1.3 21世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪

永磁无刷直流电动机按驱动电流方式可分为方波驱动和正弦波驱动，后者又称为同步型永磁交流伺服电动机，主要用于伺服控制。20世纪80年代才进入实用阶段的同步型永磁交流伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的新型伺服电动机。据国际电机会议专家分析，交流伺服电动机正以每年15%的增速取代直流伺服电动机，交流伺服电动机将会占据首位，其前景是极其美好的。因此，国际上有电机专家断言，21世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪。特别是在小型电动机领域，无刷直流电动机将占据主导地位。

现在，由于市场需要的增长，面向3A（工业自动化、办公自动化、家居自动化），永磁无刷直流电动机的功率覆盖范围早已突破微电机功率界限，从毫瓦级到数十千瓦，主要应用领域包括：

1.在计算机外围设备、办公自动化设备、数码电子消费品中的应用

从数量上说，这是无刷直流电动机应用最多的领域，已占据了无可取代的地位。例如在数字打印机、软盘驱动器、硬盘驱动器、CD-ROM和DVD-ROM等光盘驱动器、传真机、复印机、磁带记录仪、电影摄影机、高保真度录音机和电唱机的主轴和附属运动的控制等。

单相无刷直流风机也在计算机外围设备和办公自动化设备以及其他自动化仪器设备中获得广泛应用，大量挤占了原来交流风机的市场。

2.在工业驱动，伺服控制中的应用

同步型永磁交流伺服电动机的伺服控制器部分，除开关器件脉宽调制（PWM）功率电路外，还包括专用集成电路或者微处理器对电机速度、电流环进行控制、进行各种失常情况的保护和故障自诊断。这种新型电机的典型应用，有火炮，雷达等军事装备控制，数控机床、组合机床的伺服控制，机器人关节伺服控制等。

20世纪90年代以来，在高精度的机床数控设备进给伺服控制中相当多地采用了同步型永磁交流伺服电机，取代宽调速的直流伺服电动机的势头强劲。近年来，在新一代数控机床的进给伺服控制中采用永磁交流直线伺服电动机，采用同步型永磁交流伺服电动机代替变频感应电动机作为机床的主轴直接驱动电动机，以提高数控机床快速性和加工效率，也已成为新的研究和应用热点。在军用和工业用机器人和机械手的驱动中，无刷直流电动机的应用相当广泛。据国际机器人联盟（IFR）估计，截至2015年全球约有150万以上的工业机器人用于工业流水线作业，未来三年将会超过230万台，服务领域用机器人将达到15000万台。机器人已经成为无刷直流电动机的主要应用领域之一。大功率无刷直流电动机（一般采用晶闸管作为功率器件，习惯上称为无换向器电机）在低速、恶劣环境和有一定调速性能要求的场合有着广泛的应用前景，如钢厂的轧钢机、水泥窑传动设备、抽水蓄能机组等。

近年出现的最新一代电梯无齿轮曳引机，是以同步型永磁交流伺服电动机为动力，磁场定向矢量控制和快速电流跟踪控制的电梯驱动装置，它和有齿轮传动的直流曳引机、以感应电动机变频驱动的交流曳引机相比，有更优异控制性能，并具有高效率、低噪声、小体积、轻重量等优点，迅速被国际知名电梯公司重视，纷纷开发出自己的无齿轮曳引机电梯，推向高端市场。无齿轮直接驱动的无刷曳引机引起电梯革命性的变革，出现了小机房和无机房电梯。

此外，同步型永磁交流伺服电动机在纺织机械、印刷机械、包装机械、冶金机械、邮政机械、自动化流水生产线、各种专用设备中均有广泛的应用。

3.在汽车产业中的应用

据美国市场调查分析，在每辆豪华轿车中，需永磁电机59个，一般轿车中也需20～30个。另一方面，汽车节能日渐受到重视，现代汽车要求所使用的电机改善性能和提高效率，采用扁平盘式结构，以减小空间，提高出力，消除火花干扰，降低噪声，延长寿命，便于集中控制，这正是无刷直流电动机的特长。预计汽车用的有刷直流电动机将不断被永磁无刷直流电动机所替代。

在电动汽车、电动摩托车、电动自行车等交通工具中的无刷直流电动机将作为主动力的驱动电动机。以环保为目的的电动汽车中，其牵引驱动电动机以永磁无刷直流电动机最有发展前途。其中，内置式永磁无刷电动机也称为混合式永磁磁阻电动机，该电机在永磁转矩的基础上叠加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动电动机。它们已在日本和美国大汽车公司的新车型设计中采用。

