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导语 本文从市场总体情况、技术现状以及发展趋势三个方面梳理和分析新能源汽车永磁同步驱动电机的现状与发展建议。总体来说，2018年新能源汽车永磁同步驱动电机装车比例大幅提升，在新能源汽车装车比例方面，永磁同步电机占有率已从77%提升至90%。新补贴政策的出台会进一步推动电机功率密度、效率的提高。国内永磁同步电机企业的布局呈现整合趋势，以大洋电机、松正等企业为例，均采取收购合作方式实现资本与产能的扩充与提高。从新能源汽车永磁同步驱动电机的分类来看，集中驱动的永磁电机是主流，轮毂电机、BSG以及ISG电机等技术方案仍在进一步发展。在市场和政策的压力下，未来仍需要企业和科研机构研发功率密度更高或者技术方案更优的永磁电机。未来的市场呈现两种趋势，产业集中与整车企业主导，即未来永磁同步电机产业会出现规模更大的兼并重组，企业实现资源优势共享，形成产业集群；而整车企业纷纷投入电机的设计、生产与制造，从而获得更高的主导权。 一新能源汽车永磁同步驱动电机的总体情况 驱动电机是新能源汽车动力系统的核心部件，新能源汽车行业的发展推动着驱动电机产业的快速进步。驱动电机从技术类型的角度大致可分为三大类：永磁同步电机、交流异步电机和其他类型电机。永磁同步电机由于效率高、功率密度高和体积小等优点占据国内市场最大份额。2018年，我国新能源汽车电机装机车辆中，永磁同步电机装机占比已达91.4%，主要应用在乘用车领域，交流异步电机和其他类型电机装机量占比不到10%。[1]前瞻产业研究院发布的《2019～2023年中国电动汽车用电机行业发展前景与投资预测分析报告》对2017年和2018年上半年电动汽车销量排名前十的汽车车型及所用电机情况进行统计，从总体看永磁同步电机是目前电动汽车应用最为广泛的电机类型。除了北汽EC系列车型使用交流异步电机外，其余电动汽车均使用永磁同步电机。[2]2018年中国汽车工业协会、中国稀土行业协会组织新能源汽车驱动电机用稀土永磁材料上下游合作机制成立大会，机制的建立有利于打通新能源整车、驱动电机和稀土永磁材料等产业间发展的梗阻，实现全产业链互利共赢。[3]从政策和技术两个层面来说，永磁同步驱动电机将迎来发展机遇期，成为未来市场竞争的重点。 现阶段我国新能源汽车永磁同步驱动电机领域产业以中东部沿海地区分布较为密集，市场参与者主要有三类：以比亚迪等为代表的具有传统整车及其零部件生产经验的汽车企业，以大洋电机、方正电机等为代表的具有其他领域电机生产经验的企业，以精进电动、上海电驱动等为代表的专门针对新能源汽车成立的电机企业。由于电机与整车开发设计密切相关，第一类企业具有先天开发优势。第二类企业在电机本体的批量化生产上具有独特优势。第三类企业针对性很强，具有永磁同步驱动电机整体设计研发上的优势。[4]随着新能源汽车产业规模化进程的加深，为加强竞争优势，永磁同步驱动电机生产企业的产业布局出现整合趋势，如大洋电机收购上海电驱动、方正电机收购德沃仕等，通过并购实现强强联合。而越来越多的整车企业投入永磁同步驱动电机的研发生产中，为自身整车厂提供驱动电机配套，从而在市场竞争中获得更高的主导权。 根据驱动电机应用需求以及设计特点，永磁同步驱动电机主要可以分为集中驱动电机、ISG电机（Integrated Starter/Generator，集成起动/发电一体化电机）、BSG电机（Belt-driven Starter/Generator，皮带传动起动/发电一体化电机）和轮毂电机四种。其中轮毂电机可分为减速驱动轮毂电机（又称为轮边电机）和直接驱动轮毂电机。