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驱动电机在新能源产业链中的发展

发布日期:2021-10-16 05:11   来源:未知   阅读:

  626969澳门资料大全奥。驱动电机作为新能源电动汽车的核心部件,是车辆行驶中的主要执行机构,决定了整车的关键性能。

  新能源汽车驱动电机主要由定子、转子、机壳、连接器、旋转变压器等零部件装配组成,是新能源汽车的动力来源,其性能决定了爬坡能力、加速能力及最高车速等汽车行驶的主要性能指标。

  新能源汽车驱动电机要求具有电动、发电两项功能,按类型可分为直流电机、交流异步电机、永磁同步电机与开关磁阻电机四类:

  (1)直流电机:直流电机是将直流电能转化为机械能或将机械能转化为直流电能的旋转电机。直流电机的结构简单,具有良好的电磁转矩控制特性。但直流电机设有电刷和换向器,高速和大负荷运行时换向器表面易产生电火花,从而易产生电磁干扰,目前已逐渐被淘汰;

  (2)交流异步电机:交流异步电机是将转子置于旋转磁场中,在旋转磁场的作用下获得一个转动力矩带动转子转动产生电流的电机。交流异步电机结构紧凑、坚固耐用,且体积小、质量轻、价格较低,逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势,从而规避了急刹车情况的出现。因此,交流异步电机广泛应用于大型高速的电动汽车中;

  (3)永磁同步电机:永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场,从而产生电流的电机。永磁同步电机功率因数大、效率高、功率密度大,且其采用电子功率器件作为换向装置,驱动灵活、可控性较强;

  (4)开关磁阻电机:开关磁阻电机是最新一代无级调速系统,集合微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体,具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。但由于开关磁阻电动机为双凸极结构,存在转矩波动,因此噪声较大。同时,开关磁阻电机结构较为复杂,目前电动汽车应用较少。

  永磁同步电机具有较高的功率及质量比,体积小且质量轻,在汽车工业领域轻量化的趋势下,已成为现阶段新能源汽车应用的主流电机类型。

  新能源汽车驱动电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械,用于实现电能向机械能的转换,运行时从电系统吸收电功率,向机械系统输出机械功率。

  新能源汽车驱动电机要求调速范围宽、功率密度高、安全可靠、轻量化且过载能力强,与一般工业应用的驱动电机相比,性能要求更高。

  目前,新能源汽车所应用的驱动电机类型以交流异步电机与永磁同步电机为主。其中,日韩车系多采用永磁同步电机,欧美车系则多采用交流异步电机。而永磁同步电机借助其功率密度高、能耗低、体积小、重量轻等优势,已成为中国新能源汽车中最广泛应用的驱动电机。据中国工信部数据显示,截至2019年6月,中国国内驱动电机装机量达到65万台,其中永磁同步电机占据市场份额的99%。

  永磁同步电机主要由定子、转子与绕组、端盖等机械结构组成。其中,定子与转子铁芯的质量与性能直接决定了驱动电机的能效及稳定性等关键指标,价值占比分别达到永磁同步电机总价值的19%与11%。

  而从材料方面分析,磁性材料(钕铁硼)与硅钢片是决定永磁同步电机价值的关键材料,分别占据总成本的30%与20%。

  定子与转子作为永磁同步电机的核心部件,转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致是电机稳定运行的关键。

  永磁同步电机核心部件分析来源:第一电动官网,头豹研究院编辑整理永磁同步电机的定子由绝缘铜线烧制而成,而转子包含永磁体并具备确定的级数,建立永磁同步电机的主磁场:

  (1)定子:永磁同步电机的定子由定子铁芯、定子齿轮与定子线°角均匀布置。定子的特征参数包括绕组相数(单相、三相、多相)与绕组槽数;

  永磁同步电机转子由铁芯和永磁体两部分构成,根据永磁体在转子上安放位置,可分为表面式、内置式与爪极式三种。

  ③爪极式:将两个完全一样的带爪法兰盘对抓到一起,并在中间固定一定数量的永磁体,从而使一个法兰盘是N极,另一个法兰盘是S极的结构形式。而法兰盘上的爪子起到极靴(定位永磁体的定位并改善磁场分布)的作用。

