文 / 郭詠梅 王世偉 白 雪 韓建鋒

電能是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主要能源和動力，電機是各種設(shè)備的動力驅(qū)動設(shè)備，是用電量最大的耗電機械。目前我國電機裝機總?cè)萘恳堰_4億多kW，年耗電量達12000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%，其中風(fēng)機、水泵、壓縮機的裝機總?cè)萘恳殉^2億kW，年耗電量達8000億kWh，占全國總用電量的40%左右，因此電機上的節(jié)能要求極大，也是節(jié)能效果最能體現(xiàn)的地方。采用新型電機設(shè)計、新工藝及新材料，通過降低電磁能、熱能、機械能的損耗來提高輸出效率，高效節(jié)能電機比傳統(tǒng)電機效率大約高3%～5%，目前達到2級能效指標(biāo)電機的占比不足10%，因此其發(fā)展空間廣闊?！丁笆濉惫?jié)能減排綜合工作方案》把電機系統(tǒng)節(jié)能作為“十三五”的節(jié)能重點工程之一。

在電機節(jié)能的技術(shù)解決方案中稀土永磁電機是能效水平最高。與傳統(tǒng)電機相比，稀土永磁電機具有高效節(jié)能、輕便節(jié)材、體積小、調(diào)速性好、可靠性強等特點，可廣泛應(yīng)用于交通與運載、高端加工設(shè)備與機器人、高效風(fēng)機與泵、壓縮機、白色家電、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、數(shù)控機床、油田抽油機、機器人、航空航天、航海和軍工等領(lǐng)域。稀土永磁電機是國家提升電機效率，減少能源消耗重點建設(shè)方向之一。

隨著稀土永磁材料性能的提高、加工工藝的完善以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，稀土永磁電機顯示出了強大的生命力，稀土永磁電機在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用更是以前所未有的速度在推進，本文重點介紹稀土永磁電機在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域

一、應(yīng)用現(xiàn)狀

2017年全球汽車市場持續(xù)保持景氣，銷量一舉突破9000萬輛大關(guān)，全球汽車市場保持穩(wěn)步增長的局面。2017年，我國汽車產(chǎn)銷2901.54萬輛和2887.89萬輛，同比增長3.19%和3.04%，排名全球第一，且已經(jīng)連續(xù)9年蟬聯(lián)銷冠，遠遠超過了美國1724萬輛的成績，占據(jù)全球大約三分之一的市場份額。

隨著汽車駕乘享受、舒適度及各類安全措施配置等各方面的要求不斷提升，種類繁多、功能各異的電機也越來越多。1輛汽車永磁電機用量也由原來的近40個增加到70個左右，主要原因是永磁電機比勵磁電機結(jié)構(gòu)緊湊、體小量輕、效率高、工作可靠等。永磁體性能對永磁電機的性能、體積有很大的影響。用作永磁電機的磁體，一般要求有高的磁性能，從而產(chǎn)生較大的氣隙磁場；磁性能穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)??；有較高的工作溫度，以防止高溫下退磁；有較好的機械性能。

根據(jù)永磁電機的種類和結(jié)構(gòu)不同，選擇永磁體時考慮的出發(fā)點也不同。汽車用永磁電機，以前一般從價格上考慮較多，故多選用鐵氧體磁體。隨著稀土永磁價格不斷下降，永磁材料的不斷發(fā)展，符合汽車永磁電機向小型化、輕量化、高效率化的需求，以NdFeB永磁材料為代表的高性能稀土永磁材料由于價格不斷下降逐漸取代部份傳統(tǒng)的鐵氧體永磁電機，用于起動電機、發(fā)電機、自動剎車以及油泵電機、空調(diào)電機等。各類車用永磁電機是稀土永磁電機的一個較大市場。表1是普通轎車用永磁電機的基本配置。

