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电机扁线化带来新一轮技术迭代,未来扁线电机渗透率有望快速提升

浏览数量: 307 作者: 本站编辑 发布时间: 来源: 《驱动电机有望迎来盈利拐点,先发优势奠定龙头企业地位 》

1.1 驱动电机是新能源产业重要环节,永磁同步电机已占主导

驱动电机是新能源汽车产业链重要环节。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行使中的主要执行 结构,驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件(电池、电机、电控)之一,其驱动特性直 接决定汽车行驶的爬坡、加速、速度等主要性能指标,是电动汽车的重要部件。以主流永磁 同步电机为例,电机主要由定子、转子以及机械结构组成,关键部件是定子和转子。

永磁同步电机和交流异步电机已成为乘用车领域主流选择。永磁同步电动机的永磁是指在制造电 机转子时加入了永磁体,使电机的性能得到进一步的提升,这也是永磁同步电机与交流异步电机 的区别。所谓同步,就指的是让电机中的转子转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。而 交流异步电动机中由于转子总是在“追赶”定子旋转磁场的转速,并且为了能够切割磁感应线而 产生感应电流,转子的转速总要比定子旋转磁场的转速慢,这也就形成了异步运行,即异步感应 电动机。

永磁同步电机和交流异步电机各有千秋。永磁同步电机本身具有转矩密度、功率密度、效率较高、 调速性能好等优点,再加上自身体积小、重量轻等优势,但它并不是没有缺点,除了原料带来的成本问题外,它会有在高温下磁性衰减的问题,这也是为何中小型纯电动车不能进行长时间的高 速巡航。相对来讲,交流异步电机则具有结构简单、可靠性较高、拥有较好的高速性能以及加速性能等优势;这也是一些以性能标榜的电动跑车以及中大型 SUV 会偏爱它的问题,如特斯拉 model S、model X、蔚来 ES8 等都在使用。不过相对来讲它的缺点则体现在转矩密度、功率密度、效率密度偏低,并且还伴随着体积大、重量沉、发热量大的问题。总体来看,可以理解为搭 载永磁同步电动机的电动车续航相对更好一些,搭载交流感应电动机的电动车加速性能更好。

 

 

永磁同步电机在国内驱动电机市场中份额近 95%。永磁同步电机由于我国在稀土资源方面的 优势,以及永磁同步电机功率密度大、峰值效率高、尺寸小、质量轻、结构多样化及应用范围广 等特性,永磁同步电机在国内装机量快速提升,2021 年前 11月国内永磁同步电机装机量达 269 万台,装机占比达到 94%,在新能源驱动电机市场中占据主导地位。

1.2 扁线绕组电机优势明显,技术提升潜力大

我们判断驱动电机的一个技术发展趋势是绕组扁线化(Hair-pin 电机)。电机的总体目标是提升 效率和功率密度,减少体积和重量。扁线绕组电机显著特点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。通过应用截面积更大的扁铜线,提高电机槽满率,具有高功率/转矩密度、高效率、散热性能更好等优点,同时 更易于实现自动化生产,满足新能源乘用车市场爆发后对产品一致性高的要求。但同时扁线电机 大规模应用也需要克服一些缺点,比如良品率低,转速上不去,标准化难以及专利壁垒等。

扁线具有较高的槽满率,高能量转换效率带来电池成本节约。电机的功率与铜含量成正相关,相 同体积下铜线填充量增加 20-30%,意味着输出转换功率有望提升 20-30%。扁线电机具有高槽满 率,其纯铜槽满率达到 70%,而传统圆线仅 40%左右;电机的能源损耗中 65%来自于铜耗,由 于扁线电机需要的铜线比相同功率的圆线电机更短,绕组电阻降低,铜耗降低,带来了更高的转 换效率。此外,在市区城市拥堵的工况(低转速高扭矩)中,扁线电机工作效率要比圆线高出 10%。高槽满率带来高效率区域面积,车辆路况试验 WLTP 续航增加,在续航里程相同的情况下 减少蓄电池容量,可有效降低整车成本 15%。

 

 

扁线散热性好,提升高温动力性。扁线由于导体接触紧密,槽里空隙降低,热量传导和散热系数 提高,高槽满率下绕组间的导热能力是低槽满率的 1.5 倍;交流电阻下降在中低速发热降低,相 对圆线定子温升降低 18%,降低齿槽内热阻,热传导更好;并且槽满率高,具有更强功率扭矩能 力,改善定子槽内散热,降低齿槽内热阻,温升可降低约 8~12%,在更低的温升条件下,整车可 以实现更好的加速性能。

