特斯拉下一代永磁電機去稀土分析

印寧華|印寧華|Indining China|

2023-03-16 08:35:37 708

特斯拉的2023年秘密宏圖第三篇章投資者發(fā)布會，就“帶崩”了A股幾個板塊。看起來，馬斯克這次是要一已之力挑戰(zhàn)全球車企的節(jié)奏！

3月2日A股開盤，稀土板塊開盤遭重挫，稀土成為當(dāng)天A股跌幅最大的板塊。

稀土板塊受影響走低

主要原因是特斯拉負責(zé)動力總成工程的副總裁Colin Campbell談到，特斯拉的下一代永磁電機將完全不使用稀土材料，它們將在緊湊高效的工廠里進行建造。將為下一代汽車設(shè)計所有控制器，以降低電子設(shè)備的復(fù)雜性和成本，還有下一代平臺也將減少75%的碳化硅，還要自行更多更加集成化的控制器，總制造成本下降1000美元。馬斯克直言，我們不認為其他任何汽車制造商可以接近我們的成本。

稀土元素包括釤、鈧和鏑等，是用于制造永磁電機的動力材料。而這些稀土元素的可用性有限，價格也非常昂貴，因此，特斯拉公司正在致力于不使用這些元素的永磁電機的研發(fā)。

稀土材料其實存在于我們生活中，例如小時候玩的磁鐵就是稀土材料。稀土可以應(yīng)用揚聲器和各種電機當(dāng)中，而新能源汽車采用的永磁電機是稀土材料的使用大戶。而中國是*上最大的稀土出口國。

釹鐵硼稀土永磁材料

關(guān)于特斯拉對下一代永磁電機不再使用稀土材料，也有相關(guān)研報機構(gòu)也表示，特斯拉只是說下一代放棄稀土永磁，并沒有說明什么東西可以替代稀土，雖然隨著科技的進步，可以有替代產(chǎn)品，但其目前并沒有說明什么東西可以替代。新能源車正成為稀土永磁的最大增長點。高性能釹鐵硼在新能源汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于發(fā)動機與輔助電機，每臺新能源汽車大約消耗3kg釹鐵硼，而傳統(tǒng)車僅需0.3-0.4kg釹鐵硼。新能源汽車的普及將提高對稀土永磁材料的需求。

研究表明，新一代永磁電機的結(jié)構(gòu)可以不使用稀土材料，而是使用可再生材料，例如鈦、鋁、鐵和硅，這些材料都是可再生的，價格也更實惠。特斯拉公司表示，新一代永磁電機可以在效率和質(zhì)量上達到甚至比稀土材料電機更高的水平。

特斯拉公司表示，他們正在制定一種全新的電機結(jié)構(gòu)，比現(xiàn)有電機更加環(huán)保。他們希望，通過使用可再生材料，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車的更高效率，降低碳排放，保護環(huán)境。特斯拉要“重返”不含稀土電機，可能有幾個目的，一方面要擺脫稀土在美國的供應(yīng)不足；另一方面是繼續(xù)降本，降低電子設(shè)備的復(fù)雜性和成本。其三，特斯拉去稀土的新技術(shù)的可靠性和耐用性還沒被驗證，或許是馬斯克只是借新技術(shù)來向稀土企業(yè)壓價。

特斯拉公司表示，他們將在未來幾年推出一系列新一代永磁電機，并計劃在2021年完成生產(chǎn)。他們表示，未來的永磁電機將成為電動汽車行業(yè)的未來發(fā)展方向。特斯拉公司正在致力于研發(fā)一種不使用稀土材料的新一代永磁電機，以達到更高的效率和環(huán)境友好性。

其實，目前在電動車上使用的電動機有兩種——永磁同步電機和無磁感應(yīng)交流異步電機。永磁同步電機技術(shù)成熟，而且效率較高，所以被應(yīng)用在大部分單電機設(shè)計的電動車上，例如特斯拉Model 3長續(xù)航版就是后置單電機。

但永磁電機有一個大的缺點——它需要用到珍貴的稀土材料。還有永磁同步電機價格稍高，以及高溫易退磁等缺點。

而感應(yīng)交流異步電機優(yōu)點是無需稀土，但缺點就是扭矩密度和功率密度低，而且體積較大。感應(yīng)交流異步電機國際先進水平效率一般可以做到92%，比永磁電機略低。

例如特斯拉、蔚來等采用雙電機的性能版本，就是后軸永磁同步，前軸感應(yīng)異步方案。永磁同步電機優(yōu)點是省電效率高，用來續(xù)航比較好，而感應(yīng)異步電機的好處是響應(yīng)快，扭力輸出大可以提升性能。

