新能源汽车驱动电机行业研究市场空间、发展趋势和产业链拆解

新能源汽车驱动电机行业研究-市场空间、发展趋势和产业链拆解1行业概况：永磁同步电机主导，2025年市场规模有望达到385亿元新能源汽车驱动电机基于电磁感应现象，将电池中的电能转化为机械能，驱动新能源汽车行驶，是决定新能源汽车动力性能的核心零部件之一。主流的交流驱动电机利用定子（通常是硅钢片搭配铜线圈，固定不动）产生旋转磁场并作用于转子（通常由电磁铁、永磁体或硅钢片制成，旋转驱动）形成磁电动力旋转扭矩。驱动电机的主要零件通常包括转子、定子、线束、壳体、端盖等。驱动电机的主要零部件中，价值量最高的是定子/绕组/轴承/转子，成本占比分别为19%/17%/12%/11%。按照电机的工作电源划分，可将电机划分为直流电机和交流电机。交流电机中，按照定子和转子的转速一致性划分，又可区分为同步电机和异步电机。当前新能源汽车驱动电机中较为常见的是交流电机中的永磁同步电机与鼠笼式异步感应电机，其中永磁同步电机在国内最为流行。上游金属原材料的供应商多为大型上市公司，包括生产永磁体的金力永磁、正海磁材等；中游生产定子转子等零部件的供应商多为非上市公司，包括常州金茂、展翔模具、浙江宝捷等，上市公司包括隆盛科技、长鹰信质；下游生产电机总成的企业主要可分为三大类，整车厂包括特斯拉、比亚迪等，电机厂包括精进电动、方正电机等，传统Tier1供应商包括博世、大陆、麦格纳等。驱动电机产线设备的供应商则主要有豪森股份、克来机电、巨一科技、铭纳阳等。发展简史：从直流电机到交流电机由于早期人们对旋转磁场的认识和应用尚不成熟（直流电机的磁场通常是不变的，而交流电机的磁场通常是旋转的），且当时电能的主要用途电镀、电解、电照明等均使用直流电，很多人误认为交流电没有实际用途（以发明家爱迪生为代表），因此早期的电机以直流电机为主，采用电池供电。首个电机：1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流在磁场中受机械力的作用，即电流的磁效应。1821年，法拉第在玻璃杯中装入水银，通过永磁体和通电导线之间的相互作用，实现了导线绕永磁体旋转，成功发明了历史上第一台电机。在该装置中，导线相当于转子，永磁体相当于定子。首个旋转电机：1833年，英国伦敦大学的里奇发明了一种旋转电磁针。磁针上绕有线圈，线圈两端浸入环形水银槽内。接通电池后，受地磁场作用，磁针偏向南北方向，再改变电流方向，使磁针继续旋转。里奇电动机是现代旋转电动机的雏形，磁针相当于转子，地磁场相当于定子，水银槽则扮演了换向器的角色。首个电机驱动：1834年7月，达文波特用自制的直流旋转电机驱动了一个直径7英寸的轮子，以30r/min的速度前进。该电机配备了4个电磁铁，2个装在轮子上，另外两个静止。利用轮子上的电磁铁与静止电磁铁之间的吸力，推动轮子前进。达文波特电机是人类首次以电动机作为动力源的尝试，开电机应用之先河。1837年2月，达文波特的电机发明成功申请到美国专利局的132号专利，成为历史上第一个电动机专利。旋转磁场理论是交流电机的理论基石之一：1825年，法国科学家阿拉果在一个悬挂的永磁针下面放置了一个铜盘，转动铜盘，发现永磁针也发生偏转，这一现象成为阿拉果旋转。阿拉果圆盘实验是世界上首次采用机械方法而获得旋转磁场的实验。交流电机诞生：1885年3月，意大利物理学家费拉里斯受光学中两个简谐振动波合成一束偏振光的现象启发，提出同一频率的两个交变磁场，如空间相位相差90°，则两个磁场之间的空间将会产生一个新的、运动的磁场，即旋转磁场。他利用4只螺线管、1台西门子单相交流发电机和1个铜圆筒制成了最早的两相感应电动机（即交流异步感应电机）。首个电驱机车：1846年，美国物理学教授佩奇制成一台外观类似蒸汽机的往复式电动机，该装置包括2个空心线圈、2个能在空心线圈中自由运动的软铁棒和1个换向器。通过给2个空心线圈轮流通电来实现软铁棒的往复运动。1851年4月，佩奇制成了首台由电机驱动的机车，在39分钟内跑完了5.25英里的试验路程。斯拉横空出世：1885年，美籍克罗地亚科学家特斯拉成立特斯拉研究所，进行交流电机及交流电的应用研究工作。1887年，特斯拉电气公司成立，特斯拉的两相同步发电机、电动机以及带短路相绕组的两相感应电动机申请美国专利（1888年5月获得专利，专利号No.382280）。