发布日期：2024-08-03 21:54 点击次数：108
2021 年 2 月低空经济见地初次被写入国度策画，eVTOL 预测分场景从载物到载东谈主、郊区到城市渐渐应用。eVTOL 在旅游不雅光、物流运输、医疗急救、消防济急等场景干预使用【TCD-067】TRANS CLUBの歴史 2008～2011 44タイトルBEST8時間，进攻医疗管事（EMS）、消防、搜索支持、空中法则预测为率先使用的场景，空中游览可能是通往载客管事的最先，后续空中出租车、遨游救护车和货品运输可能是改日 eVTOL 的常态化用途，eVTOL 预测将沿循从载物到载东谈主、从郊区到城市、从特需到简单、从大家管事到交易化运营的发展场合。
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国内主机厂适航审查程度
证据《客运 eVTOL 应用与商场白皮书》预测，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架。
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限制
带来百亿级电机前装商场
老本角度，三电系统在整车、 eVTOL 的老本占比雷同，eVTOL 的电机老本占比更高。证据钜大锂电及 36 氪商量院的信息， 2022 年整车当中能源电板+驱动电机+ 电控系统的“三 电”系统老本占比达 50%，能源电板占 38%，电机占 6.5%。证据 2021 年《LILIUm Analyst Presentation》，其 eVTOL 单机老本约 250 万好意思元，其中鼓舞系统（电机电控、螺旋桨等） +能源系统（电板等）占比 50%，其中能源系统占 10%，鼓舞系统占 40%。证据产业链调研， 电能源系统（电机电控、螺旋桨等）占比 20%，能源系统（电板等）占比 20%。概括来看，咱们预测电机电控在 eVTOL 的老本占比在 10%-20%。
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图左：三电系统在汽车老本占比约50%（2022年）
图右：鼓舞系统（电机）、能源系统（电板）在eVTOL老本占比50%
eVTOL 带来国内电机前装商场达百亿级。国内电机主要用于国内商场， 证据《客运 eVTOL 应用与商场白皮书》预测，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架， 假定单机用电机电 控 80 万元，对应国内 eVTOL 电机前装商场限制约 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 关于可靠性的要求 性极高， 证据盖世汽车， 载东谈主场景下要求出错率限定在 10 的-9 次方以内， 而且比拟于传 统航空发动机千万好意思元以上的价钱，电机价钱相对低廉，因此为保险 eVTOL 的使用寿命， 电机更换相较汽车会愈加陆续。因此，假定 eVTOL 使用寿命 20 年，电机 4 年一换， 单机后装更换价钱平均 60 万元，则对应一架 eVTOL 人命周期内更换电机 4 次，更换老本为 240 万元，30 年累计国内 eVTOL 需求量为 16316 架， 对应电机后装商场约 392 亿元。
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图：国内 eVTOL给电机带来前装/后装商场预测（2030年，亿元）
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壁垒
在于高功率密度及适航
电机是 eVTOL 电动化能源系统的紧要组成部分。能源电板或燃料电板的电能是通过电机驱 动涵谈电扇或旋翼， 电机的功率密度径直影响着遨游汽车的有用载荷才略， 电机的大范围 变工况能源输出才略、可靠性和环境适合性是决定遨游汽车能源本性和安全性的紧要身分。
不同适航需求，应用场景所使用的电机不同。按照责任电源，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着力和较高的转矩可 以提供更好的驾驶体验。同期永磁电机的高功率密度也不错匡助电动车在相似的体积下获 得更高的能源。
▶ 无东谈主机中：常用无刷直流电动机。由于莫得电刷和换向器，它具有用率高、珍贵老本 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，从而终了无东谈主机的 遨游。在无东谈主机上使用无刷直流电机一是无刷直流电机具有较低的分量和杂音， 而且珍贵 老本较低，适当无东谈主机的遨游要求；二是无刷直流电机的转速较高， 适当无东谈主机中的高速 遨游的需求。
▶ eVTOL：对电机着力和转矩密度的要求较高， 永磁同步电机是电鼓舞能源系统很具出路 的决策。比拟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 转矩大等上风，况兼其保持全扭矩的才略特别适当 eVTOL 在升空和着陆阶段的能源要求， 是电鼓舞能源系统很具出路的决策。刻下电动垂直起降遨游器， 如 Joby S4、Archer Midnight 等均经受了永磁同步电机。