国内主流新能源汽车永磁同步驱动电机生产企业的技术路线如表1所示。 表1 国内新能源汽车永磁同步驱动电机主要生产企业技术路线 电机类型 企业名称 主要应用领域 集中驱动电机 精进电动、大洋电机、上海电驱动、华域汽车、上海大郡、创驱新能源、深圳大地和、比亚迪、安徽巨一、微特利、德沃仕、方正电机、南车时代、天津松正、江特电机、天元电机、大连电机 纯电动汽车、混合动力汽车 ISG电机 精进电动、上海电驱动、上海大郡、安徽巨一、天津松正、江特电机 混合动力汽车 BSG电机 上海电驱动、比亚迪、天津松正 混合动力汽车 轮毂电机 比亚迪、泰特机电、亚太机电 纯电动汽车 新能源汽车永磁同步驱动电机的应用形式多样，不同新能源汽车类型领域中配套不同电机类型。目前在纯电动汽车应用方面，集中驱动电机是主流，但是轮毂电机正在发展且应用于纯电动汽车驱动系统是必然趋势。混合动力汽车应用ISG电机、BSG电机或集中驱动电机与发动机相配合的混合动力驱动系统。 集中驱动电机在新能源汽车中的应用已经走向商业化。集中驱动系统操作实现技术成熟、安全可靠，在技术上具有一定的继承性，实现难度小。目前市面70%～80%的车辆会采用这种技术。目前国内研究新能源汽车大型永磁同步驱动电机的车企均采用集中驱动的方式，以精进电动为例，其生产的90～140kW永磁同步电机和商用130～220kW电动汽车电机均采用集中驱动的方式。 混合动力汽车被认为是传统燃油车向纯电动汽车过渡的产品，ISG电机和BSG电机主要应用于混合动力汽车，对原有发动机系统改动较小，可以实现起/停、发电及制动能量回收，以及辅助驱动汽车运行。目前车企常选择的混合动力方案包括ISG电机或BSG电机与一台集中驱动电机结合的混合动力系统。 轮毂电机是新能源永磁同步驱动电机发展的重要方向，国家正加强对发展电动汽车的政策引导，我国部分高校、科研院所、车企等也加大了对轮毂电机的研发投入，纷纷研究开发轮毂电机驱动电动车。国内采用轮毂电机驱动的新能源汽车典型企业为比亚迪。比亚迪已成功研发装载轮毂电机（轮边电机）于客车上。但轮毂电机目前存在集成优化设计难度大、功率密度性能要求高等问题，相对于发展成熟的集中驱动永磁电机，轮毂电机才刚刚进入产业化初始阶段。目前轮毂电机装机量在国内占比很小，行业占比还不到10%，轮毂电机市场化面临较多难题。目前，我国较多企业正通过并购入股的方式引入国外先进技术，从而加速发展轮毂电机产业。 国家“十三五”新能源汽车重点研发计划到2020年新能源汽车驱动电机峰值功率密度达到4kW/kg，连续功率密度达到2.2kW/kg。在要达到目标值的情况下，显然国内驱动电机在功率方面基本已达到国际水平，但是在相同功率等级下重量处于下风，因此国内驱动电机功率密度水平与国际先进水平仍存在一定距离。目前，只有国内新能源汽车驱动电机顶尖生产企业的永磁同步电机产品可以接近甚至超过“十三五”的目标值，其他大多电机生产企业的永磁同步驱动电机功率密度处于1～2kW/kg，还有低于1kW/kg的驱动电机产品，与2020年的4kW/kg相距甚远。在电机效率方面，国内电机的最高效率为94%～97%，已达到较高国际水平。但是在高效区方面，国内永磁同步驱动电机的水平与国外电机企业并驾齐驱。 二 新能源汽车永磁同步驱动电机的技术发展 (一）新能源汽车永磁同步驱动电机技术现状 1.高速、高功率密度、低成本是国外永磁同步驱动电机的重点研究方向 为了进一步提高永磁同步驱动电机的功率密度，目前国外主要的技术路线有：第一条技术路线是通过优化电机的扁导线绕组进一步提高电机的槽满率，以提升电机的转矩和功率密度；第二条技术路线是研究性价比更高的永磁材料；第三条技术路线是改善电机的冷却散热效果。 