隨著高能效電機在汽車、農(nóng)業(yè)、空調(diào)和洗衣機等領(lǐng)域的廣泛使用，全球的電機市場得到了很大的增長。據(jù)統(tǒng)計，2017年全球電機市場的規(guī)模為970億美元，2018年為975億美元，預(yù)計未來幾年，電機市場還會以4.5%的年復(fù)合增長率持續(xù)增長。

在2019年11月8日，<電子發(fā)燒友>在科興科學(xué)園舉辦的《2019電機控制先進技術(shù)研討會》上，我們的分析師團隊為廣大工程師帶來了《BLDC電機行業(yè)市場分析報告》，在報告中，分析了整個BLDC電機行業(yè)和BLDC電機驅(qū)動器行業(yè)的市場現(xiàn)狀，同時，也展望了未來幾年的BLDC電機行業(yè)發(fā)展趨勢。

圖1：電機行業(yè)市場概況。（來源：電子發(fā)燒友）

相對于有200多年歷史的電機來說，BLDC電機相對來說還比較年輕，它從發(fā)展至今也就50多年的歷史。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，MCU和驅(qū)動組件的普及，使得BLDC電機的總體成本降低了很多，再加上鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用，使得BLDC電機在這幾年得到了快速的發(fā)展，其總體成長率也高于電機的成長率。

<電子發(fā)燒友>預(yù)計未來幾年BLDC電機的年復(fù)合增長率將會是6.5%左右，如果以2018年BLDC的市場規(guī)模153.6億美元為基數(shù)的話，預(yù)計到2022年，BLDC電機的市場規(guī)模將會達到200億美元。

圖2：全球BLDC電機行業(yè)市場概況。（來源：電子發(fā)燒友）

為何BLDC會快速增長呢？首先，BLDC電動機是隨著半導(dǎo)體電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機電一體化電機，它是現(xiàn)代電子技術(shù)，包括電力電子、微電子技術(shù)、控制理論和電機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它本身具有優(yōu)越的調(diào)速性能，表現(xiàn)在控制性能好、調(diào)速范圍寬、起動轉(zhuǎn)矩大、低速性能好、運行平穩(wěn)、效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用及其廣泛。

其次，各個國家和地區(qū)越來越看重設(shè)備的能效。比如目前市場上主流IE3能效的高效電機，相比普通電機能效可以提升4%。而且，美國和加拿大已經(jīng)分別于2011年和2012年強制要求工業(yè)電機滿足IE3能效等級標(biāo)準。國內(nèi)和歐盟地區(qū)相對滯后，在2016年和2017年初也開始推廣IE3能效等級標(biāo)準。由于IE3高效電機平均價格比普通電機高15%左右，故在實施之初，替代相對緩慢，但隨著國家環(huán)保監(jiān)督措施愈發(fā)嚴格，加上高效電機能耗降低能帶來確實好處，高效電機的占比在逐步提升。據(jù)估計，國內(nèi)有望在2020年將IE3能效標(biāo)準作為強制標(biāo)準措施。甚至，有可能向IE4能效等級邁進。向高效電機切換的好處是可以提高單臺電機的價值量，另一方面也將淘汰一部分技術(shù)儲備不足的中小電機廠商。

還有國家高度重視電機行業(yè)的發(fā)展，高效電機是工信部、科技部、國家發(fā)改委和國務(wù)院等國家機關(guān)重點扶持的產(chǎn)業(yè)。歷年的重要發(fā)展規(guī)劃皆把高性能電機及其驅(qū)動系統(tǒng)作為國家發(fā)展重點領(lǐng)域。比如2011年的《加快推進國內(nèi)高效電機規(guī)模化應(yīng)用政策》，2012年的《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》；2015年的《中國制造2025》等等都將電機行業(yè)放到重點發(fā)展的領(lǐng)域當(dāng)中。

當(dāng)然，BLDC電機成本的下降是推動其快速增長最直接的因素。

此外，還有一個明顯的趨勢，就是國內(nèi)電機企業(yè)在技術(shù)投入方面越來越大。根據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，從2000年到2018年，國內(nèi)電機制造行業(yè)技術(shù)投入比率在逐漸增長，從開始的不到1%，增長到了現(xiàn)在的2.9%。

