1、2022 年深度行业分析研究报告 2内容目录内容目录行业概况：永磁同步电机主导，行业概况：永磁同步电机主导，20252025 年市场规模有望达到年市场规模有望达到 385385 亿元亿元.7 7发展简史：从直流电机到交流电机.9性能需求：效率高，转矩大，散热强.12技术路径：永磁同步电机的装车占比达 94%.14数据对比:比亚迪/特斯拉市占率领先，大洋电机/巨一科技财务指标较优.23市场空间：2025 年有望达到 385 亿元.27发展趋势：扁线，油冷，多合一发展趋势：扁线，油冷，多合一.2828扁线电机：提效降损，铜线、漆膜、设备均有增量.29油冷电机：直接冷却，高效散热.41多合一电驱动系

2、统总成：集成化实现降本增效.47行业标杆：特斯拉、比亚迪持续创新，第三方电机厂快速进步行业标杆：特斯拉、比亚迪持续创新，第三方电机厂快速进步.5050特斯拉：永磁同步电机技术革新，加速渗透.50比亚迪：电动插混双轮驱动，技术实力深厚全面.54精进电动：专注电驱动系统，打入小鹏供应链.57巨一科技：从智能装备切入电驱动系统.59推荐标的：优质的第三方电机供应商推荐标的：优质的第三方电机供应商.6060精进电动：专家治企，自主研发，全面布局.60方正电机：客户开拓顺利，电机龙头加速成长.62巨一科技：智能装备与电驱动系统齐头并进.63大洋电机：全球电机及驱动控制系统优质供应商.653图表图表目录目

3、录图1： 电机的基本结构.7图2： 新能源汽车驱动电机成本构成.7图3： 驱动电机主要种类划分.8图4： 新能源汽车驱动电机产业链上下游拆解.8图5： 新能源汽车驱动电机产业链上下游供应商.9图6： 法拉第发明的电动机.10图7： 里奇电机现代旋转电机的雏形.10图8： 达文波特电机模型与电机专利说明书.11图9： 佩奇往复式电机.11图10： 费拉里斯电动机（1885 年）.12图11： 费拉里斯电动机结构图.12图12： 1888 年的特斯拉两相感应电机及原理.12图13： 新能源汽车驱动电机调速曲线.13图14： 新能源汽车驱动电机高效区间.13图15： 丰田普锐斯的电机效率分布图.14

4、图16： 扁线绕组电机的效率分布图.14图17： 传统 150KW 动力总成的体积大约 409L.14图18： 150KW 驱动电机动力总成体积大约 82L.14图19： 驱动电机主要种类划分.15图20： 永磁同步电机和无刷直流电机的波形对比.15图21： 有刷直流电机结构（Carbon Brushes，碳刷）.15图22： 定子铁芯及绕组结构.16图23： 定子铁芯及绕组结构.16图24： 三相交流电的波形.16图25： 三相交流电机的定子电路.16图26： 2021 全年各类电机装车量.17图27： 永磁同步电机的基本结构.17图28： 钕铁硼永磁材料.18图29： 镝合金材料. 18图

5、30： 永磁同步电机的磁场与结构.18图31： 永磁同步电机与感应异步电机的效率对比.19图32： 丰田普锐斯第四代电机与第三代磁极结构对比.19图33： 电机调速曲线. 20图34： 永磁同步电机的超前角弱磁控制.20图35： 涡流效应. 20图36： 反电动势的波形.20图37： 感应异步电机的高效区间.214图38： 永磁同步电机的高效区间.21图39： 交流电机细分种类的物料成本对比.21图40： 永磁同步电机的物料成本结构.21图41： 感应异步电机的原理图.22图42： 感应异步电机的鼠笼转子.22图43： 比亚迪 E 平台 3.0 的高性能四驱架构.23图44： 2020 年驱动

6、电机市场份额.23图45： 2021 年驱动电机市场份额.23图46： 2020 年主要电机厂商装车量及占比.24图47： 2021 年主要电机厂装车量及占比.24图48： 日电产对电机供应关系的预测.24图49： 部分电驱动供应商对应收入对比.25图50： 部分电驱动供应商对应收入增速对比.25图51： 部分电驱动供应商对应毛利率对比.25图52： 部分电驱动供应商对应净利率对比.25图53： 2017-2021Q3 精进电动四费率.26图54： 2017-2021Q3 方正电机四费率.26图55： 2017-2021Q3 大洋电机四费率.26图56： 2017-2021Q3 巨一科技四费率

