Что такое двигатель BLDC? Какова его функция? Благодаря развитию глобальной промышленной автоматизации, интеллектуализации и повышению уровня жизни двигатели будут находить все более широкое применение в автомобильной промышленности, бытовой технике, электронном-аудиовизуальном оборудовании, устройствах обработки информации и промышленной автоматизации. Статистические данные показывают, что домохозяйства в развитых странах владеют в среднем от 80 до 130 автомобилей, тогда как домохозяйства в крупных городах Китая имеют в среднем только 20–40 двигателей,-что намного ниже среднего показателя по развитой-стране. Это подчеркивает значительный потенциал роста автомобильной промышленности Китая.
По сравнению с более чем 200-летней историей электродвигателей, двигатели BLDC относительно молоды, их история разработки насчитывает чуть более 50 лет. Однако достижения в области полупроводниковых технологий и широкое распространение микроконтроллеров и компонентов привода значительно снизили общую стоимость двигателей BLDC. Следовательно, в последние годы наблюдается значительный рост производства двигателей BLDC, причем их общие темпы роста превышают темпы роста обычных двигателей.
По прогнозам, совокупный годовой темп роста (CAGR) двигателей BLDC в ближайшие годы составит около 6,5%. Статистика показывает, что размер рынка BLDC в 2019 году составлял примерно 16,3 миллиарда долларов, а к 2024 году прогнозируется, что он достигнет около 22,44 миллиарда долларов.
Учитывая такой масштаб рынка, каковы конкретные приложения? Недавно на третьем семинаре по технологиям управления бесщеточными двигателями постоянного тока 2020 года, организованном Electronic Enthusiast Network, отраслевой аналитик Ченг Вэньчжи поделился отчетом под названием «Анализ десяти крупнейших потенциальных рынков применения двигателей BLDC». По его мнению, основные рынки приложений, где в будущем будет активно использоваться BLDC-двигатель, включают автомобилестроение, 5G, дроны/подводные роботы, электронные велосипеды/электромобили, промышленные роботы, вентиляторы, компрессоры, электроинструменты, насосы и средства индивидуальной медицины.
I. Рынок автомобильных приложений
С появлением новых транспортных средств, работающих на энергии, внедрением интеллектуального вождения и пилотным внедрением системы подключения транспортных средств-ко-всем (V2X) тенденция к электрификации автомобилей становится все более заметной.
В будущих транспортных средствах, помимо приводных двигателей, систем рулевого управления с электроусилителем, электронных систем подвески, систем контроля устойчивости, систем круиз-контроля, ABS и систем кузова (стекла, дверные замки, сиденья, зеркала, дворники, люки на крыше и т. д.) будут широко использоваться двигатели.
Обычно бензиновые автомобили эконом-класса имеют около 10 двигателей, стандартные автомобили - от 20 до 30 двигателей, а автомобили класса люкс могут иметь от 60 до 70 или даже более 100 двигателей. Транспортным средствам на новой энергии обычно требуется от 130 до 200 двигателей.
Поскольку люди все больше отдают приоритет характеристикам транспортных средств, особенно с точки зрения комфорта, безопасности, топливной экономичности и защиты окружающей среды, соответственно выросло количество электронных блоков управления и электрических устройств в автомобилях. Внедрение различных электрических систем привело к увеличению количества установленных автомобильных электродвигателей.
Новые энергетические транспортные средства представляют собой ключевую тенденцию развития последних лет, и глобальная политика в настоящее время одновременно способствует их росту. Развитые страны, такие как Европа и США, активно позиционируют себя на рынке новых энергетических транспортных средств. Посредством различных субсидий, преференциальной политики и законодательства они способствуют развитию транспортных средств на новой энергии и содействуют переходу от традиционных транспортных средств, работающих на топливе-, к электромобилям.
Внутри страны рост замедлился после июля 2019 года из-за значительного сокращения субсидий. Однако, поскольку крупные автопроизводители в 2020 году будут постоянно выпускать новые энергомодели,-особенно Tesla Model 3 и Volkswagen ID.3-, отрасль готова перейти от роста, основанного на субсидиях, к росту, основанному на спросе, вступая во вторую фазу быстрого расширения.
