BLDC電機的15大熱門應用及其參考方案
雖然電機的歷史已經超過百年，但是無刷直流(BLDC)電機的歷史不過50年的歷史。隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術，以及電力電子技術，特別是大功率開關器件的發展BLDC電機得到了長足的發展?，F在，BLDC電機已經在軍事、航空、工業、汽車、民用控制系統，以及家用電器等領域都有廣泛的應用。
2018年全球BLDC電機市場的規模為153.6億美元，據<電子發燒友>估計，未來幾年的市場增長率為6.5%左右，預計2022年BLDC電機市場規模將達197.6億美元左右。這主要是由于全球各國的能效標準變得越來越嚴格；BLDC電機相關技術變得越來越成熟，比如說鋰電池的價格更加親民，國內半導體廠商逐漸強大，元器件成本降低；以及BLDC電機驅動電路成本的下降，無刷電機與有刷電機相比，因為多了驅動電路，增加了電氣元器件，特別是在初期電機本體與驅動電路的價格大約為1：10，高昂的價格制約了無刷電機的發展。但近年來，隨著技術的進步電機本體與驅動電路的價格比已經降至1：1~3，這為無刷電機的大規模應用創造的先決條件。
BLDC電機的應用場景越來越多，<電子發燒友>根據晶豐明源半導體有限公司電機系統負責人錢志存的演講與市場觀察，總結了目前BLDC電機的15大熱門應用。
一、吸塵器/掃地機器人
吸塵器和掃地機器人是BLDC電機應用中備受重視的一個領域，目前新型的吸塵器和掃地機器人主要以Dyson和萊克等為代表。
這幾年來，心塵器的開發熱點主要集中在高速電機上，各個廠家的方案有所不同，其中Dyson以單相高速電機為主，國內很多廠家為了規避專利，以三相居多。另外，Nedic直接開發性價比很好的高度電機，對國內廠家造成了一定的沖擊。
在<電子發燒友>舉辦的BLDC電機控制技術沙龍上，來自深圳市賽領未來科技有限公司的研發主管彭鴻表示，目前國內的掃地機器人大部分都是采用了Nedic的無刷電機，主要是他們的電機不僅性能不錯，價格也下降得厲害，“我們現在用的是自己設計的電機，不過下一代產品，我們可能也要換成Nedic的電機了?！?/div>
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圖1：<電子發燒友>舉辦的BLDC電機控制技術沙龍現場。
他同時透露，現在掃地機器人不僅僅是在室內使用，現在也有大街上使用的，只是打掃街道的掃地機器人需要更精確的定位功能。
其實室外的掃地機器人不僅可以用來打掃衛生，還可以用來除草，彭鴻談到他們有些國外的客戶就有這方面的需求，將掃地機器人改裝一下，加上刀片和定位功能，就可以自動割除花園里面的雜草了。他承認這對設備的定位精度要求比較高，不過因為是在室外，也不難實現。
二、電動工具
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。隨著鋰電池技術的成熟，價格越來越親民，手持工具的量級在逐年增加，現在可與插電式的工具平分秋色。
據統計，國內電扳手基本上已經實現了無刷化，電鉆類、高壓型，以及園林類工具還沒有完全無刷化，不過也轉換過程中。
這主要是由于無刷電機的節能和高效率，讓手持式電動工具可以運行更長時間?，F在很多國際廠商和國內廠商都投入很多資源進行產品開發，比如Bosch、Dewalt、Milwaukee、Ryobi、Makita等。
目前國內的電動工具發展也很迅速，特別是在江浙一帶，集中很多電動工具廠商。最近幾年江浙一帶的無刷電機控制方案成本下降很快，不少廠商已經發動了價格戰，據說一個電動工具的無刷電機控制方案也就6、7元左右，有的甚至只需要4、5元。據參加BLDC電機控制技術沙龍的網友透露，現在電動工具的方案價格戰并沒有結束。
圖3：<電子發燒友>舉辦的BLDC電機控制技術沙龍合影。
有人擔心這種價格戰會讓把行業做壞，也有人認為價格戰對整個行業來說并非壞事。深圳市東安華科技有限公司研發總監王峰在BLDC電機控制技術沙龍討論環節表示，價格戰其實對產品的普及是利好的。他拿北斗芯片舉例說，“北斗芯片剛開始出來的時候，一套系統的價格都在4000元左右，但當時有家公司就直接在行業內報出2000元的價格，開始的時候大家都很難受，覺得沒錢賺了，但其實價格下來后，出貨量增加了，最后做下來發現賺的比之前還多?！?/div>
現在國內不少芯片廠商也都推出了相應的電動工具無刷化解決方案。比如華大半導體，靈動微和凌鷗創芯等。
