源起研究 | 新能源汽車驅動電機步入黃金時代
目前，中國乘用車市場整體發展已相對成熟，假設乘用車市場整體每年3%的增長率，到2022-2025 年，中國乘用車銷量有望從 2213 萬輛增長 2418 萬輛。
考慮到外部政策刺激（雙積分考核、路權政策等）與各主流整車廠的新能源車型規劃，預計2022-2025 年，新能源乘用車的滲透率有望從 25%提升至 40%，新能源乘用車的銷量有望從553萬輛增長至 967 萬輛。
與此同時，新能源汽車的快速發展，也給驅動電機技術帶來了巨大的發展機遇，電機技術的發展一度成為新能源行業關注的熱點。
以永磁同步電機為例，它具有功率密度高、運行效率高、結構簡潔緊湊、轉矩大且平順、調速性能好等諸多優勢。
功率密度高：永磁同步電機的釹鐵硼磁性材料具備優秀的磁力性能，在充磁后不用增加外部能量，可構建較強磁場，同時磁場具有永久特點，無需額外電路進行勵磁（即給導體通電產生磁場），得以維持較小的體積和較輕的重量。在額定功率下，同樣散熱條件和絕緣材料的永磁同步電機的功率密度通常比感應異步電機的功率密度大 2 倍以上。
運行效率高：受益于轉子中的永磁體，永磁同步電機的轉子通常無需通電（部分自啟動工況或渦流損耗除外），可減少相關的能量損耗，效率較高。
結構簡潔緊湊：永磁同步驅動電機不設置勵磁電源結構以及勵磁繞組結構，降低相關結構復雜性，相關構成較為緊密，保證永磁同步驅動電機運轉更加具有可靠性。豐田普銳斯搭載的第四代永磁同步電機相較于第三代，定子直徑下降了20%，整體結構更緊湊，體積更小。
轉矩大且平順：在額定電流范圍內，提高電流即可快速提高永磁同步電機的扭矩。此外，三相交流電在定子中形成的旋轉磁場也較為穩定，轉矩脈動較小。尤其在低速大轉矩工況下（對應新能源汽車起步加速階段），永磁同步電機相較于異步感應電機擁有突出優勢。
調速性能好：永磁同步電機的電、磁和力的關系相較于感應異步電機更加簡單，更易于調速和控制。異步電機的狀態方程是四階的，轉子與定子的方程耦合（轉子內的電流是由定子磁場旋轉產生）；永磁同步電機的狀態方程是二階的，永磁體的磁場是獨立存在的，在低速和高速（高于額定轉速）的工況下控制難度都顯著低于感應異步電機。
驅動電機作為新能源汽車的核心零部件，對新能源汽車領域的話語權具有一定制約性。
如今，很多國內外供應商相繼涌入驅動電機領域，但不同供應商在技術路線和產品性能參數方面存在較大差異，從整個行業發展來看，驅動電機在將來具有廣闊的市場前景。
01驅動電機技術市場現狀分析
目前驅動電機主要分為直流電機、交流電機及輪轂電機等；其中，直流和交流電機又可進一步劃分。
現在市場對交流異步電機、永磁同步電機及開關磁阻電機關注度較高。通過對常見的幾種電機進行比較分析可知，永磁同步電機具有效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優點，成為純電動乘用車市場的主要驅動電機。
圖 | 主要電機性能及參數比較（來源：厚勢汽車）
當前新能源汽車驅動電機中較為常見的是交流電機中的永磁同步電機與鼠籠式異步感應電機，其中永磁同步電機在國內最為流行。
上游金屬原材料的供應商多為大型上市公司，包括生產永磁體的金力永磁、正海磁材等；中游生產定子轉子等零部件的供應商多為非上市公司，包括常州金茂、展翔模具、浙江寶捷等，上市公司包括隆盛科技、長鷹信質；下游生產電機總成的企業主要可分為三大類，整車廠包括特斯拉、比亞迪等，電機廠包括精進電動、方正電機等，傳統 Tier 1 供應商包括博世、大陸、麥格納等。驅動電機產線設備的供應商則主要有豪森股份、克來機電、巨一科技、銘納陽等。
由于永磁同步電機的轉速區間和效率都相對較高，需要使用昂貴的系統永磁材料釹鐵硼；部分歐美車系采用交流感應電機，主要因為稀土資源匱乏，同時出于降低電機成本考慮，其劣勢主要是轉速區間小，效率低，需要性能更高的調速器以匹配性能。隨著新能源汽車市場的迅猛發展，驅動電機市場吸引了眾多企業和資本的進入。
整體來看，我國驅動電機取得較大進展，已經自主開發出滿足各類新能源汽車需求的產品，部分主要性能指標已達到相同功率等級的國際先進水平。但是在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。
圖 | 國內外驅動電機企業的永磁同步電機參數比較（來源：厚勢汽車）
首先，在峰值轉速方面具有一定的差距。峰值轉速是驅動電機的重要指標，也是目前國內驅動電機較之國外電機差距最為明顯的指標。國內絕大部分永磁同步電機的峰值轉速在 10000 rpm 以下，而國外基本在10000 rpm 以上。
