无刷直流电机(BLDC)前沿技术与市场发展.docx

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1、无刷直流电机(BLDC)前沿技术与市场发展目录前言11 .BLDC电机什么意思12 .无刷直流电机的结构23 .无刷电机工作原理24 .BLDC电机的优缺点35 .需求空间持续稳定增长的BLDC市场46 .实现BLDC多功能的核心控制57 .小结6前言随着主控芯片、驱动技术、功率半导体技术、控制算法以及高性能稀土永磁材料的不断发展，高效电机越来越重要。电机系统要求长使用寿命、低维护、低能耗以及对电压波动的高耐受性。以高能效著称的BLDC和PMSM开始受到电机行业的大力追捧。而且对节能电机的需求一部分也是由电价上涨和严格的电力消费标准推动的，下游终端市场正逐渐转向采用高效的电动系统来缓解能源压力

2、。与日俱增的高标准性能要求下，BLDC市场逐步扩大。1.BLDC电机什么意思BLDC是无刷直流电机，是永磁式同步电机的一种，无刷直流电机不用机械的电刷装置，而是采用了方波自控式永磁同步电机，用霍尔传感器取代了碳刷换向器，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势。而且BLDC的转子是永磁体，不需要通电和碳刷换向，只需要给定子通不同方向的电流。可以说，BLDC电机是当今最理想的调速电机。BLDCfBrushlessDirectCurrentMotor)无刷直流电机克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器的电机。BrushlessDCmotor,无刷直流电机PermanentMag

3、netSynchronousMotor,永磁同步电机BLDC即无刷电机，说起无刷电机，可能很多人是在购买电动车的时候才知道的。近几年提到无刷电机，可能又会让人想起那个叫李红涛的，甚至被某些人叫为无刷电机之父的男人的传奇故事。要不是去了解了一下无刷电机的发展史,但从那些文章和视频给人的认知，我几乎就相信了从他的发明出现才有了无刷电机。其实在百年前，用整流管代替有刷直流电机的机械碳刷的想法就已经被提了出来,但碍于技术水平,想法并没有成为现实。直到1955年,美国人d.harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械碳刷的专利，才标志着现代无刷电机的诞生。在国内，关于无刷电机的研制

4、工作开始于70年代初期,比国外晚了几十年，所以目前国内的无刷电机发展水平和国外相比还有着不着的距离。2 .无刷直流电机的结构无刷直流电机是一种由电动机主体和控制器器组成的机电一体化产品。单纯的电动机主体是无法直接接入直流电运转的，无刷电机可以说是个系统，不像我们其他类型的电机可以以电机个体出现，它的每次应用都必须伴随无刷控制器。无刷电机也分为内转子无刷电机和外转子无刷电机。下面以内转子无刷电机为例做一下说明。无刷电机的电动机的定子绕组是三相对称星形接法的绕线绕组，结构和三相异步电动机的定子绕组相似；转子是永磁体转子。这里了解下无刷电机转子的大致结构，转子并不是一整个的磁体，而是一片片的磁瓦贴合

5、而成的。在电机主体内部还有位置感应装置，以便给控制器提供转子和定子的相对位置信号。经常使用电动车的朋友，应该会知道这点，霍尔线断掉，电机就无法正常运转了。无刷电机的控制器由集成电路和功率器件组成，可以控制电动机的启动、停止、调速、制动等等。3 .无刷电机工作原理无刷电机的转动利用的是磁场同性相斥、异性相吸的原理工作的。在转子磁极确定的情况下，通过控制器改变无刷电机定子线圈上各相的通断、电流方向、频率等，在转子线圈周围形成一个旋转的磁场。磁场带动转子上的永磁磁钢，转子就转动起来了。简单原理图如下：无刷电机控制器输入的是直流电，但输入定子线圈的是通过调速器转变而成的方波三相交流电。对定子绕组的换流