表1 普通轎車用永磁電機的基本配置

二、傳統(tǒng)汽車消耗釹鐵硼情況

2017年全球汽車銷量一舉突破9000萬輛，我國汽車銷量2888萬輛，再考慮各種微電機的使用情況，按照每輛乘用車平均使用35個微電機，滲透率15%，單位用量為9克計算，微電機在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域消耗釹鐵硼的用量大約為2.9萬噸。

新能源汽車領(lǐng)域

面對全球能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，以美國、日本、歐盟以及中國為代表的國家和地區(qū)紛紛開始轉(zhuǎn)型，將新能源汽車上升為國家戰(zhàn)略，作為緩解能源壓力、減輕環(huán)境污染的重要手段之一，并相繼出臺了一系列政策措施鼓勵新能源汽車的發(fā)展和市場推廣。

一、新能源汽車概述

新能源汽車的大規(guī)模發(fā)展有效緩解能源與環(huán)境壓力，是推動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略舉措，新能源汽車是指采用新型動力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車，主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車。

1.純電動汽車（BEV）

采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機提供電能，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，從而推動汽車行駛。

2.混合動力汽車（HEV）

驅(qū)動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉(zhuǎn)的單個驅(qū)動系聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實際的車輛行駛狀態(tài)由單個驅(qū)動系單獨或多個驅(qū)動系共同提供。因各個組成部件、布置方式和控制策略的不同，混合動力汽車有多種形式

3.燃料電池電動汽車（FCEV）

利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下，在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能作為主要動力源驅(qū)動的汽車。燃料電池電動汽車實質(zhì)上是純電動汽車的一種，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。一般來說，燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)反應(yīng)所需的還原劑一般采用氫氣，氧化劑則采用氧氣，因此最早開發(fā)的燃料電池電動汽車多是直接采用氫燃料，氫氣的儲存可采用液化氫、壓縮氫氣或金屬氫化物儲氫等形式。

二、新能源汽車產(chǎn)銷情況

隨著新能源汽車在國內(nèi)的高歌猛進，新能源汽車電機也高速增長。2011～2017年全球及中國新能源汽車產(chǎn)銷情況見表2。

表2 2011～2017年全球及中國新能源汽車產(chǎn)銷情況

2017年，我國新能源汽車發(fā)展勢頭依然強勁，超越美國成為全球第一大市場，新能源汽車產(chǎn)銷均接近80萬輛，分別達到79.4萬輛和77.7萬輛，同比分別增長53.8%和53.3%，產(chǎn)銷量同比增速分別提高了2.1和0.3個百分點。2017年新能源汽車市場占比2.7%，比上年提高了0.9個百分點。

在我國整體車市呈現(xiàn)微增長的情況下，新能源汽車市場表現(xiàn)搶眼，成為2017年車市的一大亮點。根據(jù)乘聯(lián)會統(tǒng)計，新能源乘用車作為增速主力，2017年全年共銷售了55.6萬輛，同比增長69%。其中，純電動車銷量達44.9萬輛，同比增長81%，為新能源乘用車貢獻了80.7%的銷量，成為名副其實的銷量擔(dān)當(dāng)。插電式混動車的銷量則為10.8萬輛，同比增長34%。

隨著新能源汽車在家庭用車、公務(wù)用車、公交客車、出租車和物流用車等領(lǐng)域的大量普及，2020年中國新能源汽車的年銷量可望達到汽車市場總量的5%以上，2025年將增至20%左右。

三、新能源汽車用電機銷售情況

驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)，它是新能源汽車的重要部件。適合新能源汽車的驅(qū)動電機主要有永磁同步、交流異步和開關(guān)磁阻三大類。因其不同特點，各有應(yīng)用場合。

永磁同步電機體積小、質(zhì)量輕，功率密度大，可靠性高，調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快；但最大功率較低，且成本較高。由于永磁同步電機具有最高的功率密度，其工作效率最高可達97%，能夠為車輛輸出最大的動力及加速度，因此主要用在對能量體積比要求最高的新能源乘用車上。

