新國標(biāo)實施以后，將會對市場進(jìn)行洗牌，而能效不達(dá)標(biāo)的電機廠商將不得不更改設(shè)計，這時國內(nèi)電機驅(qū)動和控制芯片廠商如能利用合適的方案，幫助客戶快速推出符合新國標(biāo)的產(chǎn)品，將是擴(kuò)大市場份額的絕好機會。

市場研究機構(gòu)Grand View Research（簡稱GVR）2021年1月發(fā)布的報告顯示，2020年全球電機市場規(guī)模達(dá)到1505億美元，而2021至2028年復(fù)合增長率有望保持在6．4%的速度。2028年銷售額達(dá)到2325億美元。

電機應(yīng)用極其廣泛，在風(fēng)機、泵機、壓縮機、機械工具、家用電器、電動汽車、暖通設(shè)備、電動工具和自動化機器人等領(lǐng)域都能見到電機的身影。

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電機技術(shù)發(fā)展趨勢

電機系統(tǒng)一直朝著高能效、高可靠、集成化、低成本、小型化、高兼容性和結(jié)構(gòu)簡單化的方向發(fā)展。

能效提升是電機技術(shù)發(fā)展的重點方向。電機作為全球最主要的動力產(chǎn)生系統(tǒng)，用電量驚人。國內(nèi)來看，2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國電機保有量約為24億千瓦，總耗電量約為3．5萬億千瓦時，當(dāng)年全社會總用電量為5．55萬億千瓦時，電機耗電量占全國總用電量比例為65%。其中，工業(yè)領(lǐng)域電機總耗電量為2．9萬億千瓦時，占工業(yè)用電總量3．93萬億千瓦時的比例為74%。2020年，我國電機裝機容量為25億千瓦，預(yù)計未來五年將新增8億千瓦的裝機容量。

如果電機能效整體提升1%，一年可節(jié)約數(shù)百億度電，相當(dāng)于國內(nèi)一個中等城市年度用電總量，節(jié)能潛力巨大。

電機能效提升需要系統(tǒng)性解決方案。從電動機設(shè)計角度來看，要降低損耗（銅耗、鐵耗和雜散損耗），改善散熱效果，優(yōu)化電磁設(shè)計;從電機驅(qū)動角度來看，同樣也要降低損耗（選擇導(dǎo)通和開關(guān)損耗小的驅(qū)動器），優(yōu)化常用工況下的電流矢量與通過橋電路提高電機控制器輸入電壓利用率，提高電機輸入電壓值，這樣在恒功率區(qū)域總的電流值就會減小，因此可以減小損耗和漏磁;從系統(tǒng)的角度來看，采用更好的控制策略，實現(xiàn)更精確的位置控制與電流控制，也能有效降低損耗，提高能效。

在車載電機發(fā)展上，集成化趨勢明顯。集成化使得電機系統(tǒng)的小型輕量化、低成本與高效率的最快實現(xiàn)成為可能。通常驅(qū)動系統(tǒng)集成化包括兩大類，即機電集成與電力電子集成。機電集成主要包括電機與發(fā)動機總成或電機與變速箱的集成，其特點是通過高效/高速電機與高效傳動的集成，以提升驅(qū)動系統(tǒng)效率、功率密度，以降低成本。電力電子集成方面，主要基于IGBT/SiC器件、電容、高效散熱技術(shù)（如雙面冷卻）的高功率密度電力電子集成技術(shù)，以實現(xiàn)車載電力電子系統(tǒng)的功率密度倍增，降低成本;電機控制器與車載充電機有機拓補集成，可實現(xiàn)大功率快速充電。同時，以數(shù)字控制為基礎(chǔ)，功能安全設(shè)計為目標(biāo)、電磁兼容為約束的高可靠性、多拓補組合的車載電力電子集成技術(shù)，向著滿足ISO26262的汽車工業(yè)產(chǎn)品安全設(shè)計的方向發(fā)展。

家電用的中小微型電機，其發(fā)展趨勢為變頻與直流化、模塊化設(shè)計、智能化設(shè)計，以及降低噪音。

變頻與直流化設(shè)計，對于提升家電能效起到關(guān)鍵性作用，此處不再贅述。家電應(yīng)用中，電機模塊化供貨也將成為趨勢，例如電機與風(fēng)機的模塊化、電機與傳動裝置的模塊化、電機與智能控制的模塊化等。電機模塊化可以精簡零部件，組成獨立單元提供給上一層系統(tǒng)，加快整機開發(fā)流程，便于客戶的智能化組裝。

家電應(yīng)用中，降低電機噪音是開發(fā)面臨的一大挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段噪音在家電產(chǎn)品被投訴問題里非常突出，降低噪音是復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，這就要求家電用電機產(chǎn)品在研發(fā)時全程關(guān)注噪音設(shè)計，從初始設(shè)計階段就要考慮如何控制電機噪音。

可靠性則是工業(yè)及汽車用電機的關(guān)鍵指標(biāo)之一。電機作為各種旋轉(zhuǎn)機械的主要驅(qū)動設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域，一臺大型設(shè)備或一條生產(chǎn)線往往需要幾十臺、甚至數(shù)百臺的驅(qū)動和控制電機，哪怕只有其中一臺電機發(fā)生故障，將導(dǎo)致整套設(shè)備、系統(tǒng)或生產(chǎn)線故障;而現(xiàn)代化大生產(chǎn)特別強調(diào)連續(xù)性，要求成套設(shè)備可靠，不間斷地運行，由于設(shè)備運行的中斷，哪怕僅僅幾小時，其損失就可高達(dá)幾十萬、幾百萬甚至更多，嚴(yán)重的可能造成成套設(shè)備的報廢。因此，與之配套的電動機安全可靠地連續(xù)運行，顯得至關(guān)緊要。