7、.26图57： 新能源汽车电驱动系统发展方向.29图58： 扁线绕组与圆线绕组截面对比.30图59： 新能源汽车驱动电机的能量损耗构成.31图60： 不同电机绕组的电枢电流基本相同.31图61： 圆线绕组的铜耗显著高于扁线绕组.31图62： 铜线绕组的趋肤效应.32图63： 铜线绕组的邻近效应.32图64： 不同绕组的效率图对比.34图65： 8 层扁线绕组电机效率图.35图66： 4 层扁线绕组电机效率图.35图67： 2020 年国内电磁线行业竞争格局.36图68： 铜线主要供应商营业收入对比.37图69： 铜线主要供应商毛利率对比.37图70： 常见聚合物电介质材料及其耐温等级.37图7

8、1： 主要漆膜供应商营收对比.38图72： 主要漆膜供应商毛利率对比.38图73： 浙江巨力转子自动生产线.39图74： 浙江巨力定子生产线.39图75： 江苏铭纳阳的主要产品.40图76： 豪森股份的定子生产线.40图77： 豪森股份的转子生产线.40图78： 豪森股份的总装线关键工艺.415图79： 2017-2021 豪森股份营业收入及同比.41图80： 2017-2021 豪森股份归母净利润及同比.41图81： 永磁同步电机内部热路示意图.42图82： 各种散热类型的电机.42图83： 特斯拉扁线油冷电机.43图84： 特斯拉扁线油冷电机.43图85： 扁线油冷电机的转子冷却示意图.4

9、3图86： 扁线油冷电机的定子冷却示意图.43图87： 直接油冷式电机机壳及其截面.44图88： 2017-2021Q3 ATF 油主要供应商营业收入（亿元）.45图89： 2017-2021Q3 ATF 油主要供应商归母净利润（亿元）.45图90： 2017-2021Q3 ATF 油主要供应商毛利率.46图91： 2017-2021Q3 ATF 油主要供应商净利率.46图92： 电子油泵/滤清器/散热器主要供应商收入（亿元）.47图93： 电子油泵/滤清器/散热器主要供应商归母净利润（亿元）.47图94： 电子油泵/滤清器/散热器主要供应商毛利率.47图95： 电子油泵/滤清器/散热器主要供

10、应商净利率.47图96： 比亚迪的八合一电驱动系统.49图97： 三合一电驱动系统的构型.49图98： 电驱动系统的集成化程度.50图99： 不同材料保护层对转子涡流损耗的影响.52图100： 碳纤维保护层的隔热效果. 52图101： 内置永磁同步磁阻电机的特征.52图102： 内置永磁同步磁阻电机的高效区间.53图103： 对齐定子旋转磁场与转子磁场.53图104： 10 层扁线绕组电机. 54图105： 比亚迪 E 平台 3.0 高性能四驱架构.54图106： 比亚迪 E 平台 3.0 八合一动力总成.55图107： 比亚迪 E 平台 3.0 热管理系统.55图108： EHS 电混系统结

11、构. 56图109： EHS 电混系统的零件参数. 56图110： 转子组件示意图. 57图111： 转子永磁体示意图. 57图112： iEDS-4000FR 集成式电驱动系统.60图113： JEE 高功率密度驱动电机. 60图114： 精进电动创始人余平. 61图115： 精进电动联合创始人蔡蔚. 61图116： 巨一科技分业务销售金额. 64图117： 巨一科技分业务销售额占比.646表1： 国家关于新能源汽车驱动电机的功率密度五年规划.13表2： 感应异步电机与永磁同步电机的优劣势对比.22表3： 主要第三方电机供应商数据对比.27表4： 2021-2025E 国内乘用车及新能源乘用