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图：永磁同步电机Vs无刷直流电机
在航空级电机中，关于安全性、环境适合性、功率密度均有较高的要求。
▶ 安全性方面，研究到航空应用场景中，首要研究主张是飞机在进攻情况下不错冗余 50% 功率输出，并成就进攻降额联想；
▶ 环境适合性方面，航空级电机关于上下温、干冷、低温低气压、盐雾、臭氧、电磁兼 容、振动等方面的要求较高，需要适合万般极点环境；
▶ 数目方面，电动汽车世俗配备 1-2 个电机，而 eVTOL 刻下至少需要 8 个电机驱动。由 于遨游汽车在安全性和可靠性方面的要求较高， 因此， 在职何情况下， 即使最多有一个电 机出现故障，遨游汽车仍能保持幽闲悬浮；
▶ 航空更为驻扎功率密度。证据《遨游汽车的商量发展与关节时代》，车用电机的额定干 质地功率密度最高约为 2 kW/kg，航空鼓舞电机通过使器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，依然可使电机现实的额定功率密度跨越 5 kW/kg。通过改善电机的电磁结构联想， 举例经受 Halbach 磁阵列、无铁芯结构、Litz 导 线绕组等时代，以及改善电机的散热联想， 预测 2030 年电机现实的额定功率密度可达 10 kW/kg，2035 年额定功率密度将跨越 13 kW/kg。通过擢升电磁联想时代、热搞定时代和 轻量化时代缩短电机结构分量和散热系统援救分量， 握住提高电机的功率密度和宽范围变 工况能源输出才略，是 eVTOL 能源系统的主要发展趋势。
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图：电动汽车电机主要主张
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图：电动飞机电机主要主张
现在，电机多与主机厂当场适航， 构筑高客户粘性。刻下电机居品多配套主机厂，随主机 厂配套适航， 由于主机厂适航要求高且复杂， 预测电机厂和主机厂在适航通事后会酿成稳 固的合营、供应干系，切换供应商带来的居品可靠性风险较大。
另外，中国局方可将电机作设立用，单独适航测试难度大。适航章程适用于中国民用航空 时代模范章程（CTSO），该章程证据中国民用航空递次《民用航空材料、零部件和机载设 备时代模范章程》（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 载设立接受适航审查时， 必须校服的准则。章程进行记号的 FDR（遨游数据记载器） 应满 足欧洲民用航空设立组织 EUROCAE 模范 ED-112A《抗坠毁的机载记载系统最低责纵情能要求》中的要求。
其中关于环境矍铄，应按 ED-112A 章程的正经要求，经受该设立适用的模范环境要求和 正经模范，讲明设立性能新生要求。ED-112A 要求经受 ED-14G 或 RTCA/DO-160G；关于软 件矍铄，章程证明如若设立包含软件，则软件应按照 RTCA/DO-178B《机载系统和设立及格 核定中的软件研究》的要求进行研制；关于硬件联想， 如若硬件单元包含无法通过正经和 /或分析来评估功能的电子设立， 则应证据硬件单元制造东谈主细目的联想保证等 级， 按照RTCA/DO-254《机载电子硬件的联想保证指南》进行研制。
其中：
▶ DO-160 专注于设立的物理本性和环境适合性，举例温度、湿度、振动、冲击等；
▶ DO-178 专注于航空航天软件开辟的认证。主要用于航空航天软件的开辟、考据和认证， 包括遨游限定系统、清楚系统、通讯系统等；
▶ DO-254 专注于航空航天电子硬件的联想和考据，包括芯片、电路板、传感器等。
电机居品单独适航，通过 DO-160 认证难度大。电机手脚设立需通过 DO160 环境实用性测 试，需新生高温高湿，强磁，转念，电磁侵略等环境测试。刻下国内企业通过难度较大。
电控居品单独适航，通过 DO-178 认证难度大。如若思要制造出及格的遨游器，电控系统 需要通过 DO-178 模范认证，而国内仅有两三家中航工业的企业居品大概通过 DO-178 认 证。DO-178 模范不仅对软件进行评估， 还对硬件要求高, 现在多量在汽车上所使用的芯片 无法新生关联要求。另外一种采纳是企业自行联想 FPGA 系统，但需要通过 DO-254 模范认 证，难度较 DO178 模范认证更大，国内大概通过 DO-254 认证的企业同样稀缺。
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图：外洋民航组织关于民用遨游器的关联认证贵寓许可
