【興業電新 特斯拉系列科普3】特斯拉電機：回歸永磁同步之路

摘錄自 2017/8/21 中國新聞網

原標題：【興業電新 特斯拉系列科普3】特斯拉電機：回歸永磁同步之路

特斯拉Model S及X所使用的電機是台灣富田生產的三相非同步交流電機，就其使用的電機種類而言，與目前全球其他廠商使用的同步電機區別較大。儘管特斯拉使用的電機功率大、性能優異，在與整車整合後有著優異的表現，但是其成本高使得在低價的Model 3上難以繼續應用。我們通過橫向對比其他豪華車品牌，同時縱向分析特斯拉本身的發展路徑，結合永磁同步電機的對比優勢，認為Model 3使用永磁同步電機是特斯拉大規模工業化生產的必然選擇。

非同步電機優缺點並存

1.1、非同步電機與同步電機的優劣比較

與全球大多數新能源汽車企業普遍採用永磁同步直流電機不同，自特斯拉第一款車型Roadster推出起，特斯拉就一直採用三相非同步交流電機。圖1展示了三相非同步交流電機的基本結構圖。當三相非同步電機接入三相交流電時，三相定子繞組通入電流會產生三相磁動勢（定子旋轉磁動勢）併產生旋轉磁場。該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組為閉合通路）。根據電磁力定律，載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，當電動機軸上帶機械負載時，便向外輸出機械能。由於三相非同步電機的轉子與定子旋轉磁場以相同的方向，不同的轉速旋轉，存在轉速差，因此叫做非同步電機，又稱為感應電機。汽車中的交流非同步電機的轉子常採用空心式結構，這種結構簡單牢固，適於高速旋轉，免維護，且成本較低。三相非同步電機矢量控制調速技術比較成熟，使得非同步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早應用於電動大客車的驅動系統，技術相對成熟。

圖1、三相非同步電機結構圖

資料來源：興業證券研究所

相應的，圖2展示了永磁同步電機的基本結構圖。可以看到，在永磁同步電機中，其轉子由永磁材料製成，通過旋轉產生旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉磁場作用下通過電樞反應，感應三相對稱電流，此時電子動能轉化為電能，永磁同步電機作發電機用。此外，當定子側通入三相對稱電流，三相定子電流在空間中產生旋轉磁場，轉子旋轉磁場中受到電磁力作用，此時電能轉化為動能，永磁同步電機作電動機用。永磁同步電機一大特點就是應用了高磁能積、高矯頑力的稀土燒結釹鐵硼永磁材料 。釹鐵硼屬第三代稀土永磁材料，是迄今發現的磁性材料中磁性最強的一種。總體來看，永磁同步電機具有高功率、體積小、運行穩定性高和過載能力大等優點，是綜合性能最優的電機。

圖2、永磁同步電機結構圖

資料來源：興業證券研究所

資料來源：興業證券研究所

三相非同步交流電機與永磁同步電機相比，兩者各有優缺點。

表1展示了非同步交流電機與永磁同步電機的性能對比情況。首先，從永磁同步電機本身來看，電機的效率很高，大多數永磁同步電機在額定功率點的效率都高於普通的三相非同步電機。由於電機的勵磁磁場由永磁體提供，轉子不需要勵磁電流，因此在任意轉速點與非同步交流電機相比都更為節約電能，尤其在轉速低時此優勢更為明顯。其次，永磁同步電機由於使用了高性能的永磁材料提供磁場，使得永磁同步電機的重量和體積得到了大大的縮減，更加方便了在實際生產中的推廣與應用。第三，由於永磁同步電機一般也是採用非同步起動方式，電機正常工作時轉子繞組不起作用，因此在設計永磁電機時，可使轉子繞組滿足高起動轉矩的要求。