12、车销量预测.27表5： 2021 年 12 月新能源乘用车销量前十名及电机配置.28表6： 2021-2025 新能源乘用车驱动电机市场规模预测.28表7： 采用扁线电机的部分整车厂及对应车型.30表8： 不同绕组的永磁电机交流损耗对比.33表9： 不同定子绕组的损耗对比.33表10： 分层数对扁线绕组涡流损耗的影响.34表11： 国内主要扁铜线供应商基本情况.36表12： 艾伦塔斯和艾仕得的基本情况.38表13： 国内主要漆膜供应商基本情况.38表14： 海外扁线电机设备主要供应商.39表15： 2021 全年月采用油冷技术的车型.44表16： 国内主要自动变速箱油供应商.45表17： 电子

13、油泵/滤清器/散热器主要供应商基本情况.46表18： 多合一电驱动系统的集成零部件明细与代表厂商.48表19： 八合一电驱动系统内的零部件功能.48表20： 特斯拉 Model 3 不同年款的驱动电机配置变化.51表21： 特斯拉 Model S 顶配版电机参数.51表22： 比亚迪唐新能源顶配版电机参数.54表23： 2018-2020 精进电动的产能及产能利用率.58表24： 精进电动感应电机性能参数.58表25： 精进电动水冷永磁电机性能参数.58表26： 精进电动油冷永磁电机性能参数.58表27： 2020 年精进电动前五大客户.59表28： 2021 年 1-11 月精进电动前五大客

14、户.59表29： 精进电动募集资金计划投向.61表30： 精进电动 2021 年业绩预亏公告数据.62表31： 重点公司估值表.66行业概况：永磁同步电机主导，行业概况：永磁同步电机主导，20252025 年市场年市场规模有望达到规模有望达到 385385 亿元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

15、等。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：电机的基本结构资料来源：电工之家，国信证券经济研究所整理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资料来源：电机技术，国信证券经济研究所整理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，

16、其中永磁同步电机在国内最为流行。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资料来源：电动汽车驱动电机的应用现状与发展趋势，CSDN，国信证券经济研究所整理我们以新能源汽车的驱动电机为下游我们以新能源汽车的驱动电机为下游，沿产业链向上挖掘沿产业链向上挖掘，则定子则定子、转子转子、端盖端盖、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。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资料来源：精进电动招股说明书，搜狐汽车，电工之家，CSDN，国信证券经济研究所整理上游金属原材料的供应商多为大型上市公司，

17、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资料来源：精进电动招股说明书，公司官网，搜狐汽车，CSDN，国信证券经济研究所整理发展简史：从直流电机到交流电机发展简史：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

18、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。早期的电机以直流电机为主，采用电池供电。首个电机首个电机：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。在该在该装置中，导线相当于转子，永磁体相当于定子。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

19、动机资料来源：电学实验研究，电机史话，国信证券经济研究所首个旋转电机首个旋转电机：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。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资料来源：电机史话，国信证券经济研究所整理首个电机驱动：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

20、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。18371837 年年 2 2 月月，达文波特的电机发明成功申请到美国专利局的达文波特的电机发明成功申请到美国专利局的 132132 号专利号专利，成为历成为历史上第一个电动机专利。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资料来源：东方电机，国信证券经济研究所整理首个电驱机

21、车首个电驱机车：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。 18511851 年年 4 4 月月，佩奇制成了首台由电机驱动的机车，在佩奇制成了首台由电机驱动的机车，在 3939 分钟内跑完了分钟内跑完了 5.255.25 英里的试验路程英里的试验路程。图9：佩奇往复式电机资料来源：东方电机，国信证券经济研究所整理旋转磁场理论是交流电机的理论基石之一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

22、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。实验。交流电机诞生交流电机诞生：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。他他利用利用 4 4 只螺线管、只螺线管、1 1 台西门子单相交流发电机和台西门子单相交流发电机和 1 1 个铜圆筒制成了最早的两相感个铜圆筒制成了最早的两相感应电动机（即交流

23、异步感应电机）。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资料来源：东方电机，国信证券经济研究所整理资料来源：东方电机，国信证券经济研究所整理特斯拉横空出世特斯拉横空出世：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）。18881888 年年 7 7 月，美国西屋公司以月，美国西屋公司以 2020 万美万美元外加每生产元外加每生

24、产 1 1 马力电机增加马力电机增加 1 1 美元的条件购买了特斯拉的全部专利美元的条件购买了特斯拉的全部专利，包括两相包括两相同步发电机同步发电机、两相同步电动机两相同步电动机、两相感应电动机两相感应电动机、单相电动机的分相启动单相电动机的分相启动、两两相相4 4 线配电系统等。线配电系统等。图12：1888 年的特斯拉两相感应电机及原理资料来源：电机史话，国信证券经济研究所整理性能需求：效率高，转矩大，散热强性能需求：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