在扁导线工艺方面，发卡绕组和扁导线已经成为行业普遍的电机技术路线，丰田、大众，以及最早提出此技术的通用均将此技术应用于其产品上。采用扁导线可以将电机的功率提高20%左右。 而在永磁材料研究方面，主要分为两个方向：一个是性能更好的稀土材料，追求更高的磁能积；另一个是更便宜的永磁材料，追求轻稀土、无稀土化。美国能源部的Ames实验室一直致力于改善永磁技术，采用此种技术的永磁材料可以大幅度地提高材料的磁能积，但是成型工艺和磁温度系数仍在持续改善过程中。另外，无稀土永磁材料的研究以铝镍钴材料为代表，主要的优点是材料成本是钕铁硼材料的1/3、有更宽的工作温度范围，但是矫顽力小、容易退磁。UQM的工程在致力于优化铝镍钴永磁体的磁极结构研究，避免退磁。 在冷却散热方面，绕组端部灌封是国内外常采用的高效冷却散热技术，如图1所示，使电机在保证绝缘的同时改善绕组散热问题。 德国西门子公司综合应用扁铜线成型绕组技术、绕组直接冷却技术、Halbach磁极优化设计技术、绕组端部灌封技术和高饱和磁密软磁材料应用技术，成功开发了超高功率密度的双三相绕组永磁同步电机，持续功率密度达到5kW/kg（261kW@2500rpm）。 另外，特殊的电磁结构也是优化电机的主要途径，如图2所示为多层磁钢结构。
图1 绕组端部灌封技术
图2 多层磁钢结构 2.我国新能源汽车永磁同步驱动电机的主要指标正在赶超世界先进水平 在《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）》和《中国制造2025》等指导下，新能源汽车产销规模不断扩大，作为核心零部件和关键上游产业，电机产品实现了突破性增长。我国自主开发的永磁同步电机和交流异步电机已经实现了产业配套，系列化产品的功率范围满足了200kW以下新能源汽车用电机动力需求，系列化和市场应用程度走在世界前列。 美国2016年的目标是在系统功率密度大于3.5kW/kg的条件下，电机驱动系统的成本低于12美元/kW，而到2020年，电机驱动系统的成本目标是低于8美元/kW，而相应的系统功率密度指标是4kW/kg。 我国2016年电机的功率密度要求为2.7kW/kg，而相应的乘用车的电机驱动系统成本为200元/kW、商用车的成本为300元/kW。而到2020年，我国电机驱动系统产品的目标是乘用车成本为150元/kW、商用车成本为240元/kW，而相应的电机功率为3.2kW/kg。 在电机功率密度的优化方面，国内永磁同步电机企业通过不断提高电机转速来提高电机的功率密度。 目前国内大部分永磁同步电机的峰值转速在10000r/min左右，顶尖驱动电机生产企业最高转速可达13000～14000r/min，已经达到国际先进水平，下一代驱动电机最高转速要达到16000r/min。 在永磁同步电机的材料使用上，为提高功率密度选用高导磁、低损耗等高性能薄片铁磁材料与剩磁、矫顽力和最大磁能积较大等高性能永磁材料。 在新能源汽车永磁同步驱动电机的冷却方式上已经从自然冷却逐步发展为水冷，目前国内电机企业以水冷为主，国际先进的电机企业已经发展到油冷电机，国内部分电机企业也研发油冷电机，油冷技术可使驱动电机转矩密度和功率密度进一步提升。 表2列示了代表国内先进水平的典型新能源汽车永磁同步驱动电机技术指标，可以得出上海电驱动和精进电动的这两款驱动电机产品峰值效率很高，为97%，精进电动功率密度已经超过4kW/kg，同时两款驱动电机的最高转速均很高。以精进电动驱动电机为例，其最高转速达到14000r/min，采用扁导线绕组工艺、独特的油冷方式提升冷却效率，电驱动一体化集成技术，使得驱动电机达到高效率、高功率密度，可与国际先进水平相匹敌。 