1、特斯拉电机行业分析报告2017年9月出版2017年特斯拉电机行业分析报告目 录1. Model S 与 Model X三相交流感应电机 . 52. 电机综述. 53. 稀土永磁同步电机 . 64. 感应电动机与稀土永磁电机的比较 . 85. 特斯拉电机产业链剖析 . 106. 风险提示. 11图目录图 1 特斯拉电机实物图.5 图 2 三相交流异步电机定子 .5 图 3 电机种类划分 .6 图 4 感应电动机示意图.6 图 5 三相永磁电机转子示意图.7 图 6 感应电机与永磁同步电机转子的对比.7 图 7 永磁同步电机的结构示意图 .7 图 8 通常情况永磁电机性能好于直流电机与感应电机 .
2、8 图 9 2017 年第三批推荐目录电机配套情况 .10 图 10 特斯拉 Model S 整车成本构成 .10 图 11 永磁电机成本结构.10表目录表1全球主要新能源车型驱动电机技术路线 .7表2两种永磁直流测速发电机体积重量比较 .8表3电机驱动系统基本性能比较 .9表4电机耗损情况比较.91. Model S 与 Model X三相交流感应电机电动机在工业中的应用非常广泛，种类也很多。但由于新能源汽车在功率、转矩、 体积、质量、散热等方面对驱动电机有更高的要求，因此驱动电机的种类相对较少，功 率覆盖也相对较窄，产品相对集中。以特斯拉 2012 年开始生产的 Model S 为例。它的
3、动力源泉即为三相感应式异步电 机。动力直接作用到车轮上，中间没有复杂的变速以及传动结构，保证了较高的能量转 化率，加上热阻和电阻小，有利于提高功率密度。从而保证在同等加速度的情况下，感 应电机更快并且节能效率更高。同时因抗干扰能力好，在长时间使用时不会有弱磁情况 产生。同时由于 Model X 本身定位为豪华跑车，为获得更好的加速能力，也应当使用感 应电机。 图1 特斯拉电机实物图图2 三相交流异步电机定子三相电机的成本低，工艺在当时较为简单且比较成熟，稳定性优秀，这些也成为特 斯拉选择它的原因。此外，感应电机是由塞尔维亚裔美籍发明家尼古拉特斯拉在 1887 年发明。特拉斯的名称也由此得来，这
4、也称得上有一定的历史渊源。2. 电机综述电动机作为一种将电能转换为机械能的电器设备，按使用电能的种类不同，电动机 可分为直流电动机和交流电动机两大类。特斯拉所采用的电机就是属于交流电机的一种。按其工作原理的不同，交流电动机 可进一步分为同步电动机、异步电动机（感应电动机）和变磁阻电动机。按电源相数的 不同，交流电动机又可分为单相电动机和三相电动机两大类。因此，特斯拉采用三相异 步电动机是从工作原理和电源相数两个维度来定义的。图3 电机种类划分交流电机 异步电机电机同步电机直流电机变磁阻电机正弦同步电机 无刷同步电机 磁阻式同步电机 开关磁阻电机 步进电机感应电机永磁同步电机表贴式永磁同步电机内
5、嵌式永磁同步电机电动式永磁同步资料来源：新材料网感应电机（异步电机）最重要的两部分为定子和转子，其工作原理为：以交流电通 于定子，使其磁极性质循环改变，就相当于一个旋转的磁场。定子产生旋转磁场使得定 子和转子存在相对运动，相当于转子作切割磁感线的运动。从而转子感应出电动势、感 应电流并产生安培力，从而带动转子旋转。当转子转速逐渐接近旋转磁场的同步转速时， 转子与定子的相对运动速度减小，感应电流逐渐减小，所产生的安培力也相应减小。图4 感应电动机示意图资料来源：太平洋汽车网总的来说，当异步电机工作在电机状态时，转子转速小于同步转速。正因为两者转 速存在一个差值，所以称为“异步电机”。还有一种说法
6、将感应电机特指为仅有一套绕组 连接电源的异步电机，而依据所用交流电的种类还有单相电机和三相电机的区分。3. 稀土永磁同步电机与特斯拉不同的是，国内外大部分新能源汽车用的是同步电机。表 1 全球主要新能源车型驱动电机技术路线车型电机类型车型电机类型宝马 i3永磁同步电机北汽 EV200永磁同步电机日产 Leaf永磁同步电机比亚迪 e6永磁同步电机福特 Focus EV永磁同步电机福特 Focus EV永磁同步电机雪佛兰 Spark EV永磁同步电机特斯拉 Model S / X异步感应电机资料来源：一览众咨询稀土永磁电机，属于同步电机，其转子使用稀土永磁材料制成的永磁体。其原理是： 对其定子通电
