稀土永磁电机成汽车领域节能减排必由之路

文 / 郭咏梅 王世伟 白 雪 韩建锋

电能是现代工业生产的主要能源和动力，电机是各种设备的动力驱动设备，是用电量最大的耗电机械。目前我国电机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kWh，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%，其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kWh，占全国总用电量的40%左右，因此电机上的节能要求极大，也是节能效果最能体现的地方。采用新型电机设计、新工艺及新材料，通过降低电磁能、热能、机械能的损耗来提高输出效率，高效节能电机比传统电机效率大约高3%～5%，目前达到2级能效指标电机的占比不足10%，因此其发展空间广阔。《“十三五”节能减排综合工作方案》把电机系统节能作为“十三五”的节能重点工程之一。

在电机节能的技术解决方案中稀土永磁电机是能效水平最高。与传统电机相比，稀土永磁电机具有高效节能、轻便节材、体积小、调速性好、可靠性强等特点，可广泛应用于交通与运载、高端加工设备与机器人、高效风机与泵、压缩机、白色家电、电动汽车、风力发电、数控机床、油田抽油机、机器人、航空航天、航海和军工等领域。稀土永磁电机是国家提升电机效率，减少能源消耗重点建设方向之一。

随着稀土永磁材料性能的提高、加工工艺的完善以及现代控制技术的发展，稀土永磁电机显示出了强大的生命力，稀土永磁电机在汽车领域的应用更是以前所未有的速度在推进，本文重点介绍稀土永磁电机在汽车领域的应用现状及发展前景。

传统汽车领域

一、应用现状

2017年全球汽车市场持续保持景气，销量一举突破9000万辆大关，全球汽车市场保持稳步增长的局面。2017年，我国汽车产销2901.54万辆和2887.89万辆，同比增长3.19%和3.04%，排名全球第一，且已经连续9年蝉联销冠，远远超过了美国1724万辆的成绩，占据全球大约三分之一的市场份额。

随着汽车驾乘享受、舒适度及各类安全措施配置等各方面的要求不断提升，种类繁多、功能各异的电机也越来越多。1辆汽车永磁电机用量也由原来的近40个增加到70个左右，主要原因是永磁电机比励磁电机结构紧凑、体小量轻、效率高、工作可靠等。永磁体性能对永磁电机的性能、体积有很大的影响。用作永磁电机的磁体，一般要求有高的磁性能，从而产生较大的气隙磁场；磁性能稳定性好，温度系数小；有较高的工作温度，以防止高温下退磁；有较好的机械性能。

根据永磁电机的种类和结构不同，选择永磁体时考虑的出发点也不同。汽车用永磁电机，以前一般从价格上考虑较多，故多选用铁氧体磁体。随着稀土永磁价格不断下降，永磁材料的不断发展，符合汽车永磁电机向小型化、轻量化、高效率化的需求，以NdFeB永磁材料为代表的高性能稀土永磁材料由于价格不断下降逐渐取代部份传统的铁氧体永磁电机，用于起动电机、发电机、自动刹车以及油泵电机、空调电机等。各类车用永磁电机是稀土永磁电机的一个较大市场。表1是普通轿车用永磁电机的基本配置。

表1 普通轿车用永磁电机的基本配置

二、传统汽车消耗钕铁硼情况

2017年全球汽车销量一举突破9000万辆，我国汽车销量2888万辆，再考虑各种微电机的使用情况，按照每辆乘用车平均使用35个微电机，渗透率15%，单位用量为9克计算，微电机在传统汽车领域消耗钕铁硼的用量大约为2.9万吨。

新能源汽车领域

面对全球能源短缺和环境污染问题的日益严峻，以美国、日本、欧盟以及中国为代表的国家和地区纷纷开始转型，将新能源汽车上升为国家战略，作为缓解能源压力、减轻环境污染的重要手段之一，并相继出台了一系列政策措施鼓励新能源汽车的发展和市场推广。

一、新能源汽车概述

新能源汽车的大规模发展有效缓解能源与环境压力，是推动汽车产业技术创新与转型升级的重要战略举措，新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。

1.纯电动汽车（BEV）

采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶。

2.混合动力汽车（HEV）

驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，混合动力汽车有多种形式

3.燃料电池电动汽车（FCEV）

利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。

二、新能源汽车产销情况

随着新能源汽车在国内的高歌猛进，新能源汽车电机也高速增长。2011～2017年全球及中国新能源汽车产销情况见表2。

表2 2011～2017年全球及中国新能源汽车产销情况

2017年，我国新能源汽车发展势头依然强劲，超越美国成为全球第一大市场，新能源汽车产销均接近80万辆，分别达到79.4万辆和77.7万辆，同比分别增长53.8%和53.3%，产销量同比增速分别提高了2.1和0.3个百分点。2017年新能源汽车市场占比2.7%，比上年提高了0.9个百分点。

