下一个风口：eVTOL电机电控产业链分析
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2021 年 2 月低空经济概念首次被写入国家规划，eVTOL 预计分场景从载物到载人、郊区到城市逐步应用。eVTOL 在旅游观光、物流运输、医疗急救、消防应急等场景投入使用，紧急医疗服务（EMS）、消防、搜索救援、空中执法预计为率先使用的场景，空中游览可能是通往载客服务的开端，后续空中出租车、飞行救护车和货物运输可能是未来 eVTOL 的常态化用途，eVTOL 预计将沿循从载物到载人、从郊区到城市、从特需到日常、从公共服务到商业化运营的发展方向。 国内主机厂适航审查进度 根据《客运 eVTOL 应用与市场白皮书》预计，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架。 01# 规模 带来百亿级电机前装市场 成本角度，三电系统在整车、 eVTOL 的成本占比类似，eVTOL 的电机成本占比更高。根据钜大锂电及 36 氪研究院的信息， 2022 年整车当中动力电池+驱动电机+ 电控系统的“三 电”系统成本占比达 50%，动力电池占 38%，电机占 6.5%。根据 2021 年《LILIUm Analyst Presentation》，其 eVTOL 单机成本约 250 万美元，其中推进系统（电机电控、螺旋桨等） +能源系统（电池等）占比 50%，其中能源系统占 10%，推进系统占 40%。根据产业链调研， 电动力系统（电机电控、螺旋桨等）占比 20%，能源系统（电池等）占比 20%。综合来看，我们预计电机电控在 eVTOL 的成本占比在 10%-20%。  图左：三电系统在汽车成本占比约50%（2022年） 图右：推进系统（电机）、能源系统（电池）在eVTOL成本占比50% eVTOL 带来国内电机前装市场达百亿级。国内电机主要用于国内市场， 根据《客运 eVTOL 应用与市场白皮书》预计，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架， 假设单机用电机电 控 80 万元，对应国内 eVTOL 电机前装市场规模约 131 亿元。 eVTOL 的使用寿命约 15-20 年，电机需更换 3-4 次。相较汽车， eVTOL 对于可靠性的要求 性极高， 根据盖世汽车， 载人场景下要求出错率控制在 10 的-9 次方以内， 而且相比于传 统航空发动机千万美元以上的价格，电机价格相对便宜，因此为保障 eVTOL 的使用寿命， 电机更换相较汽车会更加频繁。因此，假设 eVTOL 使用寿命 20 年，电机 4 年一换， 单机后装更换价格平均 60 万元，则对应一架 eVTOL 生命周期内更换电机 4 次，更换成本为 240 万元，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架， 对应电机后装市场约 392 亿元。  图：国内 eVTOL给电机带来前装/后装市场预测（2030年，亿元） 02# 壁垒 在于高功率密度及适航 电机是 eVTOL 电动化动力系统的重要组成部分。动力电池或燃料电池的电能是通过电机驱 动涵道风扇或旋翼， 电机的功率密度直接影响着飞行汽车的有效载荷能力， 电机的大范围 变工况动力输出能力、可靠性和环境适应性是决定飞行汽车动力特性和安全性的重要因素。 不同适航需求，应用场景所使用的电机不同。按照工作电源，电机主要可分为直流电动机、 交流电动机。其中直流电动机中又分为有刷直流和无刷直流，有刷直流中包含永磁直流和 电磁直流。 ▶ 电动汽车：使用永磁同步电机比较常见，永磁电机所具有较高的效率和较高的转矩可 以提供更好的驾驶体验。同时永磁电机的高功率密度也可以帮助电动车在相同的体积下获 得更高的动力。 ▶ 无人机中：常用无刷直流电动机。由于没有电刷和换向器，它具有效率高、维护成本 低、寿命长等优点。其主要作用是产生旋转力矩，驱动螺旋桨的旋转，从而实现无人机的 飞行。在无人机上使用无刷直流电机一是无刷直流电机具有较低的重量和噪音， 而且维护 成本较低，适合无人机的飞行要求；二是无刷直流电机的转速较高， 适合无人机中的高速 飞行的需求。 ▶ eVTOL：对电机效率和转矩密度的要求较高， 永磁同步电机是电推进动力系统很具前景 的方案。相比于直流电机和感应电机，永磁同步电机具有功率密度高、调速范围广、电磁 转矩大等优势，并且其保持全扭矩的能力非常适合 eVTOL 在起飞和着陆阶段的动力要求， 是电推进动力系统很具前景的方案。当前电动垂直起降飞行器， 如 Joby S4、Archer Midnight 等均采用了永磁同步电机。  图：永磁同步电机Vs无刷直流电机 在航空级电机中，对于安全性、环境适应性、功率密度均有较高的要求。 ▶ 安全性方面，考虑到航空应用场景中，首要考虑指标是飞机在紧急情况下可以冗余 50% 功率输出，并配置紧急降额设计； ▶ 环境适应性方面，航空级电机对于高低温、湿热、低温低气压、盐雾、臭氧、电磁兼 容、振动等方面的要求较高，需要适应各类极端环境； ▶ 数量方面，电动汽车通常配备 1-2 个电机，而 eVTOL 当前至少需要 8 个电机驱动。由 于飞行汽车在安全性和可靠性方面的要求较高， 因此， 在任何情况下， 即使最多有一个电 机出现故障，飞行汽车仍能保持稳定悬浮； ▶ 航空更为注重功率密度。根据《飞行汽车的研究发展与关键技术》，车用电机的额定干 质量功率密度最高约为 2 kW/kg，航空推进电机通过使用具备更高耐温极限的绝缘材料、 更高磁能密度的永磁材料和更轻的结构材料，已经可使电机本体的额定功率密度超过 5 kW/kg。通过改善电机的电磁结构设计， 例如采用 Halbach 磁阵列、无铁芯结构、Litz 导 线绕组等技术，以及改善电机的散热设计， 预计 2030 年电机本体的额定功率密度可达 10 kW/kg，2035 年额定功率密度将超过 13 kW/kg。通过提升电磁设计技术、热管理技术和 轻量化技术降低电机结构重量和散热系统辅助重量， 不断提高电机的功率密度和宽范围变 工况动力输出能力，是 eVTOL 动力系统的主要发展趋势。  图：电动汽车电机主要指标  图：电动飞机电机主要指标 目前，电机多与主机厂随机适航， 构筑高客户粘性。当前电机产品多配套主机厂，随主机 厂配套适航， 由于主机厂适航要求高且复杂， 预计电机厂和主机厂在适航通过后会形成稳 固的合作、供应关系，切换供应商带来的产品可靠性风险较大。 另外，中国局方可将电机作设备用，单独适航测试难度大。适航规定适用于中国民用航空 技术标准规定（CTSO），该规定根据中国民用航空规章《民用航空材料、零部件和机载设 备技术标准规定》（CCAR37）颁发，是对用于民用航空器上的某些航空材料、零部件和机 载设备接受适航审查时， 必须遵守的准则。规定进行标识的 FDR（飞行数据记录器） 应满 足欧洲民用航空设备组织 EUROCAE 标准 ED-112A《抗坠毁的机载记录系统最低工作性能要求》中的要求。 其中对于环境鉴定，应按 ED-112A 规定的试验条件，采用该设备适用的标准环境条件和 试验程序，证明设备性能满足要求。