  永磁同步电机在定子通电后,定子绕组成为一组电磁铁,电磁铁的N极与S极沿着定子内侧均匀分布,而永磁体转子自身具有稳定的N极与S极,定子与转子之间存在电磁力的作用。当定子磁场以一定转速旋转时,电磁力拉动转子跟随磁场的运动,并保持与磁场同步的趋势。当转子轴端有系统负载时,系统需要电机依靠定子磁场的力量拉动转子转动,使系统内的电能做功,从而转换为机械能。

  伴随着新能源汽车热度的提升与汽车电气化进程的迅速发展,驱动电机的装机量大幅提高,推动中国新能源汽车驱动电机行业进入快速发展阶段。

  萌芽期(1831-1888年):1831年,美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机,而威廉·里奇在此基础上制造出了第一台可转动的电动机,是第一款类似直流电动机的模型。19世纪40年代,俄国科学家雅科比将电动机用电磁铁替代永久磁铁进行工作,并将其第一次应用于一艘游艇上。1888年,特斯拉制造出了第一台感应电动机。感应电动机可将交流电快速输入一组外线圈(定子),从而产生一个旋转磁场。而转轴内的一组线圈(转子)会被旋转磁场感应出电流而转变为电磁铁。感应电动机的出现象征着现代汽车用驱动电机的初步诞生;

  探索期(1889-1979年):1889年,德国AEG公司在感应电动机的基础上制造出第一台交流异步电机。进入20世纪后,随着微电子控制技术的不断发展与完善,交流异步电机被逐步优化升级与广泛推广;

  发展期(1980-1995年):1980年,钕铁硼永磁材料开始出现,同时,随着电力电子技术的发展,永磁电机在工业、民用领域得到广泛推广与应用。此外,1983年,英国TACS Drives公司首次将开关磁阻电机推向市场,加速了驱动电机在汽车工业领域的应用与新能源汽车核心技术的突破;

  快速发展期(1996年至今):伴随着汽车工业的发展,新能源汽车已进入产品生产阶段。1996年,通用公司发布了第一款搭载了交流异步电机的新能源汽车——EV1。同年,丰田宣布旗下搭载永磁同步电机的RAV4电动车开始上市,推动驱动电机在新能源汽车上的应用率快速提升。2000年开始,中国政府依托“十五”与“863”计划电动车重大专项,推动混合动力汽车、燃料电池汽车与纯电动汽车等新能源汽车从整车及关键零部件多个角度展开研发,为中国新能源汽车行业进一步奠定了较为完善的技术体系,从而带动中国新能源汽车驱动电机行业进入快速发展阶段。

  新能源汽车驱动电机行业产业链各方连接紧密,且下游主机厂已开始向中游进行业务布局,导致中游制造商议价能力正逐步减弱。

  中国新能源汽车驱动电机行业产业链由上游永磁体、轴承等零部件供应商,中游新能源汽车驱动电机制造商及下游新能源汽车主机厂组成。

  新能源汽车的快速发展与永磁同步电机应用率的广泛提升有效带动上游永磁体、轴承及轴承盖等零部件的市场需求量持续稳定增长。

  中国新能源汽车驱动电机核心零部件定子与转子的主要原材料为钕铁硼。钕铁硼永磁体在工业升级、消费升级和绿色经济的大背景下,钕铁硼磁材高效率、小型化、轻量化的特征优势日益显现。同时,据中国稀土行业协会数据显示,2019年中国钕铁硼毛坯产量达到17万吨,同比增长9.7%。原材料产量的稳定提升为中国永磁体行业提供了坚实的发展基础。此外,钕铁硼永磁体的品种及牌号不断扩展,性能逐步提升。

  现阶段,中国新能源汽车永磁同步电机应用的主要为UH系列与EH系列高端钕铁硼永磁体,销售毛利率可达20%-40%。其中,UH系列均价为270-290元/千克,而EH系列均价达到355-365元/千克以中科三环、韵升集团为代表的等高端钕铁硼永磁体生产商在开发新产品、新工艺提高产品质量的同时,通过不断申请专利、对高端产能扩产等方式进行产业结构升级。目前,中国新能源汽车行业的快速发展,且对永磁同步电机的应用率已达到97%,从而带动钕铁硼永磁体的需求量快速提升,对中游新能源汽车驱动电机制造商议价能力不断提高。

