大的增長。據(jù)MarketsandMarkets統(tǒng)計，2019年全球電機市場的規(guī)模為1220億美元，由于受到新冠疫情的影響，2020年的市場規(guī)模有所下滑，降到了1133億美元。不過，今年市場已經(jīng)有所好轉(zhuǎn)，因此，該機構(gòu)預(yù)計未來電機市場的年復(fù)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。 ?

? ? ? ? ?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(shù)實力都不錯的BLDC電機企業(yè)，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(nèi)的話，目前主要還是處于追趕階段。但是可以預(yù)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。 ?

? ? ? ? ?歐洲的市場份額也不小，約為19%，由于歐洲和美國的起步比較早，他們掌握了很多BLDC電機的核心技術(shù)，未來隨著全球市場對高端BLDC電機需求的增多，歐美市場的占比也會緩慢增長。但比例肯定沒有亞洲地區(qū)高。 ?

電機的主要應(yīng)用市場 ? ?

? ?電機的應(yīng)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(nóng)機具，以及汽車應(yīng)用等。具體來說，汽車應(yīng)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(yīng)用情況。

汽車應(yīng)用 ? ?

? ?隨著新能源汽車的崛起、智能駕駛的滲透，以及車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用試點，汽車的電子化趨勢越來越明顯。在汽車中，除了驅(qū)動電機以外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子懸架系統(tǒng)、汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、汽車巡航控制系統(tǒng)、ABS、車身系統(tǒng)（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(fā)展，需要用到BLDC電機的地方越來越多，拿汽車內(nèi)的電子水泵為例，新能源汽車需要對三電系統(tǒng)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(tǒng)水泵的100~150元提升到了200~300元。 ?

? ? ? ? ?2020年中國新能源汽車電子水泵市場規(guī)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(chǎn)量是136.6萬輛，但到了今年，1~10月份，新能源汽車的累計產(chǎn)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(nèi)使用的電機數(shù)量來看，一般來說，經(jīng)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。

? 風機應(yīng)用

? ? ?風機領(lǐng)域，風機包括：風扇、排氣扇、油煙機、吹風機、暖通空調(diào)風機、循環(huán)扇、工業(yè)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(chǎn)量是非常大的，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，從2013年到2020年家用電風扇的數(shù)量在逐年增長，2020年的產(chǎn)量是2.3億臺。 ?

? ? ? ? ?目前國內(nèi)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(chǎn)品面市。其中艾美特的數(shù)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(lǐng)域的無刷電機轉(zhuǎn)換率開始加快?，F(xiàn)在，在家用風扇領(lǐng)域，國內(nèi)無刷電機廠商已經(jīng)有一席之地了。根據(jù)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(zhuǎn)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(chǎn)品，小型的一般采用Nidec的外轉(zhuǎn)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(jīng)非常接近傳統(tǒng)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(huán)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(chǎn)品的價格可以賣得更高。 ? ? ?

? ?此外，其實工業(yè)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(yè)風扇，功率大，而且還不太安全。而工業(yè)風扇可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)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(yè)吊扇可以達到國家一級能耗標準。 ?

吸塵器應(yīng)用

? ? ? ?吸塵器也是電機應(yīng)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(jīng)非常高了。因此需求一直都比較穩(wěn)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。 ?

? ? ? ? ?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(yù)計未來的年復(fù)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(chǎn)品都是在中國制造的，國內(nèi)吸塵器的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品銷量也還不錯。一些在線商城上的相關(guān)產(chǎn)品，評價數(shù)量已經(jīng)超過10萬+了。這類產(chǎn)品普遍使用了無刷電機解決方案。 ?

圖：洗地機產(chǎn)品 ?

? 電動工具

? ? ? ? ?電動工具是應(yīng)用最為廣泛的五金機電產(chǎn)品之一。因其結(jié)構(gòu)輕盈、攜帶使用方便、出產(chǎn)效率高，能耗低等特點，廣泛應(yīng)用在建筑、裝飾裝潢、木業(yè)加工、金屬加工，以及其他制造業(yè)等各應(yīng)用行業(yè)的鉆、切、磨等加工環(huán)節(jié)。 ? ? ? ? ?隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以及DIY觀念逐漸被人們接受，電動工具的應(yīng)用范圍也在不斷擴展，許多傳統(tǒng)手動工具作業(yè)的領(lǐng)域開始更多地被電動工具所取代，電動工具也正在從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用拓展到家庭生活當中。電動工具的需求量正在逐年增加。 ?

? ? ? ? ?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(shù)的成熟，價格越來越親民，手持工具的量級在逐年增加，現(xiàn)在可與插電式的工具平分秋色。 ? ? ? ? ?其實國內(nèi)的電動工具產(chǎn)量一直都比較大，這幾年有所下滑。根據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計，2021年，我國電動工具的產(chǎn)量為2.2億臺左右。 ? ? ?

? ?據(jù)我們了解，國內(nèi)電扳手基本上已經(jīng)實現(xiàn)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(zhuǎn)換過程中。轉(zhuǎn)化慢的原因主要還是因為成本問題。目前BLDC電機相對傳統(tǒng)電機來說還是比較貴的。 ? ? ? ? ?目前國內(nèi)的電動工具主要集中在華東、華南、西南地區(qū)生產(chǎn)；其中華東地區(qū)產(chǎn)量最高，特別是浙江省貢獻了最多產(chǎn)量；浙江和江蘇兩省產(chǎn)量加起來超過了80%。 ?

電動自行車

? ? ? ? ?在國內(nèi)，電動自行車也是一個不小的市場，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2020年，我國電動自行車產(chǎn)量達到2966.1萬輛。 ?