與三相非同步交流電機比較，永磁同步電機除了具有上述優點以外，還有一些劣勢存在，例如：安裝永磁電機的電動車需要通過齒輪箱來輸出更多扭矩從而實現提速的目的，但是三相非同步交流電機卻無需安裝額外的傳動裝置，其扭矩調節範圍較廣；在較極端的氣溫條件下，永磁體的磁性不穩定，需要安裝散熱器、水泵以及冷卻風扇等，三相非同步交流電機卻較少用到此類裝置。另外，三相非同步交流電機還具有成本低、結構簡單易維護；環境適應性高以及在負載區域內接近恆速等優勢。

1.2、特斯拉與其他新能源汽車電機比較

資料來源：興業證券研究所

表2列示了幾種中高端新能源汽車的性能對比情況表。從表中可以發現，從整體來看，特斯拉的綜合性能位居全球新能源汽車的前列，無論是電機最大功率還是續航里程，都遠高於其他品牌的電動汽車。從電機最大功率來看，特斯拉的電機最大功率是310Kw，而同樣作為中高端車型的寶馬I3和I8系列，其電機最大功率為125Kw和95Kw（混合動力）。特斯拉Model S系列的續航里程可以達到480Km，是其他品牌電動汽車續航里程的3倍及以上。另外，根據有關數據顯示，寶馬I3系列電動汽車的最大扭矩為250N.m，遠小於特斯拉電動汽車電機的配置參數。結合電機功率和電機質量來看，特斯拉的電機功率密度高達6Kw/kg，在當今的電動汽車中擁有十分顯著的電機優勢。

特斯拉選用非同步交流電機原因分析

台灣富田電機是特斯拉電機的主要供應商。從特斯拉建立之初的背景條件來看，在特斯拉創辦之初，由於其產量小，又對零部件的成本、技術有一定的限制和要求，為其提供汽車零部件可以獲得的利潤空間很小，許多歐美日韓的供應商並不願意與其合作，台灣的很多規模較大的工廠也對特斯拉並不感興趣。在此大背景下，特斯拉與當時規模並不大的富田電機建立了合作關係，選擇了結構簡易、生產成本較低的非同步交流電機作為該公司新能源汽車的電機。

從公司對於產品的市場定位方面來看，根據埃隆·馬斯克在2006年發布的特斯發展規劃四部曲，特斯拉的業務發展依次為：生產小量而昂貴的電動跑車、適量價格適中的車型、量產價格親民的車型以及提供太陽能電力。目前，特斯拉除了有第一代跑車Tesla Roadster以外，現有車型還有Model S和Model X，也已推出了Model 3並接受市場預訂。與第一代電動跑車的市場定價相比，Model S的價格雖有所降低，但還是屬於中高端車型。對於此類中高端車型來說，加速性以及高速性能是這類汽車企業所要考慮的重要因素，而使用非同步電機是其最好的選擇。現在特斯拉主打的Model S和Model X的加速性能都十分出色，Model S p100d的百公里加速僅需2.7秒。

另外，相比於永磁同步電機，非同步交流感應電機的一大弱點在於其功率密度與體積、重量等。對於新能源汽車來說，運用非同步交流感應電機的技術難點也在於小型化和高功率。特斯拉的驅動電機通過使用高頻繞組定子和銅質轉子，成功解決了這項技術難題，對於想要通過運用交流感應電機來提高電動汽車電機性能的新能源汽車企業來說，形成了較難攻破的技術壁壘。而特斯拉作為全球新能源汽車領域極具影響力的企業，該核心技術的發展與成熟運用對其鞏固和進一步公司業務，擴展市場份額起到了十分重要的作用。另外，基於電機體積小功率密度高的特性，汽車驅動電機可以直接放置在車輪周圍，從而減少軸轉動，這樣不僅提升了效率，更增大了汽車後排的乘車空間及前後的儲物空間，使汽車得到了更高效的設計安排和使用。

