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新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?

作者:小编 日期:2024-03-01 14:47:26 点击次数:

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新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?

  电机是各种机械的动力源,根据用途可分为驱动电机和控制电机。其中驱动电机直接将电能转化为机械能,主要用于电动工具、家电、其他通用小型机械设备等。

  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、最高速度等主要性能指标,是电动汽车的重要部件,直接影响车辆动力性、经济性和舒适性。

  条形绕组电机(Bar-wound motor)国内习惯称为扁线电机,扁线电机技术指电机定子采用扁铜线绕组替代原先的圆铜线绕组,同时根据扁线绕组的特殊结构配备独特的定转子结构优化、冷却方案优化与控制优化等技术的总称。

新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图1)

新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图2)

  电机行业发展方向为功率性能提升、散热性能提升、材料和体积的降低,由此将电机行业由圆线引向扁线。扁线电机的未来发展方向也主要在于这三点。

  市场产品需求:小型化、高速化将是新能源汽车电机的主要发展趋势,而小型化必然要求电机功率密度有大幅度提升。

  政策需求:“十三五规划”提出新能源汽车驱动电机的峰值功率密度要达到4kW/kg,目前这一数据仅达到3.2-3.3kW/kg。

  技术现状:一般圆线%左右,而扁线%以上。槽满率的提升意味着在定子槽空间不变的条件下,真人官网 九游会AG可以填充更多的铜线,通过更大的电流,产生更强的磁场,进而提升功率密度。

  扁线天然具备更好的散热性能:扁线的截面为矩形,矩形导体使得内部空隙变小,导体与导体、导体与铁心槽间接触面积更大,金属的热导率远大于空气,所以热传导和散热性能更好。真人官网 九游会AG喷油冷却技术在扁线设计中发挥更佳,热传导效果更好。

  扁线由于绕组端部导体间间隙较大,冷却油可以直接渗透到绕组端部,带走每一个导体的热量,使得绕组温度下降 68%以上。

  圆线绕组在浸漆后,端部形成实心整体,冷却油难以渗透入内部,只能带走中间层导体热量,易在绕组内部形成热孤岛,影响散热性能。

  因为工艺问题,圆线为了防止在制造过程中损伤铜线,所以端部留得很长;扁线电机绕组端部绕制成特殊形状,如波浪形、三角形、阶梯形等,同时扁线相对圆线更硬,因此在加工时可以将端部尺寸减小 20%,既节省铜材,又减小电阻提升效。

  电机本身的损耗为铁损和铜损。铜损为电机最大损耗来源,通过改变电线的横截面可以降低铜损。

  尽管随着电机性能提升,单电机售价缓慢提升,但市场主要增长点在于起量:扁线渗透率提升和双电机装载率提升。

  单电机的优势是续航与成本,在新能源车的普及阶段较多采用;而双电机的优势则是高效、灵活性、安全。从长远看,是未来新能源汽车驱动电机的发展方向之一。

  采取双电机在新能源车上的渗透率已经有了大幅的攀升。在20万以下的低端新能源车上还是以单电机为主,但在20万以上的中高端新能源车,基本会提供高配双电机的选择。

  扁线电机产业链上游供应紧张,从原材料、生产设备到产能均处于供不应求状态。

  下游客户需求明确,尽管主机厂均有相关自研团队,但由于相关制造业成本清晰,毛利较低,因此外部生产供应商机会较多。

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新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图3)

  ● 电机企业以为主机厂集团子公司等tier-1供货为主,少部分有直接接触主机厂客户能力。

  ● 产品毛利15%左右,且产线投入大,常见业务模式为集团旗下子公司做研发,并对外采购供应商核心零部件/对外选择产线代工/集成外部供应商行驶。

  钕铁硼材料是当今综合性能最优异的永磁材料,尽管价格占比高,浮动大,但中国产量巨大,高端低端均有布局;因此尽管有大量国际企业开始尝试无稀土电机,对中国企业来说暂时需求不大。

  扁线电机采用的铜线材料对比传统圆线,对弹性和质量要求显著提高,但涂覆步骤常由扁线电机生产商统一完成。因此铜线本身创新点有限,主要在于质量和材质提升。

  电芯间、模组间、系统隔热相辅相成,共同助力电池安全。隔热基本策略是利用低导热系数、高化学稳定性的隔热材料防止模块间热蔓延,目前常用防火隔热材料主要有气凝胶、云母、防火涂料、热陶瓷等。从应用场景来看,电芯间一般采用气凝胶等隔热材料、中间复合板隔热,模组间一般采用防火棉隔热,系统一般采用防火毯隔热。