从全球 eVTOL 电机商场的竞争形态来看，现在进入 eVTOL 范围较早的主机厂如 Joby、 Archer、亿航智能、峰飞等均进行电鼓舞系统自主研发， 证据公司机型特征，针对性进行 电机联想，以新生轻量化和功率密度擢升的需求。 L ilium 则与日本电装公司和好意思国霍尼 韦尔航空航天公司达成合营，两家公司融合将电子马达整合到 L ilium 的飞机发动机中。Volocopter、沃兰特、时的科技均经受赛峰提供的高性能、高功率密度电机， 赛峰集团是 全球飞机发动机、直升机发动机范围最初的企业，公司掩饰全球 13 个国度，能向客户第 一时分提供腹地管事。
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：
卧龙电驱：在航空电驱动及限定范围处于外洋一活水平。公司自 2019 年运行戮力于开 发航空电驱能源系统居品，缓缓酿成了“3+1”的居品布局，即小、中、大三个功率等第 的驱动居品及一个适航模范。小功率指 2kW~30kW 居品，主要应用于工业无东谈主机及 1~2 座 eVTOL，已运行向国内主流物流无东谈主机企业小批量供样；中功率居品以 50kW~175kW 为主， 4 座载东谈主 eVTOL 为主要应用， 与国内主流 eVTOL 制造企业均未必代相似， 关联研发名堂正 在进行中；大功率是 200kW 至 1MW 以上，应用于十几座到几十座的支线飞机，以预研为 主。 公司刻下已合作念客户包括商飞、江山智能等。
天津松正：航空电机电控行业贯通最初。在载东谈主级电动航空范围，公司专注于高效功 重比的电鼓舞系统的开辟， 推出针对遨游任务能源需求的定制化航空电机及限定器的开辟 管事，在纯电驱多旋翼垂直起降、涵谈电扇等不同构型的遨游器均有久了的商量及居品应 用；同期在混动驱动机载大功率增程电机及驱动器均具备开辟和制造才略。
江苏迈吉易威：军用高功率密度轮毂电机系统中枢供应商。公司已有多个型号居品在 部队投放应用。公司的电机居品经由屡次迭代，现在最大输出功率已达到 250kW，着力高 达 95%以上，况兼具备风冷液冷两种冷却面孔电机类型，并由传统柴油发电机渐渐蔓延至 航空用永磁电动发电机。现在公司已推出了面向 eVTOL 的电机系统配套居品。
蓝海华腾：从汽车电控进入 eVTOL 电控。中枢团队在电控范围领有十余年的时代研发 齐集，具备电动遨游器方面的时代基础，从新能源汽车电控切入研发 eVTOL 电控上风明 显，但 eVTOL 对安全性、可靠性、轻量化的要求更高，公司将研发资源向 eVTOL 电控范围 安妥歪斜，在 eVTOL 电控的联想、算法、轻量化的研发上争取有所随便，以期早日将居品 推向商场。
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时代趋势
功率密度擢升在于材料改良与高效散热，
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，故意于擢升电机功率密度。 电机的铁 芯在物理空间散播上起到导体材料的定位作用，并在电机运行中传递磁通。传统趣味上的铁芯，由不同性能本性的硅钢片叠压而成，大部分定子铁芯要通过扣板固定，酿成一个相 对褂讪的合座。证据电动新视界报谈，非晶合金在高速高频、轴向磁通电机范围上风显着，应用出路遍及， 其损耗密度仅为传统硅钢片的 1/5-1/10，物理本性包括薄、硬、带宽受限。机械本性包括刚度低、叠压整个较低、强度高；电磁本性包括实足磁密低、磁致伸缩整个大。
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图：非晶合金Vs硅钢性能对比
由于分娩非晶带材具备较强的时代门槛，外洋国内大概掌执分娩非晶带材时代的企业未几，国内商场主要由日本的日立金属和国内的安泰科技占据主要的商场份额。另外，国内大概分娩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。现在，扫数这个词行业竞争形态处于寡头把持竞争现象。
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母子淫荡网图左：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贯通，中研非晶&北极鸥合营，非晶电机上车小鹏 X2。产业贯通方面，清华大学李骏院士团队研制的寰球首台面向城市交通的智能载东谈主遨游汽车在 西安试飞奏凯，其遨游能源系统选择高压大功率非晶电机，可提供跨越 1 吨的极限拉力， 整机最大升空分量跨越 800 公斤。国内布局或改日可能布局 eVTOL 用非晶材料的企业包括云路股份、安泰科技、中研非晶等。
云路股份：公司现在正在积极进行电机用非晶材料以及材料适用性的时代商量。
安泰科技：非晶合金适当于新能源汽车驱动和遨游汽车等驱动应用场景，公司在 2010 年运行心思非晶合金在电机范围的应用商量，已为多家头部车企和科研单元融合开辟电机 用高性能非晶材料和高效非晶定子铁芯制备时代。
中研非晶：2018 年公司与北极鸥达成政策合营伙伴契约， 共同开辟及量产非晶无东谈主机 盘式电机，而证据遨游汽车产业之家，北极鸥已布局航空大功率电机系列，居品已应用至小鹏 X2 上。
