【兴业电新 特斯拉系列科普3】特斯拉电机：回归永磁同步之路

特斯拉Model S及X所使用的电机是台湾富田生产的三相异步交流电机，就其使用的电机种类而言，与目前全球其他厂商使用的同步电机区别较大。尽管特斯拉使用的电机功率大、性能优异，在与整车整合后有着优异的表现，但是其成本高使得在低价的Model 3上难以继续应用。我们通过横向对比其他豪华车品牌，同时纵向分析特斯拉本身的发展路径，结合永磁同步电机的对比优势，认为Model 3使用永磁同步电机是特斯拉大规模工业化生产的必然选择。

1.1、异步电机与同步电机的优劣比较

与全球大多数新能源汽车企业普遍采用永磁同步直流电机不同，自特斯拉第一款车型Roadster推出起，特斯拉就一直采用三相异步交流电机。图1展示了三相异步交流电机的基本结构图。当三相异步电机接入三相交流电时，三相定子绕组通入电流会产生三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组为闭合通路）。根据电磁力定律，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向，不同的转速旋转，存在转速差，因此叫做异步电机，又称为感应电机。汽车中的交流异步电机的转子常采用空心式结构，这种结构简单牢固，适于高速旋转，免维护，且成本较低。三相异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动大客车的驱动系统，技术相对成熟。

图1、三相异步电机结构图

资料来源：兴业证券研究所

相应的，图2展示了永磁同步电机的基本结构图。可以看到，在永磁同步电机中，其转子由永磁材料制成，通过旋转产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流，此时电子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机用。此外，当定子侧通入三相对称电流，三相定子电流在空间中产生旋转磁场，转子旋转磁场中受到电磁力作用，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机用。永磁同步电机一大特点就是应用了高磁能积、高矫顽力的稀土烧结钕铁硼永磁材料 。钕铁硼属第三代稀土永磁材料，是迄今发现的磁性材料中磁性最强的一种。总体来看，永磁同步电机具有高功率、体积小、运行稳定性高和过载能力大等优点，是综合性能最优的电机。

图2、永磁同步电机结构图

资料来源：兴业证券研究所

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三相异步交流电机与永磁同步电机相比，两者各有优缺点。

表1展示了异步交流电机与永磁同步电机的性能对比情况。首先，从永磁同步电机本身来看，电机的效率很高，大多数永磁同步电机在额定功率点的效率都高于普通的三相异步电机。由于电机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，因此在任意转速点与异步交流电机相比都更为节约电能，尤其在转速低时此优势更为明显。其次，永磁同步电机由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁同步电机的重量和体积得到了大大的缩减，更加方便了在实际生产中的推广与应用。第三，由于永磁同步电机一般也是采用异步起动方式，电机正常工作时转子绕组不起作用，因此在设计永磁电机时，可使转子绕组满足高起动转矩的要求。

与三相异步交流电机比较，永磁同步电机除了具有上述优点以外，还有一些劣势存在，例如：安装永磁电机的电动车需要通过齿轮箱来输出更多扭矩从而实现提速的目的，但是三相异步交流电机却无需安装额外的传动装置，其扭矩调节范围较广；在较极端的气温条件下，永磁体的磁性不稳定，需要安装散热器、水泵以及冷却风扇等，三相异步交流电机却较少用到此类装置。另外，三相异步交流电机还具有成本低、结构简单易维护；环境适应性高以及在负载区域内接近恒速等优势。

1.2、特斯拉与其他新能源汽车电机比较

资料来源：兴业证券研究所

表2列示了几种中高端新能源汽车的性能对比情况表。从表中可以发现，从整体来看，特斯拉的综合性能位居全球新能源汽车的前列，无论是电机最大功率还是续航里程，都远高于其他品牌的电动汽车。从电机最大功率来看，特斯拉的电机最大功率是310Kw，而同样作为中高端车型的宝马I3和I8系列，其电机最大功率为125Kw和95Kw（混合动力）。特斯拉Model S系列的续航里程可以达到480Km，是其他品牌电动汽车续航里程的3倍及以上。另外，根据有关数据显示，宝马I3系列电动汽车的最大扭矩为250N.m，远小于特斯拉电动汽车电机的配置参数。结合电机功率和电机质量来看，特斯拉的电机功率密度高达6Kw/kg，在当今的电动汽车中拥有十分显著的电机优势。

台湾富田电机是特斯拉电机的主要供应商。从特斯拉建立之初的背景条件来看，在特斯拉创办之初，由于其产量小，又对零部件的成本、技术有一定的限制和要求，为其提供汽车零部件可以获得的利润空间很小，许多欧美日韩的供应商并不愿意与其合作，台湾的很多规模较大的工厂也对特斯拉并不感兴趣。在此大背景下，特斯拉与当时规模并不大的富田电机建立了合作关系，选择了结构简易、生产成本较低的异步交流电机作为该公司新能源汽车的电机。