25、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。高、调速范围宽、起动转矩大、高效区间广、散热需求强。1 1）功率密度高功率密度高：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

26、1：国家关于新能源汽车驱动电机的功率密度五年规划国家五年计划国家五年计划“十一五十一五”“十二五十二五”20202020202520252030203020352035功率密度功率密度1KW/KG2.5KW/KG4.0KW/KG5.0KW/KG6,0KW/KG7.0KW/KG系统高效（系统高效（85%85%）区间）区间50%70%80%90%92%94%资料来源：哈尔滨理工大学，精进电动，国信证券经济研究所整理2 2）调速范围宽调速范围宽：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

27、 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 3）起动转矩大起动转矩大：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资料来源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid,and Fuel Cell Vehicles，国信证券经济研究所整理资料来源

28、：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid,and Fuel Cell Vehicles，国信证券经济研究所整理4）高效区间广：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资料来源：Electri

29、cal Machines and Drives for Electric, Hybrid,and Fuel Cell Vehicles，国信证券经济研究所整理资料来源：绿芯频道，国信证券经济研究所整理5）散热需求强散热需求强： 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

30、 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资料来源：绿芯频道，国信证券经济研究所整理资料来源：绿芯频道，国信证券经济研究所整理技术路径：永磁同步电机的装车占比达技术路径：永磁同步电机的装车占比达 94%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直流电机的速度正比于电压，易于控制易于控制；而交流电机的速度正比于频而交流

31、电机的速度正比于频率及磁极数，控制技术要求较高。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资料来源：电动汽车驱动电机的应用现状与发展趋势，CSDN，国信证券经济研究所整理但是，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，直流直流电机目前已处于被淘汰的边缘。电机目前已处于被淘汰的边缘。1 1）有刷直流电机有刷直流电机：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 2）无刷直流电机无刷直流电机：无刷直流电机的电压波形和电流波形是矩形波或梯形

32、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）资料来源：Microchip，国信证券经济研究所整理资料来源：Microchip，国信证券经济研究所整理交流电机中最常见的三种是永磁同步电机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感应异步电机和同步磁阻电机。交流交流电机的定子基本相同电机的定子基本相同，主要区别在转子。主要区别在转子。定子主要由铁心、线圈组成；定子铁心由硅钢片叠压而成

33、；漆包线绕制成线圈，嵌入铁心槽内，再进行绝缘处理；将绝缘处理后的铁心套入机壳得到定子。图22：定子铁芯及绕组结构图23：定子铁芯及绕组结构资料来源：电工之家，国信证券经济研究所整理资料来源：电工之家，国信证券经济研究所整理定子绕组接入交流电源（通常是三相交流电，三相交流电与空间角度 120的线圈相结合，它们的合成磁场就像是一个强度均匀的磁场在旋转），形成旋转磁场，拉动转子旋转。图24：三相交流电的波形图25：三相交流电机的定子电路资料来源：电工之家，国信证券经济研究所整理资料来源：电工之家，国信证券经济研究所整理根据高工锂电的数据，2021 年，永磁同步电机/感应异步电机/其他电机的累计装机量

34、分别为 323/17/2 万台，占比分别为 94%/5%/1%。永磁同步电机在国内新能源永磁同步电机在国内新能源汽车驱动电机市场中占绝对主流地位。汽车驱动电机市场中占绝对主流地位。图26：2021 全年各类电机装车量资料来源：公司官网，国信证券经济研究所整理永磁同步电机的转子由铁心永磁同步电机的转子由铁心、磁钢磁钢、轴压装而成轴压装而成，其中磁钢提供电机磁通其中磁钢提供电机磁通，对电对电机性能影响最大，通常由稀土钕铁硼经粉末冶金法制成。机性能影响最大，通常由稀土钕铁硼经粉末冶金法制成。图27：永磁同步电机的基本结构资料来源：汽车工程师之家，国信证券经济研究所整理早期的电机中永磁电机非常少见，主