II. 5Г
2020 год станет поворотным годом для развития 5G в Китае. Хотя в первом квартале строительство сетей 5G было задержано из-за пандемии, China Mobile заявила о своем намерении достичь цели в 300 базовых станций000 5G к концу 2020 года. China Telecom и China Unicom также планируют совместно завершить строительство 250 000 новых базовых станций 5G в третьем квартале, чтобы компенсировать задержки,-связанные с пандемией. В сочетании с запланированными 50 000 базовыми станциями China Broadcasting Network в этом году Китай построит в общей сложности 600 000 базовых станций.
В базовых станциях 5G двигатели требуются во многих местах, в первую очередь для антенн базовых станций. В настоящее время управляющие двигатели с редукторами, используемые в антеннах базовых станций 5G, включают два решения: шаговые двигатели и бесщеточные двигатели. Для каждой антенны, оснащенной электронным антенным контроллером (ЭАК), требуется один управляющий двигатель с редуктором.
Обычно для стандартной базовой станции связи требуется примерно три антенны.. 4Базовые станции G требуют от четырех до шести антенн, а базовые станции 5G будут иметь еще больше антенн.
Помимо антенн базовой станции, двигатели также необходимы для систем охлаждения внутри базовой станции, таких как охлаждающие вентиляторы и компрессоры кондиционеров.
III. Дроны / Подводные дроны
Дроны приобрели значительную популярность несколько лет назад, хотя не во всех моделях используются бесщеточные двигатели. Многие дроны в настоящее время переходят на бесщеточные двигатели, чтобы добиться более легкой, компактной конструкции и увеличения продолжительности полета.
Согласно отчету Droneii, мировой рынок дронов достиг 14,1 миллиарда долларов в 2018 году и, по прогнозам, вырастет до 43,1 миллиарда долларов к 2024 году, причем самый быстрый рост будет наблюдаться в Азии и Северной Америке. Совокупный годовой темп роста (CAGR) составляет 20,5%.
Статистические данные «Информационной системы регистрации гражданских дронов» Управления гражданской авиации Китая показывают, что к концу 2018 года в Китае было зарегистрировано 285 000 дронов. К концу 2019 года количество зарегистрированных дронов превысило 392 тысячи, общий налет коммерческих дронов составил 1,25 миллиона часов.
Дроны сыграли значительную роль, особенно во время пандемии в начале этого года. Они курсировали между больницами и центрами контроля заболеваний, автоматизируя транспортировку предметов первой необходимости и образцов для профилактики и контроля эпидемий; зависал над автомагистралями, заменяя ручное управление воздушным движением; трансформируются в средства дезинфекции, выполняя задачи по профилактике эпидемий и дезинфекции на обширных сельских территориях и даже в городских округах по всей стране; и стали экспертами по рекламе, транслируя сообщения, призывающие людей оставаться дома.
Пандемия также вернула в центр внимания бесконтактную доставку. Внутри страны Администрация гражданской авиации Китая в прошлом году запустила пилотные программы доставки грузов дронами. Пандемия, вероятно, ускорит это внутреннее внедрение. На международном уровне логистический гигант UPS заключил партнерское соглашение с немецким производителем дронов Wingcopter, чтобы внедрить в грузовую отрасль новые дроны с вертикальным взлетом и посадкой для доставки посылок.
Подводные дроны, менее известная категория, также постепенно набирают популярность. Я вспоминаю, как брал интервью у компании, производящей подводные дроны, в 2017 году, когда они только начали массовое производство и отправили через краудфандинг всего несколько сотен единиц. Теперь их ежегодные поставки достигли десятков тысяч.
IV. E-Велосипеды/электрические велосипеды
Электронные-велосипеды сохраняют подлинные ощущения от езды на велосипеде, предлагая при этом интеллектуальную систему управления питанием. Позиционируясь между традиционными велосипедами и полноценными электронными-велосипедами, они в основном используют датчики для обнаружения сигналов езды и обеспечения соответствующей поддержки мощности, снижая усилия водителя и делая езду более легкой. По сравнению с обычными велосипедами, электронные-велосипеды оснащены моторами, аккумуляторами, датчиками, контроллерами и приборными панелями, что делает поездку еще более увлекательной. В отличие от традиционных электрических велосипедов, электронные велосипеды не используют ручное управление дроссельной заслонкой для регулирования скорости. Вместо этого они используют датчики для обнаружения сигналов езды, интерпретации намерений водителя и оказания соответствующей помощи, делая процесс езды более интеллектуальным.
Домашние электронные-велосипеды стоят от 2000 до 10 000 юаней. В Европе электровелосипеды со втулкой-мотором-колеблются от 500 до 1700 евро, а электровелосипеды со средним-мотором-приводом стоят от 2300 до 3300 евро. Электронные велосипеды стоят значительно дороже, чем традиционные велосипеды и электрические велосипеды.
