BLDC 电机的 15 大热门应用及其参考方案 虽然电机的历史已经超过百年,但是无刷直流(BLDC)电机的历史不过50年的历史。随着永磁新材料微电子技术自动控制技术... 

虽然电机的历史已经超过百年,但是无刷直流(BLDC)电机的历史不过50年的历史。随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术,以及电力电子技术,特别是大功率开关器件的发展BLDC电机得到了长足的发展。现在,BLDC电机已经在军事、航空、工业、汽车、民用控制系统,以及家用电器等领域都有广泛的应用。

一、吸尘器/扫地机器人

吸尘器和扫地机器人是BLDC电机应用中备受重视的一个领域,目前新型的吸尘器和扫地机器人主要以Dyson和莱克等为代表。

这几年来,心尘器的开发热点主要集中在高速电机上,各个厂家的方案有所不同,其中Dyson以单相高速电机为主,国内很多厂家为了规避专利,以三相居多。另外,Nedic直接开发性价比很好的高度电机,对国内厂家造成了一定的冲击。

在<电子发烧友>举办的BLDC电机控制技术沙龙上,来自深圳市赛领未来科技有限公司的研发主管彭鸿表示,目前国内的扫地机器人大部分都是采用了Nedic的无刷电机,主要是他们的电机不仅性能不错,价格也下降得厉害,“我们现在用的是自己设计的电机,不过下一代产品,我们可能也要换成Nedic的电机了。”

图1:<电子发烧友>举办的BLDC电机控制技术沙龙现场。

他同时透露,现在扫地机器人不仅仅是在室内使用,现在也有大街上使用的,只是打扫街道的扫地机器人需要更精确的定位功能。

其实室外的扫地机器人不仅可以用来打扫卫生,还可以用来除草,彭鸿谈到他们有些国外的客户就有这方面的需求,将扫地机器人改装一下,加上刀片和定位功能,就可以自动割除花园里面的杂草了。他承认这对设备的定位精度要求比较高,不过因为是在室外,也不难实现。

二、电动工具

电动工具的无刷化其实很早就开始了,在2010年时,国外有些品牌就推出了采用无刷电机的电动工具了。随着锂电池技术的成熟,价格越来越亲民,手持工具的量级在逐年增加,现在可与插电式的工具平分秋色。

据统计,国内电扳手基本上已经实现了无刷化,电钻类、高压型,以及园林类工具还没有完全无刷化,不过也转换过程中。

目前国内的电动工具发展也很迅速,特别是在江浙一带,集中很多电动工具厂商。最近几年江浙一带的无刷电机控制方案成本下降很快,不少厂商已经发动了价格战,据说一个电动工具的无刷电机控制方案也就6、7元左右,有的甚至只需要4、5元。据参加BLDC电机控制技术沙龙的网友透露,现在电动工具的方案价格战并没有结束。

图3:<电子发烧友>举办的BLDC电机控制技术沙龙合影。

有人担心这种价格战会让把行业做坏,也有人认为价格战对整个行业来说并非坏事。深圳市东安华科技有限公司研发总监王峰在BLDC电机控制技术沙龙讨论环节表示,价格战其实对产品的普及是利好的。他拿北斗芯片举例说,“北斗芯片刚开始出来的时候,一套系统的价格都在4000元左右,但当时有家公司就直接在行业内报出2000元的价格,开始的时候大家都很难受,觉得没钱赚了,但其实价格下来后,出货量增加了,最后做下来发现赚的比之前还多。”

现在国内不少芯片厂商也都推出了相应的电动工具无刷化解决方案。比如华大半导体,灵动微和凌鸥创芯等。

图4:华大半导体MCU市场部经理梁少峰在介绍其电动工具解决方案。

图5:凌鸥创芯CEO李鹏在介绍其无霍尔枪钻控制方案。

图6:凌鸥创芯的电动园林剪刀无霍尔控制器。

三、设备散热风扇

设备散热风扇在多年以前就开始向BLDC电机方向转换,在这个领域内有一个标杆企业,那就是依必安派特(EBM),该公司的风机和电机产品广泛应用在了通风、空调、制冷、家电、供暖、汽车等多个行业。

