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电动汽车驱动电机种类与性能分析(新能源汽车驱动电机行业研究)

电动汽车驱动电机种类与性能分析(新能源汽车驱动电机行业研究)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。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。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

(报告出品方/作者:国信证券,唐旭霞、余晓飞)

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。

电动汽车驱动电机种类与性能分析(新能源汽车驱动电机行业研究)(1)

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 Tier 1 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。

电动汽车驱动电机种类与性能分析(新能源汽车驱动电机行业研究)(2)

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。

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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 Model S 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。

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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。

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