7、后产生旋转磁场，旋转磁场推动转子围绕轴心线进行旋转。稳定状态下， 定子的旋转磁场和转子永磁体产生的磁场同步运动。图5 三相永磁电机转子示意图图6 感应电机与永磁同步电机转子的对比资料来源：ResearchGate资料来源：Empowering Pumps图7 永磁同步电机的结构示意图资料来源：上海方力永磁电机所使用的稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（钴、铁等） 组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料，可选用两 种原料：一种是能量密度极大但储量稀少价格昂贵的稀土钐-钴，另一种是资源广泛、加 工性良好的钕铁硼。伴随节能汽车的高速发展，价格低且磁性高的钕铁硼的
8、需求正高速 增长。表 2 两种永磁直流测速发电机体积重量比较电机型号永磁材料永磁材料重量（千克）电机外形尺寸（毫米）电机重量（千克）CY01:02铝镍钴2.8122*2427.990CY01:02钕铁硼0.390*1773.5资料来源：维库电子通网根据正海磁材在互动平台上回复的信息显示，通常情况下一台新能源商用车电机钕 铁硼永磁材料的用量约在 5 到 10 公斤左右，一台新能源乘用车的钕铁硼永磁材料的用 量约在 2 公斤左右。节能与新能源汽车产业发展规划（20122020 年）中规划到 2020 年新能源汽车产能达到 200 万辆。那么我们假设新能源车平均单车消耗钕铁硼磁材在4kg，到 202
9、0 年磁材需求将达到 8000 吨。 据亚洲金属网的估计，2016 年国内钕铁硼 磁材产量不到 9 万吨。假设 2020 年年产量不变，以此计算新能源车的 8000 吨磁材消费将占总产量的 9%左右。4. 感应电动机与稀土永磁电机的比较与感应电机相比，永磁电机在电机质量，外形尺寸，转矩、电流比，效率和功率密 度方面都具有明显优势，仅在电机成本和转速范围上稍微落后。由于感应电机的转子上没有使用稀土永磁体，也无需换向器、电刷，结构简单。同 时由于感应电机对温度忍受范围大，对于散热部件的要求也减少，因此总体成本较低。图8 通常情况永磁电机性能好于直流电机与感应电机资料来源：中国产业信息网而在基本参数
10、方面，永磁电机的功率密度最高，峰值效率最高；在负荷效率和转速 范围方面优于直流电机，但不如感应电机。特斯拉选择感应电机很大程度上是看中了它的输出扭矩可以在大范围内调整，因此 无需安装第二套乃至第三套传动机构。特斯拉设计的电机转速能达到 6000 转/分钟并且 能产生最高为 400 牛顿米的扭矩，能在加速或爬坡时强制提高输出扭矩(虽然时间很短)。 而永磁电机的电动车就必须要通过齿轮箱来输出更多的扭矩来实现提速。表 3 电机驱动系统基本性能比较项目直流电机感应电机永磁电机开关磁阻电机功率密度低中高较高峰值效率（%）85-8990-9595-9715000小质量重中轻轻成本中较低较高较低控制操作性能
11、好好最好好控制器装臵成本系数13.52.54.5资料来源：中国产业信息网永磁电机在损耗方面的优异表现是它最突出的特点。由于异步感应电机需要一部分 功率来产生磁场，以维持电机运转。而永磁电机的磁场是由转子磁钢产生气隙磁密，不 需要这个无功功率，只需从电网中吸取有功功率对外做功即可。一般而言永磁同步电机 比异步电机节能 20%以上。且稀土永磁电机转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生 电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，效率较高。但是特斯拉 Model S 使用的是铜铸转子，而非传统的铝铸转子，可以减少约 20%的 整体电机损耗，特斯拉相对于其它新能源车的电池组电容量更高，这些因素都抵消了三 相电机的
