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出货量曝光BLDC无刷直流电机的大时代!

日期:2019-02-21 10:16

  )行业收入连年增加,2016年为189.2亿元,同比增长22.3%,中国无刷直流电机(BLDC)的市场前景较为乐观,市场规模将进一步扩大。预计未来五年,行业增速仍将保持在20%左右的水平,到2022年行业市场规模将达到565亿元左右。

  中国做为制造大国,电机需求量庞大,无刷直流电机的采用正在多个行业推动,这也令许多国内外半导体厂商看到了机会。电子发烧友最近展开的业界访谈,带朋友们一起看看BLDC的行业发展情况。

  无刷直流电机(BLDC)的价格较有刷电机高,但优势明显,例如高效能、寿命长等,电机市场以交流电机、有刷直流电机的广泛使用为主的格局,正在被无刷直流电机的入局所打破。

  灵动微电子MCU产品事业部市场总监黄致恺谈及电机带来的便利,我们所知,无刷直流电机不仅解决了传统电机效率不高等问题,更带给人们很多的便利,例如电动自行车的发展,相较于传统的人力自行车大幅拉长了移动距离,进而拉近了人与人之间相处的距离,再例如扫地机器人方便了许多没有时间打扫家里卫生的上班族。

  品佳集团应用工程经理刘双云Nelson Liu接受电子发烧友采访时说,随着微电子技术的不断发展,电子产品很多领域都在遵循“摩尔定律”,唯独电机产业近20年来没有任何更新换代,当下技术发展的前沿,传统电机不能一直独霸天下,BLDC技术替代传统电机已经势在必行。

  分析BLDC的优势,BLDC较交流异步电机效率高,扭矩大、转矩脉动小、寿命长。品佳集团资深应用工程经理刘志东Jack Liu说,高效是一个重要的指标,BLDC电机相对于传统电机,BLDC效能可达到80%以上,而当下有刷电机的碳刷需要维护。不过,当前,有刷电机成本较低,技术门槛也低,所以得到大规模的推广,这也从侧面说明,具有性能优势的无刷电机潜在需求仍未充分释放,相信现今客户对产品的品质越来越高,BLDC未来还有充足的发展空间。

  赛普拉斯半导体物联网无线事业部亚太区市场经理彭涛(Alex Peng)认为,因为无刷直流电机的广泛应用而要求相应的控制技术成熟可靠,同时也要求控制技术能提升性能和效率并具有高性价比,这是我们看到的未来几年的无刷直流电机市场的大趋势。

  低压无刷电机小型化,集成化,驱动一体化将是未来的市场趋势,尤其在一些对生产效率有较高要求的行业,小型无刷一体化电机替代步进电机和有刷电机应用也将是一个大趋势。MPS北中国区资深FAE王力基于以上的分析,表示MPS会结合自身半导体工艺优势,推出更多的高功率密度的驱动控制一体芯片来引领这种趋势。

  无刷直流电机发展至今已超过五十年的历史,但随着近年来国内半导体的发展趋势,将会有更大幅度的发展。黄致恺认为,半导体组件如功率组件(MOSFET),微控制器(MCU),驱动组件(Gatedriver)的普及,使得无刷直流电机的总成本降低很多,许多应用已经触及到消费者的甜蜜点,相信2019开始会有一大波的成长。

  无刷直流电机的采用是应用趋势使然,黄致恺举例说,正所谓“马达为工业之母,民生之朋友”。人们从一早起床使用电动牙刷,使用智能锁开关门,坐电梯上下楼,骑电动自行车或搭乘地铁,一直到晚上回到家使用空调等,几乎都离不开电机。

  电子发烧友记者根据采访和资料得到的数据,显示出无刷直流电机广阔的前景和增长势头。

  新能源汽车必然是未来的趋势,这一点为受访厂商看好。黄致恺指出,传统电机因为使用了永久磁铁,因此必须考虑因为使用环境产生发热进而退磁等一些大批量的使用问题,因为无刷直流电机具有高效率高扭矩的优势,使得无刷电机应用在新能源汽车成为一个很重要的方向。目前国内新能源汽车的主驱动电机基本都是采用BLDC电机。品佳集团资深经理沈文龙Peter Shen也表示,无刷电机在汽车的应用远没有达到我们需求的要求,还需深挖电机的潜力。