  自20世纪50年代开始,中国轴承及轴承盖行业进入了全面发展时期,制造技术快速提升,轴承品种、精度、性能与寿命等日益完善。同时,中国轴承行业正快速融入国际市场,且产品竞争力不断提高。根据中国轴承工业协会数据显示,2018年中国轴承出口数量已达63亿套,总体呈现快速增长态势。

  但新能源汽车驱动电机需配备专用轴承。与传统内燃机汽车相比,新能源汽车要求其驱动电机具有较高的极限转速,同时适应-40℃低温要求与150℃以上的高温要求,且要求轴承具有维护功能,适应频繁启停造成的轴向冲击。而中国轴承及轴承盖行业对于新能源汽车驱动电机专用轴承产品研发尚不完善,与瑞典斯凯孚、日本NSK等国际领先企业产品的材质、精密度、耐用性等差距较大,因此中国新能源汽车驱动电机轴承主要仍依赖进口,导致中国本土轴承及轴承盖供应商议价能力较弱。

  随着中国政府对于新能源汽车相关补贴政策的转变,纯电动汽车配套驱动电机产品将成为未来行业新型增长点。

  伴随着新能源汽车市场的迅猛发展,中国新能源汽车驱动电机行业迎来巨大市场空间潜力,吸引了众多企业和资本的进入。现阶段,中国本土制造商在核心技术及制造工艺方面取得了较大进展,已具备自主开发满足各类新能源汽车需求电机产品的能力,且以精进电机为代表领先企业已可生产出达到与国际先进水平相同功率等级的新能源汽车驱动电机。

  根据中国工信部整车出厂合格证数据显示,2019年中国新能源汽车驱动电机装机量超过124万台,但受新能源汽车产销量下降的影响,同比2018年下降7%。从新能源汽车装配的电机类型分析,永磁同步电机的主导地位进一步加强,已占据99%的市场份额。

  新能源汽车驱动电机属于定制产品,制造商的产品通过下游新能源汽车主机厂检测、试验等考核后,进入客户的供应商体系。而中游新能源汽车驱动电机制造商根据下游主机厂客户的订单情况确定采购量,铜线等通用性原材料通常有库存。铁芯等主要原材料由中游制造商生产部采取比价的方式向合格供应商直接采购,轴承、端盖等零部件需委外加工,由制造商负责设计或制定加工要求,委托其他企业加工生产。

  随着中国政府对于新能源汽车补贴政策的改变,纯电动汽车将成为未来市场的主流,从而带动新能源汽车驱动电机装机量的快速提升,且行业内将涌入定位于生产新能源汽车专用驱动电机的制造企业,进一步加快新能源汽车驱动电机的国产替代进程。

  现阶段,下游新能源乘用车主机厂已陆续开始装载自主研发生产的配套驱动电机,导致第三方新能源汽车驱动电机的市场需求量出现下滑。

  新能源汽车驱动电机行业下游主要涉及比亚迪、北汽新能源等新能源乘用车主机厂与宇通客车、中通客车等商用车主机厂。近五年来,中国新能源汽车行业在政策扶持的驱动下快速发展。但由于2019年开始,中国政府对于新能源汽车的补贴力度下滑,导致中国新能源汽车产销量出现下滑。据中国汽车工业协会数据表示,2019年中国新能源汽车产量分别达到124.2万辆,较2018年同比下降2.3%。但中国仍是全球范围内最大的新能源汽车市场,短期内遇冷将使中国新能源汽车行业市场竞争愈加激烈,进一步促进行业市场集中度的提升。同时,新能源汽车将依靠燃料成本优势迎来较为有利的发展环境。