据钱志存透露,目前国内有不少公司在做与EBM类似的无刷散热风机,而且抢占了不少EBM的市场,甚至有好几公司已经成功上市。

特别是国内充电桩的兴起,给了很多厂家以信心。现在国内很多厂家都加大了在DC风扇,可实现智能互联的EC技术风扇上的创新投入,在技术和工艺上与台资厂商的产品已经非常接近了。

四、冰柜冷却风机

由于行业标准和国家能效标准的影响,冰柜冷却风机开始转向BLDC电机,而且转换速度相对较快,产品数量比较大。据钱志存观察,现在出口使用SP电机的产品越来越少,他预计在2022年之前,60%的冰柜冷却机将会换成变频电机。

冰柜冷却机使用的BLDC电机有三相的,也有单相的;电压也有高压和低压的区分,一般来说,功率大于30W的BLDC电机将会采用高压方案。

五、冰箱压缩机

由于冰箱压缩机的转速决定了冰箱内部的温度,而变频冰箱压缩机的转速可根据温度来发生改变,从而可以让冰箱根据当前的温度情况做出调整,让冰箱内的温度更好地保持恒定。这样,食物的保鲜效果将更好。变频冰箱压缩机大都选择BLDC电机,因此工作的时候效率更高,噪声更小,而且使用寿命更高。

这一领域以前是日、韩、台系厂商的产品为主,但2010年之后,国内厂商的起步很快,据说上海有一家厂商的年出货量已经接近3000万台左右了。

随着国内半导体厂商的进步,不论是主控MCU厂商,预驱GateDriver,还是功率MOSFET,国内厂商基本都能提供了。

比如说ST推出的冰箱方案,采用了STSPIN系列MCU和STGD5H60DF驱动新品,可实现30mW的待机功耗。

图7:ST冰箱方案。

国产芯片厂商华大半导体也推出了其冰箱压缩机平台变频驱动方案,该方案采用了基于HC32系列芯片,使用了无位置传感器FOC控制策略,可实现压缩机的调速功能。

图8:华大半导体的冰箱压缩机平台变频驱动方案。

六、空气净化器

自从前几年雾霾天气加剧后,人们对空气净化器的需求量越来越大。现在有很多厂家都进入了这个领域。

据钱志存透露,目前空气净化器市场上的产品,小型的一般采用NMB和Nedic的外转子电机,大型的空气净化器一般都使用EBM的风机。

空气净化器使用的国产电机,大多是仿制Nedic的产品,不过现在国产电机平台的种类也变得越来越丰富了。

七、落地扇

当然,也有部分家电厂商在向无刷电机转换的过程中,不是那么顺畅,这主要是跟这些厂商原来的研发和生产体系有关,比如前期在有刷电机的研发和生产设备投入较大,再转换成无刷电机有要投入大量资金,因此转换动力不足。

但现在有些跨界的厂商正在进入落地扇领域,导致落地扇的无刷变频转换率加快了。再加上国内电机厂的进步,在落地扇应用领域,已经把不少日系电机厂商挤出了中国市场。可以说,国内无刷电机厂家已经在落地扇主流品牌中占有一席之地了。

图9:灵动微针对电动工具、电动车和风扇等应用的解决方案。

八、水泵

水泵是一个比较传统的行业,其种类繁多,方案类型也多种多样。就算是相同功率的驱动板,目前市面上就有多种,价格从不到两元的,到四、五十元不等。

在水泵应用中,中大型功率多以三相异步电机为主,小微型水泵以AC两极泵为主。现在北方取暖改造对于泵类方案的技术创新是一个好机会。不过,钱志存透露说,虽然有厂家在该领域有投入,但效果还不太明显。