ED-112A 要求采用 ED-14G 或 RTCA/DO-160G；对于软 件鉴定，规定说明如果设备包含软件，则软件应按照 RTCA/DO-178B《机载系统和设备合格 审定中的软件考虑》的要求进行研制；对于硬件设计， 如果硬件单元包含无法通过试验和 /或分析来评估功能的电子设备， 则应根据硬件单元制造人确定的设计保证等 级， 按照RTCA/DO-254《机载电子硬件的设计保证指南》进行研制。 其中： ▶ DO-160 专注于设备的物理特性和环境适应性，例如温度、湿度、振动、冲击等； ▶ DO-178 专注于航空航天软件开发的认证。主要用于航空航天软件的开发、验证和认证， 包括飞行控制系统、显示系统、通信系统等； ▶ DO-254 专注于航空航天电子硬件的设计和验证，包括芯片、电路板、传感器等。 电机产品单独适航，通过 DO-160 认证难度大。电机作为设备需通过 DO160 环境实用性测 试，需满足高温高湿，强磁，震动，电磁干扰等环境测试。当前国内企业通过难度较大。 电控产品单独适航，通过 DO-178 认证难度大。如果想要制造出合格的飞行器，电控系统 需要通过 DO-178 标准认证，而国内仅有两三家中航工业的企业产品能够通过 DO-178 认 证。DO-178 标准不仅对软件进行评估， 还对硬件要求高, 目前大量在汽车上所使用的芯片 无法满足相关要求。另外一种选择是企业自行设计 FPGA 系统，但需要通过 DO-254 标准认 证，难度较 DO178 标准认证更大，国内能够通过 DO-254 认证的企业同样稀缺。  图：国际民航组织对于民用飞行器的相关认证资料许可 从全球 eVTOL 电机市场的竞争格局来看，目前进入 eVTOL 领域较早的主机厂如 Joby、 Archer、亿航智能、峰飞等均进行电推进系统自主研发， 根据公司机型特征，针对性进行 电机设计，以满足轻量化和功率密度提升的需求。 L ilium 则与日本电装公司和美国霍尼 韦尔航空航天公司达成合作，两家公司联合将电子马达整合到 L ilium 的飞机发动机中。Volocopter、沃兰特、时的科技均采用赛峰提供的高性能、高功率密度电机， 赛峰集团是 全球飞机发动机、直升机发动机领域领先的企业，公司覆盖全球 13 个国家，能向客户第 一时间提供本地服务。 国内 eVTOL 电机电控供应商主要有卧龙电驱、天津松正、迈吉易威等， 蓝海华腾等企业有 意进入。其中：
03# 技术趋势 功率密度提升在于材料改进与高效散热， 非晶材料有望替代硅钢片 ▶ 非晶材料：非晶材料较硅钢片的损耗密度更低，有利于提升电机功率密度。 电机的铁 芯在物理空间分布上起到导体材料的定位作用，并在电机运行中传递磁通。传统意义上的铁芯，由不同性能特性的硅钢片叠压而成，大部分定子铁芯要通过扣板固定，形成一个相 对稳固的整体。根据电动新视界报道，非晶合金在高速高频、轴向磁通电机领域优势明显，应用前景广阔， 其损耗密度仅为传统硅钢片的 1/5-1/10，物理特点包括薄、硬、带宽受限。机械特点包括刚度低、叠压系数较低、强度高；电磁特点包括饱和磁密低、磁致伸缩系数大。  图：非晶合金Vs硅钢性能对比 由于生产非晶带材具备较强的技术门槛，国际国内能够掌握生产非晶带材技术的企业不多，国内市场主要由日本的日立金属和国内的安泰科技占据主要的市场份额。另外，国内能够生产高端非晶带材的企业还包括青岛云路和佛山市中研非晶科技股份有限公司。目前，整个行业竞争格局处于寡头垄断竞争状态。  图左：2019年非晶合金全球市占率 图右：2019年非晶合金国内市占率 eVTOL 用非晶材料已有产业化进展，中研非晶&北极鸥合作，非晶电机上车小鹏 X2。产业进展方面，清华大学李骏院士团队研制的世界首台面向城市交通的智能载人飞行汽车在 西安试飞成功，其飞行动力系统采取高压大功率非晶电机，可提供超过 1 吨的极限拉力， 整机最大起飞重量超过 800 公斤。国内布局或未来可能布局 eVTOL 用非晶材料的企业包括云路股份、安泰科技、中研非晶等。