  现阶段,新能源乘用车占据新能源汽车市场主导地位,对于驱动电机的装机量占比达到96%。在新能源乘用车主机厂中,比亚迪依旧保持龙头地位,2019年旗下新能源汽车销量超过16万辆。目前,中国新能源乘用车主机厂均采用永磁同步电机,且以比亚迪、北汽新能源、华域汽车为代表的领先主机厂已开始搭载自主研发生产的驱动电机, 导致中国新能源汽车驱动电机行业内第三方制造商的议价能力不断减弱。

  目前,中国新能源客车主机厂的驱动电机的装机量占比为3.6%,而在新能源专用车领域,驱动电机的装机量占比仅有0.4%。但新能源商用车主要采用的驱动电机类型为交流异步电机,而中国新能源汽车驱动电机行业内制造商对于此类电机的技术掌握较为完善,并因价格等优势,对中国新能源商用车主机厂拥有较高议价能力。

  伴随着汽车电动化渗透率的不断提高,中国新能源汽车驱动电机行业将迎来整体规模的扩张,且具备规模相应与技术优势的第三方电机制造商将有机会迅速扩大市场份额。

  随着汽车电动化的快速推进,驱动电机作为新能源汽车的核心零部件,其行业市场规模(按销售收入计)迅速扩张,由2015年的36.6亿元人民币增长至2019年的110.0亿元人民币,年均复合增长率达到31.6%。而由于新能源汽车补贴力度的下滑,中国新能源汽车产销量于2019年首次出现下滑,并导致中国新能源汽车驱动电机行业市场规模同比下降2.3%。但伴随着中国新造车势力已顺利进入量产阶段,未来中国新能源汽车产销量将快速回升,推动配套驱动电机产品市场需求量的提高。同时,随着技术的积累与集成化设计的深入,新能源汽车驱动电机生产成本将不断下降,有效促进行业内第三方电机制造商毛利率的提升。预计未来五年中国新能源汽车驱动电机行业市场规模将保持稳定增长态势,到2024年有望突破150.8亿元人民币,年均复合增长率达到6.5%。

  目前,中国新能源汽车驱动电机行业产业链上游供应稳定,且下游新兴主机厂的快速发展将有效提升驱动电机产品的市场需求量,为行业带来广阔发展空间。

  中国拥有全球范围内最多的稀土资源储量,根据美国地质调查局数据显示,2019年中国稀土资源储量达到全球的36.7%,且稀土产量占全球总产量的80.5%。同时,中国对稀土资源的加工与提炼技术已达到国际领先水平,从而有效推动新能源汽车永磁同步电机的发展与应用,使中国新能源汽车驱动电机行业内制造企业与国际企业相比拥有较高成本优势,给予行业良好的发展基础。

  此外,新能源汽车驱动电机生产所需的无取向硅钢(Si≥0.5%的电工钢)产量持续提升。据中国金属学会电工钢分会数据显示,2019年中国无取向硅钢产量达到1,096万吨,同比增长2.8%。无取向硅钢广泛应用于铁芯等电机零部件,其产量的持续提升导致市场竞争愈发激烈,价格进一步降低,从而有效减少新能源汽车驱动电机行业内企业的成本支出。

  自2014年中国新造车势力行业诞生以来,经过近六年的发展已逐步突破制造生产等技术瓶颈,顺利进入向市场交付阶段,且新造车势力品牌汽车产销量正不断提升,有效促进中国新能源汽车驱动电机市场需求量的提升。

  中国新能源汽车驱动电机行业的发展受新能源汽车市场影响较大,产销量的下滑将直接导致驱动电机产品需求量的下降。

  中国新能源汽车驱动电机行业依靠新能源汽车的兴起而快速发展。近五年来,中国新能源汽车销量首次出现下滑,将导致新能源汽车驱动电机行业内企业面临市场需求量降低的风险。

  受新能源补贴退坡影响,根据中国汽车工业协会公布的数据显示,2019年中国新能源汽车销量为120.6万辆,较2018年同比下降4.0%,同时,新能源汽车产量完成124.2万辆,较2018年同比下降2.3%。若中国新能源汽车产销量在未来持续降低,将直接导致新能源汽车主机厂对新能源汽车驱动电机产品需求量的下降。