6、是通过电动机内部的位置传感器检测转子磁极相对定子绕组的位置，并把位置信号传回控制器，由控制器通过控制功率开关电路来实现的。也就是说无刷电机转不转、怎么转，无刷控制器说了算。4 .BLDC电机的优缺点BLDC电机的优点包括：高效率：BLDC电机采用电子控制器，可以减少机械摩擦和电枢损耗，从而提高了电机的效率。长寿命：由于没有碳刷和集电环，BLDC电机减少了磨损和摩擦，延长了电机的寿命。低噪音：BLDC电机在运行时产生的噪音较低，因为没有碳刷与集电环之间的接触和摩擦。环保：BLDC电机不需要使用稀有金属，能够以更高的效率将电能转化为机械能，减少资源浪费。高转速范围：BLDC电机可以在较宽的转速范围

7、内工作，因为它没有传统电机中的摩擦、刷子或电刷磨损的限制。高可靠性：由于没有刷子，BLDC电机的维护要求较低，寿命更长，并且能够在恶劣环境下运行。精准控制：BLDC电机可以采用电子换向器来控制转子运动，实现更精准的转速和转向控制。适用性强：BLDC电机因其高效率和快速响应特性，被广泛应用于各种场合,如家用电器、电动车等。BLDC电机的缺点包括:成本较高：由于使用了电子控制器，BLDC电机的制造成本和管理成本相对较高。复杂的控制系统：BLDC电机需要使用电子控制器来控制转矩和速度，增加了设计的复杂性和维护的复杂性。电磁干扰：BLDC电机的运行可能会产生电磁干扰，对其他电子设备的影响需要通过适当的

8、屏蔽和滤波措施来减少。启动需外部传感器：为了正确检测转子位置进行换向控制，BLDC电机通常需要外部传感器，如霍尔传感器，这可能增加成本。5 .需求空间持续稳定增长的BLDC市场BLDC电机凭借高可靠性、低振动、高效率、低噪音、节能降耗的性能优势及电机节能降耗国家性强制标准的推行，在智能小家电、电动工具、白色家电等下游终端领域的渗透率提升得尤为快速。尤其现在终端市场对电机控制性能提出了更高的要求，不仅限于电机开关或简单变档的控制，还需要电机能够实现高效率、低噪音、多功能的复杂控制任务，例如变频冰箱、变频空调的比例逐年上升，料理机、洗碗机等厨电均有了多种多样的功能供消费者选择，吹风机、吸尘器等小家

9、电在追求高转速的同时追求低噪音、低振动的控制效果。变频洗衣机、变频冰箱、变频空调是BLDC渗透很快的领域，都在50%以上。相比之下其他智能小家电领域，BLDC电机替代效应起步稍慢，渗透率仍较低，与行业渗透率天花板之间存在较大的发展空间。因此，BLDC电机需求将在较长时间内持续稳定增长,当然这也为BLDC电机驱动控制芯片提供了广阔的发展空间。根据GrandviewResearch发布的BLDC调研统计,2022年全球无刷直流电机市场规模为188.254亿美元，2023年预计市场规模为198.638亿美元，并以年复合增长率6.5%增长到2030年的308.624亿美元。和此前调研机构预测的数据相比

10、，BLDC的增长并没有预估得那么迅猛，但在近一年行业不景气的形势下，BLDC市场仍然实现了增长已实属不易。BLDC电机下游应用存量市场和增量市场多点开花,相关的BLDC驱动控制芯片自然有着充足的市场需求。BLDC控制芯片一（主控MCU）市场竞争的特点也很鲜明。首先通用MCU芯片架构和专用芯片架构和谐共存。通用MCU芯片内核架构一般采用ARM公司提供的CorteX-M系列内核，现在RlSC架构也在逐渐增多，当然也有选择厂商自研的芯片架构。其次，不同厂商在不同的应用领域有着各自的竞争优势，有些在高速吸尘器、直流变频电风扇、无绳电动工具等领域耕耘占据市场份额，有些在变频白色家电等领域保持强大竞争力。