交流異步電機價格低、運行可靠；但其功率密度低、控制復(fù)雜、調(diào)速范圍小是固有限制。價格優(yōu)勢使得其在新能源客車中使用的較廣泛。

開關(guān)磁阻電機價格低、電路簡單可靠、調(diào)速范圍寬；但震動、噪聲大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，且對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流，主要用于大型客車。表3為各類型驅(qū)動電機主要特點及應(yīng)用

表3 各類型驅(qū)動電機主要特點及應(yīng)用

2016年中國市場新能源汽車驅(qū)動電機企業(yè)合計銷售驅(qū)動電機55.9萬臺，國內(nèi)純電動乘用車所消耗的電機數(shù)量為24.8萬臺，占比為44.44%，接下來依次為客車（EV）用電機、乘用車（PHEV）用電機、專用車（EV）用電機、客車（PHEV）用電機和燃料電池汽車用電機，占比分別達到23.38%、17.74%、10.82%、2.51%和0.11%。

從驅(qū)動電機的技術(shù)類型來看目前國內(nèi)大規(guī)模采用的驅(qū)動電機基本以交流異步電機和永磁同步電機兩種技術(shù)類型為主，其中永磁同步電機占比達到83.08%，成為驅(qū)動電機企業(yè)所選擇的主要技術(shù)路線。

現(xiàn)階段，以特斯拉為首的美國車企和部分歐洲企業(yè)主要使用的是交流異步電機。一方面，這與特斯拉最初的技術(shù)路徑選擇有關(guān)，交流感應(yīng)電機價格低廉，而偏大的體積對美式車并無妨礙；另一方面，美國高速路網(wǎng)發(fā)達，交流電機的

高速區(qū)間效率性能尚佳。不過，從今年起，特斯拉也開始放棄一味死守的感應(yīng)電機驅(qū)動路線，特斯拉Model 3長續(xù)航版車型的電機產(chǎn)品戰(zhàn)略出現(xiàn)重大轉(zhuǎn)型,從交流感應(yīng)電機改為目前新能源領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的稀土永磁直驅(qū)電機永磁電機。

四、新能源汽車用電機企業(yè)情況

新能源汽車高速發(fā)展催生出巨大的電機需求市場，永磁同步電機在反復(fù)起停、加減速時仍能保持較高效率，對高速路網(wǎng)受限的工況是最佳選擇。包括中國、日本在內(nèi)的其他國家的新能源汽車電機廣泛使用的仍是永磁同步電機，適合本國路況是主要因素。此外，我國稀土儲量豐富，永磁同步電機在我國新能源汽車中的使用占比超過90%。日本的豐田、本田、日產(chǎn)等汽車公司基本上都采用永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，如豐田公司的Prius，本田公司的CIVIC。日本供應(yīng)永磁電機使用的稀土磁鋼的公司比較多，同時汽車大多以中低速行駛，所以采用加減速時效率較高的永磁同步電動機較為適宜。日本在發(fā)展混合動力汽車方面居世界領(lǐng)先地位，其中以豐田的Prius最為著名。2016年國內(nèi)有銷量的新能源汽車驅(qū)動電機生產(chǎn)企業(yè)，大約190家左右，其中比亞迪以25.12%的市場份額排名第一。表4至表8分別列出了國內(nèi)外新能源汽車電機企業(yè)及供應(yīng)商情況。

表4 2017年全球新能源車銷量排行

在目前新能源汽車領(lǐng)域，永磁同步電機被廣泛使用。從市面上成熟的電機技術(shù)來看，永磁同步電機應(yīng)用較廣泛，如起亞K5混動、榮威E50、騰勢、北汽EU260等。