圖3：國內(nèi)電機制造行業(yè)技術(shù)投入比率。

BLDC電機的應(yīng)用場景非常豐富，但在最近幾年，BLDC電機出貨量比較大，比較熱門的應(yīng)用領(lǐng)域主要有風(fēng)機、泵、電動車、電動工具、壓縮機、農(nóng)機具和汽車應(yīng)用等領(lǐng)域。

其中，在風(fēng)機行業(yè)，再細分的話，有風(fēng)扇、油煙機、吹風(fēng)機、風(fēng)簾機、暖通空調(diào)風(fēng)機等，制造商主要有美的、艾美特、格力、先鋒、華帝等等。

在泵方面，可細分為氣泵、水泵和油泵等；制造商主要有新界牌、格蘭富、連成等。

在電動車方面，有兩輪、三輪、四輪、平衡車、高爾夫球車和叉車等；主要的制造商有愛瑪、雅迪、金彭和新日等。

電動工具領(lǐng)域，可細分為電轉(zhuǎn)、電錘和電批等；主要制造商有博世和東成。

壓縮機領(lǐng)域，可細分為空調(diào)、車載冰箱和醫(yī)用制冷等；主要制造商有大金、三菱、格力和美的。

農(nóng)機具領(lǐng)域，可細分為割草機、摘果器、電動剪枝機等；主要制造商有博世、百得和TTI等。

汽車應(yīng)用領(lǐng)域，可以細分為雨刮器、汽車尾氣排放系統(tǒng)、動力方向控制、通風(fēng)和風(fēng)扇等；主要的供應(yīng)商有麥格納（Magna）、天合（TRW）和法雷奧（Valeo）等。

圖4：BLDC電機應(yīng)用行業(yè)和下游制造商情況。

這些行業(yè)的出貨量情況如何呢？跟據(jù)<電子發(fā)燒友>的統(tǒng)計，在2018年，電動車為5000萬臺、油煙機為7000萬臺、電動工具為4000萬臺、風(fēng)機立扇為6000萬臺、空調(diào)壓縮機為9000多萬臺。

圖5：空調(diào)用電機與空調(diào)用BLDC電機的年總產(chǎn)量。

以空調(diào)用的電機為例，根據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，中國在2018年空調(diào)用電機的產(chǎn)量是3.6億臺，而空調(diào)用的BLDC電機的產(chǎn)量約為0.96億臺，雖然占比不大，但每年都在增長之中。而且今年有可能會突破1億臺，因為前三季度已經(jīng)達到了8000多萬臺。

目前的BLDC電機主要是用控制器來驅(qū)動的，圖6是目前使用最多的BLDC電機驅(qū)動器解決方案框架圖。BLDC產(chǎn)品目前有兩種，一種是直接使用市電的產(chǎn)品，另一種是手持式，即電池供電的產(chǎn)品。

圖6：主流BLDC電機驅(qū)動方案框架圖。

驅(qū)動BLDC電機的驅(qū)動電路主要有三大部分：控制器、柵極驅(qū)動，也就是我們常說的預(yù)驅(qū)，以及功率MOSFET/IGBT，就是通常說的驅(qū)動。還有一個反饋給控制器的反饋信號，這個有用霍爾傳感器的，也有用旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器或者光編碼器的，當(dāng)然也有不用傳感器的方案。

最傳統(tǒng)，最成熟的驅(qū)動方案就是這三部分都是分開的，也有將柵極驅(qū)動和功率MOSFET集成為IPM的。

現(xiàn)在比較主流的方案是將柵極驅(qū)動集成進控制器中，后面再接上功率MOSFET或者IGBT來驅(qū)動BLDC。

還有一種干脆就將這三部分都集成了，做成一個SoC，直接驅(qū)動BLDC。

圖7：BLDC電機驅(qū)動方案的四種驅(qū)動類別優(yōu)缺點對比。

那這四種驅(qū)動方案都有哪些優(yōu)缺點呢？

MCU+預(yù)驅(qū)+驅(qū)動的方式，這種方式的優(yōu)點是靈活，IC選擇性高，可適應(yīng)于各類大、中、小功率的控制器。對一般的MCU公司也最具有優(yōu)勢，主要應(yīng)用在高壓系統(tǒng)，或者是大功率系統(tǒng)上，因為大功率和高壓應(yīng)用，有散熱和隔離的問題。缺點就是集成度低，PCBA的面積比較大。

