東方財(cái)富：特斯拉提出將發(fā)展并應(yīng)用無(wú)稀土電機(jī) 關(guān)注氮化鐵制備及產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會(huì)

智通財(cái)經(jīng)APP獲悉，東方財(cái)富證券發(fā)布研究報(bào)告稱(chēng)，在 Model3 中，特斯拉通過(guò)使用永磁同步電機(jī)替代感應(yīng)電機(jī)，大幅提升性能與整體續(xù)航里程?？紤]到材料成本以及供應(yīng)鏈安全，特斯拉在宏圖3上明確提出將發(fā)展并應(yīng)用無(wú)稀土電機(jī)。無(wú)稀土電機(jī)的方案，應(yīng)從材料替換的角度出發(fā)，而氮化鐵(α“-Fe16N2) 材料作為降低永磁電機(jī)稀土材料的使用上，具有較高的可能性。建議關(guān)注氮化鐵制備及產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會(huì)。

事件：

北京時(shí)間3月2日凌晨，特斯拉在美國(guó)得州超級(jí)工廠舉辦“投資者日”活動(dòng)，正式揭曉了“宏圖”第三章。馬斯克表示，希望整個(gè)人類(lèi)社會(huì)未來(lái)都可以采用清潔能源，在2050年前實(shí)現(xiàn)100%能源可持續(xù)。

公司提到，隨著世界向清潔能源過(guò)渡，稀土的需求在急劇增加，不僅在滿(mǎn)足下游需求方面有難度，而且在開(kāi)采稀土有環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，因此，公司已設(shè)計(jì)了下一代使用永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，將完全不使用稀土材料。新產(chǎn)品將具有更低的成本，同時(shí)保持高效。

▍東方財(cái)富證券主要觀點(diǎn)如下：

在 Model3 中，特斯拉通過(guò)使用永磁同步電機(jī)替代感應(yīng)電機(jī)，大幅提升性能與整體續(xù)航里程。考慮到材料成本以及供應(yīng)鏈安全，公司在宏圖 3 上明確提出將發(fā)展并應(yīng)用無(wú)稀土電機(jī)。

該行認(rèn)為，發(fā)展無(wú)稀土電機(jī)至少包含兩條路徑，其一，雖然特斯拉已表示將繼續(xù)使用永磁電機(jī)，仍對(duì)更換電機(jī)類(lèi)型做出探討，其二是更換目前永磁電機(jī)中使用的以釹鐵硼為主的稀土材料。

電機(jī)類(lèi)型方面，主要包括：永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)以及勵(lì)磁電機(jī)。其中，永磁同步電機(jī)與交流異步電機(jī)為目前新能源汽車(chē)市場(chǎng)常見(jiàn)方案選擇。

永磁同步電機(jī)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域目前被廣泛使用，永磁電機(jī)對(duì)比其他類(lèi)型電機(jī)具有較高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，可以有效減小體積。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，因此具有更好的動(dòng)態(tài)性能以及更低的噪聲。而永磁同步電機(jī)的劣勢(shì)在于，其成本相對(duì)更高，使用釹鐵硼永磁體對(duì)稀土材料依賴(lài)較高。

交流異步電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)工作環(huán)境溫度的適應(yīng)性更強(qiáng)。缺點(diǎn)在于異步電機(jī)對(duì)比永磁同步電機(jī)在同樣的功率和扭矩下，所需要的體積和重量大于同步電機(jī)。

目前，異步電機(jī)的控制精度以及能耗方面仍存在一定差距，面對(duì)復(fù)雜使用場(chǎng)景，如反復(fù)啟停、加減速時(shí)，電機(jī)效率低于同步電機(jī)。從綜合能耗的角度上，異步電機(jī)弱于永磁同步電機(jī)。 特斯拉在四驅(qū)車(chē)型采用前異步、后永磁同步的布局，單電機(jī)車(chē)型則僅使用永磁同步電機(jī)。

勵(lì)磁電機(jī)對(duì)比永磁電機(jī)，使用電源提供電流通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生勵(lì)磁，而非直接使用永磁體，因此不依賴(lài)于稀土材料。由于勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)，在低速及高速場(chǎng)景下都可以提供合適的勵(lì)磁。但是，由于勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組耐溫較差，轉(zhuǎn)子冷卻問(wèn)題更加突出，且轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，維護(hù)成本較高。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor ： SRM)，也成為可變磁阻電機(jī)，是近年來(lái)興起的調(diào)速電機(jī)類(lèi)型。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具備高速運(yùn)行能力、對(duì)高溫不敏感等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，繞組的電感隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化，從而存在轉(zhuǎn)矩脈沖以及較高噪聲等缺點(diǎn)。