這就是為什么像特斯拉Model 3、蔚來等四驅(qū)電動車性能強的一個原因。一方面響應(yīng)更快的感應(yīng)異步電機放在前軸，它的四驅(qū)響應(yīng)速度不是普通燃油車機械傳動的四驅(qū)可以相比。
但無論如何，感應(yīng)交流異步電機才是未來的發(fā)展方向。

例如2021年德國馬勒就發(fā)布了一款新型無磁電機，無需稀土材料。而且該電機在幾乎任何工況下的效率都可達95%以上，這在之前只有電動方程式賽車能做到。

電機的關(guān)鍵特性在于無接觸的感應(yīng)式動力傳輸，這使得電機可以無磨損運行。無接觸無磨損給它帶來兩個優(yōu)勢——一是在高轉(zhuǎn)速時尤為高效，二是特別耐用。

電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的電能傳輸不發(fā)生接觸，因而不會產(chǎn)生磨損，可以做到電機免于維護，這樣的優(yōu)勢讓應(yīng)用范圍廣泛。

其實特斯拉近年一直在有意降低稀土的使用量，發(fā)布會上特斯拉談到：在2017年至2022年期間，由于提高了傳動系統(tǒng)的效率，他們已成功地將新Model 3驅(qū)動模塊的稀土使用量減少了25%。

在特斯拉目前使用的電機中，三種稀土元素分別使用了500g、10g和10g。而他們計劃未來將三種稀土元素的用量都降至0g。最終特斯拉是否能實現(xiàn)技術(shù)突破，進一步降低造車成本，還得看馬斯克后續(xù)的操作了。

有行業(yè)內(nèi)人士從業(yè)界和學(xué)界的角度上分析，要實現(xiàn)不用稀土的永磁電機目前已有兩條清晰路線：*種是永磁輔助同步的勵磁電機，最大特色是用鋼做轉(zhuǎn)子，可以不用稀土。第二種是對稀土本身的替代，制造一種新型的磁性材料，比如鐵和鎳的材料作為稀土材料上的替代。所以從技術(shù)突破上來說永磁電機不依賴稀土是有技術(shù)路徑的，下一步需要觀察特斯拉的技術(shù)成果和相關(guān)的設(shè)計效果。

電機是汽車的核心系統(tǒng)，在今天，大部分電動汽車都配備了由稀土制成的永磁電機驅(qū)動的動力系統(tǒng)。而稀土資源大部分都在中國。新能源汽車普遍采用的是永磁電機，具有能量密度大、運行可靠、調(diào)速性能好等特點。特斯拉沒有具體說明現(xiàn)行沿用的電機使用了哪些元素，但有媒體猜測，*個元素可能是釹，過去釹基永磁體是電機應(yīng)用的標準公式。另外兩個是鏑和鋱。

另有業(yè)內(nèi)人士認為，特斯拉要去稀土化其實沒有那么容易，特斯拉說的是下一代永磁電機，既然還是永磁同步路線，那仍然需要磁材。稀土永磁材料在發(fā)展中經(jīng)歷了*代 SmCo5、第二代SM2Co17、第三代釹鐵硼Nd2Fe14B三個階段的發(fā)展。據(jù)了解目前第四代鐵氮（碳）永磁體仍然處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化仍有一定距離。

但是雖然說不容易，但是特斯拉既然提出來了，要實現(xiàn)或許是時間問題，我們不能用國內(nèi)廠商的難度去推演特斯拉實現(xiàn)的難度，畢竟，彼此的技術(shù)與研發(fā)環(huán)境的差距是客觀存在的。從日本日產(chǎn)公司成功研發(fā)出固態(tài)電池到特斯拉電機不用稀土，我們或許能隱隱看到電車領(lǐng)域還存在著各種突破的可能性，國內(nèi)車企需要有一定的警惕感與危機感。

此外，寶馬的第五代無磁電機是將老技術(shù)搭配新材料，形成全新的模式。它本質(zhì)是一個三相交流同步電機，利用電刷和換向器為轉(zhuǎn)子繞組提供動力。沒有磁鐵，不使用稀土，動力強勁。根據(jù)寶馬的說法，其第五代電機系統(tǒng)允許更高的能量密度，更快的開關(guān)頻率和更好的熱管理。