  从上游稀土矿到下游钕铁硼,目前中国在每一个生产环节都占据绝对主导地位。其中稀土矿产量占比在60%左右,而在稀土冶炼分离、稀土金属冶炼、钕铁硼制造环节占比均在90%左右,即便是高性能钕铁硼,中国的产量占比也已经达70%+,目前来看我国已基本实现钕铁硼产业链自主可控。

  据2022年USGS最新数据,我国稀土产量占比达70%。2022年全球稀土产量约30万吨REO,中国产量达21万吨REO,占比70%,雄踞世界第一。

  无稀土电机:感应交流异步电机优点是无需稀土,但缺点就是扭矩密度和功率密度低,而且体积较大,目前离实际量产应用仍有3-5年技术窗口。

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  目前已有多个国际tier-1在进行相关研发,但由于我国稀土产量大、价格合理;且无稀土电机在性能上有较大劣势。目前此类需求尚不急切。

  我国是全球电磁线第一大生产国和出口基地,但电磁线行业格局分散,竞争激烈。

  2020年CR6仅为25.8%。据中国电气工业协会数据,2020年我国电磁线万吨,行业内生产厂家超过千家,长尾效应显著。

新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图4)

  由于扁线绝缘涂层在烘干后会产生非均匀收缩,容易变形产生四角变薄,影响绝缘性,需要改良在 R 角处更厚的涂覆厚度;扁平线R角处漆膜涂覆难度大,很难保证绝缘层均匀性;且扁线弯折成发卡后,R角处应力集中,容易导致涂覆层破损,因此对铜线及其涂覆的精度和质量要求很高。

  扁线电机制造工艺复杂,包括定子、转子、减速箱、电机控制器等100-400种零件按驱动电机产品工艺流程顺序完成装配。

  通常由总装线、测试线、定子分装线、转子分装线、电机控制分装线、减速箱分装线组成,关键工艺包括: PIN线成型、自动扭头、涂敷等。

  扁线电机对产品的一致性要求高,技术难度大,需要投入精度较高的自动化伺服设备,焊接设备、Hair-Pin线形成形设备和工装模具等,设备自动化要求高,主要依赖进口。

  相关设备的国产化主要有投资额高、方案标准化程度低和自动化工艺要求高三个难点。

  过去主要依赖进口,国外已经形成了较成熟的扁线电机产业链。扁线电机制造设备供应商主要有意大利TECNOMATIC、意大利ATOP、德国GROB格劳博集团、日本小田原机械工程株式会社和奥地利米巴集团等。国内仅有克来机电、豪森股份、巨一科技等少数设备商具备扁线电机装备制造能力,其中克来机电配套联合电子等、豪森股份配套上海龙芯等。

  产线设备供应商主要为电机生产商提供智能产线及设备的设计、制造与调试,属于轻资产模式,毛利高、利润空间大。

  这类厂商一般提供一整套规划、研发、设计、装配、调试、服务的交钥匙工程,商业模式主要分为整线装配及单机设备销售两种,前者单价值更高,平均一条产线亿多元之间,毛利能达到40%左右。

  由于扁线电机工艺技术门槛高,依靠精度更高的自动化设备,因此产线投资额大于传统圆线,设备供应商能享受更高的利润空间。电机制造方在产线上的高投入转移到设备上就变成了高价值。而且,设备商只需要采购零部件进行产线的组装,和电机制造方相比属于轻资产模式。

  扁线电机按绕线形式可分为I-pin、Hair-pin(发卡)、X-pin、S-winding(波浪绕组),其中发卡扁线电机技术是被广泛采用的主流技术。

  不同技术路径主要研发动力在于减小体积、降低焊接难度,焊接技术始终是扁线电机核心技术难点。

  化学反应:蓄热密度高、易于长期储存,过程中产生极少的能量损耗,但操作复杂,在实际应用时可能出现气体对材料的腐蚀问题。

  相变材料:蓄热密度高、易于长期储存,过程中产生极少的能量损耗,但操作复杂,在实际应用时可能出现气体对材料的腐蚀问题。在物质发生相变时,可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。

新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图5)

  机会:主机厂少数愿意外包的核心零部件,第三方初创企业存在机会,且当前扁线电机领域客户尚未形成稳定供货商格局,一旦选型客户黏度高。

  1.上游零部件及设备生产技术和资金壁垒较低,主要行业壁垒在于中游研发制造资金投入和工艺设计能力。

  2.由于前期投入极高、利润低,产品目前产能受限、在市场上处于供不应求的状态,企业和客户都急需大量资金完成生产。

  3.Hair-Pin、X-Pin研发及生产是未来发展方向,对于短期内研发中的方案,焊接技术在短期内非常重要,但一旦S-wind开发成功将不再有强烈需求。

新能源车企纷纷押注的扁线电机技术你了解多少?(图6)

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