电机是依据电磁感应定律实现电能转化为机械能的设备。按用途可分为驱动电机、控制电动机。
按工作电源可分为直流电机、交流电机。直流电机具有启动转矩大、调速范围广、可提供准确且快速的控制等优点,但需要定期维护电刷和换向器。而交流电机具备耐用性及常规使用的寿命更长、维护成本低等优势,但无法在低速下运行,定位控制很差。
直流电机根据有无电刷可进一步分为直流无刷电机(BLDC电机)、直流有刷电机(BDC电机)。与其他电机相比,BLDC电机特点鲜明:
2)基于应用场景的不同,可选择方波、SVPWM、FOC等各种电机驱动控制方式,实现精确的速度和位置控制。
综合来看,BLDC电机具备高可靠性、低振动、高效率、低噪音、节能降耗等优势,并可在较宽调速范围内实现响应快、精度高的变速效果,但由于其制造难度较高,成本亦较高,整机造价比有刷电机高30%-50%。
BLDC电机充分契合终端应用领域对节能降耗、智能控制、高可靠性等方面慢慢的升高的要求,有望逐步实现对传统电机的取代渗透。目前在白色家电、汽车电子、机器人等市场渗透率较高,还可大范围的应用于风机、泵、电动车、电动工具、压缩机等领域。
BLDC电机由电机本体、位置传感器和电子控制器三大核心部分组成
电机主体包含定子和转子,定子由硅钢片叠压而成,绕组按定规律分布在定子槽内;转子由永磁体(如钕铁硼、ferrite等)和转轴组成,永磁体按极替排列,在定子旋转磁场的作用下受力旋转。
位置传感器用于实时检测转子的位置,为控制器提供换相依据,常见的有霍尔传感器、光电传感器和无传感器方案。
电子控制器用于接收位置传感器信号,控制三相绕组的导通顺序(换相),同时根据外部指令(如PWM信号)调节电机转速和扭矩,还具备过流、过压、过热等保护功能,由功率开关管(如MOSFET)、驱动电路、控制芯片(如MCU、ASIC)组成。
三者的协同流程为:位置传感器反馈转子位置控制器据此切换定子绕组电流方向定子磁场与转子永磁体相互作用驱动转子持续旋转。
根据峰岹科技招股书采用的数据,电机驱动控制芯片成本占比约25%。而在低成本的消费类应用产品中,如小家电,多为8位/32位MCU,实现基本方波控制,不仅整机价格低,驱动控制芯片的成本占比也较低,在5%-10%左右。另外,控制算法越复杂、芯片集成度越高、对芯片的安全性与可靠性要求越高的应用中,驱动控制芯片的成本占比越高。综合看来,电机驱动控制芯片在BLDC电机的成本占比在5%-25%之间。
根据Frost&Sullivan数据,2023年全球BLDC电机市场规模达2749亿元,其中中国市场达696亿元。随着BLDC电机下游应用场景持续拓展和渗透,Frost&Sullivan预计2028年全球/中国BLDC电机市场规模将达到6869/1946亿人民币,对应年复合增速为20%/23%;全球/中国BLDC电机市场规模占电机市场的比重将从2023年的20%/22%提高至32%/35%。
在BLDC电机控制芯片领域,国内市场呈现由国际巨头主导、国内厂商加速国产替代的竞争格局。德州仪器、意法半导体、英飞凌、罗姆、微芯科技等国际巨头凭借完善的产品线、深厚的技术积累及全球性影响力,占据全球主要的市场占有率。国内主要厂商有兆易创新、峰岹科技、中颖电子等。
1)兆易创新:主营存储芯片、MCU等,其中,MCU芯片在2024年全球市占率为1.2%,排名全球第八、中国内地第一。兆易创新以GD32 MCU产品矩阵为基础,覆盖工业控制、家电、电动工具、飞行器、人形机器人、汽车电子等领域。其MCU内核架构采用ARM公司提供的Cortex-M系列内核,IP内核依赖于ARM公司的授权,需支付IP授权费用。
2)峰岹科技:主营电机驱动控制芯片,包含MCU、ASIC、HVIC、MOSFET等,应用于家电、电动工具、运动出行、工业与汽车等领域。其MCU 采用“双核”结构,由公司自主研发的 ME 内核专门承担复杂的电机控制任务,通用 MCU 内核用于处理通信等辅助任务。
3)中颖电子:主营工控MCU、锂电池管理芯片等,其电机控制芯片应用于家电、汽车等领域,在机器人领域的应用处于开发中。其MCU内核架构主要是采用ARM Cortex-M系列授权架构。
4)芯海科技:主营MCU、健康测量AIOT、模拟信号链等,其电机控制芯片应用于消费电子、家电、工业、汽车、机器人等领域。早期的8位MCU内核为自研,而目前的32位MCU主要是采用ARM Cortex-M系列授权架构。
5)中微半导:主营数字和模拟芯片,其电机控制芯片应用于消费电子、家电、工业、汽车等领域。中微半导曾于2005年自主开发过基于RISC指令集(RISC-89)的汇编语言平台和仿真工具,但目前其MCU主要是采用ARM Cortex-M系列授权架构。