但是無論基于哪一種，當(dāng)前大量的嘗試其實也在驗證這條路是具備可行性的，行業(yè)對這個方向也是存在預(yù)期的，那么特斯拉到底會采用哪種路徑，會采用什么材料，會不會是以上已在探索中的路線中的一種，目前還不得而知，但對于材料革命方面，國內(nèi)車企其實也需要有一定危機感了。

今年的稀土配額還沒出來，現(xiàn)在脫鉤的趨勢甚囂塵上，稀土是我們能夠用來反制的為數(shù)不多的產(chǎn)業(yè)，所以特斯拉應(yīng)該也是嗅到風(fēng)向，下決心要去稀土化，特斯拉下一代電機將不使用稀土永磁，大概率是用一種特殊磁性材料替代掉稀土。

特斯拉去稀土化本質(zhì)也是想迎合資本市場，減輕資本市場在供應(yīng)鏈層面的擔(dān)憂。如果特斯拉電機去稀土化成功，有可能進一步降低成本，從國內(nèi)來看，稀土或許會形成過剩局面，包鋼也好，北方稀土也好，輕稀土行業(yè)的未來是值得擔(dān)憂的，畢竟，永磁電機是稀土下游最大的應(yīng)用領(lǐng)域，特斯拉這*去稀土，也可能帶動其他車企的跟進，弱化稀土的需求。還有一個就是未來汽車零配件的投資風(fēng)險，以及去碳化硅。

從目前來看，中國車企需要關(guān)注電動汽車的材料革命，對前瞻性領(lǐng)域保持探索與跟進。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破，都會引起生產(chǎn)技術(shù)的革命，極大加速社會發(fā)展的進程。

即便從半導(dǎo)體行業(yè)來看，各家在研究繞過光刻機的技術(shù),比如國內(nèi)的光子芯片以及此前美光科技依賴多重曝光光刻技術(shù)結(jié)合全新材料生產(chǎn)的于1-alpha技術(shù)制造的LPDDR5X芯片等，普遍都在采用全新的材料。而新材料對應(yīng)的是全新的物理機制實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及生產(chǎn)結(jié)構(gòu),這是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新方向。

在電動車領(lǐng)域，無論是固態(tài)電池還是永磁電機去稀土化都是這種材料革命的傾向。比如從固態(tài)電池來看，材料已經(jīng)不再是鋰，能作為固態(tài)電池的材料有很多，各家還都在研究更*的材料，目前日產(chǎn)是采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。日本日產(chǎn)公司是首家宣稱已經(jīng)成功開發(fā)出全固態(tài)電池，國內(nèi)更多企業(yè)是采用半固態(tài)電池作為過渡方案。半固態(tài)雖然名字上跟固態(tài)電池很相似，可實際上反而與當(dāng)前的液態(tài)鋰離子電池關(guān)系更近，它仍需要電解液和隔膜，產(chǎn)品形態(tài)上并沒有本質(zhì)上的創(chuàng)新，仍屬于改良型的方案。日產(chǎn)的固態(tài)電池完全去除了電池中的液體元素，將大大提高存儲和電力傳輸?shù)男省?/span>不僅比鋰電池節(jié)省50%的成本，還將能源密度提高一倍，充電速度提高三倍。

從固態(tài)電池到特斯拉永磁電機去稀土化，本質(zhì)上都是要通過材料革命換掉供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，如果成功，國內(nèi)建立起來的電車供應(yīng)鏈優(yōu)勢可能要被打掉一部分。因此，電車的材料革命的研發(fā)，國產(chǎn)電車不能掉以輕心，因為國產(chǎn)新能源現(xiàn)在處于一個成長的關(guān)鍵期——整體的市場體量、品牌影響力與技術(shù)實力正在發(fā)展起來，但是還沒有形成足夠強的壁壘。

在這個關(guān)鍵成長窗口期，又被特斯拉成本控制能力壓制，特斯拉可以做到控制成本之余又有足夠高的利潤，但是國產(chǎn)電車還做不到。需要思考的是，馬斯克未來還要進一步從材料上面節(jié)約成本，不影響質(zhì)量情況下，優(yōu)惠消費者，國內(nèi)車企是否能做到？新的材料是否會帶來新的技術(shù)突破與革新，對現(xiàn)有供應(yīng)鏈體系造成沖擊？

國內(nèi)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)層面需要多點耐心并沉下去研發(fā)推進，無論是固態(tài)電池還是其他環(huán)節(jié)方面降本工藝與材料突破，這也代表技術(shù)路線出現(xiàn)了新的岔路口，國內(nèi)需要有更大的危機感來面對未來的競爭，我們也對國內(nèi)車企的創(chuàng)新與突破保持期待。

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