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  智能制造的全面渗透将加速无刷马达进入消费电子、智能家电、新能源汽车等应用场景,全面替代有刷马达,无刷马达行业将迈入千亿美金赛道。长期来看,能够低成本、单相直流电机怎么测量好坏高效率地完成个性化定制和生产的厂家将逐渐向行业头部靠拢,未来行业也可能实行高度分工。

  电机(Motor),又称电动机或者马达,狭义上的电机指的是发动机,广义上的电机则可以是发动机或者发电机。当机械能转换为电能,电机作为发电机使用;当电能转换为机械能,电机作为发动机使用,作为电器或其他装置的动力源。本文所指电机均为发动机。

  电磁感应是电机工作的基本原理,通过永磁体或者电励磁的方式提供磁场,由电源提供电流,在安培力的作用下使转子转动。电机的分类有很多种,供电方式和励磁方式是电机工作的基础。根据供电方式,可以分为直流电动机和交流电动机,直流电动机由直流电源供电,交流电动机由交流电源供电。根据励磁方式,可以分为永磁电动机和电励磁电动机,永磁电动机由永磁体提供恒定的磁场,电励磁电动机由电磁效应提供可调节的磁场。根据有无碳刷,可分为有刷电机和无刷电机,有刷电机利用碳刷和换向器转换电流方向,无刷电机则使用晶体管来控制电流方向。

  电机的主要构造有定子,转子,轴承,电源,控制器和散热器。定子和转子通过电磁效应产生相互作用力转动,轴承负责传递动力,电源负责提供电能,控制器带有传感器,负责控制电机的转动,散热器负责散发电机工作产生的热能,维持稳定的工作环境。衡量电机功效的重要参数:转速和转矩,与磁场强度、电流大小和电压大小成正比。

  1.2无刷电机较有刷电机具有安全性高、节能等优点,直流电机电阻测量好坏永磁体和直流供电为主流

  传统的有刷电动机用碳刷和换向器来变换电流的方向,碳刷起到导电作用,换向器在线圈绕过平衡位置时改变电流的方向,安培力的作用方向不变,从而保证转子的转动。但工作过程磨损大、易产生火花,不适用于对安全性要求高的作业环境,例如无尘车间等。

  永磁同步电机(亦可称无刷直流电机)是电机界的新星,早在1992年,李洪涛申请了电励磁无刷电机专利,并于1995年获得审批。但由于电励磁功能密度较低,结构复杂,性能较差,至今没有获准批量生产。近年来由钕铁硼制成的高性能稀土永磁材料得到开发,永磁无刷电机得到发展。这种电机又称为永磁同步电机。

  定子为永磁体,转子为铁芯绕组,亦可反之,定子为铁芯绕组,转子为永磁体。供电方式有交流点和直流电,直流电由于动态下仍然呈现线性关系较好控制,为当下的主要供电方式。永磁同步电机相较于传统的有刷电机具有安全性高、体积小重量轻、噪音小、寿命长、节能、有刷直流电机接线图控制精准度高等优点,在航空、军事、汽车、办公自动化、家用电器等行业内得到了广泛的应用。

  第一阶段(1820-1880年):以电励磁直流电机为主。最初的直流电动机采用永磁体提供磁场,但由于当时磁性材料的性能限制,输出功率和动力均很小。1834年,德国的雅可比将电磁铁代替永磁体,并首次采用换向装置,制成世界上第一台实用型电励磁直流有刷电机。其后,电励磁直流有刷电机的结构、励磁方式不断完善丰富,于1873年已经初具现代直流电机的主要结构特点。

  第二阶段(1880-1930年):交流电机逐渐取代直流电机。直流电机在工作中易出现不稳定、功率、电压受限等各种问题。同一时期,随着交流电和电磁感应现象被法拉第发现,交流电机开始萌芽。1885-1886年,意大利和美国的科学家费拉里斯和特斯拉相继发明了二相交流电动机。1889年,德国工程师杜列夫发明了第一台实用型三相交流电动机,由于其结构简单、稳定性高、功率范围大等优点开始大规模应用于工业生产。

  第三阶段(1930-1990年):高性能永磁材料逐渐取代电励磁。20世纪30年代以来,随着一系列新型高性能永磁材料被发现和稀土永磁制造工艺的突破,各种微小型电机重新开始采用永磁体励磁。尤其是20世纪60和80年代稀土钴永磁和钕铁硼永磁两种稀土永磁材料的相继问世,使稀土永磁电机进入一个快速发展的新时期。

  第四阶段(1990年-至今):直流无刷电机逐渐替代有刷电机。早在十九世纪诞生电机的时候,产生的实用性电机就是无刷形式,即感应电机(Induction Motor),又称交流鼠笼式异步电动机,这种电机的定子为铁芯绕组,转子为铁芯,通单相或者三相交流电后产生旋转的磁场,再通过电磁感应使转子转动,转子的转速与磁场的转速总有差别,被称为异步电动机。异步电动机有许多无法克服的缺陷,以致电机技术发展缓慢。二十世纪中叶诞生了晶体管,因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了,这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机,它克服了第一代无刷电机的缺陷,并逐渐在多个领域得到广泛应用。