? ? ? ? ?國內(nèi)對電動自行車的需求大，隨著新國標的執(zhí)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(jù)我們了解，這個存量超過了1億。想想這個市場也是蠻大的。 ?

BLDC電機在家電市場的滲透率 ? ? ?

?我們也統(tǒng)計了一下BLDC電機在家電領(lǐng)域的滲透率情況。這個更多是我們跟業(yè)內(nèi)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(chǎn)品中的電機用量是非常大的，我們粗略做了一個統(tǒng)計，在沒算上空調(diào)、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(yīng)該遠超10億臺電機的用量了。 ?

? ? ? ? ?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(chǎn)品市場，就是將現(xiàn)有的這些市場替換到50%，或者60%，市場規(guī)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(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。無刷直流電機的實質(zhì)是直流電源輸入，采用電子逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，有轉(zhuǎn)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(tǒng)直流電機有很大優(yōu)勢，是當今最理想的調(diào)速電機。 ?

? 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： ?

? 直流電機以良好的啟動性能、調(diào)速性能等優(yōu)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(qū)動方法簡單，其模型示意圖如下圖所示。 ?

直流電機模型示意圖 ?

DC電機（有刷電機）的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子（電樞）?、換向器和電刷等構(gòu)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(zhuǎn)子的磁場方向，這樣，直流電機的轉(zhuǎn)子就會持續(xù)運轉(zhuǎn)下去。 ? 直流電機有以下缺點

結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，增加了制造成本； 容易被環(huán)境（如灰塵等）影響，降低了工作的可靠性； 換向時會產(chǎn)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(diào)速性能等特點，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。 ?

圖1：無刷直流電機模型示意圖 ?

BLDC電機的運轉(zhuǎn)示意圖 ? 無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)差不多(原來的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ?，繞組的連線也基本相同。但是，結(jié)構(gòu)上它們有一個明顯的區(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)動橋需要 4 只功率管，而無刷直流電機的驅(qū)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(nèi)，轉(zhuǎn)子在外。另一種無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和這種剛剛相反，它的定子在外，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，即定子是線圈繞組組成的機座，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動轉(zhuǎn)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(tǒng)中有出色的表現(xiàn)； 無刷直流電機的再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài)； 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(jié)構(gòu)，可以防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠性高； 無刷直流電機比異步電機的驅(qū)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(zhuǎn)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(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同相通以對應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。 ? 如圖2所示為無刷直流電機的轉(zhuǎn)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(dǎo)通時使功率管的 G極接 12V，功率管導(dǎo)通，對應(yīng)的相線圈被通電。由于三個位置傳感器隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，會依次導(dǎo)通，使得對應(yīng)的相線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場方向也不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也跟著轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機的基本轉(zhuǎn)動原理——檢測轉(zhuǎn)子的位置，依次給各相通電，使定子產(chǎn)生的磁場的方向連續(xù)均勻地變化。 ?

圖2：無刷直流電機轉(zhuǎn)動原理示意圖 ? 為了方便理解，本文以下內(nèi)容統(tǒng)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(zhuǎn)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(nèi)部磁場。 ?

無刷直流電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體?，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)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(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。 ? 直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動時會產(chǎn)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(yīng)用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直角坐標系統(tǒng)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?shù)男阅堋?? 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?。幌?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，adc)、脈沖寬度調(diào)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(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。 ?

四、無刷直流電機的驅(qū)動方法

無刷直機電機的驅(qū)動方式按不同類別可分多種驅(qū)動方式，它們各有特點。

? 1.按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制； ?

2.正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用領(lǐng)域一，辦公計算機外圍設(shè)備、電子數(shù)碼消費品領(lǐng)域。

? 這是無刷直流電機普及最廣、數(shù)量最大的領(lǐng)域。比如在生活中常見的打印機、傳真機、復(fù)印機、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)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。 ?

應(yīng)用領(lǐng)域二，工業(yè)控制領(lǐng)域。 ? 近些年，由于無刷直流電機大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，其驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之擴大，已逐步成為工業(yè)用電動機的發(fā)展主流。圍繞降低生產(chǎn)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(qū)動系統(tǒng)的需求?，F(xiàn)階段在紡織、冶金、印刷、自動化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機床等工業(yè)生產(chǎn)方面，無刷直流電機都有涉獵。 ?

應(yīng)用領(lǐng)域三，醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。

在國外，對無刷直流電機的使用已經(jīng)較為普遍，可以用來驅(qū)動人工心臟中的小型血泵；在國內(nèi)，手術(shù)用高速器具的高速離心機、熱像儀和測溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無刷直流電機。

? 應(yīng)用領(lǐng)域四，汽車領(lǐng)域。

據(jù)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(fā)動機外，在雨刷器、電動車門、汽車空調(diào)、電動車窗等部位都有電機的身影。隨著汽車工業(yè)向著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)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(yōu)點完全符合，隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟，性價比會越來越高，它在汽車電機驅(qū)動的各個環(huán)節(jié)中的應(yīng)用會更加廣泛。 ? 應(yīng)用領(lǐng)域五，家用電器領(lǐng)域。 ? “變頻”技術(shù)已非常普遍，作為中國家電的標志逐漸占據(jù)了大部分的消費市場，“直流變頻”受到生產(chǎn)廠商的青睞，已有逐漸替換掉“交流變頻”的轉(zhuǎn)變趨勢。這種轉(zhuǎn)變實質(zhì)上就是家電所用的電動機由感應(yīng)電動機向無刷直流電機及其控制器的過渡，以達到節(jié)能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無刷直流電機的發(fā)展方向與電力電子、傳感器、控制理論等技術(shù)的發(fā)展方向相同，它是多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展取決于與之相關(guān)的每一種技術(shù)的革新與進步。

編輯：黃飛

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