11、从智能小家电、运动出行、电动工具、白色家电到智能机器人、工业与汽车，BLDC因其所具备优异的性能优势将得到广泛使用，不断替换下游各领域产品中的传统电机，市场将不断渗透，也带动了BLDC电机驱动控制芯片需求持续旺盛。6 .实现BLDC多功能的核心一一控制上面提到的，高效率、低噪音、多功能复杂控制任务的实现，高转速的同时低噪音、低振动效果的呈现，都和电机控制息息相关。这个控制，可以理解为硬件层面主控IC的要求和软件层面控制算法的要求，这二者是密不可分的。算法优劣肯定是直接影响控制性能的，算法自身随着控制技术的发展不断进行迭代更新，伴随控制性能不断提升，算法复杂度也随之提升。算法复杂度的提升，需要计

12、算速度和计算量的大幅提升，因此现在对主控芯片的硬件指标要求也越来越高。从不同应用终端的控制方式迭代我们可以看到趋势是在往无感和FOC上发展。冰箱最早用定频控制，后来多用120度方波BLDC,现在无感FoC直流变频是最优解；洗衣机最早也用定频控制，后来用有感SVPWM的BLDC/DD,现在也转向无感FOC的BLDC/DD；电吹风最早用串激电机不需要电子控制，后来开始用BLDC实现无级调速，现在也是FOC控制很有代表性的终端应用。还有电动平衡车，最早用三相BLDC有感方波控制，后来用有感FOC,现在也转向无感FOC0从方波控制到SVPWM到FOC,从有感到无感，控制算法复杂度一步步增加，BLDC控

13、制性能也随之一步步飞跃。无感加FOC的控制算法最为先进，能够最大程度上实现高效率、低振动、低噪音以及高响应速度的控制效果。无感为整个电机控制系统带来了更为简洁的布局并降低了传感器失效的风险，FoC能在最大程度上实现更高的效率、更低的振动、更小的噪音、更平稳的转矩控制以及更快的动态响应速度等精密控制目标，在讲究高功率密度紧凑型设计的现今，无感和FOC的确更难但也更有发展前景，是未来的技术发展趋势。为了实现这些复杂的运算，主控芯片也在升级。现在很多芯片厂商都开发了专用于BLDC的主控MCU,而且也应用自家的芯片实现了控制的相关算法，或者是将控制相关的模块、器件使用硬件的方式集成在了芯片内部来进行控

14、制。这体现了电机算法硬件化模块化和电机控制器件集成化的技术趋势。高集成度发展其实不言而喻，整个芯片行业都是在向高集成方向发展，电机驱控芯片经历了从完全分离、到集成运放和比较器、集成预驱动、集成电源和MOSFET,到现在全集成模块，高度集成是BLDC芯片一个核心发展趋势。控制算法硬件化模块化也是一个必然的发展趋势，算法复杂度不断提升，开发门槛越来越高，而电机控制方案是在不断升级的，算法通过硬件化降低开发门槛是更友好的选择。而且算法硬件化后，本身就能提高对参数的敏感度，有效提高MCU芯片运算速度，运算速度较纯软件计算更快，算法模块化后大大减少CPU占用。对于高性能电机控制来说，这一趋势会发展得非常快。当然，主控芯片本身性能优劣也直接导致了现在电机控制产品性能输出有差异的现象。首先主控芯片主频限制，会无法做到高速运算以及提升带宽；其次外环代码执行受限无法执行得更快，即使内环代码通过原厂提供的硬件化方法可以执行很快，所以芯片主频的影响也是很大的。所以我们也看到在高性能的电机应用里，高主频内核、双核控制芯片也越来越多，兼顾高主频算力和高集成度。7 .小结控制是BLDC的核心主题，更高的电机性能均需要控制芯片予以实现，这对芯片设计公司不断提出更高的要求。相关厂商在电机控制软硬件技术上的持续突破也推动了BLDC向更高性能，更高的市场渗透率发展。