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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 电机范围应用商量较少。现在 扫数的航空电机的绕组齐是铜导线， 铜的导电性好， 关联词密度大且电导率随温度飞腾而下 降。高温超导线材导电性能远远跨越铜导线， 关联词需要特别复杂的冷却和保温装配。常温 下的碳纳米管导体比拟铜导体密度小， 具有更好的导电率， 况兼电导率随温度飞腾不会下 降。关联词将单个碳纳米管导体相连为碳纳米管导线的工艺复杂， 况兼酿成的碳纳米管导线 电阻率大。跟着碳纳米管合成时代和制备工艺的随便，预测在改日 15~30 年间，碳纳米管 导线将会多量应用到航空电机时代范围，提高电机系统功率密度。 现在在 eVTOL 电机领 域，碳纳米管现在的产业化贯通还较少。
碳纳米管是现在中国已终了工业化量产应用的主要纳米材料之一，受益于能源电板商场规 模需求的增长，近几年碳纳米管出货量呈现快速增长态势。证据中商产业商量院，2022 年 中国碳纳米管出货量约为 11.1 万吨，同比增长 18.09%。
现在，中国碳纳米管商场勾搭度较高， 2021 年前三企业商场份额总数约为 80%。其中，天 奈科技商场份额达 45%，排行第一。卡博特和集越纳米差别占比 20%和 15%。
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图左：中国碳纳米管出货量及预测（万吨）
图右：中国碳纳米管商场份额占比
▶ 高效散热：故意于擢升电机功率密度。航空电机电磁负荷大，单元体积损耗显赫导致电机温升升高，过高会影响发电设立的安全性，严重时会使绝缘材料加快老化，大幅度缩 短电机的使用寿命，以致导致电机着火烽火。然则，热搞定系统质地的加多会加多遨游器 的升空质地，且会在遨游期间浪掷电功率，因此飞机的需求功率加多。因此，关于航空电 机必须要有一个高效的冷却系统， 才气保证责任安全性、可靠性和高功率密度。航空电机 冷却时代中诈欺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面孔有当然 冷却和吹风冷却，以滑油为冷却介质的冷却面孔有循油冷却和喷油冷却。刻下低空遨游器行业以风冷为主。
当然冷却：诈欺电机的一些元件(绕组、摈弃、壳体、端盖、轴等)的热容量加以吸 收电机热耗，适用于短时责任现象的奉行机构电动机。
吹风冷却：指对电机进行吹风带漏电机热量，风不错由电机本人装有的电扇产生也 不错由飞机遨游时产生的速压头产生。吹风冷却受飞机海拔的影响， 冷却介质的流量跟着 海拔高度的加多减小，其冷却着力平缓。
滑油冷却：使用滑油手脚冷却介质不错显赫提高冷却着力，因为滑油的热容量跨越 空气的 1600 倍。油冷面孔的冷却介质和冷却着力与遨游要求无关，适用于各式飞机。这 种冷却面孔即具有冷却油导热着力好的本性，又保存了风冷却那样冷却介纯厚接与发烧部 位战役的优点。因此冷却着力显赫提高，电机的功率密度不错进一步提高。但关于机身增重较大。
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图：风冷油冷优颓势对比
在飞机电气化布景下，航空电机系统渐渐往概括化、集成化场合发展。集成特征主要包括：
功能集成与复用；
部件级集成：航空电机系统的电机与功率变换器以及限定器 的集成；
系统级集成：航空电机系统与发动机系统、液压能源系统的集成。
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图：电机系统集成特征
电控法式，现存硅基电力电子器件难以新生航空电机的发展趋势。电机限定器主要用于调 节鼓舞电机的转速和转矩， 其限定反映精度径直影响遨游器推力限定精度。现存飞机上的 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缩短的通态损耗和开关损耗 使硅基电力电子器件在濒临大功率电机系统电能变换时， 需要较复杂和较大体积分量的冷 却系统， 着力和功率密度难以擢升。同期硅基电力电子器件结电容较大， 甩手了大功率场 合下的频率擢升， 导致滤波电感电容体积较大， 也不适合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迟至电动航空范围， 擢升航空电机功率密度。应用于电机系统功 率变换器中【TCD-067】TRANS CLUBの歴史 2008～2011 44タイトルBEST8時間， 大概大幅提高航空电机系统着力和功率密度， 简化散热冷却系统。跟着封装 时代、高温限定芯片及高温无源元件的发展，由碳化硅器件组成的能在几百摄氏度下责任 的耐高温功率变换器的终了将成为可能， 其与航空电机的集成不错适合恶劣责任环境。23 年空客与 ST 签署了一项电力电子研发合营契约，合营内容将会勾搭在开辟适用于空客的 航天航空应用的 SiC 和 GaN 器件、封装和模块。
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