扁线电机功率密度更高,整车动力更强劲。扁线电机槽满率高,转矩密度提高,有效体积缩小, 转矩加大,而功率提高,功率密度提高(例如上汽第二代 EDU 高功率 Hair-pin 电机使功率密度提高 20%),电机扭矩输出能力加强,进一步提升功率密度和整车动力性能。圆线电机功率密度约 3.5kw/kg 的水平,已无法满足“十三五”规划中功率密度应满足 4.0kw/kg 的要求,而当前领先企业的扁线电机的功率密度约 5kw/kg,因此扁线电机是未来发展的必然趋势。此外,扁线电机利用 其较大的端部导体间隙优势,冷却油可以直接渗透入绕组端部,吸收每一个导体的热量,将电机 绕组温度降低 68%以上,大大提升了电机的功率密度和转矩密度水平。

扁线电机电磁噪音低,整车更安静。扁线电机导线应力和绕组刚性较大,电枢具备更好的刚度, 弹性模量提高,物体模态发生变化,更有利于阻抗共振的发生,对电枢噪音具有抑制作用。此外, 齿槽转矩是永磁电机的一个固有问题,虽然它不会使电动机平均有效转矩增加或减少,但它会引 起速度波动、电机振动和噪声(NVH)。扁线绕组通过铁芯端部插线,不需要从槽口嵌线,电磁 设计上相对而言较小的槽口尺寸,电机齿槽转矩可降低 19%,NVH 可下降 12%,进一步抑制了 电磁噪音。

 

 

扁线小体积带来高集成效率,契合多合一电驱发展趋势。扁线槽满率高,绕线方法更先进,更易 裁剪,绕组端部高度可降低 15%上下,更易压缩,相同功率下电机的体积更小;相对于传统圆线 铜线绕组,扁线铁芯的有效体积下降,轴向可缩短 15%,外径可缩短 10%,铜用量可下降 20% 左右,整体重量可下降 10%,符合当前电机轻量化和小型化的趋势。

1.3主流车企纷纷换装扁线电机,扁线电机渗透率将快速提升

2020 年新能源汽车销量前 15 名的车型中,仅有欧拉 R1、理想 ONE、蔚来 ES6 等部分车型采用 扁线电机,2020 年扁线电机的渗透率不到 10%,叠加新能源汽车渗透率 5.4%,扁线的综合渗透 率不到 1%。

2021 年来扁线电机渗透率快速提升。2021 来特斯拉、广汽换装扁线电机,比亚迪 DMI 全系采用 扁线电机,上汽、长城的新车型也纷纷转为扁线电机,2021 年前 11 月单月销量前 40 名的车型 中,配套扁线绕组的车型达到了 16 款。我们测算销量前 40 车型的扁线渗透率达到了 31.1%,而 由于 11 月单月销量前 40 车型在当月乘用车总销量的占比达到了 76.6%,预计当前扁线电机渗透 率已超过 23.9%。(销量靠后的高端车型扁线渗透率更高)

后续待上市潜在爆款车型 ET5、ET7、智己、极氪等也均采用扁线电机,考虑到扁线高功率密度、 高能量转换效率、散热性好等优势,预计未来 3-5 年扁线电机渗透率将快速提升。

1.4 双电机配置提升,2025 年全球驱动电机市场有望达到 740 亿元

新能源汽车性能升级在即,双电机布置占比上升。当前中高端车型多配备单电机版本和双电机两 个版本,单驱动电机多见于低配版车型,纯电动车将驱动电机前置或后置,混动车型一般将驱动 电机前置;双驱动电机一般为高配版车型,纯电动、插混和增程式都涉及,前后各部署一个驱动 电机。当前新能源汽车渗透率快速上升,随着电动车在消费端认可度提升,我们认为新能源汽车 在性能方面的升级趋势将带动对四驱双电机、甚三电机版本的车型需求,双电机车型的市场占 比或将进一步上升。

 

 

新能源汽车市场爆发,驱动电机装机量快速增长。得益于国内新能源汽车市场的爆发,近几年国 内新能源驱动电机装机量实现了快速增长,2021 年国内新能源汽车销量超 330 万辆,假设双电机 车型渗透率达 12%,预计 2021 年国内驱动电机装机量将达到约 370 万台,同比增速超 150%。

较好的新能源汽车增长环境下,预计 2025 年全球新能源驱动电机市场规模将达到 740 亿元。在 双积分、碳排放、车型进步等多因素推动下,新能源汽车中长期销量高速增长确定性更强;长期 来看,更长续航将成新能源汽车主流趋势。预计 2022 年全球 925 万辆,中国 530 万辆销量; 2025 年全球超 2200 万辆,中国超 945 万辆;2030 年电动车年度销量渗透率接近 45%。在中长 期过程中,电动车对燃油车替代形成双向反馈,电动车正向反馈,配套更加成熟,使用体验持续 提升;燃油车负面反馈,配套收缩,使用体验持续下降,此背景下,新能源汽车有望加速实现对 燃油车的替代。伴随下游需求提升,叠加未来电机性能升级所带来的双电机占比提升,未来新能 源驱动电机市场有望迎来黄金增长期。(报告来源:未来智库)

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