随着技术的不断提高，新能源电动汽车的未来前景十分广阔。新能源汽车替代燃油汽车已经是世界各国的普遍共识，世界各国政府对于新能源汽车的支持，是出于对环境和能源问题的终极考虑。据统计，2016年中国新能源汽车产销量超过50万辆，保有量突破100万辆，这两者在全球的占比均达到了50%，标志着中国新能源汽车已进入成长期。预计再过5年左右时间，中国新能源汽车产业将会进入高速成长期。根据《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》以及《十三五国家战略性新兴产业发展规划》提出的到2020年实现新能源汽车当年产销200万辆以上，累计产销超过500万辆的目标来看，未来新能源车整体市场有望实现年均50%的增速。

驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。从电机类型看，2016年我国新能源汽车驱动电机的装机量中，永磁同步电机依旧是主流，装机量超过45万台，占比76%；交流异步电机装机量超过14万台，占比23%。

永磁同步电机体积小、质量小、功率密度大、可靠性高、调速精度高、响应速度快，但最大功率较低，且成本较高。由于永磁同步电机具有高的功率密度，其工作效率最高可达97%，能够为车辆输出最大的动力及加速度，因此主要用在对能量体积比要求最高的新能源乘用车上。交流异步电机价格低、运行可靠，但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制，但价格优势使得其在新能源客车中使用较为广泛。

全球著名的新能源汽车巨头特斯拉（TESLA）一直采用感应电机驱动。但是，异步感应电机产生单位转矩需要的电流较多，因此耗电较大，而且高效区窄，恒转矩区功率低，进而制约了汽车的性能。和特斯拉的驱动系统不同，以比亚迪为代表的中国电动汽车厂商一直采用稀土永磁同步电机。虽然这种电机结构较复杂、控制系统更复杂且成本高。但是它具备高效区宽、节能性、小体积、轻量化等方面的优点。而随着比亚迪、精进电动等国内电动汽车企业这种电机的技术进步和量产，稀土永磁同步电机的造价将降低到和三相感应电机相接近的价位区间。最近有报道，特斯拉开始在中国采购钕铁硼磁体，目的是用于其电动汽车的驱动电机。这意味着特斯拉开始放弃原先的高速异步感应电机加减速器的驱动系统方案，开始采用目前新能源汽车领域许多国家公司最广泛应用的稀土永磁直驱电机技术路线。

1998～2002年期间，美国国家自然科学基金会（NSF）资助美国国家电力电子中心研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统。线控（X-by-wire）的汽车电子伺服系统在未来将是十分重要的技术，该技术可将车辆中各种独立的系统（如转向、制动、悬挂等系统）集成到一起由计算机调控，使汽车的操纵性、安全性以及总体结构大大改善。目前，电子动力转向盘和线控制动已经在一些欧洲车型上被采用。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术，随着这个技术的使用，许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失，而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。

全球最大的汽车零部件企业——美国德尔福汽车系统公司预计，在未来的3～5年内，全世界的汽车将逐步采用电子伺服驱动系统，如电子动力转向盘和线控制动伺服驱动系统。目前，美国德尔福汽车系统公司正在全球范围内寻找年产300万台以上的电子动力转向盘的无刷伺服电动机合作伙伴。

长期以来，驾驶员一直是通过控制手中的转向盘来使汽车转向，该系统传统的是一个液压驱动的转向系统。电动转向控制系统是德尔福的新技术，电动转向系统（EPSS）是全电子的、独立于发动机的转向系统。该系统不同于传统液压泵转向系统，它由电子电动机（无刷电动机）驱动，革除了传统的液压泵、软管、驱动带或滑轮之类的附件，因此电动转向系统成为更加高效的环保系统。这一系统能使某些车型的燃油经济性提高5%。

4.在医疗设备领域中的应用

例如，高速离心机、牙科和手术用高速器具、红外激光调制器用作热像仪、测温仪器等中都采用无刷直流电动机。国外已有用于制作植入人体内的人工心脏驱动的小型血泵的无刷直流电动机。

