汽车行业报告电机功率密度逐步提升,高效率

报告出品方：东北证券

以下为报告原文节选

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1.新能源汽车发展带动电机功率密度提升，夸克电驱已取得突破

1.1.新能源汽车销量持续增长，渗透率不断提高

近年来，在各国优惠政策扶持和推动下，全球新能源汽车市场呈快速增长趋势，中国新能源汽车表现尤为亮眼。新能源汽车产业的加速发展，不仅引领汽车行业重大变革，也推进交通领域持续低碳转型。根据EVVolumes，-年，全球新能源汽车销量由.6万辆增长至万辆，CAGR5.71%。年上半年，全球新能源汽车销量万辆，同比增长9.5%。根据中国汽车工业协会，-年，中国新能源汽车销量由77.7万辆增长至.66万辆，CAGR54.71%。年上半年，中国新能源汽车销量74.66万辆，同比增长44.1%。

-0年，中国汽车销量逐年下滑，由.14万辆降至.76万辆，之后两年汽车市场回暖，销量于年回升至.94万辆。虽然近年来中国汽车销量存在起伏，但新能源汽车渗透率一直保持上升趋势，由年的2.68%快速提高至年上半年的28.%。原工信部部长苗圩在年第十八届中国汽车产业论坛表示，新能源汽车对传统燃油汽车取代之势已经形成，原来制定的年新能源汽车渗透率超过50%的目标，很可能在5年最晚到6年就会提前实现。

1.2.永磁同步电机应用广泛，定子和转子为电机核心部件

新能源汽车包括三大核心部件，分别为动力电池、驱动电机和电控系统。动力电池是新能源汽车中的能量储存装置，主要用于接收和储存由外置充电装置和制动能量回收装置提供的电能，并通过高压配电系统为用电设备提供电能。驱动电机是新能源汽车中的核心驱动装置，作用是将电能转化为机械能，为新能源汽车提供动力和扭矩，使其能够正常加速和行驶。电控系统是新能源汽车中的控制中枢，负责对包括电池和电机在内的整车运行进行管理和控制。

驱动电机作为新能源汽车的核心零部件之一，是整车实现电能与机械能转换的关键。汽车电动化进程不断加快，而驱动系统的电动化则至关重要。新能源汽车以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。随着新能源汽车行业的快速发展，驱动电机市场规模也实现较快增长。-年，中国新能源汽车驱动电机装机量由85万台提升至万台，CAGR7.58%。未来，随着中国新能源汽车渗透率的进一步提升以及双驱动电机车型的逐步推广，驱动电机装机量有望继续保持增长。

新能源汽车驱动电机本质上是工业电机的一种，但由于其车载的特殊环境，相较于普通工业电机有更高的性能要求，主要包括：（1）体积小、重量轻：为了充分利用有限的车载空间，应尽量减小驱动电机的体积和重量，降低行驶过程中的能量消耗；（2）调速范围宽：为应对频繁起停、低速爬坡、高速行驶等不同的行驶方式，驱动电机输出特性需要在宽运行速度范围内都能达到精准的控制要求，而且不失去其他动力性能指标；（）高效率：为了保证续航里程，驱动电机在整个转速范围尽可能高效率运行，特别是车辆频繁起停或变速运行的情况下，驱动电机仍应具有较高的效率；（4）低速大转矩：驱动电机应具有汽车行驶所需要的转矩特性，以达到汽车启动、加速、行驶、减速、制动等各种运行工况下的功率和转矩要求。驱动电机的功率、转矩、效率等参数直接影响车辆的加速性能、爬坡能力、能耗和续航里程，因此高效、高性能的电机是新能源汽车的关键。主流的驱动电机类型主要包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机以及开关磁阻电机，其中永磁同步电机具有较高的功率质量比，体积更小，质量更轻，输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能也比较优异，是目前应用最为广泛的电机。

永磁同步电机主要由永磁体、定子、转子、轴承、端盖、接线盒等零部件组成。永磁体通常采用高性能的稀土永磁材料（钕铁硼磁铁或钴铁硼磁铁），主要作用是产生恒定的磁场，与旋转的磁场相互作用，从而驱动转子旋转。定子由定子铁芯和定子绕组组成，是电机中静止不动的部分，定子绕组在圆筒内侧缠绕，与外部电源接通来产生旋转磁场，整个圆筒与基座固定在一起。转子是电机中的旋转部件，通常由转子铁芯和短路环组成，短路环将电流引入铁芯，从而产生旋转磁场，与定子的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转。轴承用来支撑电机的定子和转子，保证电机运转的稳定和可靠。端盖是电机的外壳，用来保护电机内部的各个部件，同时也可以方便电机的安装和维护。接线盒用来连接电机的绕组和外部电源，以便实现电机的控制和驱动。