35、要是因为缺乏磁性足够强大的永磁体。1982年，住友特殊金属的佐川真人发现钕磁铁。这种磁铁的磁能积大于钐钴磁铁，是当时全世界磁能积最大的物质。后来，住友特殊金属成功发展粉末冶金法，通用汽车公司成功发展旋喷熔炼法，能够制备钕铁硼磁铁。这种磁铁是现今磁性仅次这种磁铁是现今磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。优点是高抗退磁性于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。优点是高抗退磁性、高性价比高性价比，其缺点是温度依赖性比较强其缺点是温度依赖性比较强，耐腐蚀性能比较弱耐腐蚀性能比较弱，需适当涂层或电镀需适当涂层或电镀处理处理。为了提高钕铁硼的耐温性和矫顽力为了提高钕铁硼

36、的耐温性和矫顽力，磁体生产商通常会在配方中加入金属磁体生产商通常会在配方中加入金属镝，进一步推高了制造成本。镝，进一步推高了制造成本。图28：钕铁硼永磁材料图29：镝合金材料资料来源：CSDN，国信证券经济研究所整理资料来源：CSDN，国信证券经济研究所整理永磁同步电机的永磁同步电机的转子转速与定子磁场的转速保持同步。转子转速与定子磁场的转速保持同步。它的工作流程是，定子绕组接通交流电，产生定子旋转磁场，永磁体转子磁场受定子旋转磁场感应而跟着旋转，电机旋转、输出动力。图30：永磁同步电机的磁场与结构资料来源：汽车工程师之家，国信证券经济研究所整理永磁同步电机的主要优势在于永磁同步电机的主要优势

37、在于，功率密度高功率密度高、运行效率高运行效率高、结构简洁紧凑结构简洁紧凑、转矩转矩大且平顺、调速性能好。大且平顺、调速性能好。1 1）功率密度高功率密度高：永磁同步电机的钕铁硼磁性材料具备优秀的磁力性能，在充磁后不用增加外部能量，可构建较强磁场，同时磁场具有永久特点，无需额外电路进行励磁（即给导体通电产生磁场），得以维持较小的体积和较轻的重量。在额定在额定功率下功率下，同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电机的功率密度通常比感应异步电同样散热条件和绝缘材料的永磁同步电机的功率密度通常比感应异步电机的功率密度大机的功率密度大 2 2 倍以上。倍以上。2 2）运行效率高运行效率高：受益于转子中的永磁

38、体，永磁同步电机的转子通常无需通电（部分自启动工况或涡流损耗除外），可减少相关的能量损耗，效率较高。图31：永磁同步电机与感应异步电机的效率对比资料来源：电机学，国信证券经济研究所整理3 3）结构简洁紧凑结构简洁紧凑： 永磁同步驱动电机不设置励磁电源结构以及励磁绕组结构， 降低相关结构复杂性，相关构成较为紧密，保证永磁同步驱动电机运转更加具有可靠性。丰田普锐斯搭载的第四代永磁同步电机相较于第三代，定子直径下降了20%，整体结构更紧凑，体积更小。4 4）转矩大且平顺转矩大且平顺： 在额定电流范围内， 提高电流即可快速提高永磁同步电机的扭矩。此外，三相交流电在定子中形成的旋转磁场也较为稳定，转矩脉

39、动较小。尤尤其在低速大转矩工况下其在低速大转矩工况下（对应新能源汽车起步加速阶段对应新能源汽车起步加速阶段），永磁同步电机相较于永磁同步电机相较于异步感应电机拥有突出优势。异步感应电机拥有突出优势。5 5） 调速性能好调速性能好： 永磁同步电机的电、 磁和力的关系相较于感应异步电机更加简单，更易于调速和控制。异步电机的状态方程是四阶的，转子与定子的方程耦合（转子内的电流是由定子磁场旋转产生）；永磁同步电机的状态方程是二阶的，永磁体的磁场是独立存在的，在低速和高速（高于额定转速）的工况下控制难度都显著低于感应异步电机。图32：丰田普锐斯第四代电机与第三代磁极结构对比资料来源：电动汽车驱动电机的应