圖4：華大半導體MCU市場部經理梁少峰在介紹其電動工具解決方案。
圖5：凌鷗創芯CEO***在介紹其無霍爾槍鉆控制方案。
圖6：凌鷗創芯的電動園林剪刀無霍爾控制器。
三、設備散熱風扇
設備散熱風扇在多年以前就開始向BLDC電機方向轉換，在這個領域內有一個標桿企業，那就是依必安派特（EBM），該公司的風機和電機產品廣泛應用在了通風、空調、制冷、家電、供暖、汽車等多個行業。
據錢志存透露，目前國內有不少公司在做與EBM類似的無刷散熱風機，而且搶占了不少EBM的市場，甚至有好幾公司已經成功上市。
四、冰柜冷卻風機
由于行業標準和國家能效標準的影響，冰柜冷卻風機開始轉向BLDC電機，而且轉換速度相對較快，產品數量比較大。據錢志存觀察，現在出口使用SP電機的產品越來越少，他預計在2022年之前，60%的冰柜冷卻機將會換成變頻電機。
冰柜冷卻機使用的BLDC電機有三相的，也有單相的；電壓也有高壓和低壓的區分，一般來說，功率大于30W的BLDC電機將會采用高壓方案。
在冰柜冷卻機方面，目前國內配套的廠家，主要集中在長三角和珠三角一帶。
五、冰箱壓縮機
由于冰箱壓縮機的轉速決定了冰箱內部的溫度，而變頻冰箱壓縮機的轉速可根據溫度來發生改變，從而可以讓冰箱根據當前的溫度情況做出調整，讓冰箱內的溫度更好地保持恒定。這樣，食物的保鮮效果將更好。變頻冰箱壓縮機大都選擇BLDC電機，因此工作的時候效率更高，噪聲更小，而且使用壽命更高。
這一領域以前是日、韓、臺系廠商的產品為主，但2010年之后，國內廠商的起步很快，據說上海有一家廠商的年出貨量已經接近3000萬臺左右了。
隨著國內半導體廠商的進步，不論是主控MCU廠商，預驅Gate Driver，還是功率MOSFET，國內廠商基本都能提供了。
比如說ST推出的冰箱方案，采用了STSPIN系列MCU和STGD5H60DF驅動新品，可實現30mW的待機功耗。
圖7：ST冰箱方案。
國產芯片廠商華大半導體也推出了其冰箱壓縮機平臺變頻驅動方案，該方案采用了基于HC32系列芯片，使用了無位置傳感器FOC控制策略，可實現壓縮機的調速功能。
圖8：華大半導體的冰箱壓縮機平臺變頻驅動方案。
六、空氣凈化器
自從前幾年霧霾天氣加劇后，人們對空氣凈化器的需求量越來越大?，F在有很多廠家都進入了這個領域。
據錢志存透露，目前空氣凈化器市場上的產品，小型的一般采用NMB和Nedic的外轉子電機，大型的空氣凈化器一般都使用EBM的風機。
空氣凈化器使用的國產電機，大多是仿制Nedic的產品，不過現在國產電機平臺的種類也變得越來越豐富了。
七、落地扇
落地扇歷來都是小家電電機廠家必爭的領域。目前國內主流的小家電廠商，比如美的，先鋒、日彩、艾美特等，基本上都有采用無刷電機的產品面市。其中艾美特的出貨數量最大，小米的成本最低。
當然，也有部分家電廠商在向無刷電機轉換的過程中，不是那么順暢，這主要是跟這些廠商原來的研發和生產體系有關，比如前期在有刷電機的研發和生產設備投入較大，再轉換成無刷電機有要投入大量資金，因此轉換動力不足。
但現在有些跨界的廠商正在進入落地扇領域，導致落地扇的無刷變頻轉換率加快了。再加上國內電機廠的進步，在落地扇應用領域，已經把不少日系電機廠商擠出了中國市場?？梢哉f，國內無刷電機廠家已經在落地扇主流品牌中占有一席之地了。
圖9：靈動微針對電動工具、電動車和風扇等應用的解決方案。
八、水泵
水泵是一個比較傳統的行業，其種類繁多，方案類型也多種多樣。就算是相同功率的驅動板，目前市面上就有多種，價格從不到兩元的，到四、五十元不等。
在水泵應用中，中大型功率多以三相異步電機為主，小微型水泵以AC兩極泵為主?，F在北方取暖改造對于泵類方案的技術創新是一個好機會。不過，錢志存透露說，雖然有廠家在該領域有投入，但效果還不太明顯。
如果只從技術的角度來說，無刷電機是比較適合在泵類領域應用的，其體積、功率密度，甚至成本都有一定的優勢。
九、風筒
風筒是個人護理領域出貨量比較大的一個應用，特別是自從Dyson推出了高速數碼電機產品后，帶火了整個風筒市場。
目前國內的風筒方案主要有三個方向：一是以Dyson為標桿的，采用超高速無刷電機的方案，轉速一般是10萬轉左右，最高的有16萬轉每分鐘；二是U馬達取代方案，轉速與U馬達類似，其優勢是重量輕，風壓大；三是外轉子高壓方案，其電機主要是仿制Nedic的方案。
目前國內的仿制產品，不是以前單純的抄了，基本上都做到了專利規避，并且做了一定的創新。比如凌鷗創芯的高速風筒控制方案就很好地規避了Dyson的專利。據其CEO***介紹，該方案啟動平穩，最高轉速達12萬轉，擁有100%的知識產權，不用擔心專利問題。