永磁同步电机的制造原材料主要包括钕铁硼、硅钢、铜、铝等，其中永磁材料钕铁硼主要用于制造转子永磁体，成本占比0%；硅钢主要用于制造定子和转子铁芯，成本占比20%；定子绕组和电机壳成本占比15%；电机轴成本占比5%。

永磁同步电机通过转子绕组的异步转矩实现启动。启动完成后，转子绕组不再起作用，由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。具体来看，当永磁同步电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生定子旋转磁场，定子旋转磁场相对于转子旋转在笼型绕组内产生电流，形成转子旋转磁场，此时定子旋转磁场和转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使转子由静止开始加速运动。当转子加速到速度接近同步转速的时候，定子旋转磁场速度稍大于转子永磁磁场，它们相互作用产生转矩将转子牵入到同步运行状态。在同步运行状态下，转子绕组内不再产生电流。此时转子上只有永磁体产生磁场，它与定子旋转磁场相互作用，产生驱动转矩。因此，定子和转子是永磁同步电机中的核心部件。

1..实现电机功率密度提升的两条路径

近年来，新能源汽车行业的快速发展带来电机功率密度的不断提升，但“小体积”和“大动力”仍然是行业内重要的研发方向，电机功率密度的突破仍然面临着两大难题。一是在重量或体积不变的情况下实现更大的功率输出，探索电机的空间极限，让电机的每一个点都能释放出最大潜能。二是要避免高功率输出损耗，从而对材料、工艺、软件、封装、安全等各方面提出更高的要求。1..1.重量或体积不变，实现更大的功率输出

在重量或体积不变的情况下实现更大的功率输出，目前主流技术包括扁线电机、油冷电机、集成化、高速化等。（1）扁线电机：指的是在定子绕组中采用扁铜线的电机，和圆线电机相比，扁线电机具有槽满率高、功率密度高、热传导好、NVH性能好等优势，可更好顺应在高电压平台下对轻量化、高功率密度等性能的追求。（2）油冷电机：水冷是目前主要的散热方式，但存在无法直接冷却热源、热量传递路径长、散热效率低等缺陷。油冷的优势在于油品具有不导电、不导磁、绝缘等性能，因此可以直接接触热源，形成更安全的热交换，提高散热效率，从而提升电机效率和功率密度，使两者得到统筹兼顾。

（）集成化：通过将驱动电机、电机控制器、减速器甚至更多部件集成为多合一电驱系统，可以实现电驱系统的小型化和轻量化，减小重量和体积，同时降低成本，一定程度上解放空间，有利于整车布置。（4）高速化：电机转子的高速化是进一步提升电机功率密度的一个主要方向。电机铁芯中的频率与电机的转速成正比，转速提高的同时电机供电频率也会提高，使得电机铁损耗增加。

1..2.避免高功率输出损耗

在重量或体积不变的情况下实现更大的功率输出是功率密度提升的重要技术路线，但是随着技术进步以及下游应用领域拓展，电机正在向着高频、高速方向发展，如何避免高功率输出损耗将成为功率密度提升的另一条重要技术路线。电机损耗的主要来源包括铜损耗、铁损耗、风阻损耗、摩擦损耗和杂散损耗。铜损耗是当电流通过电机定子和转子的时候，由于绕组电阻的存在造成的电能损耗。铁损耗主要指电机铁芯中的铁磁材料在交变磁场作用下产生的磁滞损耗和涡流损耗，从而导致电机发热，降低电机的效率。风阻损耗指电机高速运转时，由于空气阻力增加引起的能量损失以及电机效率的降低。摩擦损耗指电机运行过程中，由于轴承、齿轮等机械部件的摩擦和损耗引起的能量损失以及电机效率的降低。杂散损耗主要指定子绕组通入电流时可能附带的“基频杂散损耗”和由气隙磁场谐波引起的“高频杂散损耗”。在当前主流电机的转速范围内，电机损耗以铜损耗为主，占到总损耗的65%；铁损耗由定子铁损耗和转子铁损耗组成，占到电机总损耗的20%；转子风阻损耗和轴承摩擦损耗一起组成风摩损耗，占到电机总损耗的10%；杂散损耗占电机总损耗的比例为5%。

但随着电机向高频、高速方向发展，电机损耗的主要来源逐渐变为铁损耗，相关研究表明，高频电机的铁损耗占电机总损耗的比例很高。电机铁损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成，与频率有以下关系：

其中Pc为铁损耗；Ph和Pe分别为磁滞损耗和涡流损耗；Kh和Ke分别为磁滞损耗和涡流损耗系数，涡流损耗系数与铁芯材料和厚度有关；Bm为磁通密度峰值；f为电机供电频率。由此可见，电机铁芯中的频率与电机的转速成正比，电机高速化使铁芯中的磁通交变频率提升，磁滞损耗和涡流损耗均有所增加，从而带动铁损耗快速增加，降低铁损耗成为提升电机性能的重要方式。根据上式，减小铁损耗的方法包括减小铁芯中的磁感应强度和使用高磁导率低损耗的铁芯材料。