如果只从技术的角度来说,无刷电机是比较适合在泵类领域应用的,其体积、功率密度,甚至成本都有一定的优势。

九、风筒

风筒是个人护理领域出货量比较大的一个应用,特别是自从Dyson推出了高速数码电机产品后,带火了整个风筒市场。

目前国内的风筒方案主要有三个方向:一是以Dyson为标杆的,采用超高速无刷电机的方案,转速一般是10万转左右,最高的有16万转每分钟;二是U马达取代方案,转速与U马达类似,其优势是重量轻,风压大;三是外转子高压方案,其电机主要是仿制Nedic的方案。

目前国内的仿制产品,不是以前单纯的抄了,基本上都做到了专利规避,并且做了一定的创新。比如凌鸥创芯的高速风筒控制方案就很好地规避了Dyson的专利。据其CEO李鹏介绍,该方案启动平稳,最高转速达12万转,拥有100%的知识产权,不用担心专利问题。

图10:凌鸥创芯的高速吹风机控制方案。

十、吊扇及吊扇灯

近年来市场上很多的灯厂,陆续转型生产吊扇灯。吊扇灯产品的主要销往印度、马来西亚、澳大利亚、美国等国家,不过近年来,国内市场也开始火热起来。

目前国内的的厂商主要以代工为主,厂商集中在中山、佛山等地,产品出货量比较大,据说有的厂商一个月有400K的出货量。

以前的吊扇主要以电容感应马达为主,因为电容感应马达容易控制,但效率不高,所以现在国内不少厂商陆续开发了以外转子为主的无刷电机吊扇灯方案。吊扇灯方案分为高压和低压两种类型,一般低功率的产品以低压为主,大于50W的产品以高压为主。现在高压方案的产品出货量增长速度很快。

十一、排气扇

排气扇的无刷化转换其实很早之前就开始了,但是由于排气扇的种类相当多,功率范围特别广,再加上SP马达的价格实在太低了,其转化率一直不高,也相当混乱。

由于国外的能效标准更加严格,其转化率更高一点,但出货量其实不算大。钱志存表示,“据我接触的一些给国外排气扇厂家做配套的国内厂商,现在有采用无刷电机方案的排气扇,但几个大的厂商加起来,出货量不到1000万台。”

据钱志存观察,传统的排气扇主要高压电机、SP马达和电容马达为主,在中小功率,特别是小于200W的排气扇中,转换成无刷电机已经成为了一种趋势。

十二、抽油烟机

如果抽油烟机的无刷电机方案能够把成本控制下来,转换率应该会更高,毕竟无刷电机的优势摆在那里,比如传统的SP马达、PSC马达功率范围是60W~300W,改成变频后,功率范围可降至30W~150W之间。

图13:凌鸥创芯的无刷油烟机方案。

十三、个人护理

现在喜欢健身的人越来越多,专业玩家锻炼后往往会给肌肉放松,因此,筋膜枪的出货量近年来开始井喷。据说现在健身房教练和运动爱好者都配备了筋膜枪。筋膜枪是利用了震动的力学原理,通过筋膜枪将震动传递到深层的筋膜肌肉,达到放松筋膜的作用,降低肌肉张力。有人将筋膜枪当作是运动后的放松神器。

不过现在筋膜枪的水也很深,虽然外形看起来都差不多,但价格从100多元的到3000多元的都有。

图14:淘宝上不同价格的筋膜枪。

从技术上来说,筋膜枪多数都是采用无感外转子无刷电机。

十四、体育器材

凌鸥创芯的李鹏表示,跑步机产品并不好调试,因为跑步机的“脚感”相当重要,这就要求电机的控制精度很准确,他坦承,他们的这个跑步机方案他调试了三年才调试好。

图15:凌鸥创芯的跑步机电机控制器方案。

结语

从这些无刷电机的热点应用来看,未来这些应用转换成无刷电机是必然的趋势,主要原因有以下几个:

THE END
1.无刷电机篇BLDC与PMSM工作原理无刷电机BLDC与PMSM区别 BLDC 定子:极对数选择上一般选取整数槽集中绕组例如4极12槽(不一定都是整数倍的); 转子:磁钢一般是同心的扇形环,径向冲磁.; 驱动方式:一般是六步方波驱动,电机驱动电路如下: 控制:120度方波电流,采用PWM控制; PMSM 定子:极对数选择上一般选取分数槽绕组,如4极15槽,10极12槽等; https://mp.ofweek.com/auto/a845673728796
2.BLDC直流无刷电机控制(硬件+软件+设计说明)电路方案直流无刷电机 瑞萨单片机 bldc控制 直流电路 工业电子 控制器/处理器 9条 加入交流群 BLDC 吊扇的速度控制统一解决方案 瑞萨电子 7980 2023/04/27方案 BLDC无传感器算法研究 恩智浦 509 2023/11/15资料 AN5896应用笔记-用于ST25R3916/16B和ST25R3920/20B器件的移频电路 https://www.cirmall.com/circuit/2388
3.BLDC(无刷直流电机)六步式控制方法最近在参与BLDC电机控制的项目,在网上也查看了无刷电机相关控制原理和方式。但最终此项目使用的是六步式控制方式控制轮毂电机,所以此篇简述六步式的控制方法,以备之后查阅。(六步式的控制方式相较于FOC和SVPMW是比较简单的,这两个内容在CSDN上有非常经典的文章) http://www.360doc.com/content/20/0522/20/37902861_913950486.shtml
4.直流无刷电机BLDC原理由于BLDC 的运行方式为绕组两两导通,所以三相线圈的导通组合只有 6 种通电情况,根据合理的顺序依次切换通电顺序即可让转子跟着磁场转起来。 这种方式又叫6步控制法 2. 判断转子位置 上面说了BLDC(无刷电机)是通过绕组两两导通的6种方式来实现旋转的,什么时候同哪组即需要知道当前转子的位置,需要用到霍尔传感器 https://www.jianshu.com/p/e117946b38f5
5.无刷直流电机(BLDC)构成应用领域及工作原理详解无刷直流电机(BLDC)是一种电动机,其结构、应用领域和工作原理如下: 1. 构成: BLDC电机通常由以下几个主要部件组成: 转子(Rotor):通常是由永磁体组成,永磁体产生磁场。 定子(Stator):固定在外壳中的部分,通常由一组绕组和磁铁组成。 传感器:用于检测转子位置和速度,以便对定子绕组中的电流进行适当的开关控制。 http://www.szkingfrom.com/html/5710395230.html
6.bldc电机是什么意思bldc电机的优点和用途→MAIGOO知识摘要:BLDC即无刷电机,就是DC电机中的“电刷”没有了,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。无刷直流电机既具有直流电机良好的调速性能等特点,又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。 一、bldc电机是什么意思 https://m.maigoo.com/goomai/283160.html
7.BLDC无刷直流电机驱动控制原理图文介绍BLDC无刷直流电机驱动控制 三相BLDC的换向示意图 如图,先A导通(A上方输入电流),再C-导通,在B导通,在(A上方输出电流) 基本上同步电机都是这样驱动的。 下图为BLDC电机梯形波控制(6步控制)的实际相序图 从零到360°里面,每隔60度需要换向一次,在一个周期里面换六次相。 http://www.ejiguan.cn/2023/changjianwtjd_0215/6568.html
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10.BLDC无感无刷直流电机的技术总结物联沃“有刷”是电机里存在“碳刷”这么一个东西来辅助绕组换向后的转动,但在转子绕组运行的过程中其实也是碳刷不断消耗的一个过程(换向瞬间产生的电火花也会加速其损耗)。 “无刷”不存在“碳刷”这个零部件,也就不存在损耗一说,但它也是需要换向的,只是变成了使用电子元件进行换向,使用寿命上无刷电机自然也要更长,这https://www.iotword.com/25771.html
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