Двигатель — это основной компонент электрической системы электронного велосипеда. Поскольку миниатюризация двигателя, легкая конструкция, эксплуатационная эффективность и эстетическая надежность напрямую определяют производительность электронного велосипеда, производители двигателей обычно разрабатывают моторы по индивидуальному заказу, адаптированные к конкретным требованиям электронного велосипеда. Двигатели составляют от 10 % до 30 % общей стоимости электронного велосипеда.
Спрос на электронные-велосипеды в Европе остается высоким. Согласно статистике Европейской ассоциации велосипедной индустрии, продажи электронных-велосипедов в Европе выросли с 98 000 единиц в 2006 году до 2,5 миллионов единиц к 2018 году, достигнув среднегодового темпа роста (CAGR) 31 %.
Японский рынок также переживает устойчивый рост. Япония стала пионером в исследованиях, разработке, производстве и продаже электронных велосипедов, успешно выпустив первое поколение в 1980-х годах. Учитывая преимущественно холмистую местность Японии, неровные дороги и старение населения, электронные велосипеды стали необходимым выбором.
Внутренний рынок находится в зачаточном состоянии и предлагает значительный потенциал будущего роста. Такие компании, как Mobike, Xiaomi, Hello Bike, Bisu Travel и Jinyoung, сейчас начинают продвигать электрические велосипеды внутри страны.
V. Промышленные роботы
Внутренний рынок промышленных роботов в первую очередь фокусируется на приложениях-заменителях, предлагающих значительный потенциал роста. Хотя Китай является крупнейшим в мире рынком применения промышленных роботов, всемирно известные производители в этом секторе преимущественно сконцентрированы в развитых странах, таких как США, Япония и Германия. В их число входят производители «большой четверки»: шведская ABB, японская Fanuc и Yaskawa Electric и немецкая KUKA.
По данным Международной федерации робототехники, глобальные продажи промышленных роботов достигли 422 000 единиц в 2018 году, при этом на долю Китая пришлось 154 000 единиц, что составляет 36,5% от общего объема. Кроме того, данные Национального бюро статистики показывают, что производство промышленных роботов в Китае неуклонно растет, увеличившись примерно с 33 000 единиц в 2015 году до 187 000 единиц в 2018 году, что является впечатляющим темпом роста.
Более того, благодаря постоянной государственной поддержке отрасли в последние годы и отечественным предприятиям, совершающим устойчивые прорывы, уровень локализации отечественных промышленных роботов неуклонно улучшается. В первой половине 2018 года доля продаж корпусов роботов на внутреннем рынке выросла с 19,42% в 2015 году до 28,48%. В то же время общий объем продаж промышленных роботов в Китае продолжает стабильно расти.
VI. Фанаты
К вентиляторам относятся: электрические вентиляторы, вытяжки, фены, машины с воздушными завесами, вентиляторы HVAC и т. д. К основным производителям вторичной продукции относятся Midea, Airmate, Gree, Pioneer, Vatti, Robam и другие.
Сегмент бытовых вентиляторов представляет собой огромный рынок. Объем производства бытовых вентиляторов в Китае огромен. По данным Национального бюро статистики, объем производства бытовых вентиляторов в Китае в 2018 году достиг 180 миллионов единиц. Данные за декабрь 2017 года недоступны, но общий объем производства за 11 месяцев составил 160 миллионов единиц. Производство в 2016 году составило 160 миллионов единиц, в 2019 году ожидается производство 190 миллионов единиц.
В настоящее время основные отечественные производители мелкой бытовой техники, такие как Midea, Pioneer, Risa и Airmate, выпустили продукцию с бесщеточными двигателями. Среди них Airmate предлагает наибольший объем, а Xiaomi может похвастаться самыми низкими производственными затратами.
С появлением таких межотраслевых игроков, как Xiaomi, темпы внедрения бесщеточных двигателей в секторе бытовых вентиляторов ускорились. Отечественные производители бесщеточных двигателей уже закрепились на этом рынке.
Помимо бытовых вентиляторов, промышленные вентиляторы охлаждения уже много лет переходят на бесщеточные двигатели. Эталонной компанией в этом секторе является EBM-Papst, чьи вентиляторы и двигатели широко используются в системах вентиляции, кондиционирования, охлаждения, бытовой техники, отопления и автомобильной промышленности.