圖10：凌鷗創芯的高速吹風機控制方案。
十、吊扇及吊扇燈
近年來市場上很多的燈廠，陸續轉型生產吊扇燈。吊扇燈產品的主要銷往印度、馬來西亞、澳大利亞、美國等國家，不過近年來，國內市場也開始火熱起來。
目前國內的的廠商主要以代工為主，廠商集中在中山、佛山等地，產品出貨量比較大，據說有的廠商一個月有400K的出貨量。
以前的吊扇主要以電容感應馬達為主，因為電容感應馬達容易控制，但效率不高，所以現在國內不少廠商陸續開發了以外轉子為主的無刷電機吊扇燈方案。吊扇燈方案分為高壓和低壓兩種類型，一般低功率的產品以低壓為主，大于50W的產品以高壓為主?，F在高壓方案的產品出貨量增長速度很快。
圖11：晶豐明源的高壓吊扇燈控制方案。
圖12：晶豐明源的低壓吊扇燈解決方案。
十一、排氣扇
排氣扇的無刷化轉換其實很早之前就開始了，但是由于排氣扇的種類相當多，功率范圍特別廣，再加上SP馬達的價格實在太低了，其轉化率一直不高，也相當混亂。
由于國外的能效標準更加嚴格，其轉化率更高一點，但出貨量其實不算大。錢志存表示，“據我接觸的一些給國外排氣扇廠家做配套的國內廠商，現在有采用無刷電機方案的排氣扇，但幾個大的廠商加起來，出貨量不到1000萬臺?！?/div>
據錢志存觀察，傳統的排氣扇主要高壓電機、SP馬達和電容馬達為主，在中小功率，特別是小于200W的排氣扇中，轉換成無刷電機已經成為了一種趨勢。
十二、抽油煙機
抽油煙機是廚房電器的重要組成部分，傳統動力部分為單相感應異步電機。其實抽油煙機是無刷化轉換時間長，但轉換率不高的一個應用，這其中一個重要的原因是變頻的成本控制得不夠好，目前變頻的方案大概需要150元左右，而非無刷電機方案不要100元就能搞定，低成本的可能只需要30元左右。
如果抽油煙機的無刷電機方案能夠把成本控制下來，轉換率應該會更高，畢竟無刷電機的優勢擺在那里，比如傳統的SP馬達、PSC馬達功率范圍是60W~300W，改成變頻后，功率范圍可降至30W~150W之間。
圖13：凌鷗創芯的無刷油煙機方案。
十三、個人護理
現在喜歡健身的人越來越多，專業玩家鍛煉后往往會給肌肉放松，因此，筋膜槍的出貨量近年來開始井噴。據說現在健身房教練和運動愛好者都配備了筋膜槍。筋膜槍是利用了震動的力學原理，通過筋膜槍將震動傳遞到深層的筋膜肌肉，達到放松筋膜的作用，降低肌肉張力。有人將筋膜槍當作是運動后的放松神器。
不過現在筋膜槍的水也很深，雖然外形看起來都差不多，但價格從100多元的到3000多元的都有。
圖14：淘寶上不同價格的筋膜槍。
從技術上來說，筋膜槍多數都是采用無感外轉子無刷電機。
十四、體育器材
近兩年來，健身房的相關器械電動化趨勢越來越明顯，特別是跑步機?，F在采用外轉子無刷電機的跑步機也是越來越多，其功率范圍800W~2000W，轉速多數在2000rpm~4000rpm之間，以高壓方案為主。一般專業級別的跑步機產品里面有飛輪，以增加慣性，防止在停電時急停。
凌鷗創芯的***表示，跑步機產品并不好調試，因為跑步機的“腳感”相當重要，這就要求電機的控制精度很準確，他坦承，他們的這個跑步機方案他調試了三年才調試好。
圖15：凌鷗創芯的跑步機電機控制器方案。
十五、廣告機
近年來，還有一個比較熱門的應用就是各大商場的廣告機。廣告機以其新穎的結構，靚麗的3D展示，靈活的擺放等特點成為新應用中的一匹黑馬。雖然出貨量不大，但值得期待。
因為廣告機需要電機和燈進行配合，加上對轉速精度要求比較高，所以基本都采用變頻方案?，F在佛山有幾個廠商在做這方面的產品。
結語
從這些無刷電機的熱點應用來看，未來這些應用轉換成無刷電機是必然的趨勢，主要原因有以下幾個：
一是能效標準越來越嚴格；二是產品的外觀已經不能在很大程度上左右客戶的選擇，但技術營銷對消費者的影響越來越大；三是無刷電機相關技術的成熟度越來越高，國內半導體廠商越來越強大，無刷電機的成本越來越低；四是國內電機廠商制作的無刷電機無論在技術上，還是工藝和產品一致性上都直追一線電機品牌。
也就是說，未來無刷電機的應用場景將會越來越多，越來越普及。而隨著自動化的普及，智能家居應用，汽車等進入普通人的生活，個性化產品越來越多，電機種類的細分也更明顯，對生產廠商來說，如果他們能夠找好自己的定位，專注細分領域，那樣就可以更好地體現出他們的競爭力。
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