从公司对于产品的市场定位方面来看，根据埃隆·马斯克在2006年发布的特斯发展规划四部曲，特斯拉的业务发展依次为：生产小量而昂贵的电动跑车、适量价格适中的车型、量产价格亲民的车型以及提供太阳能电力。目前，特斯拉除了有第一代跑车Tesla Roadster以外，现有车型还有Model S和Model X，也已推出了Model 3并接受市场预订。与第一代电动跑车的市场定价相比，Model S的价格虽有所降低，但还是属于中高端车型。对于此类中高端车型来说，加速性以及高速性能是这类汽车企业所要考虑的重要因素，而使用异步电机是其最好的选择。现在特斯拉主打的Model S和Model X的加速性能都十分出色，Model S p100d的百公里加速仅需2.7秒。

另外，相比于永磁同步电机，异步交流感应电机的一大弱点在于其功率密度与体积、重量等。对于新能源汽车来说，运用异步交流感应电机的技术难点也在于小型化和高功率。特斯拉的驱动电机通过使用高频绕组定子和铜质转子，成功解决了这项技术难题，对于想要通过运用交流感应电机来提高电动汽车电机性能的新能源汽车企业来说，形成了较难攻破的技术壁垒。而特斯拉作为全球新能源汽车领域极具影响力的企业，该核心技术的发展与成熟运用对其巩固和进一步公司业务，扩展市场份额起到了十分重要的作用。另外，基于电机体积小功率密度高的特性，汽车驱动电机可以直接放置在车轮周围，从而减少轴转动，这样不仅提升了效率，更增大了汽车后排的乘车空间及前后的储物空间，使汽车得到了更高效的设计安排和使用。

2016年3月底，特斯拉公布了第四款电动汽车——Model 3。Model 3的其售价仅为35,000美元，价格不到Model S和Model X系列车型价格的一半。在特斯拉公布Model 3之后的短短一周内，就有超过32.5万人预订了该系列车型，市场反应可谓十分热烈。Model 3目前的定价，与国内的部分相对中高端的电动汽车车型售价较为接近。根据特斯拉官方公布数据显示，Model 3的售价虽然相比于之前的车型较为便宜，但续航里程仍然达到了345公里，因此预测特斯拉在该款车型中电池方面的成本并不会有大幅度的下降，而相应的，电机部分的成本就要有相当程度的缩减，从而确保特斯拉Model 3的利润空间。

资料来源：兴业证券研究所

上表列示了国内部分与Model 3售价相当的电动汽车车型电机性能情况表。目前，根据官方数据显示，Model 3的续航里程为345公里，和腾势电动汽车的续航里程大体相同。但Model 3的百公里加速时间仅为6秒，而腾势的百公里加速时间需要14秒左右。另外，根据北汽EU260、腾势以及比亚迪e6等车型的性能比较分析可得，预测Model 3系列车型的最高车速在150km/h左右，不会超过Model S车型的最高车速210km/h。

如果Model 3选择使用稀土永磁同步电机作为驱动电机的话，那么国内厂商切入其电机产业链的可能性是比较高的。经历过近3-4年的快速发展，国产新能源汽车电机及总成的配套整合能力有了明显提升，整车控制器等核心零部件的生产工艺也有较大提升。永磁同步电机作为国产新能源汽车使用的主要电机类型，也积累的大量的实际生产、运行经验，为特斯拉Model 3提供配套也有比较扎实的基础。

目前主要使用的稀土永磁电机是钕铁硼电机，在钕铁硼发现之前，使用的是成本高且磁能密度较低的钐钴稀土电机。高性能钕铁硼磁体产生的磁场，不仅可以达到电流励磁所产生的磁场强度，而且还远远超过电流励磁，因而可以制造出数千kW的大中型电机。但是钐钴电机的稳定性高，这是其主要优点。

图3、永磁同步电机控制示意图

资料来源：兴业证券研究所

从目前的情况来看，大洋电机、大郡、精进、方正电机等国内主流的电机企业都有可能向特斯拉供货，主要的零部件厂商信质电机的确定性相对较高一些。但是从整个产业链环节来看，最具弹性的是电机稀土材料。目前，国内主要的钕铁硼供应商为中科三环和宁波韵升，且产能都相对有限，可能成为Model 3国产化进程开始后，最受益的产业链环节之一。

从稀土材料用量上来看，配置60kw电动机的混合动力车需要钕铁硼永磁材料2-3kg；90kw电动机混合动力车需要钕铁硼永磁材料5公斤以上。同时，每吨钕铁硼材料需要0.42吨金属钕。目前，金属钕价格约30万元/吨，氧化镨钕价格约20万元/吨。

特斯拉Model 3使用永磁同步电机，是特斯拉大规模工业化生产、提升整体效率的必然选择。对比异步交流电机，永磁同步电机在电动汽车的使用上具有明显的优势，包括高功率、体积小、运行稳定性高和过载能力大等优点。因此，在特斯拉进一步小型化、更注重汽车整体设计的前提下，使用永磁同步电机是自然的选择。

永磁同步电机的国内产业链建设相对完善，尽管与国外的最先进水平存在一定差距，但是若未来特斯拉能够实现国产，那么其产业链部分向国内转移的可能性是完全存在的。同时，特斯拉Model 3使用永磁同步电机也更坚定了国内车企当前的技术路线，国内产业链、产业研发也将受到提振。

下一篇科普文章中，我们将详细介绍特斯拉的温度控制系统，包括其电池、电机及车内温度控制等环节，感谢各位投资人的关注。