  新能源汽车驱动电机生产所需铜包线的原材料电解质铜成本占材料采购成本约28%。而据中国国家统计局数据显示,2020年2月中国电解质铜价格为45,400元/吨,较2019年同比下降5.6%,且期间价格呈现波动态势。现阶段,中国新能源汽车驱动电机的铝制化发展仍不完善,对铜材需求量较高,若未来铜材价格出现上涨,将使新能源汽车驱动电机行业内企业面临产品毛利率下降的风险。

  中国政府自“863计划”以来,持续关注中国汽车工业的发展,并不断推动汽车电动化进程,有效带动新能源汽车驱动电机行业自主研发能力与应用率的提升。

  自2014年8月《关于免征新能源汽车车辆购置税的公告》发布以来,中国政府颁布了一系列利好政策推动中国新能源汽车渗透率的提高,从而带动中国新能源汽车驱动电机产品装机量的快速提高。同时,中国政府正不断降低新能源整车生产行业准入门槛,促使以蔚来、小鹏为代表的新造车势力行业兴起,有效保证中国新能源汽车产销量的持续稳定提升,为中国新能源汽车驱动电机行业创造了广阔发展前景。此外,《财政补贴政策》与《双积分》政策的实施持续推动新能源汽车相关行业的发展,鼓励新能源汽车驱动电机行业内企业加速技术升级,并逐渐将政府扶持转向为市场导向,推动中国新能源汽车驱动电机行业健康发展。

  轮毂驱动电机技术颠覆式改变了传统的汽车传动系统,已成为未来新能源汽车驱动技术的主流发展趋势。

  与传统集中式驱动的内燃发动机或电动机相比,轮毂驱动电机采用了分布式驱动,将驱动、传动与制动装置整合到轮毂内,省略了离合器、变速器、转动轴、差速器及分动器等传动部件,从而可大幅提升传动效率。

  在新能源汽车的应用中,轮毂驱动电机可充当起步与急加速的补充动力,有效减少30%的燃油消耗,同时,可实现80%的制动能量回收,提高车辆的续航里程;

  轮毂驱动电机将动力、传动与制动整合于轮毂内,极大简化了车辆的底盘结构,节省了车内空间,从而提高汽车空间利用率并减轻30%的重量;

  轮毂驱动电机直接驱动车轮,使MCU(汽车微控制器)可通过简单的操作指令高精度的控制车轮转速与扭矩,从而满足不同工况下的行驶需求。

  随着汽车工业的快速发展,轮毂驱动电机的应用领域已从救援车、矿用车等高端特种应用过渡到新能源商用车及乘用车领域。

  2014年,荷兰e-Traction旗下新能源客车在欧洲10个城市正式投入商用,其配备了基于轮毂驱动电机的分布式电驱动解决方案。同时,比亚迪旗下首款搭载了分布式轮毂驱动电机的纯电动客车K9已在2014年完成交付;

  中国轮毂驱动电机技术起步较晚,随着中国大力推进新能源汽车产业及相关技术的发展,以亚太机电、万安科技等行业内企业与国际厂商通过合资合作,快速推动轮毂驱动电机的发展与在新能源汽车中的应用。

  新能源汽车驱动电机的金属原材料成本占比较高,通过对驱动系统的集成一体化设计可有效降低单体电机的金属用量,减少成本支出。

  伴随着新能源汽车驱动电机技术的快速发展,电驱动系统开始从分立化向集成化、一体化推进。通过将驱动电机、端盖与减速器三个部件进行两位一体化或三位一体化设计,可使新能源汽车电驱动系统体积减小、重量降低,且车辆系统的布局愈加灵活并降低铜线等整车线束的使用,从而增加司乘人员空间与储物空间。同时,车重的降低可有效提升新能源汽车的续航里程。

  新能源汽车驱动电机原材料成本占比较高,主要包括铁芯叠片、驱动轴体等钢材,钕铁硼等稀土永磁材料,镁铝合金以及铜材等基本金属。在永磁同步电机中,永磁体材料占整个永磁同步电机成本约44.7%,而在交流异步电机中,定子铁芯叠片与转子铁芯叠片分别占总成本的37.8%与20.6%。电驱系统的集成一体化设计可降低单体电机的金属用量,减少成本支出,并提高电机功率密度;