表2 国内典型驱动电机技术指标 项目 峰值功率 （kW） 最高转速（r/min） 峰值转矩 （N·m） 峰值效率 （%） 功率密度（kW/kg） 冷却方式 上海电驱动 160 14000 300 97 3.82 水冷 精进电动 130 13200 315 97 4.56 油冷 （二）新能源汽车永磁同步驱动电机上下游产业支撑 永磁同步电机的主要材料及部件包括永磁体、电工钢和高速轴承、绝缘材料、定子绕组等。 1.永磁体 目前，新能源汽车驱动电机产品的永磁磁钢材料是以钕铁硼为主的稀土永磁材料。根据生产工艺不同，钕铁硼永磁材料可分为烧结、粘结和热压三种，从生产工艺、专利壁垒以及制作成本方面考虑，国内大部分钕铁硼磁钢制造商生产烧结钕铁硼磁钢。新能源汽车驱动电机用高性能烧结钕铁硼永磁材料的内禀矫顽力一般为20～30kOe，磁体的牌号为38UH和35EH等，[1]而国家高新技术产品目录规定，此材料属于我国重点鼓励和支持发展的高新技术产品，在行业内称为高性能钕铁硼永磁材料。截至2018年，我国高性能钕铁硼永磁材料产量占全球产量的60%。 国外钕铁硼永磁材料制造商主要集中在日本和欧洲，包括日立金属、TDK等企业。而国内永磁材料制造商主要是宁波韵升、正海磁材、中科三环、包钢稀土等企业。其中，宁波韵升通过上海电驱动涉足新能源汽车行业的核心，而正海磁材也通过并购大郡成功切入新能源汽车行业。随着永磁材料产量的扩大以及生产工艺的提高，永磁电机的成本在不断下降。 2.电工钢 新能源汽车永磁驱动电机采用的电工钢的主要特点：首先，在中低磁场下具备高磁感，从而提高电机的转矩；其次，在高频下具备低铁损的特点；最后，高强度冲片和长的疲劳寿命。因此电机所用的电工钢片通常采用低碳、高硅的方案，还可加入铝含量来降低铁损。 国外电工钢企业主要集中在日本，新日铁、JFE和住友金属是其中的优秀企业。日本住友电工生产的0.27mm厚电工钢带已在混合动力驱动电机上应用。 国内无取向电工钢的主要生产企业有武钢、宝钢以及太原钢铁等。其中，宝钢集团在“863”课题支持下，从2008年起开展了电动汽车驱动电机用电工钢带研发，我国车用驱动电机系统将有望采用国产的高效电工钢带。 虽然从性能上，国内的无取向电工钢已经赶上和超过日本企业的水平，但是日本驱动电机配套的无取向硅钢片已经实现工业化生产，而我国企业生产的无取向电工钢仍需要在一致性、可靠性以及生产工艺上开展更深入的研究。 3.高速轴承 新能源汽车轴承的要求是具有低起动力矩、高速和急变速、长寿命和高可靠性等综合性能，为此，人本轴承等国内主要轴承企业针对性地开发了精度高、离心力小、摩擦低的新能源汽车驱动电机专用轴承，且解决了在高速高温条件下的发热和润滑的难题。 但是，从可靠性和工业化的角度，我国轴承的水平与国外相比差距仍较大。目前国内新能源汽车驱动电机采用的轴承绝大多数是进口轴承，主要的产品品牌有NSK、SKF等。 此外，在定子绕组方面，国内已经跟上国外的步伐将扁铜导线和发卡绕组作为主要的技术方案应用于电机产品上，精进、华域、松正等新能源汽车电机企业已经有成熟的产品应用于新能源汽车上，并经过了大量的市场验证。 在绝缘材料方面，国内的新能源汽车驱动电机企业绝大部分靠进口。