1.4.夸克电驱电机功率密度相比行业提升%

年月，埃安发布全新一代高性能集成电驱技术群——夸克电驱，能以更小的体积迸发出强劲的功率，电机功率密度高达12kW/kg，相比行业提升%。小体积的电机，就能带来媲美V8发动机的大马力。实现此项突破，不亚于芯片行业从“28nm”时代快进到“nm”时代。

埃安电驱研发团队围绕“高功率密度，低发热损耗”两个核心点，持续进行技术迭代开发，从而积累了纳米晶-非晶超效电机、X-PIN扁线绕组、V高效碳化硅、E-drive软件、无动力中断电子换挡等一系列技术，其中最核心的是三大前瞻技术：纳米晶-非晶超效电机、X-PIN扁线绕组、V高效碳化硅，三大核心技术均为行业首创。

永磁同步电机发展至今，电机铁芯损耗是影响电机工况效率的主要因素。埃安从基础原材料和电磁原理创新出发，设计了一种纳米晶-非晶合金材料及批量制备工艺。相较于传统的铁基硅钢材料冶炼工艺，纳米晶-非晶材料冷却速度更快，且具有原子无序排列、无晶粒、无晶界的微观特性，其铁损系数远低于铁基硅钢材料。埃安使用该材料制作电机铁芯，降低了电机50%铁芯损耗，使得电机工况效率提升至97.5%，电机最高效率达到98.5%。

埃安融合自主专利的X-PIN扁线定子技术和碳纤维高速转子技术，在缩小25%体积的情况下，电驱功率提升0%以上。基于电机技术的进步，未来产品将呈现小型化、轻量化、出行形态多样化。X-PIN碳纤维高速电机技术具有项独有平台绕线方案的国家专利，可实现70kW-20kW功率范围、-Nm转矩范围多平台兼容。

埃安深度介入SiC产业链建设，自研封装设计。从芯片布局、均流一致性、缩小芯片开关延时、叠层功率回路设计四个方向进行突破，同时结合全银精准低温烧结工艺的革新，使得SiC模块回路杂感降低50%以上、热阻降低约25%、芯片通流能力提升10%以上、功率循环寿命提升约%。结合安全可靠的SiC芯片驱动与保护设计，充分发挥碳化硅的高耐压、高功率密度、高效率特性，助力夸克电驱实现最高满功率工作电压V，峰值功率高达20kW以上，最高效率超99.8%，位居行业顶尖水平。

夸克电驱通过一系列的技术革新，成功突破了“小体积”和“大动力”不可兼得的矛盾，让埃安的电驱研发进入“纳米时代”。目前，夸克电驱搭载在HyperSSR和HyperGT两款车型上，使埃安HyperSSR实现全球最快多电机1.9秒百公里加速，HyperGT实现全球最快单电机4.9秒百公里加速的能力。

2.电机定子铁芯选材对电机效率至关重要2.1.传统电机定子铁芯材料选用无取向硅钢，与电机发展方向不匹配硅钢是指含硅量为1%-4.5%、含碳量小于0.08%的硅合金钢，具有磁导率高、矫顽力低、电阻系数大等特性，主要用作电机、变压器、电器以及电工仪表中的磁性材料。按照含硅量不同，硅钢可分为取向硅钢和无取向硅钢。取向硅钢含硅量一般在%以上，主要用于变压器制造。无取向硅钢含硅量通常在0.5%-%，主要用于发电机制造。

传统电机定子铁芯材料主要选用无取向硅钢，使用冲压工艺进行生产。随着冲压工艺的逐渐成熟，传统电机定子叠片的加工费用也越来越低。但随着电机正在向着高频、高速方向发展，其转速高、功率密度高、传动效率高、供电频率高等特点导致铁损耗增大，继续使用无取向硅钢为原材料制造电机定子铁芯会使电机工作效率下降。此外，电机损耗会部分转换为热量，电机损耗的增加意味着产生更多的热量，导致电机电阻增加，电流减小，影响电机的功率密度。为了解决上述未来电机发展过程中存在的问题，非晶电机应运而生。

2.2.非晶电机研究由来已久，有望成为电机定子铁芯主要材料

2.2.1.当前非晶合金主要用于配电变压器以取代取向硅钢

非晶合金又称“液态金属”或“金属玻璃”，是一种新型合金软磁材料，主要包含铁、硅、硼等元素，其主要制品非晶合金薄带采用急速冷却技术进行生产。金属熔液内部原子较为活跃，一旦开始冷却，原子将从液态的无规律排列转变成固态的有规律排列，形成晶体。但如果冷却过程过快，原子来不及重新排列就转变为固态，则产生了非晶体。通过急速冷却技术将合金熔液以每秒℃的速度急速冷却，可以形成厚度约0.0mm的非晶合金薄带，其物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列。

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