新能源汽车电机技术发展现状与专利分析
新能源汽车电机技术发展现状与专利分析
随着新能源汽车市场的快速发展，电机技术作为电动汽车的核心部件，其发展备受关注。本文将从直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等多个维度，深入分析全球新能源汽车电机技术的发展趋势及其面临的挑战。
直流电机的专利技术现状
根据图1显示的全球直流电机专利申请趋势，可以观察到该技术经历了三个发展阶段。在2000年之前，全球直流电机专利申请量大致维持在100件左右。这一阶段，直流电机在新能源汽车领域的应用相对有限，因为当时新能源汽车的概念和技术尚未得到广泛关注和应用。传统的内燃机汽车仍然是主流，而新能源汽车的发展和应用还处于起步阶段。尽管在这个时期，一些实验性质的电动汽车和混合动力汽车已经出现，但直流电机的应用范围和性能要求都相对较低。技术和设计也相对简单，主要用于验证新能源汽车的可行性和性能表现。因此，直流电机在这一时期的发展状态可以被描述为初级阶段，尚未达到成熟和大规模应用的阶段。
图1：全球直流电机专利申请趋势
在2001年至2010年的第二阶段，随着新能源汽车市场的逐步发展，直流电机开始在混合动力汽车和电动汽车中得到应用。专利申请量持续稳定增长，主要集中在提高电机的效率和性能以满足汽车的动力需求。尽管直流电机的应用范围和性能要求也在不断提高，但在这个时期仍相对简单，主要用于验证新能源汽车的可行性和性能表现。
2011年至今的第三阶段，随着新能源汽车市场的进一步发展，直流电机开始在更多类型的汽车中得到应用，包括纯电动汽车和插电式混合动力汽车。直流电机的技术和设计逐渐成熟，出现了不同类型和规格的直流电机以满足不同汽车的需求。尽管交流电机在某些方面具有优势，但在低速高转矩的应用场景中，直流电机仍然不可替代。因此，直流电机在新能源汽车领域仍然占据着重要地位。尤其是一些政策的实施进一步刺激了直流电机专利的申请量增长，如2009年国务院发布的《汽车产业调整与振兴规划》和2014年国家电网的投资决定。这些政策改善了新能源车充电基础设施匮乏的问题，促进了新能源车的普及，从而推动了直流电机技术的发展。
根据图2显示的数据，排名前20的直流电机有效专利申请人主要集中在日本的株式会社村田制作所、丰田自动车株式会社、本田技研工业株式会社、株式会社电装、日立安斯泰莫株式会社、日产自动车株式会社和日本电产株式会社；韩国的现代自动车株式会社和起亚自动车株式会社；美国的通用汽车环球科技运作有限责任公司、通用电气公司、福特全球技术公司、ALAKAITECH；瑞典的沃尔沃拉斯特瓦格纳公司；德国的罗伯特博世有限公司；以及我国的上海理工大学和南京航空航天大学。这显示了日本的公司和研究机构在直流电机领域进行了大量的研究，并且在直流电机的研发和产业化方面占据着主导地位。
然而，在全球前20名中，我国仅有上海理工大学和南京航空航天大学两所高校。这表明我国在直流电机技术领域的科研机构相对较少。虽然我国的直流电机产业化进程相对于日本、韩国和美国来说还有所落后，但是一些中国企业如比亚迪股份有限公司、华为技术有限公司、重庆宗申电动力科技有限公司和宁波吉利汽车研究开发有限公司的专利申请量在全球前50名中排名靠前，这表明我国一些企业在直流电机领域的产业化进程正在迎头赶上。
图2：全球直流电机有效专利排名前 20的专利申请人/专利权人
随着环保意识的增强和新能源汽车政策的推进，电动汽车已经成为未来汽车发展的趋势。驱动电机系统作为电动汽车的核心部件，其性能的优劣直接影响到整车的性能和寿命。因此，对驱动电机系统的要求也变得越来越高。除了满足基本的车辆驱动需求外，还需要具备高效、高转矩、高可靠性和低功耗等特点。
早期的电动汽车大多采用直流电机控制系统，它具有成本低、使用简单等特点，但存在质量大、需要定期维护等问题。在70年代，电动汽车电机驱动技术的初期阶段，主要采用直流电机驱动，因为直流电机具有优秀的速度控制性能和高效率特性。
当前直流电机技术主要应用在电池、电动载具、电力和电池组等方面，在电动车领域也有发展，但占比并不算高。然而，直流电机存在一些明显的缺陷，如受电刷限制、占用空间和重量大等问题。
在80年代，一些厂家开始采用AC异步电机驱动技术，成功地克服了直流电机所面临的问题。AC异步电机利用变频器或频率转换器，使电动汽车的运行更加高效、低噪音和低能耗，成为电动汽车电机驱动技术发展的重要里程碑。
图 3：当前直流电机的技术主题分类图
交流电机专利技术
1. 交流异步电机专利技术
根据图4显示的全球趋势，2009年之前，交流异步电机的专利申请数量不到100件，其发展相对缓慢。然而，在此之后，随着全球许多汽车制造商推出电动汽车并进行各种电动机的研究和开发，异步电机得到了广泛应用。这是因为异步电机具有高可靠性、耐用性和较低成本的特点，因此被广泛采用。举例来说，日本的丰田汽车公司在2008年推出了首款普锐斯插电混合动力车型，采用了异步电机作为驱动系统。与此同时，美国的特斯拉公司也在同年推出了首款电动汽车Roadster，同样采用了异步电机作为驱动系统。