5.在家用电器中的应用

目前，以变频空调器、变频冰箱、变频洗衣机为代表的变频家用电器逐步进入我国消费市场。而且变频家用电器正在由“交流变频”向俗称的“直流变频”转变，已是明显的发展趋势。这种转变实际上就是变频家电用变频空调压缩机、变频冰箱压缩机、空调用室内外风机、空气清新换气扇、变频洗衣机所用的电动机，过去是单相感应电动机或VVVF装置供电的感应电动机，现已被永磁无刷直流电动机及其控制器所取代。这种由“交流变频”向“直流变频”的转变使变频家用电器在节能高效、低噪声、舒适性、智能化等方面都有新的提高。1998年至今我国变频空调器发展迅速，我国空调器开始了直流化进程。直流无刷电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家用电器的需要，日本的变频空调器的全直流化早已批量生产。我国的变频压缩机厂家已开始采用无刷直流电动机来代替三相交流感应电动机，将出现以永磁无刷直流电动机驱动压缩机和室内外风机的所谓全直流化空调器，它将更节能、更舒适。

6.在无人机的应用

近年无人机市场蒸蒸日上，无人机的相关产业链迎来了新的发展机遇。其中，无刷直流电机是无人机重要的组成部分之一，它的性能优劣直接关系到无人机飞行性能的好坏。无人机的崛起让这些原本从事其他用途的电机制造企业看到了发展前景，开始借此机会转战无人机电机市场。

据CEA（美国消费电子协会）的预计，2015年的全球消费类无人机年度市场总额将首次超过64亿美元，利润为1.3亿美元，同比增长超过了50%。根据CEA的预估，未来无人机的市场总额将会持续上涨，在2024年甚至会增至115亿美元以上。据美国权威研究机构BI Intelligence最新报道，2015～2020年期间，预计消费级无人机市场年增长率为19%。

国内无人机市场呈现快速发展趋势。中国的无人机产品早已获得世界市场的认可，著名的深圳大疆创新科技有限公司就占据了全球无人机市场的40%销售份额，是全球的无人机制作企业的领导者。甚至在最近美国的CES（国际消费性电子展览会）上展出的无人机品牌，约有超过一半是来自中国的。工信部发布的《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》显示，民用无人机产业持续快速发展，展望到2020年，民用无人机产业产值达到600亿元，年均增速40%以上；到2025年，民用无人机产业产值达到1800亿元，年均增速25%以上。

无人机最早是从航空模型基础发展过来的，航模原属于消费类产品。航模应用的特点要求其动力系统更轻、更强、更高效。当代航模用无刷直流电机基本上属于高速高功率密度类型，转速10000r/min以上为多数，有些高达50000r/min，此时对应旋转频率达1700Hz，工业用无刷直流电机一般不会到这样高的旋转频率。要求使用优质、低损耗的硅钢片和精密的高速轴承、精良的机械加工、良好的转子动态平衡。与之相适应的，它的速度控制器（俗称为“电调”）采用低通态漏源电阻（RDS）、贴片式、高频特性好的MOSFET，多片并联技术得到低开关损耗；采用先进的RISC精简指令集结构的AVR单片机，完全胜任了从接收机信号转换，到无刷电动机无传感器控制起动、升速、换相、PWM调速、制动、系统保护等控制功能，其PWM频率设计为8～16kc，是一个轻巧的、智能的控制器。在2000年左右由德国人设计一种叫Torquemax的无刷直流电动机，并成功用于模型飞机直接驱动。它是外转子结构，转子上有14极的钕铁硼永磁，内定子有12个槽，这是一种较好的分数槽绕组的槽/极数组合。接着他们创办了TORCMAN公司，生产TM系列的直接驱动用无刷电动机。此后，有其他公司跟进和模仿，都是基于这样的结构原理。其中，以捷克的MODEL MOTORS 公司的AXI系列比较成功，在许多国家的航模网上可定购。随后我国的深圳、珠海等地的航模专业公司模仿生产类似产品，开拓国内外航模市场。

近年来，在消费级无人机迅猛发展的同时，专业级无人机市场也获得了快速增长。无人机从消费级市场正转向专业级市场（专业级包括工业级和军工级等更高端的无人机）。当前，专业级无人机应用范围不断扩张，涵盖了电力、森林防火、农业植保、警用公务、消防、监测、巡检以及测绘和救援等诸多领域。

专业级无人机至少需要用到4～6台无刷直流电机，用来驱动无人机的旋翼，电机驱动控制器则用来控制无人机的速度与方向。电机控制系统对无人机的稳定性至关重要。因此，近年来具备高可靠、高性能和长寿命的无人机专用无刷直流电机市场发展迅速。专业级无人机的电机系统要更精准可靠，这也是无人机电机领域的电机制造企业需要努力的方向。

此外，在特殊环境条件下，如潮湿、真空、有害物质的场所，为提高系统的可靠性，采用无刷直流电动机。其中，军用和航天领域是无刷直流电动机最先得到应用的领域。