  通过集成一体化设计将电机与减速器连接,可减短或置换连接线束,从而降低线束产生的损耗。同时,若电机与减速器一体,齿轮润滑油可与电机冷却油共用,进而精简冷却结构,实现新能源驱动电机的小型化与轻量化。

  目前,新能源汽车驱动电机行业内企业已开始一体化电机产品研发与配套应用。博格华纳的电机与减速器二合一电驱动模块已应用于威马EX5车型,而吉凯恩的三合一电驱动模块已应用于宝马i8车型。此外,2019年1月,精进电动正式推出旗下“3000系列”三合一纯电驱动模块,加快了中国集成一体化设计进程。

  中国新能源汽车驱动电机行业技术壁垒与市场集中度较高,伴随着新兴品牌新能源车型的逐步量产,行业内第三方专业化电机供应商市场份额将随之提升。

  新能源汽车驱动电机是电机行业细分领域,行业内中国本土制造商对于新能源汽车驱动电机相关技术、人才等积累尚薄弱,起步较晚。同时,新能源汽车驱动电机作为车辆的主要能量转化工具,需具有高效率与高适应性等特点。因此,新能源汽车驱动电机制造商需采用强制水冷结构、高电磁负荷、高性能磁钢、高转速及超短端部绕组等技术,使驱动电机小型轻量化,行业技术壁垒较高。

  以比亚迪、北汽新能源、厦门金龙等为代表的主机厂借助技术优势与供应链资源已开始装配自主研发的驱动电机;

  以大洋电机、江特电机为代表的企业具有长期的技术及人才积累,但对愈加细分的新能源驱动电机产品的研发投入较低;

  以精进电动、深圳大地和、上海大郡、上海电驱动(已被大洋电机收购)为代表的新能源驱动电机制造商在新能源汽车领域布局较早,且技术沉淀较深,已成为新能源汽车行业的主要电机产品供应商;

  以博格华纳、博世、采埃孚为代表的国际先进制造商开始通过合资等方式进入市场,并凭借其产品性能优势对中国本土制造商造成了冲击。

  目前,中国新能源汽车驱动电机行业市场集中度较高,Top10企业合计市场份额占比已达到69.4%。其中,比亚迪、精进电动已占据行业内领先地位,而以北汽新能源、深圳大地和为代表的Top10其他企业占据行业第二梯队。但随着新造车势力品牌车型的量产,中国专业化新能源汽车驱动电机生产企业的市场份额将不断提高。

  扁线电机驱动电机主要由定子组件、转子组件、端盖和辅助标准件组成,而定子绕组中又包括铁芯、铜线绕组、绝缘材料等组成。扁线电机顾名思义就是定子绕组中采用扁铜线,先把绕组做成类似发卡一样的形状,穿进定子槽内,再在另外一端把发卡的端部焊接起来。众所周知,小型化、高速化将是新能源汽车电机的主要发展趋势。其中,小型化必然要求电机功率密度有大幅度提升,所以扁线电机越来越受到国内厂家的亲睐;而高速化带来的是对电机散热的提升,冷却方式也倾向于采用油冷,扁线电机可以使得冷却油最大可能接触热源。扁线电机的优势扁线电机与圆线电机的区别在于铜线的成形方式,扁线有利于电机槽满率的提升,一般圆线

  据外媒报道,Exro Technologies为其专利线圈驱动器(Coil Driver)技术推出新应用,可在不考虑电源或充电器类型的情况下,使电动汽车实现快速无缝充电,并将电力回馈给电网。(图片来源:greencarcongress)线圈驱动器是下一代动态电机制器,可在运行过程中,通过多重动态配置文件(multiple dynamic profiles),提升电机性能。线圈驱动器可以取代传统变频器,计算系统的扭矩或速度要求,并实时无缝切换配置,以匹配所需的输出,从而优化电动传动系统,延长工作里程,提高运行效率。单个电机可以根据需求在运行中反复改变配置,以在低速和高速下提供最佳性能。该公司表示,其线圈驱动器技术可用于提供1-4 级充

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