由于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)目前裝車(chē)的可能性較低，對(duì)比以上其他電機(jī)方案，綜合性能、成本以及可靠性方面對(duì)比，目前永磁同步電機(jī)方案的綜合優(yōu)勢(shì)仍要高于其他電機(jī)方案。感應(yīng)電機(jī)在性能上遜色于永磁電機(jī)與勵(lì)磁電機(jī)，而勵(lì)磁電機(jī)在可靠性方面弱于永磁電機(jī)。

同時(shí)，特斯拉在活動(dòng)中表示將繼續(xù)使用永磁電機(jī)，因此，該行認(rèn)為，從材料替代的角度探討無(wú)稀土電機(jī)方案的潛在路徑更為合適。

替換稀土永磁材料路線(xiàn)方面，目前主流想法包括使用鐵氧體、鋁鎳鈷來(lái)替代釹鐵硼，從而減少稀土的使用。對(duì)比以上常見(jiàn)磁性材料的剩余磁通密度以及矯頑力，包括鐵氧體與鋁鎳鈷等常見(jiàn)磁性材料對(duì)比釹鐵硼性能仍較弱。釤鈷材料在性能上與釹鐵硼差異較小，但釤鈷仍屬于稀土永磁材料，不符合 0 稀土的替代需求。

研究發(fā)現(xiàn)，硬磁材料之中氮化鐵(α“-Fe16N2)在理論性能上具備替代釹鐵硼的可能性。鐵基磁性化合物通常具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，晶格間隙的氮原子改變了金屬之間的原子距離，從而對(duì)磁性材料的性能產(chǎn)生影響。 

NironMagnetics 是美國(guó)新興磁材廠商，將納米材料工程與冶金方法結(jié)合，致力于打造高強(qiáng)度、無(wú)稀土永磁體氮化鐵。Niron 表示，氮化鐵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 的創(chuàng)始人王建平教授的《Environment-friendly bulkFe16N2 permanent magnet: Review and prospective》中提到， α“-Fe16N2采用環(huán)保型原材料，具有極高的飽和磁通密度(2.9T)以及極高的磁各向異性常數(shù)(1.8?MJ/m3)。從成本角度，氮化鐵由鐵和氮元素制程，成本對(duì)比稀土材料將大幅下降。Niron 同時(shí)表示在氮化鐵制備過(guò)程中，對(duì)環(huán)境污染對(duì)比其他材料平均減少 2/3，最高減少 95%。

氮化鐵存在多種制備方案。鐵氮化合物早在 19 世紀(jì) 30 年代便出現(xiàn)研究，至 50 年代出現(xiàn) Fe-N 相圖，氮化技術(shù)在其后實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。隨著科技進(jìn)步與實(shí)驗(yàn)方式的改進(jìn)，逐漸出現(xiàn)通過(guò)濺射、離子注入以及其他薄膜工藝制備 Fe16N2的薄膜以及通過(guò)固氣反應(yīng)制備含 Fe16N2 的氮化物粉末的技術(shù)。

應(yīng)用方面，Niron 表示，已與通用汽車(chē)(GM)、馬凱特(marquette)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)無(wú)稀土材料的電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)(Drivetrains)。英國(guó) Motor Design公司分別基于 Niron 的氮化鐵以及釹磁鐵設(shè)計(jì)了兩臺(tái) Prius 級(jí)別 30kW，125Nm電機(jī)，對(duì)比釹永磁電機(jī)，在保留了原始電機(jī)直徑的情況下，應(yīng)用 Niron 的材料可以使得電機(jī)體積下降10%，磁材節(jié)省 15-30%。

綜合以上，該行認(rèn)為考慮無(wú)稀土電機(jī)的方案，應(yīng)從材料替換的角度出發(fā)，而氮化鐵(α“-Fe16N2) 材料作為降低永磁電機(jī)稀土材料的使用上， 具有較高的可能性。建議關(guān)注氮化鐵制備及產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會(huì)。

風(fēng)險(xiǎn)提示

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，良率等不及預(yù)期;新技術(shù)迭代;下游需求不及預(yù)期。