MCU+[預(yù)驅(qū)+驅(qū)動]也可以描述成MCU+IPM，開發(fā)功率組件的國際廠商多半都有IPM的產(chǎn)品，讓客戶能簡化電路板設(shè)計的復(fù)雜度，提升穩(wěn)定性，也是早期特別成熟的驅(qū)動方式。它的優(yōu)點是，集成度高、PCBA面積較小。缺點是功率不能做得很大。

[MCU+預(yù)驅(qū)]+驅(qū)動，是目前較為主流的開發(fā)方向。它的優(yōu)點是集成度比較高、MOSFET可以靈活選擇、適用于各類中小功率的控制器。缺點是由于預(yù)驅(qū)集成在MCU中，預(yù)驅(qū)的驅(qū)動能力和耐壓做不高，無法適應(yīng)大功率控制器。

SoC方式的優(yōu)點是對性能比較高的應(yīng)用，常常用于塑封電機的設(shè)計；缺點是設(shè)計彈性比較差，如果需要更改驅(qū)動特性的話，就必須在SoC旁邊增加一顆小MCU，這不僅會增加元器件成本，更加會增加電路板的復(fù)雜度，這違背了化繁為簡的發(fā)展思想。

BLDC電機主控廠商目前有很多，根據(jù)分類的不同，有的企業(yè)這三種主控解決方案都有，有的只提供一兩種解決方案。

比如TI基本上三種方案都有，ST也有單MCU和MCU+預(yù)驅(qū)的方式。國內(nèi)的BLDC主控方案主要走的還是集成的方向，比如最近市場表現(xiàn)還不錯峰岹就是主要提供MCU+預(yù)驅(qū)的方案。

圖8：BLDC主控方案提供商代表。

從硬件層面來看，BLDC電機控制的發(fā)展經(jīng)歷了從小規(guī)模模擬、數(shù)字電路于分離器件的控制器，發(fā)展到專用集成控制電路的控制器，再到MCU，DSP等解決方案的過程。

從軟件算法層面來看，受控制理論和控制器件的限制，BLDC電機一直采用經(jīng)典PID控制，該控制方法可以使系統(tǒng)性能滿足各種靜、動態(tài)指標(biāo)要求，但系統(tǒng)的魯棒性不盡人意。

面對日益復(fù)雜的控制對象，進一步提高BLDC電機調(diào)速系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、穩(wěn)定性和魯棒性，智能控制算法受到關(guān)注，這包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)等。

智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織等功能，能夠解決模型不確定性問題，非線性控制問題，以及其他較為復(fù)雜的問題。而BLDC電機是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象，因此利用智能控制可以取得較為滿意的控制結(jié)果。目前已經(jīng)有一些較為成熟的智能控制方法應(yīng)用在了BLDC電機控制。比如模糊控制和PID相結(jié)合的Fuzzy-PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的復(fù)合控制、隸屬度參數(shù)經(jīng)遺傳算法優(yōu)化的模糊控制、單神經(jīng)元自適應(yīng)控制等等。

看完主控，再談?wù)劰β势骷?。我國功率器件市場需求，約占全球的43%，2018年約為1000億元。BLDC電機驅(qū)動器用到的功率器件主要以MOSFET、IPM和IGBT為主。比如一般情況下，一個BLDC電機驅(qū)動器就需要使用6個MOSFET來進行驅(qū)動。因此，就用量來說還算不少。

在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，國內(nèi)主要依賴進口，并基本上被歐美日企業(yè)所壟斷。目前國內(nèi)的功率半導(dǎo)體龍頭企業(yè)市場占有率仍然較低，這需要國內(nèi)功率器件廠商的跟進。相信隨著BLDC電機市場的興起，對國內(nèi)功率器件廠商來說是一個崛起的機會。