永磁同步電機和感應(yīng)異步電機在純電動車領(lǐng)域是兩大主要技術(shù)方向，并不能泛泛的評論誰好誰壞，還是要看使用場景和車輛的設(shè)計初衷。2017年，工信部頒布了2項電動汽車相關(guān)標(biāo)準，《電動汽車用異步驅(qū)動電機系統(tǒng)》QC/T 1068-2017和《電動汽車用永磁同步驅(qū)動電機系統(tǒng)》QC/T 1069-2017。這兩項標(biāo)準從2017年7月1日起執(zhí)行?！峨妱悠囉卯惒津?qū)動電機系統(tǒng)》規(guī)定了電動汽車用異步驅(qū)動電機系統(tǒng)的要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志與標(biāo)識?！峨妱悠囉糜来磐津?qū)動電機系統(tǒng)》規(guī)定了電動汽車用永磁同步驅(qū)動電機系統(tǒng)的技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志與標(biāo)識。

在同等功率條件下，永磁同步電機的體積更小、效率更高，比較適合路況復(fù)雜、頻繁起停的工作環(huán)境；而感應(yīng)異步電機，成本相對較低，收環(huán)境溫度變化影響較小，更適合高速路段行駛的工況，可以說兩種電機各有千秋。從綜合性能來看，永磁同步電機最具優(yōu)勢，更能代表新能源汽車驅(qū)動電機的發(fā)展方向。由于中國稀土儲量極為豐富，且電機工藝已經(jīng)具有較高水平，因此預(yù)計永磁電機將在較長時間內(nèi)占據(jù)中國新能源汽車的電機市場。

表5 2017我國新能源汽車電機裝機量十大企業(yè)

五、新能源汽車消耗釹鐵硼情況

以純電動乘用車驅(qū)動電機為例，永磁體成本占總成本的比例為10%～20%；單臺永磁電機所需NdFeB磁體用量為1～10kg。按平均數(shù)5kg來計算，2017年我國新能源汽車電機裝機量約87.4萬臺，若有80%為永磁同步電機，則磁體用量是3496噸（874000×80%×5）。按照《中國制造2025》規(guī)劃中的“節(jié)能與新能源汽車”的目標(biāo)，2020年新能源汽車年銷量突破為100萬輛以上，2025年新能源汽車年銷量突破300萬輛，2020年和2025年釹鐵硼磁體的用量將分別達到4000噸和12000噸。

國內(nèi)外稀土永磁電機技術(shù)差距

我國是稀土資源大國，在稀土永磁電機制造方面得天獨厚。我國已經(jīng)在稀土永磁電機方面建立起了完整的產(chǎn)業(yè)鏈及完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，相比歐美國家，我們自主研發(fā)的稀土永磁電機，無論在原材料成本還是生產(chǎn)成本上都具有明顯優(yōu)勢，但是在電機設(shè)計和質(zhì)量仍有一些差距。

電機設(shè)計方面：

我國仍采用傳統(tǒng)的研發(fā)模式，沒達到機電的深度有機結(jié)合。在高性能、高技術(shù)含量電動機方面，如交流伺服電動直線電機、無刷電機及運動控制系統(tǒng)技術(shù)等差距更大，生態(tài)設(shè)計處在概念啟蒙階段。

國際上采用先進的系統(tǒng)設(shè)計和架構(gòu)設(shè)計理念，集合先進的軟件、微電子和功率電子技術(shù)，具有可視化、模塊化、場路結(jié)合、計算、分析和仿真一體化、自適應(yīng)功能等。概念－創(chuàng)新虛擬仿真－快速原型一套科學(xué)的新產(chǎn)品開發(fā)流程，產(chǎn)品高功率密度和高可靠性，效率不斷提高，噪聲低、體積小、重量輕、外形美觀，而且也考慮電機制造成本的降低，生態(tài)設(shè)計融合到產(chǎn)品生命周期的各個階段。

電機制造方面：

我國機械加工80%以上采用通用機床，部分企業(yè)技術(shù)改造后，高效專機、數(shù)控機床的應(yīng)用比例有所增加外，大部分企業(yè)與國外企業(yè)先進的工裝設(shè)備及加工工藝、智能化制造水平相比仍然存在較大差距。