В настоящее время многочисленные отечественные компании производят бесщеточные вентиляторы охлаждения, аналогичные вентиляторам EBM, и они уже захватили значительную часть рынка EBM.
Возможности для отечественных производителей должны быть существенными, особенно с появлением отечественных зарядных станций. Правительство теперь включило зарядные станции в свои проекты «Новой инфраструктуры», что должно привести к еще большему развитию в этом году.
Вентиляторы охлаждения холодильников также переходят на двигатели BLDC в соответствии с отраслевыми стандартами и национальными правилами энергоэффективности. Этот сдвиг происходит относительно быстро при значительных объемах продукции. По оценкам, к 2022 году около 60 % вентиляторов охлаждения холодильников будут заменены двигателями с регулируемой-скоростью. Отечественные поставщики вентиляторов охлаждения холодильников в основном сосредоточены в регионах дельты реки Янцзы и дельты Жемчужной реки.
В секторе вентиляторов также претерпевают изменения вытяжки,-ключевой компонент кухонной техники-. Однако ограничения по стоимости ограничивают использование бесщеточных двигателей в вытяжках. Решения с регулируемой-скоростью в настоящее время стоят около 150 юаней, в то время как варианты без-бесщеточных двигателей можно реализовать менее чем за 100 юаней, а недорогие-альтернативы доступны примерно за 30 юаней.
Многие вентиляционные установки и очистители воздуха также используют бесщеточные двигатели. В настоящее время в меньших моделях на рынке обычно используются двигатели Nedic с внешним ротором, тогда как в более крупных воздухоочистителях обычно используются вентиляторы EBM.
Кроме того, в последние годы стали набирать обороты вентиляторы циркуляции воздуха. Их текущая стоимость остается относительно высокой: цена готовой продукции обычно составляет 700–800 юаней за штуку, а модели премиум-класса достигают 2000–3000 юаней.
VII. Компрессоры
Поскольку скорость компрессора холодильника определяет его внутреннюю температуру, инверторные компрессоры могут регулировать свою скорость в зависимости от показаний температуры. Это позволяет холодильнику адаптироваться к текущим условиям, поддерживая более стабильную внутреннюю температуру. Следовательно, сохранность продуктов питания значительно улучшается. В большинстве инверторных компрессоров холодильников используются двигатели BLDC, что обеспечивает более высокую эффективность, более низкий уровень шума и увеличенный срок службы во время работы.
Раньше в этом секторе доминировали японские, корейские и тайваньские производители, но с 2010 года отечественные игроки быстро завоевали позиции. Сообщается, что один шанхайский-производитель в настоящее время отгружает около 30 миллионов устройств ежегодно.
Благодаря развитию отечественных полупроводниковых компаний отечественные поставщики теперь могут поставлять практически все компоненты,-от основных управляющих микроконтроллеров и пред-драйверов затворов до питания полевых МОП-транзисторов.
Еще одна ключевая область — компрессоры кондиционеров. Инверторные кондиционеры получили широкое распространение, и тенденция к использованию инверторных технологий неоспорима. Внутреннее производство кондиционеров является значительным. По данным Национального бюро статистики, в 2018 году для кондиционеров было произведено 360 миллионов двигателей переменного тока и около 96 миллионов двигателей BLDC. Более того, производство BLDC-двигателей для кондиционеров ежегодно увеличивается.
VIII. Электроинструменты
Электроинструменты входят в число наиболее широко используемых аппаратных и электромеханических изделий. Их легкая конструкция, портативность, высокая производительность и низкое энергопотребление делают их незаменимыми для операций сверления, резки и шлифования в различных отраслях промышленности, включая строительство, отделку, деревообработку, металлообработку и другие отрасли промышленности.
Благодаря постоянному технологическому прогрессу и растущему признанию концепций DIY сфера применения электроинструментов продолжает расширяться. Многие традиционные ручные операции с инструментами все чаще заменяются электроинструментами, которые также переходят из промышленного применения в домашнее использование. Спрос на электроинструменты растет с каждым годом.
Переход к бесщеточным двигателям в электроинструментах начался довольно рано. Еще в 2010 году некоторые международные бренды представили электроинструменты, оснащенные бесщеточными двигателями. С развитием технологии литий-ионных аккумуляторов и все более доступными ценами объем беспроводных ручных инструментов растет с каждым годом, и теперь они конкурируют по популярности с проводными инструментами.
