汽车零部件行业汽车前瞻研究系列（十九）：新能源驱动电机的市场空间、发展趋势和产业链拆解

行业概况：永磁同步电机主导，2025 年市场空间有望达到 385 亿元。永磁同步电机凭借功率密度高、运行效率高、结构简洁紧凑、转矩大且平顺、调速性能好等优势已在国内新能源汽车驱动电机市场中占绝对主流地位。根据GGII 的数据，永磁同步电机 2021 年的装车量占比高达 94%；2021 年，国内驱动电机装车量排名前五的企业分别是比亚迪/特斯拉/方正电机/宁波双林/ 蔚然动力 ， 装车量分别为 62/40/25/20/18 万台 ， 占比分别为18%/12%/7%/6%/5%。受益于新能源乘用车快速增长，电机性能提升以及双电机配置车型占比提高，我们预计 2025 年新能源乘用车驱动电机的市场空间有望达到 385 亿元。 发展趋势：扁线，油冷，多合一。扁线电机相比传统圆线电机，裸铜槽满率可提升 20%-30%，总铜耗下降了 21%，效率提高大约 1%。油冷技术下冷却油可直接与电机发热部件接触，散热效率远高于传统的水冷散热系统，且油介质具有绝缘性好、介电常数高、凝固点低和沸点高等优势。比亚迪 DMI 的驱动电机采用直喷式转子油冷技术，可提升电机功率密度 32%。多合一电驱动系统即将电机、减速器、控制器等零部件集成，共享壳体线束等零件，实现集成、降本、轻量。扁线电机的扁铜线之间间隙较大，冷却油易于渗透，促进了直接油冷技术的应用。同时，冷却油拥有良好的绝缘性，可在多场景下复用，加速了整车热管理系统集成化的进程，推动了多合一电驱动系统总成的落地普及。 标杆企业：特斯拉、比亚迪持续创新，第三方电机厂快速进步。特斯拉采用内置永磁同步磁阻电机缓解了永磁电机在高转速工况下的局限性，以优秀的生产工艺给电机转子添加碳纤维保护层，并开发出了 10 层扁线绕组电机。 比亚迪在 E 平台 3.0 上采用了前驱感应异步电机+后驱永磁同步电机的技术方案，落地了全球首个八合一动力总成。比亚迪在插混系统上的 EHS 电混系统采用了双电机+双电控的集成化设计，扁线油冷电机的功率密度提升至44.3KW/L，体积和重量减小了 30%。此外，比亚迪通过齿圈结构带动永磁体转动，缓解了永磁同步电机的弱磁控制问题。精进电动、巨一科技、方正电机、大洋电机等优质第三方电机厂则开发并量产配套了各自的电驱动产品。 推荐标的：优质的第三方电驱动系统供应商。精进电动：专家治企，自主研发，打入小鹏供应链。方正电机：客户开拓顺利，电机龙头加速成长。巨一科技：智能装备与电驱动系统齐头并进。大洋电机：布局全面，全球电机及驱动控制系统的优质供应商。 风险提示：新能源汽车销量不及预期；行业竞争格局恶化；新品开发量产进度不及预期。 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。 图1：电机的基本结构 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%。 图 2：新能源汽车驱动电机成本构成 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。 图3：驱动电机主要种类划分 我们以新能源汽车的驱动电机为下游，沿产业链向上挖掘，则定子、转子、端盖、轴承等零部件为中游，永磁体、硅钢片、铜线、铝合金等原材料为上游。 图4：新能源汽车驱动电机产业链上下游拆解 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。 图5：新能源汽车驱动电机产业链上下游供应商 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。 图6：法拉第发明的电动机 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。 图7：里奇电机——现代旋转电机的雏形 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。 图8：达文波特电机模型与电机专利说明书 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。 图9：佩奇往复式电机 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）。 图10：费拉里斯电动机（1885 年） 图11：费拉里斯电动机结构图 特斯拉横空出世：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。 图12：1888 年的特斯拉两相感应电机及原理 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。 表1：国家关于新能源汽车驱动电机的功率密度五年规划 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。 图13：新能源汽车驱动电机调速曲线 图14：新能源汽车驱动电机高效区间 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。 图15：丰田普锐斯的电机效率分布图 图16：扁线绕组电机的效率分布图 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。 图17：传统 150KW 动力总成的体积大约 409L 图18：150KW 驱动电机动力总成体积大约 82L 技术路径：永磁同步电机的装车占比达 94% 早期新能源汽车的驱动电机多采用直流电机，一方面是因为直流电机具有控制策略简单、调速性能好、成本低等优点，另一方面是由于交流电机的控制技术复杂、成本较高。直流电机的速度正比于电压，易于控制；而交流电机的速度正比于频率及磁极数，控制技术要求较高。 图19：驱动电机主要种类划分 但是，直流电机存在一些固有缺陷，在交流电机的技术取得实质性进步后，直流电机目前已处于被淘汰的边缘。 1）有刷直流电机：电刷在有刷直流电机中起电流换向的作用。在实际使用中，电刷磨损很快，经常需要维护，同时换向火花限制了电机的高速运行，对电机的稳定性和安全性也构成了威胁，这些问题都难以克服。 2）无刷直流电机：无刷直流电机的电压波形和电流波形是矩形波或梯形波，伴随着较大的转矩脉动，在汽车行驶中有明显顿挫感，对用户体验构成负面影响。交流电机的波形则通常是正弦波，转矩更加平顺，振动问题较小。 图20：永磁同步电机和无刷直流电机的波形对比 图21：有刷直流电机结构（Carbon Brushes，碳刷） 交流电机中最常见的三种是永磁同步电机、感应异步电机和同步磁阻电机。交流电机的定子基本相同，主要区别在转子。定子主要由铁心、