國外電機新產(chǎn)品試制吸收機械、電子、材料、信息和現(xiàn)代管理等多科學(xué)、多專業(yè)的高新技術(shù)成果，綜合應(yīng)用于產(chǎn)品全壽命周期中，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。在工裝設(shè)計及加工工藝方面，國際知名企業(yè)針對產(chǎn)品批量，品種的不同，采用先進的工裝設(shè)備及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝組織生產(chǎn)，生產(chǎn)效率提高，工廠加工環(huán)境也得到改觀。

電機產(chǎn)品質(zhì)量方面：

我國電機性能指標(biāo)存在一定的離散度，雖然都是合格產(chǎn)品，不影響使用，但將阻礙產(chǎn)品進入高端客戶市場。大多數(shù)企業(yè)缺乏知名品牌，且眾多品牌之間的差異性不強，品牌同質(zhì)化的后果就是嚴酷的價格競爭，從而導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)盈利下降。

由于國外供應(yīng)商管理、工序控制、生產(chǎn)流程等質(zhì)量管理相對到位，所以電機產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性、電機的外觀質(zhì)量普遍好于國內(nèi)企業(yè)。通過多年精心培育的品牌產(chǎn)品，占據(jù)了利潤豐厚的高端市場。

電機整體方案方面：

國內(nèi)一些企業(yè)已尋求為客戶定制產(chǎn)品，隨著市場需求細化，針對不同領(lǐng)域解決方案大不相同，國內(nèi)企業(yè)在向服務(wù)轉(zhuǎn)化方面還有待提高。國外企業(yè)擁有深厚的技術(shù)沉淀，豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，完善的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和高素質(zhì)的服務(wù)團隊，能為用戶提供最適合的專業(yè)化的整體解決方案。

表6 國外主要新能源汽車電機類型及供應(yīng)商情況

表7 國內(nèi)主要新能源汽車電機類型及供應(yīng)商情況（乘用車）

表8 國內(nèi)主要新能源汽車電機類型及供應(yīng)商情況（商用車）

汽車永磁驅(qū)動電機的發(fā)展趨勢

《中國制造2025》提出“節(jié)能與新能源汽車”作為重點發(fā)展領(lǐng)域，明確了繼續(xù)支持電動汽車、燃料電池汽車發(fā)展，提升動力電池、驅(qū)動電機、高效內(nèi)燃機、先進變速器、輕量化材料、智能控制等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，形成從關(guān)鍵零部件到整車的完成工業(yè)體系和創(chuàng)新體系，推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車與國際先進水平接軌的發(fā)展戰(zhàn)略，為我國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。新能源汽車的快速發(fā)展給驅(qū)動電機帶來了巨大的發(fā)展機遇，電機技術(shù)的發(fā)展成為行業(yè)關(guān)注的熱點。

電機本體永磁化：充分利用我國豐富的稀土資源和永磁電機的高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等優(yōu)點，進而開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能永磁電機是我國汽車驅(qū)動電機的必然發(fā)展方向。

電機控制數(shù)字化：專用芯片及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，促進了電機控制器的數(shù)字化，提高了電機系統(tǒng)的控制精度，有效減小了系統(tǒng)體積。

電機系統(tǒng)集成化：通過機電集成和控制器集成，有利于減小驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，可有效降低系統(tǒng)制造成本。

稀土永磁電機的設(shè)計理論、計算方法、檢測技術(shù)和制造工藝的不斷完善和發(fā)展，永磁材料的性能和可靠性的不斷提高，電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的快速發(fā)展都對永磁驅(qū)動電機的發(fā)展起到了積極的促進作用。

未來幾年，隨著新能源汽車產(chǎn)銷的持續(xù)增長，汽車用永磁特別是永磁驅(qū)動電機市場將呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。為滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求，永磁電機的設(shè)計理論、電機制造工藝、電力電子理論和現(xiàn)代控制理論的結(jié)合將更加緊密，以永磁電機為核心的電機驅(qū)動系統(tǒng)會將多門學(xué)科的理論和技術(shù)有機的融合交叉，電力電子理論、現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展都將對電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生深刻的影響，并提供有力的支持。