將會對市場進行洗牌，而能效不達標的電機廠商將不得不更改設計，這時國內電機驅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的產品，將是擴大市場份額的絕好機會

　　文︱羅藝

　　圖︱網絡

　　市場研究機構Grand View Research（簡稱GVR）2021年1月發布的報告顯示，2020年全球電機市場規模達到1505億美元，而2021至2028年復合增長率有望保持在6.4%的速度。2028年銷售額達到2325億美元。

　　電機應用極其廣泛，在風機、泵機、壓縮機、機械工具、家用電器、電動汽車、暖通設備、電動工具和自動化機器人等領域都能見到電機的身影。

　　電機技術發展趨勢

　　電機系統一直朝著高能效、高可靠、集成化、低成本、小型化、高兼容性和結構簡單化的方向發展。

　　能效提升是電機技術發展的重點方向。電機作為全球最主要的動力產生系統，用電量驚人。國內來看，2015年統計數據顯示，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，工業領域電機總耗電量為2.9萬億千瓦時，占工業用電總量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%，一年可節約數百億度電，相當于國內一個中等城市年度用電總量，節能潛力巨大。

　　電機能效提升需要系統性解決方案。從電動機設計角度來看，要降低損耗（銅耗、鐵耗和雜散損耗），改善散熱效果，優化電磁設計；從電機驅動角度來看，同樣也要降低損耗（選擇導通和開關損耗小的驅動器），優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，這樣在恒功率區域總的電流值就會減小，因此可以減小損耗和漏磁；從系統的角度來看，采用更好的控制策略，實現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。

　　在車載電機發展上，集成化趨勢明顯。集成化使得電機系統的小型輕量化、低成本與高效率的最快實現成為可能。通常驅動系統集成化包括兩大類，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，以提升驅動系統效率、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（如雙面冷卻）的高功率密度電力電子集成技術，以實現車載電力電子系統的功率密度倍增，降低成本；電機控制器與車載充電機有機拓補集成，可實現大功率快速充電。同時，以數字控制為基礎，功能安全設計為目標、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，向著滿足ISO26262的汽車工業產品安全設計的方向發展。

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

　　變頻與直流化設計，對于提升家電能效起到關鍵性作用，此處不再贅述。家電應用中，電機模塊化供貨也將成為趨勢，例如電機與風機的模塊化、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，加快整機開發流程，便于客戶的智能化組裝。

　　家電應用中，降低電機噪音是開發面臨的一大挑戰，現階段噪音在家電產品被投訴問題里非常突出，降低噪音是復雜的系統性問題，這就要求家電用電機產品在研發時全程關注噪音設計，從初始設計階段就要考慮如何控制電機噪音。

　　可靠性則是工業及汽車用電機的關鍵指標之一。電機作為各種旋轉機械的主要驅動設備，廣泛應用于工業生產中的各個領域，一臺大型設備或一條生產線往往需要幾十臺、甚至數百臺的驅動和控制電機，哪怕只有其中一臺電機發生故障，將導致整套設備、系統或生產線故障；而現代化大生產特別強調連續性，要求成套設備可靠，不間斷地運行，由于設備運行的中斷，哪怕僅僅幾小時，其損失就可高達幾十萬、幾百萬甚至更多，嚴重的可能造成成套設備的報廢。因此，與之配套的電動機安全可靠地連續運行，顯得至關緊要。

　　電機系統可靠性的內涵不僅包含電機系統的高品質設計和制造，也包括其容錯能力和冗余設計。而運行狀況監控與自我調整可以在系統層面上增加可靠性。

　　在電機運行中，電機的定子和轉子以及端蓋、軸承、風扇等輔件，都有可能出現問題，有些是制造過程中的工藝不當或設計不當，有些是使用過程中的勞損或使用不當，這些問題都會造成各類的異常現象，綜合起來有以下幾類現象：溫度異常、振動噪聲異常、電參數異常等。通過對這些參數進行檢測和分析，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人員，幫助開發人員在下一代產品開發過程中回避已知問題。

　　除上述熱點之外，控制精度、響應速度和智能化、網絡化管理等也都是當前電機技術研究的熱點方向。

　　電機控制的創新看芯片

　　電機用途廣泛、種類繁多，電機驅動與控制芯片的型號更數不勝數，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）、驅動器（MOSFET、IGBT或SiC等寬禁帶半導體器件）、傳感器（霍爾器件）、信號調理芯片、電源芯片，以及通信接口等。

　　電機控制的創新離不開芯片。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動器，又可以通過優化算法來實現精確控制、快速響應，從而提高電機效率，乃至整個生產系統的效率。

　　提高集成度則更離不開芯片。傳統電機控制鏈路為MCU+預驅動（Pre-Driver）+驅動，現在有方案將預驅動和MCU集成在一起，也有方案將預驅動和驅動集成在一起，在塑封電機等小功率應用中，還出現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，開發出一套適合特定應用場景的算法是一個復雜的系統工程，需要長期、反復的系統級驗證與測試，需要芯片公司與電機廠商密切合作，才能持續迭代完善。

　　當前，中高端電機芯片市場仍被國外廠商主導。代表性企業有意法半導體（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。

　　國內廠商則以單點解決方案為主，例如兆易創新、華大半導體、國民技術的MCU，晶豐明源、斯達半導體、數明半導體的功率器件，當然也有峰岹科技這樣專門定位在電機領域的芯片公司，經過10年的發展，從MCU到驅動已經都提供。已經有越來越多的國產芯片公司注意到電機驅動與控制的市場。

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

　　我國電機企業數量較多，但是行業高端市場被國外發達國家占據，我國廠商大多集中在微電機領域，市場競爭較為激烈，2018年我國微特電機產量達到132億臺。新國標實施以后，將會對市場進行洗牌，而能效不達標的電機廠商將不得不更改設計，這時國內電機驅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的產品，將是擴大市場份額的絕好機會。