40、用现状与发展趋势，国信证券经济研究所整理永磁同步电机的主要劣势在于弱磁控制问题永磁同步电机的主要劣势在于弱磁控制问题、反电动势问题反电动势问题、高温振动环境下的高温振动环境下的退磁问题、自启动问题以及成本问题。退磁问题、自启动问题以及成本问题。1 1）弱磁控制问题弱磁控制问题：根据基础绕组电压公式dtdRV/i，由于电源所能提供的电压 V 有限，在电机转速达到一定水平后，想要继续提高转速，就需要进行弱磁控制，削弱电感。这一过程反映在电机的调速曲线上，就是从恒转矩区进入恒功率区。由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体提供的由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体提供的，弱磁控制就需要消耗弱磁控制就需要

41、消耗额外的电流来反向抵消部分转子磁场额外的电流来反向抵消部分转子磁场，降低了高转速工况下的运行效率降低了高转速工况下的运行效率，给电源给电源和变频器带来额外负担。和变频器带来额外负担。图33：电机调速曲线图34：永磁同步电机的超前角弱磁控制资料来源：Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid,and Fuel Cell Vehicles，国信证券经济研究所整理资料来源：电机学，国信证券经济研究所整理2 2）反电动势问题反电动势问题：永磁同步电机的转子在高速旋转时，定子线圈对转子中的永磁体磁场做磁感线切割运动，产生感应电动势，而且这种感

42、应电动势的方向与原线圈电压的方向相反，故称反电动势。反电动势会抵消输入定子的驱动电压，造成高速运转时需要给电机输入更高的电压来驱动， 高压驱动会造成更大的涡流损耗，引发电机高温，对定子线圈和转子永磁体造成损害。转速越快，效率越低。在高速旋转时，永磁同步电机越来越像一台发电机。3 3） 高温振动环境下的退磁问题高温振动环境下的退磁问题： 常用的永磁体钕铁硼虽然性能出色， 但是在高温、振动以及强外部磁场的环境下容易发生退磁。除定子绕组通电产生的热量外，永除定子绕组通电产生的热量外，永磁同步电机的转子虽然不通电，仍然会由于离心力、涡流损耗等原因发热。磁同步电机的转子虽然不通电，仍然会由于离心力、涡流

43、损耗等原因发热。涡流损耗是指，导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内感生的电流导致的能量损耗。永磁同步电机的转子转速在理论上与定子磁场的转速一致，但是由于定子齿槽的存在、绕组的空间分布，而且三相绕组中的电流不是标准的正弦波，这些原因导致电机内部磁场畸变，导致气隙磁场中谐波含量很高，电机铁心和永磁体感应出涡流，产生较大的涡流损耗。在永磁同步电机高速在永磁同步电机高速旋转时旋转时，工作频率高工作频率高，转速高转速高，齿槽效应引起的谐波频率更高齿槽效应引起的谐波频率更高，转子涡流损耗带转子涡流损耗带来的高温问题更加严重。来的高温问题更加严重。图35：涡流效应图36：反电动势的波形资

44、料来源：电动之家，国信证券经济研究所整理资料来源：U 型永磁凸极直线电机结构及电磁特性，国信证券经济研究所整理阶段性小结阶段性小结，永磁同步电机的上述三个问题永磁同步电机的上述三个问题，弱磁控制问题弱磁控制问题、反电动势问题反电动势问题、高高温振动环境下的退磁问题都是在高转速工况下的局限性温振动环境下的退磁问题都是在高转速工况下的局限性，这些因素解释了为什么这些因素解释了为什么搭载永磁同步电机的电动车往往零百加速性能优越搭载永磁同步电机的电动车往往零百加速性能优越，但是高速巡航工况下的二次但是高速巡航工况下的二次加速疲软、峰值车速有限以及超高速巡航难以持续。加速疲软、峰值车速有限以及超高速巡航

45、难以持续。对比永磁同步电机与交流感应电机的效率图，我们可以清晰的看到，永磁同步电机的峰值效率高于感应异步电机，但是高效区间更多的集中在转速相对较低的区域，而感应异步电机的高效区间向高转速区域延伸的更多。图37：感应异步电机的高效区间图38：永磁同步电机的高效区间资料来源：绿芯频道，国信证券经济研究所整理资料来源：绿芯频道，国信证券经济研究所整理4 4）自启动问题：）自启动问题：永磁同步电动机一旦接通电源，旋转磁场立即产生并高速旋转。转子由于惯性来不及跟着转动，当定子磁极一次次越过转子磁极时，前后作用在转子磁极上的磁力大小相等、方向相反，间隔时间极短，平均转矩为零，因此永磁同步电机不能自行启动。

