隨著高能效電機(jī)在汽車、農(nóng)業(yè)、空調(diào)和洗衣機(jī)等領(lǐng)域的廣泛使用,全球的電機(jī)市場(chǎng)得到了很大的增長(zhǎng)。據(jù)MarketsandMarkets統(tǒng)計(jì),2019年全球電機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模為1,220億美元,由于受到新冠疫情的影響,2020年的市場(chǎng)規(guī)模有所下滑,預(yù)計(jì)今年可達(dá)1,133億美元。但是未來(lái)幾年將會(huì)以6.9%左右的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng),到2026年,市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到1,691億美元。
一、電機(jī)的分類
按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分,可分為:直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī);
按用途可劃分:驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī);
按工作電源種類劃分:可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分:無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。
二、有刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)
有刷電機(jī) Brush Direct Current Motor
主要由永磁材料制造的定子(Stator)、繞有線圈(Coil)繞組的轉(zhuǎn)子(Rotor) 、換向器(Commutator)和電刷(Brush)等構(gòu)成。由上圖動(dòng)畫(huà)可以看到:在磁場(chǎng)中放置線圈,通過(guò)流動(dòng)的電流,線圈會(huì)被一側(cè)的磁極排斥,同時(shí)被另一側(cè)磁極所吸引。電機(jī)中的換向器部分是靠電刷供電的,電刷的位置在轉(zhuǎn)向器上方,隨著旋轉(zhuǎn)不斷移動(dòng)。通過(guò)改變電刷的位置,可使電流方向發(fā)生變化。換向器和電刷是直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)所不可或缺的結(jié)構(gòu)。
無(wú)刷電機(jī) Brushless Direct Current Motor
無(wú)刷電機(jī),簡(jiǎn)稱:BLDC,“BL”意為“無(wú)刷”,就是DC電機(jī)(有刷電機(jī))中的“電刷”沒(méi)有了。
無(wú)刷直流電機(jī)的定子(Stator)是線圈(Coil)繞組電樞,轉(zhuǎn)子(Rotor)是永磁體。如果只給電機(jī)通以固定的直流電流,則電機(jī)只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng),電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),只有實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置,再根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的不同相通以對(duì)應(yīng)的電流,使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),電機(jī)才可以跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。無(wú)刷直流電機(jī)以電子換向器取代了機(jī)械換向器,所以無(wú)刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)良好的調(diào)速性能等特點(diǎn),又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)換向火花,運(yùn)行可靠和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
簡(jiǎn)單總結(jié)
三、無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域
1、辦公計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電子數(shù)碼消費(fèi)品
這是無(wú)刷直流電機(jī)普及最廣、數(shù)量最大的領(lǐng)域。比如在生活中常見(jiàn)的打印機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤驅(qū)動(dòng)器、電影攝影機(jī)、磁帶記錄儀等,在它們的主軸和附屬運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)控制中,都有無(wú)刷直流電機(jī)的身影。
2、工業(yè)控制
近些年,由于無(wú)刷直流電機(jī)大規(guī)模的研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟,其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的分布范圍也隨之?dāng)U大,已逐步成為工業(yè)用電動(dòng)機(jī)的發(fā)展主流。圍繞降低生產(chǎn)成本和提高運(yùn)行效率而展開(kāi)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(hào)的電機(jī)以滿足不同驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求?,F(xiàn)階段在紡織、冶金、印刷、自動(dòng)化生產(chǎn)流水線、數(shù)控機(jī)床等工業(yè)生產(chǎn)方面,無(wú)刷直流電機(jī)都有涉獵。
3、醫(yī)療設(shè)備
在國(guó)外,對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的使用已經(jīng)較為普遍,可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)人工心臟中的小型血泵;在國(guó)內(nèi),手術(shù)用高速器具的高速離心機(jī)、熱像儀和測(cè)溫儀的紅外激光調(diào)制器都使用了無(wú)刷直流電機(jī)。
4、汽車