12、劣势，给予了特斯拉为了追求高转速而放弃永磁电机的底气。表 4 电机耗损情况比较类型 输出功率 说明高速有刷电机 316W 效率 69，损耗 31。其中，励磁铜损 6，励磁铁损 3，电枢铜 损 3，电刷损耗 8，电枢铁损 8，机械损耗 2，杂散损耗 1感应电机 420W 效率 85，损耗 15。其中，初级绕组铜损 6，铁损 4，次级铜 损和杂散损耗 5永磁电机 转子涡流损耗较少，因而损耗多只考虑电枢绕组铜电阻的铜损、电枢铁心 的铁损和机械损耗备注：这里的损耗指驱动电动车运动的能量损耗。 资料来源：维库电子通网。稀土永磁电机目前还是存在一些固有的缺点，比如一旦密封不到位，可能吸引一些 飞散的金属物
13、体，从而产生危险，同时也有被大的反向磁动势和高温消磁的危险。总体 来说稀土永磁电机还是新能源汽车的首选。从能源效率上的考虑以及各国对“新能源汽车”出台的各式对电机最高效率的要求， 如我国 2016 年 10 月 14 日科技部高新司发布“新能源汽车”试点专项 2017 年度项目 申报指南建议，要求 2017 年重点项目，乘用车电机峰值功率密度4kW/kg(30 秒)， 连续功率密度2.5kW/kg，电机最高效率96%，装车应用不低于 25000 台；商用车电 机峰值转矩密度20Nm/kg(60 秒)，连续转矩密度11Nm/kg，电机最高效率96%， 装车应用不低于 5000 台，都引导着各家电
14、动车设计制造商向更节能，能源利用效率更 高的方向拓展。大部分车型选择永磁同步电机也更符合国家的要求。图9 2017 年第三批推荐目录电机配套情况资料来源：电动车资讯网由于永磁电机拥有着诸多优点，我们认为即将量产上市的 Model 3 很有可能改用永 磁电机，特斯拉与中科三环签署采购钕铁硼磁体的协议从侧面验证了这一可能。5. 特斯拉电机产业链剖析在特斯拉的整车成本中，除了电池系统占据了最大的比重，电机系统也是一个非常 重要的成本影响因素，占比达 18.17%。再具体地分析永磁电机的成本构成，磁材的成 本占比最高，达 45%。我们认为 Model 3 有可能使用永磁同步电机取代三相异步电机， 钕铁
15、硼磁材需求会相应增加。图10 特斯拉 Model S 整车成本构成图11 永磁电机成本结构资料来源：seeking alpha资料来源：国家信息中心特斯拉作为新能源汽车产业的拓荒者，在成立之初，有意与欧美一些电机厂商洽谈 合作，但由于体量太小而遭到拒绝，只有台湾的富田电机答应合作研发。此后富田为特 斯拉的首款车型 Roadster 研发并制造了电动机，为特斯拉电机在效率与减重方面做出 了贡献。直到现在，富田仍是特斯拉电机的合作方，这也是特斯拉选择了传统的三相异 步电机的原因之一。特斯拉是未来几年的投资主线之一，由于国内给予新能源汽车非常丰厚的政策红利， 国内企业也都有意愿进入到特斯拉的国产化的
16、产业链之中。建议关注已经和特斯拉有供 应关系的企业，以及国内电机、稀土领域的相关龙头企业。信质电机是国内最大的汽车发电机定子制造商。专业从事各种电机定子、转子等核 心零部件的研发、制造和销售。2014 年，信质电机以自有资金收购上海鑫永 75%的股 权，收购完成后，公司及控股子公司鑫永电机与富田电机达成合作，共同开拓中国大陆 市场，该收购使信质电机成为第一支有正统特斯拉核心零部件供应商血统的 A 股标的。 但是目前公司已公告拟挂牌出售上海永鑫。风险：市场格局变化，同行业内竞争中科三环是目前中国稀土永磁材料产业的代表企业，全球最大的钕铁硼永磁体制造 商之一。2016 年 10 月 29 日，公司公告称签订特斯拉零部件采购通用条款，有效期 限 3 年，正式挺进特斯拉供应链，是与特斯拉达成采购意向的唯一国内磁材公司。由于 永磁体主要应用于永磁电机之上，该协议也进一步证实了 Model 3 转向永磁同步电机的 预测。风险提示：特斯拉没有进一步扩大永磁同步电机的装车数量宁波韵升目前具备钕铁硼坯料产能 8000 吨，是中国主要的稀土永磁材料制造商之 一。同时还积极向下游延伸，为下游客户提供高品质的直线电机定子、高速精密转子、 拼接磁环等产品。风险提示：下游需求不达预期。6. 风险提示下游需求不达预期，后续技术研究进展不及预期。-END-