46、解决自启动问题需要额外配置变频器（外部变频，缓慢升速），或在转子内加入感应异步电机的鼠笼结构。5 5）成本问题成本问题：永磁同步电机的转子由于要使用钕铁硼等稀土材料，物料成本明显高于感应异步电机。以一台常见的功率为 30KW 的驱动电机为例，钕铁硼、铜和钢是制造电机的主要材料，永磁同步电机这三种物料成本大约比感应异步电机高68%，钕铁硼材料的成本在永磁同步电机的三大主要物料成本中的占比高达 71%。图39：交流电机细分种类的物料成本对比图40：永磁同步电机的物料成本结构资料来源：Yole，国信证券经济研究所整理资料来源：Yole，国信证券经济研究所整理根据美国地质调查局的数据，2020 年，全

47、球稀土储量约为 116 百万吨，中国的稀土储量约为 44.0 百万吨，占全球稀土储量的 37.9%。国内丰富的稀土资源在一定程度上为永磁同步电机的广泛使用奠定了基础。感应交流电机的定子与永磁同步电机基本相同感应交流电机的定子与永磁同步电机基本相同，区别主要在于转子区别主要在于转子，感应交流电感应交流电机的转子常用铜制或铝制鼠笼结构。机的转子常用铜制或铝制鼠笼结构。根据法拉第电磁感应定律，在磁场中放一个封闭的导体，变化的磁场会在回路中感应出电动势，感应电动势会在回路中产生感应电流。根据洛伦兹力定律，载流线圈上会产生电磁力，线圈开始旋转，转子旋转。鼠笼中的每一根棒都会产生感应电流，这些感应电流在鼠

48、笼的两端短路，转子开始旋转。转子内部装有绝缘铁芯薄片，这种小尺寸的铁芯薄片确保了涡流损耗最小。转子以略低于同步速度的转速旋转转子以略低于同步速度的转速旋转，这种差异成为转差这种差异成为转差，转差占同步转差占同步速度的比一般在速度的比一般在 2%-6%2%-6%左右。左右。异步电机不需要永磁体、换向器、位置传感器，可以自启动，转子速度与磁场旋转速度正相关，磁场旋转速度与输入交流电源的频率正相关。图41：感应异步电机的原理图图42：感应异步电机的鼠笼转子资料来源：Yole，国信证券经济研究所整理资料来源：电机学，国信证券经济研究所整理永磁同步电机的主要优劣势都是围绕转子永磁体材料展开的永磁同步电机

49、的主要优劣势都是围绕转子永磁体材料展开的，感应异步电机的优感应异步电机的优劣势同样围绕转子鼠笼结构展开劣势同样围绕转子鼠笼结构展开。 由于转子没有使用永磁体而使用励磁鼠笼结构，感应异步电机的主要优势在于成本低、弱磁控制难度低、可靠性高、耐高温、耐振动、过载能力强，主要劣势在于功率密度较低、体积及重量较大、能量转换效率较低、转子需配备单独的冷却系统。表2：感应异步电机与永磁同步电机的优劣势对比项目项目感应异步电机感应异步电机永磁同步电机永磁同步电机功率密度中高过载能力（%）峰值效率94%-95%95%-97%峰值转速（R/MIN）-16000可靠

50、性高中成本低高重量/尺寸重/大轻/小优势成本低、结构简单、耐高温、耐振动、过载能力强功率密度大、转矩大、运行效率高劣势功率密度低、运行效率低成本高、易退磁资料来源: 浅谈新能源汽车驱动电机，国信证券经济研究所整理值得一提的是，感应电机几乎没有电枢反应，在高转速工况下的表现往往优于永磁同步电机。但是，在低速工况下，由于电机转子的励磁电流与转速成反比，励磁电流建立磁场的能量不做功，这就导致异步感应电机的转速越低，无功功率越大，电机效率越低。永磁同步电机启动转矩大永磁同步电机启动转矩大、高转速工况弱高转速工况弱，而感应异步电机启动转矩小而感应异步电机启动转矩小、高转速高转速工况强工况强，二者互补二者