電機系統(tǒng)可靠性的內(nèi)涵不僅包含電機系統(tǒng)的高品質(zhì)設(shè)計和制造，也包括其容錯能力和冗余設(shè)計。而運行狀況監(jiān)控與自我調(diào)整可以在系統(tǒng)層面上增加可靠性。

在電機運行中，電機的定子和轉(zhuǎn)子以及端蓋、軸承、風(fēng)扇等輔件，都有可能出現(xiàn)問題，有些是制造過程中的工藝不當(dāng)或設(shè)計不當(dāng)，有些是使用過程中的勞損或使用不當(dāng)，這些問題都會造成各類的異常現(xiàn)象，綜合起來有以下幾類現(xiàn)象：溫度異常、振動噪聲異常、電參數(shù)異常等。通過對這些參數(shù)進(jìn)行檢測和分析，既可以增加電機在運行過程中的可靠性與安全性，也可將故障與意外狀況反饋給電機開發(fā)人員，幫助開發(fā)人員在下一代產(chǎn)品開發(fā)過程中回避已知問題。

除上述熱點之外，控制精度、響應(yīng)速度和智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理等也都是當(dāng)前電機技術(shù)研究的熱點方向。

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電機控制的創(chuàng)新看芯片

電機用途廣泛、種類繁多，電機驅(qū)動與控制芯片的型號更數(shù)不勝數(shù)，從功能上來劃分，電機控制板用到的芯片主要包含如下幾類：控制器（MCU/DSP/FPGA）、驅(qū)動器（MOSFET、IGBT或SiC等寬禁帶半導(dǎo)體器件）、傳感器（霍爾器件）、信號調(diào)理芯片、電源芯片，以及通信接口等。

電機控制的創(chuàng)新離不開芯片。以提高電機效率為例，既可以選擇低損耗器件，比如更高功率密度碳的碳化硅或氮化鎵驅(qū)動器，又可以通過優(yōu)化算法來實現(xiàn)精確控制、快速響應(yīng)，從而提高電機效率，乃至整個生產(chǎn)系統(tǒng)的效率。

提高集成度則更離不開芯片。傳統(tǒng)電機控制鏈路為MCU+預(yù)驅(qū)動（Pre-Driver）+驅(qū)動，現(xiàn)在有方案將預(yù)驅(qū)動和MCU集成在一起，也有方案將預(yù)驅(qū)動和驅(qū)動集成在一起，在塑封電機等小功率應(yīng)用中，還出現(xiàn)了鏈路全集成的解決方案。這些高集成度控制板解決方案，有助于縮小電機體積，增強散熱能力，增加電機壽命與可靠性。

電機驅(qū)動的算法也不簡單。電機的啟動、運行、停止都要考慮很多因素，而不同的溫度、電阻、磁場變化都會影響電機的運行，開發(fā)出一套適合特定應(yīng)用場景的算法是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要長期、反復(fù)的系統(tǒng)級驗證與測試，需要芯片公司與電機廠商密切合作，才能持續(xù)迭代完善。

當(dāng)前，中高端電機芯片市場仍被國外廠商主導(dǎo)。代表性企業(yè)有意法半導(dǎo)體（ST）、亞德諾（ADI）、德州儀器（TI）、英飛凌（Infineon）、恩智浦、瑞薩電子、東芝、安森美等廠商，都有從控制器到功率器件的完整解決方案，尤其是前面四家，電機方案非常豐富。

國內(nèi)廠商則以單點解決方案為主，例如兆易創(chuàng)新、華大半導(dǎo)體、國民技術(shù)的MCU，晶豐明源、斯達(dá)半導(dǎo)體、數(shù)明半導(dǎo)體的功率器件，當(dāng)然也有峰岹科技這樣專門定位在電機領(lǐng)域的芯片公司，經(jīng)過10年的發(fā)展，從MCU到驅(qū)動已經(jīng)都提供。已經(jīng)有越來越多的國產(chǎn)芯片公司注意到電機驅(qū)動與控制的市場。

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新供應(yīng)商切換窗口已經(jīng)開啟

2020年5月，我國公布最新電機能效標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020電動機能效限定及能效等級》，該標(biāo)準(zhǔn)將于2021年6月1日正式實施，屆時IE3（國際標(biāo)準(zhǔn)）以下能效電機將被強制停產(chǎn)，國內(nèi)電機行業(yè)將全面進(jìn)入IE3高效時代。

我國電機企業(yè)數(shù)量較多，但是行業(yè)高端市場被國外發(fā)達(dá)國家占據(jù)，我國廠商大多集中在微電機領(lǐng)域，市場競爭較為激烈，2018年我國微特電機產(chǎn)量達(dá)到132億臺。新國標(biāo)實施以后，將會對市場進(jìn)行洗牌，而能效不達(dá)標(biāo)的電機廠商將不得不更改設(shè)計，這時國內(nèi)電機驅(qū)動和控制芯片廠商如能利用合適的方案，幫助客戶快速推出符合新國標(biāo)的產(chǎn)品，將是擴(kuò)大市場份額的絕好機會。

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