从2010年至今，随着新能源汽车市场的迅速发展，越来越多的汽车制造商开始采用异步电机作为驱动系统。特斯拉公司的Model S（2012年发布）和Model X（2015年发布）等车型采用了异步电机，并取得了相当大的成功。同时，其他一些汽车制造商也开始推出采用异步电机的新能源汽车，这些车型在性能、续航里程和可靠性方面都取得了显著进步。因此，2010年后关于交流异步电机的专利申请数量急剧增加。以2022年为例，其年专利申请量超过了400件，几乎是2009年的四倍。
图4全球交流异步电机的专利申请趋势
全球交流电机有效专利排名前20的专利申请人如图5所示。特斯拉采用的是交流异步电机，那么为什么特斯拉偏爱使用这种类型的电机呢？实际上，不仅仅是特斯拉，许多欧洲品牌的电动车也倾向于采用异步电机，但中国和日本品牌却有所不同。
至于特斯拉等国外品牌选择放弃同步电机而采用异步电机的原因，目前有几种推论。首先，异步电机在恶劣环境下表现更为出色，而特斯拉这类定位较高的车型可能更容易经历激烈驾驶等情况，因此异步电机不易退磁的特性更为适合。其次，永磁同步电机的核心材料稀土存在供应问题。对于中国和日本来说，它们分别拥有丰富的稀土资源和发达的稀土产业，世界销量前三的钕铁硼公司都是日本的公司，这使得它们更倾向于使用同步电机。而相比之下，欧美国家可能无法轻易获得稀土材料。最重要的一点是，特斯拉在交流异步电机领域拥有自己的专利，解决了异步电机的一些缺点，比如铜芯转子技术。
图5：全球交流异步电机有效专利排名前 20的专利申请人/专利权人
2. 交流同步电机专利技术
（1）永磁同步电机的专利技术现状
进入21世纪，随着永磁技术和电子技术的不断发展，AC永磁同步电机开始在电动汽车中大量应用。AC永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度大、效率高、成本低、响应快等优点。同时，由于采用永磁材料，使得在同样的轴功率下，转矩更大，始终能够提供更为均衡的驱动力矩。因此，目前主流的电动汽车车型都选择了AC永磁同步电机作为驱动动力。
永磁同步电机在新能源汽车应用的初级阶段可以追溯到2010年左右。在此之前，专利申请量一直保持在一个较低水平。然而，随着特斯拉公司的Model S（2012年发布）和Model X（2015年发布）等车型的成功采用，以及其他汽车制造商推出的新能源汽车，永磁同步电机的应用逐渐增多。从2011年起，专利申请量开始显著增长，越来越多的汽车制造商开始采用永磁同步电机作为驱动系统。特斯拉公司的Model 3（2017年发布）以及其他主流汽车制造商推出的电动汽车都采用了永磁同步电机。
然而，永磁同步电机的核心材料稀土存在供应问题。从图7全球永磁同步电机有效专利排名前20的专利申请人/专利权人的分布可以看出，日本公司丰田自动车株式会社、日产自动车株式会社和日立等占据了重要地位。同时，中国的东南大学、江苏大学、中国第一汽车股份有限公司、北京新能源汽车股份有限公司和比亚迪股份有限公司等公司的专利申请量也较大。这主要归因于中国和日本拥有丰富的稀土资源和发达的稀土产业。与此相比，欧美国家可能无法轻易获得稀土材料。
图6：全球永磁同步电机专利申请趋势
图7：全球永磁同步电机有效专利排名前 20的专利申请人/专利权人
(2) 开关磁阻电机的专利技术
开关磁阻电机是一种结构简单、坚固、高效的电机，适用于高转速、高负载的运行场合。其特点在于转子上没有绕组、磁钢或滑环，因此可以高速运行，并且具有较高的效率。这些优势使得开关磁阻电机成为电动汽车驱动系统中的重要选择之一。该技术的研发和应用已取得重要进展。一方面，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能已达到整车需求的基本水平。另一方面，一些公司已具备年产2000套的生产能力，能够满足小批量配套需求。目前，部分开关磁阻电机产品已成功应用于整车上，并取得良好的示范运行效果。
然而，开关磁阻电机驱动系统的发展仍面临挑战。例如，需要有效解决电机的噪音和振动问题，以满足更高的驾驶体验需求。此外，开关磁阻电机的控制策略和调速技术需要进一步优化，以提高系统的效率和可靠性。
从图8：全球开关磁阻电机专利申请趋势可以看出，虽然专利申请量逐年上涨，但每年的申请量并不大。同步开关磁阻电机在新能源汽车中的专利申请量在2010年左右才有显著提升。当时，一些汽车制造商开始尝试在新能源汽车中采用同步开关磁阻电机作为驱动系统的一部分。这一阶段的初期应用主要是为了测试和验证这种电机技术在汽车领域的可行性，以及评估其在新能源汽车中的性能表现。
图8：全球开关磁阻电机专利申请趋势
图9：全球开关磁阻电机有效专利排名前 20的专利申请人/专利权人