據(jù)分析,在市面上,一般的家用轎車需要永磁電機(jī) 20-30 個(gè),而每輛豪華轎車則需要59個(gè)之多,除了核心發(fā)動(dòng)機(jī)外,在雨刷器、電動(dòng)車門、汽車空調(diào)、電動(dòng)車窗等部位都有電機(jī)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(jī)也必須滿足高效率、低能耗的標(biāo)準(zhǔn)。而無(wú)刷直流電機(jī)的低噪聲、壽命長(zhǎng)、無(wú)火花干擾、方便集中控制等優(yōu)點(diǎn)完全符合,隨著其調(diào)速技術(shù)的日益成熟,性價(jià)比會(huì)越來(lái)越高,它在汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。
5、家用電器
“變頻”技術(shù)已非常普遍,作為中國(guó)家電的標(biāo)志逐漸占據(jù)了大部分的消費(fèi)市場(chǎng),“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(shì)。這種轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上就是家電所用的電動(dòng)機(jī)由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)向無(wú)刷直流電機(jī)及其控制器的過(guò)渡,以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、低噪智能、舒適性高的要求。無(wú)刷直流電機(jī)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(jìn)步。
同時(shí),中國(guó)本土市場(chǎng)的海量需求,也促進(jìn)了技術(shù)向產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化,這里以掃地機(jī)器人為例。
近年來(lái)我國(guó)的清潔電器保有量在20臺(tái)/百戶的水平,遠(yuǎn)低于生活習(xí)性接近的日本與韓國(guó),隨著收入水平的增加以及家庭結(jié)構(gòu)的變化,清潔電器保有量有望迎來(lái)快速提升,并且掃地機(jī)器人在清潔電器中的占比也將穩(wěn)步提高。我們可以基于人口基數(shù)和保有量,做個(gè)大膽的假設(shè):
1)人口:根據(jù)我國(guó)人口規(guī)劃,預(yù)計(jì)2030年總?cè)丝谶_(dá)到14.5億,城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口比例為7:3,城鎮(zhèn)家庭規(guī)模為2.68人/戶,農(nóng)村家庭規(guī)模為3.61人/戶,對(duì)應(yīng)城鎮(zhèn)戶數(shù)3.79億戶,農(nóng)村戶數(shù)1.2億戶;
2)更新周期:根據(jù)我國(guó)家電安全使用年限細(xì)則,小家電使用壽命為6-8年,但掃地機(jī)作為技術(shù)驅(qū)動(dòng)型行業(yè),更新周期相較于傳統(tǒng)小家電理應(yīng)更短,合理估計(jì)為6年,更新率=1/更新周期;
3)保有量:日本吸塵器保有量從20臺(tái)/百戶發(fā)展至70臺(tái)/百戶經(jīng)歷8年(1962-1970年),韓國(guó)保有量從40臺(tái)/百戶發(fā)展至80臺(tái)/百戶同樣經(jīng)歷8年(1994-2002年),考慮到我國(guó)目前處于消費(fèi)升級(jí)浪潮中,中性假設(shè)下預(yù)計(jì)10年后(到2030年)我國(guó)城鎮(zhèn)/農(nóng)村家庭吸塵器保有量達(dá)到每百戶60臺(tái)和10臺(tái);
4)滲透率:2019年掃地機(jī)全渠道銷量占比32%;2019年掃地機(jī)線上銷售額占比45%、線下銷售額占比20%,對(duì)應(yīng)整體銷售額占比40%。中性假設(shè)下估計(jì)到2030年掃地機(jī)器人在清潔電器中的銷量滲透率達(dá)40%。
所以,預(yù)計(jì)到2030年行業(yè)年銷量最低將達(dá)1,140萬(wàn)臺(tái),復(fù)合年化增長(zhǎng)率7.2%;中性假設(shè)下年銷量將達(dá)1,595萬(wàn)臺(tái),復(fù)合年化增長(zhǎng)率10.5%;樂(lè)觀假設(shè)下年銷量超2,000萬(wàn)臺(tái),復(fù)合年化增長(zhǎng)率13.4%!
四、無(wú)刷電機(jī)的市場(chǎng)展望
據(jù)電子發(fā)燒友行業(yè)分析師:Kevin 程文智介紹,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,MCU、驅(qū)動(dòng)組件的普及,使得無(wú)刷電機(jī)的總體成本降低。2018年全球市場(chǎng)規(guī)模為153.6億美元,2019年為163億美元,預(yù)計(jì)2020年將突破170億美元,而未來(lái)三年將會(huì)以6.5%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2022年接近200億美元!
而據(jù)Frost & Sulivan分析預(yù)測(cè),2018年~2023年,中國(guó)BLDC電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模年均增速達(dá)15%!主要得益于:
1、BLDC 電機(jī)本身優(yōu)越特性
其本身控制性好、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)勢(shì),應(yīng)用場(chǎng)景從工業(yè)到民用逐步普及
2、IE3能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的推廣
美國(guó)和加拿大已分別于2011年和20122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)則在2020年5月29日,由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了2020年第13號(hào)公告,批準(zhǔn)了9項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),其中包含了電機(jī)能效新標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》,2021年6月將會(huì)強(qiáng)制實(shí)施,從而國(guó)內(nèi)電機(jī)行業(yè)全面進(jìn)入“IE3高效時(shí)代”。
3、市場(chǎng)
家電產(chǎn)品對(duì)于無(wú)繩化、小型化、智能化以及節(jié)能環(huán)保的需求,推動(dòng)了BLDC的廣泛應(yīng)用。
無(wú)刷電機(jī)的高效化、小型化、集成化、驅(qū)動(dòng)一體化將是未來(lái)的市場(chǎng)趨勢(shì)!