其次，在功率密度方面具有一定的差距。雖然國內電機在功率方面基本能夠達到國際水平，但是在同功率條件下存在重量劣勢，因此功率密度較之國際水平存在較大差距。目前，國內的永磁同步電機功率密度多處于 1～2 kw/kg 區間內，與 2020 年 3.5 kw/kg 的目標值存在較大差距。
最后，在電機效率方面具有一定的差距。國內電機的最高效率均達到 94%～96%，已達到西門子、Remy 等企業的水平。但是在高效區面積方面，如系統效率大于 80% 的區域占比方面尚存在一定差距。我國電機的高效區面積占比集中在 70%～75%，而國外電機基本達到 80%。
除此之外，永磁同步電機還面臨較大的發展瓶頸。當前因純電動乘用車以永磁同步電機為主要技術路線，故如何進一步提升其性能成為行業重點問題。目前，永磁同步電機面臨以下幾方面的技術難點：
功率密度方面：功率的提升有兩種途徑，一種是提高扭矩，另一種是提高轉速。前者主要問題是過載電流加大，造成發熱量高，給散熱造成較大壓力；后者是高速時鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和硅鋼片，從而使成本提高；或采用復雜的轉子結構，但影響功率密度。
材料方面：永磁材料也是制約永磁同步電機性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料釹鐵硼主要存在溫度穩定性差、不可逆損失和溫度系數較高以及高溫下磁性能損失嚴重等缺點，從而影響電機性能。
生產工藝方面：永磁同步電機在生產工藝方面的難點是制約大規模配套乘用車的重要因素。因為永磁同步電機生產企業缺乏產業化的積累，國內企業生產不良率較高，無法達到乘用車企業的不良率要求，尤其是隨著純電動乘用車市場規模的擴大，十萬級的年產量給永磁同步電機帶來了巨大的挑戰。
02驅動電機行業標桿企業分析
國際市場，特斯拉的早期車型多采用感應異步電機，如2019 款的海外特斯拉Model 3 在單電機版本上依然搭載了感應異步電機，在雙電機版本上則搭載前驅永磁同步電機搭配后驅感應異步電機。
現階段，特斯拉 Model 3、Model Y、Model S、Model X 等車型均在單電機版本上搭載永磁同步電機，在雙電機版本上搭載永磁同步電機+感應異步電機。新款特斯拉 Model S Plaid 三電機版本搭載的全部是永磁同步電機。
總體來看，特斯拉的驅動電機配置趨勢是數量越來越多，性能越來越強，永磁同步電機的滲透率越來越高。
國內市場，比亞迪一直使用永磁同步電機，并且早在 2015 款的比亞迪唐新能源上就落地了雙電機四驅結構，具有一定的前瞻性和先進性。
在純電平臺方面，比亞迪最新的 E 平臺 3.0 采用了前驅感應異步電機+后驅永磁同步電機的技術方案二者互補，在日常行駛中以永磁同步電機為主，在加速工況下雙電機最大輸出。
該平臺落地了全球首個八合一動力總成（整車控制器、電機控制器、車載充電器、驅動電機、電池管理器、高壓配電箱、直流變換器、減速器），高性能版本最大功率 270KW（E 平臺 3.0 有前后兩個八合一動力總成，后驅峰值功率270KW，前驅峰值功率 150KW），系統綜合效率 89%。其中，扁線驅動電機最高效率可達97.5%，電機功率提升了 40%。
圖 | 比亞迪E平臺3.0高新能四驅架構（來源：未來智庫）
基于高度集成的電驅動系統，整車的熱管理系統也得以進一步集成，寬溫域高效熱泵系統得以落地，實現了整車熱量綜合利用，-30℃~60℃的寬域熱泵工作溫度，動力電池的直冷直熱技術熱效率最高提升 20%。
在具體的設計工藝方面，根據國家知識產權局披露的比亞迪專利文件，2021年下半年以來，比亞迪在電機總成、散熱結構、定子設計、轉子設計上均有新技術突破。
03驅動電機未來發展趨勢分析
通過以上分析并結合市場調研可以看出，未來幾年的純電動乘用車市場上，永磁同步電機仍將占據主流，交流異步電機的配套將逐年萎縮。
隨著輪轂電機技術的逐步成熟和成本的下探，其在純電動乘用車市場的配套量會有一定的增長；而開關磁阻電機受限于體積和噪聲問題，短時間內應用到乘用車的可能性較小。
圖 | 驅動電機技術路線圖（來源：厚勢汽車）
總體來看，驅動電機的主要趨勢包含以下幾個方面：集成化，涵蓋電力電子控制器的集成和機電耦合的集成；高效化，提高功率密度并降低成本；智能化和數字化，與控制器配合不斷提升驅動系統的性能。
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