  据品佳Nelson介绍,目前品佳基于Ricthek方案平台,主要推广在工业类和消费类产品应用。美的,格力,大洋,威灵等知名企业都已导入Richtek方案。以格力为类,17年电机出货量在7千万台,大都以交流电机为主,其BLDC约占整个出货量的20%,预估今年将会提升到50%。

  在中国,无刷直流电机的最大应用领域主要是在家用电器,如洗衣机,空调压缩机,冰箱压缩机和风机(风扇,室外室内风机,抽烟烟机,空气净化器),洗碗机等。同时电动工具,电动自行车,水泵,无人机也已经广泛应用了无刷直流电机。赛普拉斯是以上领域的电机控制IC主要厂商,同时也提供以上相关的电机控制成熟解决方案,其PSoC4和PSoC6集成MCU和模拟采样,高速运放和模拟比较器得到广泛应用。

  瑞萨电子中国产业解决方案中心工业和家电部经理吕仁亮告诉电子烧友者记者,变频控制是瑞萨电子的产品和技术聚焦的方向之一,在白色家电市场,变频化已经是主流,无刷直流电机逐年有着高速的增长。预计2019年白色家电的变频化将达到40%,2022年预计会达到70%。

  东芝电子(中国)有限公司系统LSI战略业务企划统括部高级工程师姜铁军表示,冰箱,空调,洗衣机等家电产品的电机还没有完成由低效交流电机向高效无刷直流电机的转换,且需求量巨大。东芝公司的无刷直流电机驱动方案,在工业及家电应用中保持着传统的优势地位,应对工业及民用消费市场的节能降耗,绿色发展,大数据服务等多种需求,特别是空调室内室外风机应用,家庭娱乐设备散热,数据服务器设备散热,都有优秀的产品使用,并陆续推出性价比更高的,应用新技术的新产品。东芝产品应对2019年及之后的无刷直流电机市场趋势:高效节能,自动调整和自动响应,高可靠,高集成度。

  据了解,目前国内外能提供无刷电机解决方案的芯片公司不少于30家,而在无刷电机市场也存在国内外差距。Peter表示,我国电机行业经过多年的发展,已经形成了一定的产业基础和行业格局。目前做无刷电机的企业较多,但达到一定规模的企业仍在少数,技术水平决定了公司产品的市场拓展能力。加大研发投入,提高技术水平,是无刷电机未来发展的重心。

  国内企业成本具有优势,国外企业的技术方案有优势,分析现状,Nelson表示,国内很多企业多年前就一直在着手BLDC技术的研发,从早期有感、带霍尔、方波技术,到现在的无感,无霍尔,FOC弦波。国内有峰岹科技,大华技术,士兰微等企业,也相继推出了自己的方案。较国际NXP、Renesas等企业相比,其成本优势明显。在产品应用中,国际厂商的技术方案占优,整体解决方案较完善。中大型企业策略会优先选择技术占优的产品方案。

  本土企业目前仍然主要覆盖中低端市场,高端BLDC还是国际厂商主导。尤其微型BLDC行业,本土企业产品的一致性,量产能力与国际厂商还是有很大差距。因此王力建议本土企业只有从设计,工艺,制造和测试方面不断学习,沉淀,提高才能迎头赶上。

  由于许多本土企业的研发能力不强,在无刷直流电机控制技术上依赖独立的方案公司。因此瑞萨的策略是开发一些针对不同应用的全套参考方案包括硬件和软件,然后提供给研发能力较弱的本土企业来降低他们使用瑞萨BLDC控制专用MCU的技术门槛。

  灵动微电子是一家本土MCU厂商,黄致恺谈到本土与国际厂商的比较时,他认为中国本土企业的起步虽然无法与国际厂商数十年的积累相比,但是本土企业有着最接近无刷直流电机生产研发与市场的地利优势,加上国内企业的反应速度远快于国际厂商,后期的竞争优势绝对优于国际厂商。灵动微电子自2018年新增的MM32SPIN系列产品,就是针对电机市场量身订制的,除了规划设计更专业的微控制器(MCU)之外,更整合了功率的组件,大幅降低了客户生产的成本和提高良率,并且与其他知名的国产功率级元器件(包含MOSFET,IGBTDC/DCconverter与Gatedriver)一起提供给客户更具竞争力的整体方案,这是单一国际厂商无法达成的。