1888年7月，美国西屋公司以20万美元外加每生产1马力电机增加1美元的条件购买了特斯拉的全部专利，包括两相同步发电机、两相同步电动机、两相感应电动机、单相电动机的分相启动、两相4线配电系统等。性能需求：效率高，转矩大，散热强新能源汽车的驱动电机是工业电机的一种，原理（电磁感应）、分析方法（普通电磁分析方法）、计算工具（有限元软件）、电磁方程（麦克斯韦方程组）等都与普通工业电机一致，分类方法与控制方法也没有根本性的区别。但是，由于车载的特殊环境，新能源汽车驱动电机在性能方面的特殊需求主要体现在功率密度高、调速范围宽、起动转矩大、高效区间广、散热需求强。1）功率密度高：车载驱动电机有严格的体积要求、重量要求和功率要求。大部分工业场景空间巨大，以满足工业需求为第一目的，电机的体积限制并不突出。但是在新能源汽车上，电机的尺寸和重量直接影响汽车的动力性能和驾驶体验，电机设计的方向与难点在于体积小、质量轻、功率大，尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。2）调速范围宽：广阔的调速范围可以帮助新能源汽车省掉多挡变速箱，只使用固定档的齿轮组，有效降低成本。因此，新能源汽车驱动电机的调速范围越宽越好，最高转速可达到基础转速的4倍以上。特斯拉

ModelS基本款的电机最高转速可达18000转/分钟，比亚迪

E平台3.0的电机最高转速超过17000转/分钟。3）起动转矩大：由于汽车强调百公里加速等性能指标，新能源汽车的驱动电机在起动或低速时要求超高转矩，将汽车速度以最快的方式泵升至期望速度。一般工业电机对起动速度并没有这么高的要求。4）高效区间广：新能源汽车，尤其是纯电动汽车，不像电力机车由受电弓供电，而由车载电池包供电，电机效率直接影响续航里程，所以对于电机的效率要求很高。新能源汽车的驱动电机需要拥有尽可能广的高效率运行区间。正常路况下汽车不会频繁起动，也不会持续超高速运行，更多的是在匀速行驶中进行加速或减速动作，因此中间部分的运行效率就尤其重要。5）散热需求强：由于新能源汽车驱动电机对功率密度的高要求，散热问题也随之而来。1台150KW的传统动力系统总成，体积大概在409L。峰值功率150KW的电动汽车动力系统总成，体积只有82L，大约只有传统动力总成的20%。小体积内的高功率，导致散热、机械振动、电磁兼容、NVH啸叫等问题。电机的能量转换效率大约在90%以上，峰值效率大约在95%左右，平均能量损耗大约10%，这10%的能量损耗多以发热的形式体现，因此驱动电机的散热需求较强。技术路径：永磁同步电机的装车占比达94%早期新能源汽车的驱动电机多采用直流电机，一方面是因为直流电机具有控制策略简单、调速性能好、成本低等优点，另一方面是由于交流电机的控制技术复杂、成本较高。直流电机的速度正比于电压，易于控制；而交流电机的速度正比于频率及磁极数，控制技术要求较高。但是，直流电机存在一些固有缺陷，在交流电机的技术取得实质性进步后，直流电机目前已处于被淘汰的边缘。1）有刷直流电机：电刷在有刷直流电机中起电流换向的作用。在实际使用中，电刷磨损很快，经常需要维护，同时换向火花限制了电机的高速运行，对电机的稳定性和安全性也构成了威胁，这些问题都难以克服。2）无刷直流电机：无刷直流电机的电压波形和电流波形是矩形波或梯形波，伴随着较大的转矩脉动，在汽车行驶中有明显顿挫感，对用户体验构成负面影响。交流电机的波形则通常是正弦波，转矩更加平顺，振动问题较小。交流电机中最常见的三种是永磁同步电机、感应异步电机和同步磁阻电机。交流电机的定子基本相同，主要区别在转子。定子主要由铁心、线圈组成；定子铁心由硅钢片叠压而成；漆包线绕制成线圈，嵌入铁心槽内，再进行绝缘处理；将绝缘处理后的铁心套入机壳得到定子。定子绕组接入交流电源（通常是三相交流电，三相交流电与空间角度120°的线圈相结合，它们的合成磁场就像是一个强度均匀的磁场在旋转），形成旋转磁场，拉动转子旋转。永磁同步电机的转子由铁心、磁钢、轴压装而成，其中磁钢提供电机磁通，对电机性能影响最大，通常由稀土钕铁硼经粉末冶金法制成。早期的电机中永磁电机非常少见，主要是因为缺乏磁性足够强大的永磁体。1982年，住友特殊金属的佐川真人发现钕磁铁。