在我国整体车市呈现微增长的情况下，新能源汽车市场表现抢眼，成为2017年车市的一大亮点。根据乘联会统计，新能源乘用车作为增速主力，2017年全年共销售了55.6万辆，同比增长69%。其中，纯电动车销量达44.9万辆，同比增长81%，为新能源乘用车贡献了80.7%的销量，成为名副其实的销量担当。插电式混动车的销量则为10.8万辆，同比增长34%。

随着新能源汽车在家庭用车、公务用车、公交客车、出租车和物流用车等领域的大量普及，2020年中国新能源汽车的年销量可望达到汽车市场总量的5%以上，2025年将增至20%左右。

三、新能源汽车用电机销售情况

驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。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，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是新能源汽车的重要部件。适合新能源汽车的驱动电机主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三大类。因其不同特点，各有应用场合。

永磁同步电机体积小、质量轻，功率密度大，可靠性高，调速精度高，响应速度快；但最大功率较低，且成本较高。由于永磁同步电机具有最高的功率密度，其工作效率最高可达97%，能够为车辆输出最大的动力及加速度，因此主要用在对能量体积比要求最高的新能源乘用车上。

交流异步电机价格低、运行可靠；但其功率密度低、控制复杂、调速范围小是固有限制。价格优势使得其在新能源客车中使用的较广泛。

开关磁阻电机价格低、电路简单可靠、调速范围宽；但震动、噪声大，控制系统复杂，且对直流电源会产生很大的脉冲电流，主要用于大型客车。表3为各类型驱动电机主要特点及应用

表3 各类型驱动电机主要特点及应用

2016年中国市场新能源汽车驱动电机企业合计销售驱动电机55.9万台，国内纯电动乘用车所消耗的电机数量为24.8万台，占比为44.44%，接下来依次为客车（EV）用电机、乘用车（PHEV）用电机、专用车（EV）用电机、客车（PHEV）用电机和燃料电池汽车用电机，占比分别达到23.38%、17.74%、10.82%、2.51%和0.11%。

从驱动电机的技术类型来看目前国内大规模采用的驱动电机基本以交流异步电机和永磁同步电机两种技术类型为主，其中永磁同步电机占比达到83.08%，成为驱动电机企业所选择的主要技术路线。

现阶段，以特斯拉为首的美国车企和部分欧洲企业主要使用的是交流异步电机。一方面，这与特斯拉最初的技术路径选择有关，交流感应电机价格低廉，而偏大的体积对美式车并无妨碍；另一方面，美国高速路网发达，交流电机的

高速区间效率性能尚佳。不过，从今年起，特斯拉也开始放弃一味死守的感应电机驱动路线，特斯拉Model 3长续航版车型的电机产品战略出现重大转型,从交流感应电机改为目前新能源领域最广泛应用的稀土永磁直驱电机永磁电机。

四、新能源汽车用电机企业情况

新能源汽车高速发展催生出巨大的电机需求市场，永磁同步电机在反复起停、加减速时仍能保持较高效率，对高速路网受限的工况是最佳选择。包括中国、日本在内的其他国家的新能源汽车电机广泛使用的仍是永磁同步电机，适合本国路况是主要因素。此外，我国稀土储量丰富，永磁同步电机在我国新能源汽车中的使用占比超过90%。日本的丰田、本田、日产等汽车公司基本上都采用永磁同步电机驱动系统，如丰田公司的Prius，本田公司的CIVIC。日本供应永磁电机使用的稀土磁钢的公司比较多，同时汽车大多以中低速行驶，所以采用加减速时效率较高的永磁同步电动机较为适宜。日本在发展混合动力汽车方面居世界领先地位，其中以丰田的Prius最为著名。2016年国内有销量的新能源汽车驱动电机生产企业，大约190家左右，其中比亚迪以25.12%的市场份额排名第一。表4至表8分别列出了国内外新能源汽车电机企业及供应商情况。

表4 2017年全球新能源车销量排行

在目前新能源汽车领域，永磁同步电机被广泛使用。从市面上成熟的电机技术来看，永磁同步电机应用较广泛，如起亚K5混动、荣威E50、腾势、北汽EU260等。

永磁同步电机和感应异步电机在纯电动车领域是两大主要技术方向，并不能泛泛的评论谁好谁坏，还是要看使用场景和车辆的设计初衷。2017年，工信部颁布了2项电动汽车相关标准，《电动汽车用异步驱动电机系统》QC/T 1068-2017和《电动汽车用永磁同步驱动电机系统》QC/T 1069-2017。这两项标准从2017年7月1日起执行。《电动汽车用异步驱动电机系统》规定了电动汽车用异步驱动电机系统的要求、试验方法、检验规则、标志与标识。《电动汽车用永磁同步驱动电机系统》规定了电动汽车用永磁同步驱动电机系统的技术要求、试验方法、检验规则、标志与标识。

在同等功率条件下，永磁同步电机的体积更小、效率更高，比较适合路况复杂、频繁起停的工作环境；而感应异步电机，成本相对较低，收环境温度变化影响较小，更适合高速路段行驶的工况，可以说两种电机各有千秋。从综合性能来看，永磁同步电机最具优势，更能代表新能源汽车驱动电机的发展方向。由于中国稀土储量极为丰富，且电机工艺已经具有较高水平，因此预计永磁电机将在较长时间内占据中国新能源汽车的电机市场。