图3 扁导线绕组 三 新能源汽车永磁同步驱动电机的趋势 （一）新能源汽车永磁同步驱动电机技术发展趋势 从目前新能源汽车驱动电机技术发展趋势来看，随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，永磁同步驱动电机将迎来一个更为快速发展的时期，朝着高功率密度、高转矩密度、高可控性、高效率、高性能、高价格比等方向发展，以满足新能源汽车不同应用场合的实际需求。采用新型的材料、先进的绕组制造工艺、冷却散热技术已成为提升功率和转矩密度以及效率的主要手段。此外，不断提高材料利用率、驱动电机的设计精度、工艺制造水平、产品质量和降低成本成为新能源汽车用永磁驱动电机主要的发展方向。[1] （1）在驱动电机材料方面，受永磁材料成本不稳定性及温度稳定性差、不可逆损失等缺点限制永磁同步电机性能的进一步提升，为此，选用更高牌号的永磁体材料，以提升耐热、磁能积等各方面性能。[2]除此之外，开发研制新型高导磁低铁耗的高性能硅钢片材料，开展考虑材料加工、装配与运行过程中性能变坏规律等可行性研究，加快实现样机研发验证，实现批量应用。 （2）在驱动电机设计方面，为实现高速、高转矩密度的技术路线，各厂商需根据磁阻转矩、弱磁特性、特征电流等对永磁体结构进行优化设计生产。合理设计发卡绕组及集中绕组有效降低端部绕组、提高槽满率，通过优化齿型改善绝缘结构等技术解决转矩脉动大的问题。采用绕组端部的喷淋技术，通过合理设计喇叭状喷淋头将冷却液直接喷淋在定子绕组端部上，瞬间带走大量热量。 （3）在加工工艺制造方面，突破薄钢制造技术，以实现定、转子高导磁低损耗，提高硅钢材料利用率。通过持续技术攻关与先进的绕线工艺，配合优良灌封工艺，提高发卡绕组及扁导线绝缘、焊接一致性及制作自动化程度。此外，采用定子分段等先进的嵌线工艺提高槽满率和铁芯利用率，降低铁耗并增加散热能力，进一步提高转矩密度。 （二）新能源汽车永磁同步驱动电机产业发展趋势 从目前新能源汽车永磁同步驱动电机产业发展趋势来看，受产业链上游钢材、铜材及稀土永磁材料等原材料价格波动影响，成本问题仍是限制永磁同步电机发展的一大难题。根据相关数据统计，电机的主要组成材料为稀土材料。永磁同步电机中，硅钢片占了约40%的成本，永磁体占24%左右的成本，原材料成本占电机总成本的93%。因此，新能源汽车电机成本受上游原材料价格变化的影响较大。[3] （1）在降低成本方面，设计新型结构工艺，提升原材料利用率，提高制造水平；增强研发能力，加快产品化开发并实现器件应用验证；增加制造投资，实现高效率批量化生产，兼顾电机各项性能及整体效率，生产具有竞争优势的高性价比产品。 （2）在新能源汽车市场方面，随着车用永磁同步电机市场空间的进一步扩大、供应链的不断完善，新能源汽车永磁同步电机行业标准是亟须制定和完善的重要依据。新能源汽车驱动系统电机和控制器需要高效匹配，且两类产业电机制造偏重资产，控制器属于轻资产，具有一定互补性，因此，电机、控制器的相互合作并购、产业联盟就越来越常见，产业界限逐渐模糊，这种趋势带来的另一后果就是动力系统集成化。从汽车应用的角度，让整车企业与电机厂商共同携手研制满足新能源汽车需求的专用电机。 四 总结 2018年，新能源汽车永磁同步驱动电机的永磁化趋势越来越明显，不同的应用场景和工况要求也使得永磁同步驱动电机的技术方案和应用形式百花齐放。在国家新能源汽车以及智能制造等政策的推动和引导下，企业布局新能源汽车永磁同步驱动电机市场，竞争愈发激烈，在资本的推动下，相信新能源汽车永磁同步驱动电机的市场将更加广阔。 在技术方面，无论是关键技术指标还是生产工艺，国内与国外相比差距都在进一步缩小，甚至在一些关键指标方面，我国已经赶上并超过国外水平。但是在永磁材料、电工钢等上游材料的工业化加工、批量制造方面，我国还与国外有一定的差距，这也影响了我国新能源汽车永磁同步驱动电机的进一步快速发展。 未来，通过不断提高材料利用率、驱动电机的设计精度和工艺制造水平、产品质量以及降低成本，推动永磁同步驱动电机产业不断升级，提升供应链与产品集成水平，新能源汽车永磁同步驱动电机将会百尺竿头、更进一步。 |