这种磁铁的磁能积大于钐钴磁铁，是当时全世界磁能积最大的物质。后来，住友特殊金属成功发展粉末冶金法，通用汽车公司成功发展旋喷熔炼法，能够制备钕铁硼磁铁。这种磁铁是现今磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。优点是高抗退磁性、高性价比，其缺点是温度依赖性比较强，耐腐蚀性能比较弱，需适当涂层或电镀处理。为了提高钕铁硼的耐温性和矫顽力，磁体生产商通常会在配方中加入金属镝，进一步推高了制造成本。永磁同步电机的转子转速与定子磁场的转速保持同步。它的工作流程是，定子绕组接通交流电，产生定子旋转磁场，永磁体转子磁场受定子旋转磁场感应而跟着旋转，电机旋转、输出动力。永磁同步电机的主要优势在于，功率密度高、运行效率高、结构简洁紧凑、转矩大且平顺、调速性能好。1）功率密度高：永磁同步电机的钕铁硼磁性材料具备优秀的磁力性能，在充磁后不用增加外部能量，可构建较强磁场，同时磁场具有永久特点，无需额外电路进行励磁（即给导体通电产生磁场），得以维持较小的体积和较轻的重量。在额定功率下，同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电机的功率密度通常比感应异步电机的功率密度大2倍以上。2）运行效率高：受益于转子中的永磁体，永磁同步电机的转子通常无需通电（部分自启动工况或涡流损耗除外），可减少相关的能量损耗，效率较高。3）结构简洁紧凑：永磁同步驱动电机不设置励磁电源结构以及励磁绕组结构，降低相关结构复杂性，相关构成较为紧密，保证永磁同步驱动电机运转更加具有可靠性。丰田普锐斯搭载的第四代永磁同步电机相较于第三代，定子直径下降了20%，整体结构更紧凑，体积更小。4）转矩大且平顺：在额定电流范围内，提高电流即可快速提高永磁同步电机的扭矩。此外，三相交流电在定子中形成的旋转磁场也较为稳定，转矩脉动较小。尤其在低速大转矩工况下（对应新能源汽车起步加速阶段），永磁同步电机相较于异步感应电机拥有突出优势。5）调速性能好：永磁同步电机的电、磁和力的关系相较于感应异步电机更加简单，更易于调速和控制。异步电机的状态方程是四阶的，转子与定子的方程耦合（转子内的电流是由定子磁场旋转产生）；永磁同步电机的状态方程是二阶的，永磁体的磁场是独立存在的，在低速和高速（高于额定转速）的工况下控制难度都显著低于感应异步电机。永磁同步电机的主要劣势在于弱磁控制问题、反电动势问题、高温振动环境下的退磁问题、自启动问题以及成本问题。1）弱磁控制问题：根据基础绕组电压公式VRd/dti，由于电源所能提供的电压V有限，在电机转速达到一定水平后，想要继续提高转速，就需要进行弱磁控制，削弱电感。这一过程反映在电机的调速曲线上，就是从恒转矩区进入恒功率区。由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体提供的，弱磁控制就需要消耗额外的电流来反向抵消部分转子磁场，降低了高转速工况下的运行效率，给电源和变频器带来额外负担。2）反电动势问题：永磁同步电机的转子在高速旋转时，定子线圈对转子中的永磁体磁场做磁感线切割运动，产生感应电动势，而且这种感应电动势的方向与原线圈电压的方向相反，故称反电动势。反电动势会抵消输入定子的驱动电压，造成高速运转时需要给电机输入更高的电压来驱动，高压驱动会造成更大的涡流损耗，引发电机高温，对定子线圈和转子永磁体造成损害。转速越快，效率越低。在高速旋转时，永磁同步电机越来越像一台发电机。3）高温振动环境下的退磁问题：常用的永磁体钕铁硼虽然性能出色，但是在高温、振动以及强外部磁场的环境下容易发生退磁。除定子绕组通电产生的热量外，永磁同步电机的转子虽然不通电，仍然会由于离心力、涡流损耗等原因发热。涡流损耗是指，导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内感生的电流导致的能量损耗。永磁同步电机的转子转速在理论上与定子磁场的转速一致，但是由于定子齿槽的存在、绕组的空间分布，而且三相绕组中的电流不是标准的正弦波，这些原因导致电机内部磁场畸变，导致气隙磁场中谐波含量很高，电机铁心和永磁体感应出涡流，产生较大的涡流损耗。在永磁同步电机高速旋转时，工作频率高，转速高，齿槽效应引起的谐波频率更高，转子涡流损耗带来的高温问题更加严重。