表5 2017我国新能源汽车电机装机量十大企业

五、新能源汽车消耗钕铁硼情况

以纯电动乘用车驱动电机为例，永磁体成本占总成本的比例为10%～20%；单台永磁电机所需NdFeB磁体用量为1～10kg。按平均数5kg来计算，2017年我国新能源汽车电机装机量约87.4万台，若有80%为永磁同步电机，则磁体用量是3496吨（874000×80%×5）。按照《中国制造2025》规划中的“节能与新能源汽车”的目标，2020年新能源汽车年销量突破为100万辆以上，2025年新能源汽车年销量突破300万辆，2020年和2025年钕铁硼磁体的用量将分别达到4000吨和12000吨。

国内外稀土永磁电机技术差距

我国是稀土资源大国，在稀土永磁电机制造方面得天独厚。我国已经在稀土永磁电机方面建立起了完整的产业链及完善的产业生态系统，相比欧美国家，我们自主研发的稀土永磁电机，无论在原材料成本还是生产成本上都具有明显优势，但是在电机设计和质量仍有一些差距。

电机设计方面：

我国仍采用传统的研发模式，没达到机电的深度有机结合。在高性能、高技术含量电动机方面，如交流伺服电动直线电机、无刷电机及运动控制系统技术等差距更大，生态设计处在概念启蒙阶段。

国际上采用先进的系统设计和架构设计理念，集合先进的软件、微电子和功率电子技术，具有可视化、模块化、场路结合、计算、分析和仿真一体化、自适应功能等。概念－创新虚拟仿真－快速原型一套科学的新产品开发流程，产品高功率密度和高可靠性，效率不断提高，噪声低、体积小、重量轻、外形美观，而且也考虑电机制造成本的降低，生态设计融合到产品生命周期的各个阶段。

电机制造方面：

我国机械加工80%以上采用通用机床，部分企业技术改造后，高效专机、数控机床的应用比例有所增加外，大部分企业与国外企业先进的工装设备及加工工艺、智能化制造水平相比仍然存在较大差距。

国外电机新产品试制吸收机械、电子、材料、信息和现代管理等多科学、多专业的高新技术成果，综合应用于产品全寿命周期中，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。在工装设计及加工工艺方面，国际知名企业针对产品批量，品种的不同，采用先进的工装设备及相应的生产工艺组织生产，生产效率提高，工厂加工环境也得到改观。

电机产品质量方面：

我国电机性能指标存在一定的离散度，虽然都是合格产品，不影响使用，但将阻碍产品进入高端客户市场。大多数企业缺乏知名品牌，且众多品牌之间的差异性不强，品牌同质化的后果就是严酷的价格竞争，从而导致国内企业盈利下降。

由于国外供应商管理、工序控制、生产流程等质量管理相对到位，所以电机产品批量生产的一致性、电机的外观质量普遍好于国内企业。通过多年精心培育的品牌产品，占据了利润丰厚的高端市场。

电机整体方案方面：

国内一些企业已寻求为客户定制产品，随着市场需求细化，针对不同领域解决方案大不相同，国内企业在向服务转化方面还有待提高。国外企业拥有深厚的技术沉淀，丰富的行业应用经验，完善的产品结构和高素质的服务团队，能为用户提供最适合的专业化的整体解决方案。

表6 国外主要新能源汽车电机类型及供应商情况

表7 国内主要新能源汽车电机类型及供应商情况（乘用车）

表8 国内主要新能源汽车电机类型及供应商情况（商用车）

汽车永磁驱动电机的发展趋势

《中国制造2025》提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，明确了继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完成工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车与国际先进水平接轨的发展战略，为我国节能与新能源汽车产业发展指明了方向。新能源汽车的快速发展给驱动电机带来了巨大的发展机遇，电机技术的发展成为行业关注的热点。

电机本体永磁化：充分利用我国丰富的稀土资源和永磁电机的高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点，进而开发具有自主知识产权的高性能永磁电机是我国汽车驱动电机的必然发展方向。

电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。

电机系统集成化：通过机电集成和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。

稀土永磁电机的设计理论、计算方法、检测技术和制造工艺的不断完善和发展，永磁材料的性能和可靠性的不断提高，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展都对永磁驱动电机的发展起到了积极的促进作用。

未来几年，随着新能源汽车产销的持续增长，汽车用永磁特别是永磁驱动电机市场将呈现高速增长态势。为满足混合动力汽车和纯电动汽车的实际需求，永磁电机的设计理论、电机制造工艺、电力电子理论和现代控制理论的结合将更加紧密，以永磁电机为核心的电机驱动系统会将多门学科的理论和技术有机的融合交叉，电力电子理论、现代控制理论、材料科学和制造技术的发展都将对电机驱动系统产生深刻的影响，并提供有力的支持。