  不过,国内外厂商对电机的控制技术和功率驱动IC都倾注更多的关注和研发。彭涛分析,无刷直流电机因为电机的运行工况和对控制技术的高要求,必然要求电机控制IC的高可靠性,稳定性,电机控制技术的成熟性和先进性。相比消费类电子和低电压低功耗的便携式产品市场,电机控制对芯片的质量,可靠性,良率,EMI/EMC性能要求更高,而针对于电机控制方案,特别是无感无刷直流电机,比如控制算法中的FOC控制,位置检测,电机启动,转矩和弱磁补偿等,也要求成熟可靠,并能简单快速使用。这些都是需要技术积累和技术发展的。在电机控制市场,特别是无刷直流电机,赛普拉斯提供电机控制IC和电机控制产品化的解决方案。在家用电器和工业控制领域,比如变频洗衣机,变频冰箱,变频空调和变频风机以及工业变频器市场,尤其是高压电机驱动控制应用中,基于PSoC4/PSoC6占据份额也越来越大。我们也将巩固和强化这些领域,同时也会带来更多新的产品和电机控制方案。

  应用上来看,无刷直流电机也有其局限性。譬如Peter提到电机本身的转子是磁体所做,如果使用的场合是高磁场,在高磁场的作用下将改变转子的磁场或者消掉一部分磁场,将会是电机不能正确工作。

  另外,Jack也表示,BLDC解决方案有一定的门槛,特别是变频方式,此外无刷直流电机使用在不同行业时差异性较大,需要提高业内人员对于BLDC的认知。我们的解决方案是给客户提高更多的技术支持,以技术交流的形式对客户进行培训。

  彭涛认为有两大痛点在于入门和提升。因为电机控制技术,特别是基于FOC正弦波的电机控制,是一个复杂的技术。怎么从传统的带霍尔传感器或者无感的方波控制转到以FOC正弦波的电机控制方案,这是很多在无刷直流电机控制遇到的痛点。而怎么让电机控制技术成熟可靠,提升性能,怎么解决匹配不同厂家电机,或者同一厂家电机参数不一致,从而让电机控制稳定可靠,这也是电机控制的一个痛点。赛普拉斯针对入门和提升均有方案可支持。

  无霍尔传感器的无刷直流电机的启动是一个挑战,当无霍尔传感器无刷直流电机在静止的时候,通常的控制方法是无法检测到转子位置的。瑞萨电子中国中国通用解决方案中心市场部经理吕应征表示,借助于瑞萨电子新推出的带内置功能的RL78/G1F可以有效实现转子位置检测。瑞萨电子提供的基于RL78/G1F的120度方波控制的带转子初始位置检测的方案能为电动工具,园林工具,水泵和电动自行车客户带来极大方便。

  电机一致性问题也非常重要,主要是电机本体,位置反馈和控制器的匹配性问题导致控制系统难以发挥最佳性能,电机一致性问题等。解决这个问题,王力指出,电机一致性要从电机生产,工艺方面解决,需要电机厂商进行产线升级;匹配性的问题,需要电机供应商也要了解控制器的原理性能,芯片厂商,控制器设计公司,更了解电机及系统,这样才能更好的完善系统,使电机控制系统达到最佳的性能。

  在推行BLDC方案时主要的阻力在于传统电机企业对BLDC的排斥以及技术成本等问题。第一方面,Nelson分析最大原因莫过于交流电机垄断整个行业太多年,很多企业不想打破垄断,而大厂不去推广,就会导致整个市场难以推广。就目前电机的出货量比重还是以交流电机为主,所以很多产品应用上得不到推广。另外,BLDC技术成本相较于交流来说较高,而且还高不少,生产开发需要一定的技术基础,目前市场上在推行的方案技术也标准不一,各家都有自己的优点。所以导致生产企业在选型时总是优柔寡断,很难下决定,这是痛点之二。如何解决这些问题,还得从这些龙头企业开始下手,充分展示产品的优势性,缩短产品的开发周期。Ricthek平台在电机调试上,可提供人机介面调试马达参数,大大缩短客户开发和生产周期。

  黄致恺认为随着半导体组件的进步与成本的优势,逐渐改善了高成本高售价的困境,接下来就必须多广为宣传高效能的优势。

  针对以上应用痛点,其实许多厂商都已经充分考虑到,推出相应的产品和技术服务予以支持。目前,无刷直流电机的技术和方案有许多种,下一篇我们将进行分析和介绍。

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