阶段性小结，永磁同步电机的上述三个问题，弱磁控制问题、反电动势问题、高温振动环境下的退磁问题都是在高转速工况下的局限性，这些因素解释了为什么搭载永磁同步电机的电动车往往零百加速性能优越，但是高速巡航工况下的二次加速疲软、峰值车速有限以及超高速巡航难以持续。对比永磁同步电机与交流感应电机的效率图，我们可以清晰的看到，永磁同步电机的峰值效率高于感应异步电机，但是高效区间更多的集中在转速相对较低的区域，而感应异步电机的高效区间向高转速区域延伸的更多。4）自启动问题：永磁同步电动机一旦接通电源，旋转磁场立即产生并高速旋转。转子由于惯性来不及跟着转动，当定子磁极一次次越过转子磁极时，前后作用在转子磁极上的磁力大小相等、方向相反，间隔时间极短，平均转矩为零，因此永磁同步电机不能自行启动。解决自启动问题需要额外配置变频器（外部变频，缓慢升速），或在转子内加入感应异步电机的鼠笼结构。5）成本问题：永磁同步电机的转子由于要使用钕铁硼等稀土材料，物料成本明显高于感应异步电机。以一台常见的功率为30KW的驱动电机为例，钕铁硼、铜和钢是制造电机的主要材料，永磁同步电机这三种物料成本大约比感应异步电机高68%，钕铁硼材料的成本在永磁同步电机的三大主要物料成本中的占比高达71%。根据美国地质调查局的数据，2020年，全球稀土储量约为116土储量约为44.0百万吨，占全球稀土储量的37.9%。国内丰富的稀土资源在一定程度上为永磁同步电机的广泛使用奠定了基础。感应交流电机的定子与永磁同步电机基本相同，区别主要在于转子，感应交流电机的转子常用铜制或铝制鼠笼结构。根据法拉第电磁感应定律，在磁场中放一个封闭的导体，变化的磁场会在回路中感应出电动势，感应电动势会在回路中产生感应电流。根据洛伦兹力定律，载流线圈上会产生电磁力，线圈开始旋转，转子旋转。鼠笼中的每一根棒都会产生感应电流，这些感应电流在鼠笼的两端短路，转子开始旋转。转子内部装有绝缘铁芯薄片，这种小尺寸的铁芯薄片确保了涡流损耗最小。转子以略低于同步速度的转速旋转，这种差异成为转差，转差占同步速度的比一般在2%-6%左右。异步电机不需要永磁体、换向器、位置传感器，可以自启动，转子速度与磁场旋转速度正相关，磁场旋转速度与输入交流电源的频率正相关。永磁同步电机的主要优劣势都是围绕转子永磁体材料展开的，感应异步电机的优劣势同样围绕转子鼠笼结构展开。由于转子没有使用永磁体而使用励磁鼠笼结构，感应异步电机的主要优势在于成本低、弱磁控制难度低、可靠性高、耐高温、耐振动、过载能力强，主要劣势在于功率密度较低、体积及重量较大、能量转换效率较低、转子需配备单独的冷却系统。值得一提的是，感应电机几乎没有电枢反应，在高转速工况下的表现往往优于永磁同步电机。但是，在低速工况下，由于电机转子的励磁电流与转速成反比，励磁电流建立磁场的能量不做功，这就导致异步感应电机的转速越低，无功功率越大，电机效率越低。永磁同步电机启动转矩大、高转速工况弱，而感应异步电机启动转矩小、高转速工况强，二者互补，以特斯拉、比亚迪为代表的电动车龙头企业往往选择前驱感应异步电机搭配后驱永磁同步电机。数据对比:比亚迪/特斯拉市占率领先，大洋电机/巨一科技财务指标较优根据高工锂电的数据，在国内主要电机厂商中，2020全年前两名的厂商（比亚迪/特斯拉）市场份额合计达到了26%，前五名的厂商合计市场份额达到了48%，前十名的厂商合计市场份额达到了71%。2021全年，前两名的厂商（比亚迪/特斯拉）合计市场份额达到了30%，前五名的厂商合计市场份额达到了48%，前十名的厂商合计市场分额达到了67%。根据高工锂电的数据，在主要电机厂家中，2020年排名前五的厂家分别是比亚迪/特斯拉/方正电机/蔚然动力/宁波双林，装机量分别为19/15/10/9/9万台，占比分别为15%/11%/8%/7%/7%。2021年，国内装机量排名前五的企业分别是比亚迪/特斯拉/方正电机/宁波双林/蔚然动力，装机量分别为62/40/25/20/18万台，占比分别为18%/12%/7%/6%/5%。高工锂电统计的主要新能源驱动电机生产商的合计装车量从2020年的141万台增长至2021年的343万台，市场规模处于高速成长阶段。日电产预计，从2025年开始，自制驱动电机的整车厂的外采趋势会逐渐明显；整车厂与电机厂的合资供应商会增加；