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东方财富证券：电子设备行业动态点评：关注无稀土电机发展的潜在路径

admin2023-03-07 20:31 139人已围观下载完整内容

简介【事项】北京时间3月2日凌晨，特斯拉在美国得州超级工厂举办“投资者日”活动，正式揭晓了“宏图”第三章。马斯克表示，希望整个人类社会未来都可以采用清洁能源，在20

【事项】

北京时间3月2日凌晨，特斯拉在美国得州超级工厂举办“投资者日”活动，正式揭晓了“宏图”第三章。马斯克表示，希望整个人类社会未来都可以采用清洁能源，在2050年前实现100%能源可持续。公司提到，随着世界向清洁能源过渡，稀土的需求在急剧增加，不仅在满足下游需求方面有难度，而且在开采稀土有环境和健康风险，因此，公司已设计了下一代使用永磁电机的驱动单元，将完全不使用稀土材料。新产品将具有更低的成本，同时保持高效。

【评论】

在Model3中，特斯拉通过使用永磁同步电机替代感应电机，大幅提升性能与整体续航里程。考虑到材料成本以及供应链安全，公司在宏图3上明确提出将发展并应用无稀土电机。

我们认为，发展无稀土电机至少包含两条路径，其一，虽然特斯拉已表示将继续使用永磁电机，我们仍对更换电机类型做出探讨，其二是更换目前永磁电机中使用的以钕铁硼为主的稀土材料。

电机类型方面，主要包括：永磁同步电机、交流异步电机、开关磁阻电机以及励磁电机。其中，永磁同步电机与交流异步电机为目前新能源汽车市场常见方案选择。

永磁同步电机在新能源汽车领域目前被广泛使用，永磁电机对比其他类型电机具有较高的功率密度和转矩密度，可以有效减小体积。由于转子转动惯量小，因此具有更好的动态性能以及更低的噪声。而永磁同步电机的劣势在于，其成本相对更高，使用钕铁硼永磁体对稀土材料依赖较高。

交流异步电机，其优点在于成本较低，工艺相对简单，对工作环境温度的适应性更强。缺点在于异步电机对比永磁同步电机在同样的功率和扭矩下，所需要的体积和重量大于同步电机。目前，异步电机的控制精度以及能耗方面仍存在一定差距，面对复杂使用场景，如反复启停、加减速时，电机效率低于同步电机。从综合能耗的角度上，异步电机弱于永磁同步电机。特斯拉在四驱车型采用前异步、后永磁同步的布局，单电机车型则仅使用永磁同步电机。

励磁电机对比永磁电机，使用电源提供电流通过转子绕组产生励磁，而非直接使用永磁体，因此不依赖于稀土材料。由于励磁可以调节，在低速及高速场景下都可以提供合适的励磁。但是，由于励磁电机转子绕组耐温较差，转子冷却问题更加突出，且转子本身结构复杂，降低了电机系统的可靠性，维护成本较高。

开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor：SRM），也成为可变磁阻电机，是近年来兴起的调速电机类型。由于其结构简单、具备高速运行能力、对高温不敏感等特点被广泛关注。开关磁阻电机在运行过程中，绕组的电感随着转子的旋转而变化，从而存在转矩脉冲以及较高噪声等缺点。

由于开关磁阻电机目前装车的可能性较低，对比以上其他电机方案，综合性能、成本以及可靠性方面对比，目前永磁同步电机方案的综合优势仍要高于其他电机方案。感应电机在性能上逊色于永磁电机与励磁电机，而励磁电机在可靠性方面弱于永磁电机。同时，特斯拉在活动中表示将继续使用永磁电机，因此，我们认为，从材料替代的角度探讨无稀土电机方案的潜在路径更为合适。

替换稀土永磁材料路线方面，目前主流想法包括使用铁氧体、铝镍钴来替代钕铁硼，从而减少稀土的使用。对比以上常见磁性材料的剩余磁通密度以及矫顽力，包括铁氧体与铝镍钴等常见磁性材料对比钕铁硼性能仍较弱。钐钴材料在性能上与钕铁硼差异较小，但钐钴仍属于稀土永磁材料，不符合0稀土的替代需求。

研究发现，硬磁材料之中氮化铁（α“-Fe16N2）在理论性能上具备替代钕铁硼的可能性。铁基磁性化合物通常具有较高的饱和磁化强度，晶格间隙的氮原子改变了金属之间的原子距离，从而对磁性材料的性能产生影响。NironMagnetics是美国新兴磁材厂商，将纳米材料工程与冶金方法结合，致力于打造高强度、无稀土永磁体氮化铁。Niron表示，氮化铁具有所有已知化合物中最高的磁通密度，比任何已知的永磁化合物高50%以上。

材料性能方面，Niron的创始人王建平教授的《Environment-friendlybulkFe16N2permanentmagnet:Reviewandprospective》中提到，α“-Fe16N2采用环保型原材料，具有极高的饱和磁通密度（2.9T）以及极高的磁各向异性常数（1.8?MJ/m3）。从成本角度，氮化铁由铁和氮元素制程，成本对比稀土材料将大幅下降。Niron同时表示在氮化铁制备过程中，对环境污染对比其他材料平均减少2/3，最高减少95%。

氮化铁存在多种制备方案。铁氮化合物早在19世纪30年代便出现研究，至50年代出现Fe-N相图，氮化技术在其后实现工业应用。随着科技进步与实验方式的改进，逐渐出现通过溅射、离子注入以及其他薄膜工艺制备Fe16N2的薄膜以及通过固气反应制备含Fe16N2的氮化物粉末的技术。

应用方面，Niron表示，已与通用汽车（GM）、马凯特（marquette）大学合作开发无稀土材料的电动汽车传动系统（Drivetrains）。英国MotorDesign公司分别基于Niron的氮化铁以及钕磁铁设计了两台Prius级别30kW，125Nm电机，对比钕永磁电机，在保留了原始电机直径的情况下，应用Niron的材料

可以使得电机体积下降10%，磁材节省15-30%。

综合以上，我们认为考虑无稀土电机的方案，应从材料替换的角度出发，而氮化铁（α“-Fe16N2）材料作为降低永磁电机稀土材料的使用上，具有较高的可能性。建议关注氮化铁制备及产业链机会。

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