 图：部分非晶、纳米晶合金磁材企业基本情况 ▶ 碳纳米管导线：有助于提高电机导电性能，但在 eVTOL 电机领域应用研究较少。目前 所有的航空电机的绕组都是铜导线， 铜的导电性好， 然而密度大且电导率随温度上升而下 降。高温超导线材导电性能远远超过铜导线， 然而需要非常复杂的冷却和保温装置。常温 下的碳纳米管导体相比铜导体密度小， 具有更好的导电率， 并且电导率随温度上升不会下 降。然而将单个碳纳米管导体连接为碳纳米管导线的工艺复杂， 并且形成的碳纳米管导线 电阻率大。随着碳纳米管合成技术和制备工艺的突破，预计在未来 15~30 年间，碳纳米管 导线将会大量应用到航空电机技术领域，提高电机系统功率密度。 目前在 eVTOL 电机领 域，碳纳米管目前的产业化进展还较少。 碳纳米管是目前中国已实现工业化量产应用的主要纳米材料之一，受益于动力电池市场规 模需求的增长，近几年碳纳米管出货量呈现快速增长态势。根据中商产业研究院，2022 年 中国碳纳米管出货量约为 11.1 万吨，同比增长 18.09%。 目前，中国碳纳米管市场集中度较高， 2021 年前三企业市场份额总和约为 80%。其中，天 奈科技市场份额达 45%，排名第一。卡博特和集越纳米分别占比 20%和 15%。  图左：中国碳纳米管出货量及预测（万吨） 图右：中国碳纳米管市场份额占比 ▶ 高效散热：有利于提升电机功率密度。航空电机电磁负荷大，单位体积损耗显著导致电机温升升高，过高会影响发电设备的安全性，严重时会使绝缘材料加速老化，大幅度缩 短电机的使用寿命，甚至导致电机着火烧毁。但是，热管理系统质量的增加会增加飞行器 的起飞质量，且会在飞行期间消耗电功率，因此飞机的需求功率增加。因此，对于航空电 机必须要有一个高效的冷却系统， 才能保证工作安全性、可靠性和高功率密度。航空电机 冷却技术中利用的冷却介质主要有空气及滑油，其中以空气为冷却介质的冷却方式有自然 冷却和吹风冷却，以滑油为冷却介质的冷却方式有循油冷却和喷油冷却。当前低空飞行器行业以风冷为主。
 图：风冷油冷优劣势对比 在飞机电气化背景下，航空电机系统逐步往综合化、集成化方向发展。集成特征主要包括：
 图：电机系统集成特征 电控环节，现有硅基电力电子器件难以满足航空电机的发展趋势。电机控制器主要用于调 节推进电机的转速和转矩， 其控制响应精度直接影响飞行器推力控制精度。现有飞机上的 功率变换器均是硅基电力电子器件， 较低的结温以及难以大幅降低的通态损耗和开关损耗 使硅基电力电子器件在面对大功率电机系统电能变换时， 需要较复杂和较大体积重量的冷 却系统， 效率和功率密度难以提升。同时硅基电力电子器件结电容较大， 限制了大功率场 合下的频率提升， 导致滤波电感电容体积较大， 也不适应航空电机系统高速高频化的发展 趋势。 碳化硅器件的应用有望延伸至电动航空领域， 提升航空电机功率密度。应用于电机系统功 率变换器中， 能够大幅提高航空电机系统效率和功率密度， 简化散热冷却系统。随着封装 技术、高温控制芯片及高温无源元件的发展，由碳化硅器件构成的能在几百摄氏度下工作 的耐高温功率变换器的实现将成为可能， 其与航空电机的集成可以适应恶劣工作环境。23 年空客与 ST 签署了一项电力电子研发合作协议，合作内容将会集中在开发适用于空客的 航天航空应用的 SiC 和 GaN 器件、封装和模块。 |
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