另外，在IGBT市場，一些高功率的BLDC電機應(yīng)用領(lǐng)域，比如新能源汽車中就需要用到IGBT器件，也正是得益于新能源汽車和工業(yè)領(lǐng)域的需求，我國IGBT市場規(guī)模持續(xù)增長，2018年約為162億元。

在MOSFET方面，2018年我國MOSFET市場規(guī)模約為210億元。當(dāng)然，目前這里貢獻最大的是消費電子領(lǐng)域，相信以后BLDC電機驅(qū)動器的貢獻會越來越大。

現(xiàn)在整個電機都在往高效率、高功率密度、和低成本方向發(fā)展，其中美國能源部旗下的DRIVE組織，該組織既有政府背景也有企業(yè)支持，成員包括福特、通用UQM等生產(chǎn)企業(yè)，以及Electric Power Research Institute，橡樹嶺國家實驗室（OAK RIDGE National Laboratory）等研究機構(gòu)。他們在2017年的時候發(fā)布了一個電動汽車發(fā)展2025年路線圖規(guī)劃。

在該規(guī)劃中，他們給電機和電控的發(fā)展定了一個目標(biāo)，那就是到2025年時，電機控制器的效率不能低于98%；功率密度要達到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。電機的效率不能低于97%；功率密度要達到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。

《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中也提到了國內(nèi)驅(qū)動電機的發(fā)展目標(biāo)：2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達到3.5、4和5kW/kg以上，商用車30秒有效比扭矩要分別達到18、19和20N·m/kg以上。

圖9：電機發(fā)展未來規(guī)劃和需要用到的技術(shù)。

也就是說功率密度將會成為未來電機控制器和電機設(shè)計中一個非常重要的指標(biāo)。為什么功率密度會受到如此重視？因為高功率密度的電機可以讓電機本體的體積更小，重量更輕，效率更高。高功率密度的電機一般在汽車、航空、航天、航海和工業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用更多。

高功率密度就是在一定體積下輸出更大的功率，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，一般采用兩種方法來實現(xiàn)，一是提高電機的速度，把電機設(shè)計成高速電機（轉(zhuǎn)速一般會超過10000rpm）；二是設(shè)計新型機構(gòu)電機。

要實現(xiàn)這個目標(biāo)，就需要新技術(shù)的支持，比如說寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，SiC、GaN器件等，還需要有集成的拓撲結(jié)構(gòu)和被動元件；控制算法和創(chuàng)新的電路設(shè)計；以及創(chuàng)新的系統(tǒng)級封裝和先進制造工藝的支持。

總的來說，低壓無刷電機高效化、小型化，集成化，驅(qū)動一體化將是未來的市場趨勢。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，新能源汽車是BLDC電機應(yīng)用的一個很重要的方向。目前國內(nèi)新能源汽車的主驅(qū)動電機基本都是采用BLDC電機。

當(dāng)然，在中國，BLDC電機的最大應(yīng)用領(lǐng)域主要是在家用電器，如洗衣機，空調(diào)壓縮機，冰箱壓縮機和風(fēng)機（風(fēng)扇，室外室內(nèi)風(fēng)機，抽煙煙機，空氣凈化器），洗碗機等領(lǐng)域。同時電動工具，電動自行車，水泵，無人機也已經(jīng)廣泛應(yīng)用了無刷直流電機。

其實，我們看一個行業(yè)是否有發(fā)展前景，一般需要看它的市場規(guī)模、技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈完整性，以及成長性。

而成長性，主要看這個行業(yè)的新進入者數(shù)量和質(zhì)量，BLDC驅(qū)動行業(yè)的新進入者其實還不少，比如國外的MPS和PI，國內(nèi)的峰岹科技、士蘭微、靈動微、兆易創(chuàng)新和華芯微特等。

隨著越來越多的芯片等上游企業(yè)深入?yún)⑴c到BLDC電機產(chǎn)業(yè)鏈，BLDC電機的創(chuàng)新應(yīng)該會比之前更加快速，也更多，相信未來的BLDC電機行業(yè)后續(xù)一定會更加精彩。