  随着智能制造的发展,未来无刷马达的发展方向将以新兴场景衍生的需求驱动为主,追求高能效、低成本和智能化。由于使用场景的多样化,提供定制化服务的厂家将受到下游客户的青睐。从长期来看,随着智能无刷马达的渗透,无刷马达行业有望建立OEM代工厂制度,能够低成本、高效率地完成个性化定制和生产的厂家将逐渐向行业头部靠拢,未来无刷电机行业也可能实行高度分工。下面是一些最新的技术:

  扁线电机与传统圆线电机的区别在于铜线的成形方式,将电机定子绕组的漆包圆线换成漆包扁线。扁线有利于电机槽满率上升,在同样的空间可以填充更多的铜线,产生更强的磁场强度,从而提升功率。一般来说,填充的铜线%,从某种程度上等同于增加20-30%的功率。在功率相同的情况下,也可以减少电机其他材料的用料,进而减小点击的体积和重量。扁线之间接触面积大,热导性能更好,升温较低。扁线电机还可以通过节省端部铜材的方式提升铜线利用率,从而达到降低成本的目的。此项技术在国外已率先应用,国内仍处于初级阶段。

  智能化:在智能制造和人工智能时代,智能化是永恒的主题。未来主要技术方向:集成化、控制器全数字化,驱动控制系统进一步升级,实现对电机转矩、转速、转动位置的全方位精确控制。

  由于稀土永磁材料成本较高,且国家对于稀土开采的逐步收紧,实行统一规划,推动优质资源保护与合理利用,在2020年之后不再新增采矿权,同时也将严格执行污染物排放标准,永磁同步电机的成本较其他电机仍较高,预计将优先应用在高净值的新技术领域。

  未来5年全球新能源汽车渗透率将大幅提高,永磁同步电机成为中国车企首选。从欧洲市场看,欧洲是最早提出燃油车禁售的地区,且欧洲国家纷纷制定严厉的碳排放政策,传统车企将主导电动化浪潮,将带动新能源汽车的销量进入一个快速增长的爆发期,欧洲电动化加速。

  从中国市场看,中国新能源汽车产业已由导入期迈入成长期,保有量渗透率不到2%,仍有很大成长空间。2010 年我国新能源汽车销量仅 8159 辆,2018 年销量达到 125.6 万辆,九年内复合增速达到87.5%。目前新能源汽车保有量渗透率不到 1.4%,成长空间广阔。永磁同步电机无论转矩密度、功率密度还是效率都比感应电机表现要好,可以提高能源效率,增加续航里程,直流电机绕线机此外,永磁电机不需要感应电机那般的高效和复杂的冷却系统,这有利于整车的设计制造。

  但永磁稀土材料价格高,在稀土大国的中国成为车企首选,欧美车企倾向于使用感应电机或者开发少永磁稀土材料进行替代。此外,一辆汽车内部通常包括几十到上百台电机,无刷直流电机除了可作为汽车驱动的核心部件外,还可用于汽车空调、车门、座椅和与雨刮器等的驱动上。

  家庭是社会的基本单元,中国有4.3亿户家庭,为世界之首,任何可在家庭内推广的产品,都极具增长潜力。在5G、云计算、人工智能等技术的助力下,智能家居产业全球迅速发展,迎来了广阔的发展空间。智能家居的细分领域包括:智能家电、个人护理和娱乐休闲。常见的智能家电有:变频空调、吹风机、智能风扇、扫地机器人、拖地机器人、拖地机、去毛球器、智能料理机等。常见的个人护理用品有:电动牙刷、水牙线、美容仪等。娱乐休闲方面,无人机、儿童卡丁车、平衡车、电动滑板车、筋膜枪等家电逐步兴起。

  全球智能家居市场稳步增长,中国市场仍然是万亿元的蓝海市场。全球智能家居市场以11%的复合年均增长率增长,到2023年市场规模约为1570亿美元。中国的智能家居市场起步较晚,目前还处于快速上升期,未来几年我国智能家居市场仍将保持高速增长,预计到2021 年我国智能家居市场规模将达到134亿美元,占全球市场规模的比例也将上升到17%。

  2020年至2026年,全球无刷马达市场CAGR约为9%,2026年市场规模约为720亿美元。2020年至2023年,中国无刷马达市场有望保持20%左右的增速,2023年市场规模将达到678亿元左右。随着智能制造的全面渗透,无刷马达将加速进入消费电子、智能家电、新能源汽车、万博体育官网工业机器人、航空航天等应用场景,并在可见的未来,全面替代有刷马达,长期市场规模可达数千亿美金。由于使用场景的多样化,提供定制化服务的厂家将受到下游客户的青睐。从长期来看,随着智能无刷马达的渗透,无刷马达行业有望建立OEM代工厂制度,能够低成本、高效率地完成个性化定制和生产的厂家将逐渐向行业头部靠拢,未来无刷电机行业也可能实行高度分工。

时间:2020-07-28 03:24