Статистические данные показывают, что бесщеточная технология в основном используется для электрических гаечных ключей в Китае. Однако дрели, инструменты высокого напряжения-и садовые инструменты еще не полностью перешли на новый уровень, хотя и находятся в процессе перехода.
Этот сдвиг в первую очередь обусловлен энергоэффективностью и высокой производительностью бесщеточных двигателей, позволяющих ручным электроинструментам работать дольше. Многие международные и отечественные производители, такие как Bosch, Dewalt, Milwaukee, Ryobi и Makita, вкладывают значительные ресурсы в разработку продукции.
Разработка отечественных электроинструментов также быстро развивается, особенно в регионе Цзянсу-Чжэцзян, где расположено множество производителей. В последние годы стоимость решений по управлению бесщеточными двигателями в этой области значительно снизилась. Многие производители развязали ценовые войны: в отчетах указывается, что решение для управления бесщеточным двигателем для электроинструмента сейчас стоит около 6-7 юаней, а некоторые даже всего за 4-5 юаней.
IX. Насосы
Производство водяных насосов относительно традиционно, в нем представлены разнообразные типы продукции и варианты решений. Даже для плат привода одинаковой мощности на рынке существует множество вариантов по цене от менее 2 юаней до 40-50 юаней.
В водяных насосах средней-и-мощности преимущественно используются трехфазные асинхронные двигатели, а в микро-миниатюрных насосах преимущественно используются двухполюсные насосы переменного тока. Текущая модернизация системы отопления в северном Китае предоставляет благоприятную возможность для технологических инноваций в насосных решениях.
С чисто технической точки зрения бесщеточные двигатели хорошо-подходят для насосов, предлагая преимущества в размере, удельной мощности и даже стоимости.
10. Личное здоровье и благополучие
Двумя типичными продуктами в сфере личной гигиены являются вирусный фен Dyson и массажный пистолет.
С тех пор, как компания Dyson представила свой высокоскоростной-фен с цифровым двигателем, она взорвала весь рынок фенов.
По словам Цянь Чжичуня из Jingfeng Mingyuan, современные решения для бытовых фенов в основном основаны на трех подходах: во-первых, тестирование Dyson со сверх-высоко-скоростными бесщеточными двигателями, обычно работающими со скоростью около 100 000 об/мин, а некоторые достигают скорости до 160 000 об/мин; Во-вторых, подход к замене двигателя U-, который обеспечивает те же обороты в минуту, что и двигатели U-, но с преимуществами в виде меньшего веса и более высокого давления воздуха; В-третьих, высоковольтный подход с внешним ротором, при котором двигатель в основном повторяет конструкцию Nedic.
Нынешние отечественные имитационные продукты уже не являются простыми копиями; они обычно добиваются обхода патентов и внедряют определенные инновации.
Поставки огнестрельного оружия в последние годы резко выросли. Говорят, что тренеры по фитнесу и любители спорта теперь обычно носят с собой фасциальные пистолеты. Эти устройства используют вибрационную механику для передачи вибраций глубоко в фасции и мышечные ткани, достигая расслабления фасций и снижения мышечного напряжения. Некоторые считают фасциальные пистолеты важным инструментом для восстановления после-тренировки.
Однако рынок этих устройств сейчас очень конкурентен. Хотя их дизайн выглядит схожим, цены варьируются от более 100 до более 3000 юаней. Рыночная цена на платы управления двигателями BLDC, используемые в этих пистолетах, упала примерно до 8 юаней, а некоторые даже можно купить примерно за 6 юаней. Это привело к быстрому снижению цен на фасциальное оружие.
Говорят, что один производитель бытовой техники, находившийся на грани банкротства, был мгновенно возрожден благодаря одному лишь продукту с фасциальным пистолетом. Сейчас они процветают вполне комфортно.
Конечно, помимо этих двух продуктов, другие товары, такие как мужские электробритвы и женские косметические устройства, также имеют тенденцию к внедрению бесщеточных двигателей.
Заключение
В целом, двигатели BLDC все еще находятся в зачаточном состоянии, однако их применение уже процветает. Помимо упомянутых здесь примеров, они встречаются в сервисных роботах, автоматических транспортных средствах, роботах-пылесосах, блендерах, кухонных приборах, посудомоечных машинах и многом другом. По правде говоря, двигатели пронизывают бесчисленные аспекты нашей повседневной жизни, и многие будущие применения еще ждут своего изучения. На этом мы завершаем наш анализ двигателей BLDC. Я надеюсь, что это окажется полезным.