Model 3電機性能預想

2016年3月底，特斯拉公布了第四款電動汽車——Model 3。Model 3的其售價僅為35,000美元，價格不到Model S和Model X系列車型價格的一半。在特斯拉公布Model 3之後的短短一周內，就有超過32.5萬人預訂了該系列車型，市場反應可謂十分熱烈。Model 3目前的定價，與國內的部分相對中高端的電動汽車車型售價較為接近。根據特斯拉官方公布數據顯示，Model 3的售價雖然相比於之前的車型較為便宜，但續航里程仍然達到了345公里，因此預測特斯拉在該款車型中電池方面的成本並不會有大幅度的下降，而相應的，電機部分的成本就要有相當程度的縮減，從而確保特斯拉Model 3的利潤空間。

資料來源：興業證券研究所

上表列示了國內部分與Model 3售價相當的電動汽車車型電機性能情況表。目前，根據官方數據顯示，Model 3的續航里程為345公里，和騰勢電動汽車的續航里程大體相同。但Model 3的百公里加速時間僅為6秒，而騰勢的百公里加速時間需要14秒左右。另外，根據北汽EU260、騰勢以及比亞迪e6等車型的性能比較分析可得，預測Model 3系列車型的最高車速在150km/h左右，不會超過Model S車型的最高車速210km/h。

潛在產業鏈供應

如果Model 3選擇使用稀土永磁同步電機作為驅動電機的話，那麼國內廠商切入其電機產業鏈的可能性是比較高的。經歷過近3-4年的快速發展，國產新能源汽車電機及總成的配套整合能力有了明顯提升，整車控制器等核心零部件的生產工藝也有較大提升。永磁同步電機作為國產新能源汽車使用的主要電機類型，也積累的大量的實際生產、運行經驗，為特斯拉Model 3提供配套也有比較紮實的基礎。

目前主要使用的稀土永磁電機是釹鐵硼電機，在釹鐵硼發現之前，使用的是成本高且磁能密度較低的釤鈷稀土電機。高性能釹鐵硼磁體產生的磁場，不僅可以達到電流勵磁所產生的磁場強度，而且還遠遠超過電流勵磁，因而可以製造出數千kW的大中型電機。但是釤鈷電機的穩定性高，這是其主要優點。

圖3、永磁同步電機控制示意圖

資料來源：興業證券研究所

從目前的情況來看，大洋電機、大郡、精進、方正電機等國內主流的電機企業都有可能向特斯拉供貨，主要的零部件廠商信質電機的確定性相對較高一些。但是從整個產業鏈環節來看，最具彈性的是電機稀土材料。目前，國內主要的釹鐵硼供應商為中科三環和寧波韻升，且產能都相對有限，可能成為Model 3國產化進程開始后，最受益的產業鏈環節之一。

從稀土材料用量上來看，配置60kw電動機的混合動力車需要釹鐵硼永磁材料2-3kg；90kw電動機混合動力車需要釹鐵硼永磁材料5公斤以上。同時，每噸釹鐵硼材料需要0.42噸金屬釹。目前，金屬釹價格約30萬元/噸，氧化鐠釹價格約20萬元/噸。

總結及展望

特斯拉Model 3使用永磁同步電機，是特斯拉大規模工業化生產、提升整體效率的必然選擇。對比非同步交流電機，永磁同步電機在電動汽車的使用上具有明顯的優勢，包括高功率、體積小、運行穩定性高和過載能力大等優點。因此，在特斯拉進一步小型化、更注重汽車整體設計的前提下，使用永磁同步電機是自然的選擇。

永磁同步電機的國內產業鏈建設相對完善，儘管與國外的最先進水平存在一定差距，但是若未來特斯拉能夠實現國產，那麼其產業鏈部分向國內轉移的可能性是完全存在的。同時，特斯拉Model 3使用永磁同步電機也更堅定了國內車企當前的技術路線，國內產業鏈、產業研發也將受到提振。

下一篇科普文章中，我們將詳細介紹特斯拉的溫度控制系統，包括其電池、電機及車內溫度控制等環節，感謝各位投資人的關注。