电子设备行业动态点评：关注无稀土电机发展的潜在路径

电子设备行业动态点评 / 关注无稀土电机发展的潜在路径 挖掘价值投资成长 / 2023年03月07日 【事项】 北京时间3月2日凌晨，特斯拉在美国得州超级工厂举办“投资者日”活动，正式揭晓了“宏图”第三章。马斯克表示，希望整个人类社会未来都可以采用清洁能源，在2050年前实现100%能源可持续。 公司提到，随着世界向清洁能源过渡，稀土的需求在急剧增加，不仅在满足下游需求方面有难度，而且在开采稀土有环境和健康风险，因此，公司已设计了下一代使用永磁电机的驱动单元，将完全不使用稀土材料。新产品将具有更低的成本，同时保持高效。 图表1：宏图3活动 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：邹杰 证书编号：S1160523010001 联系人：夏嘉鑫 电话：021-23586316 相对指数表现 3/75/77/79/711/71/7 3.29% -2.95% -9.18% -15.42% -21.66% -27.90% 电子设备沪深300 相关研究 《光学光电子系列报告之四：投影设备行业剖析，关注发展趋势及新兴应用》 资料来源：哔哩哔哩，东方财富证券研究所 2023.03.06 《LCDTV订单需求预期强劲反弹，重视背光源升级迸发的产业机会》 2023.02.15 《IC载板系列报告之一：ABF载板国产替代在即，先进封装注入新活力》 2023.02.03 《柳暗花明，秉供给创新，期需求复苏》 行业研究 电子设备 证券研究报告 2023.01.18 《Chiplet与先进封装共塑后摩尔时代半导体产业链新格局》 2023.01.18 2017 【评论】 在Model3中，特斯拉通过使用永磁同步电机替代感应电机，大幅提升性能与整体续航里程。考虑到材料成本以及供应链安全，公司在宏图3上明确提出将发展并应用无稀土电机。 我们认为，发展无稀土电机至少包含两条路径，其一，虽然特斯拉已表示将继续使用永磁电机，我们仍对更换电机类型做出探讨，其二是更换目前永磁电机中使用的以钕铁硼为主的稀土材料。 图表2：Model3电机示意图 资料来源：汽车之家，东方财富证券研究所 电机类型方面，主要包括：永磁同步电机、交流异步电机、开关磁阻电机以及励磁电机。其中，永磁同步电机与交流异步电机为目前新能源汽车市场常见方案选择。 永磁同步电机在新能源汽车领域目前被广泛使用，永磁电机对比其他类型电机具有较高的功率密度和转矩密度，可以有效减小体积。由于转子转动惯量小，因此具有更好的动态性能以及更低的噪声。而永磁同步电机的劣势在于，其成本相对更高，使用钕铁硼永磁体对稀土材料依赖较高。 图表3：永磁同步电机示意图 资料来源：智电汽车，东方财富证券研究所 交流异步电机，其优点在于成本较低，工艺相对简单，对工作环境温度的适应性更强。缺点在于异步电机对比永磁同步电机在同样的功率和扭矩下，所需要的体积和重量大于同步电机。目前，异步电机的控制精度以及能耗方面仍存在一定差距，面对复杂使用场景，如反复启停、加减速时，电机效率低于同步电机。从综合能耗的角度上，异步电机弱于永磁同步电机。特斯拉在四驱车型采用前异步、后永磁同步的布局，单电机车型则仅使用永磁同步电机。 2017 图表4：异步电机示意图 资料来源：智电汽车，东方财富证券研究所 励磁电机对比永磁电机，使用电源提供电流通过转子绕组产生励磁，而非直接使用永磁体，因此不依赖于稀土材料。由于励磁可以调节，在低速及高速场景下都可以提供合适的励磁。但是，由于励磁电机转子绕组耐温较差，转子冷却问题更加突出，且转子本身结构复杂，降低了电机系统的可靠性，维护成本较高。 开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor：SRM），也成为可变磁阻电机，是近年来兴起的调速电机类型。由于其结构简单、具备高速运行能力、对高温不敏感等特点被广泛关注。开关磁阻电机在运行过程中，绕组的电感随着转子的旋转而变化，从而存在转矩脉冲以及较高噪声等缺点。 图表5：宝马励磁电机图表6：开关磁阻电机示意图 资料来源：网通社，百度，东方财富证券研究所资料来源：linquip，东方财富证券研究所 由于开关磁阻电机目前装车的可能性较低，对比以上其他电机方案，综合性能、成本以及可靠性方面对比，目前永磁同步电机方案的综合优势仍要高于其他电机方案。感应电机在性能上逊色于永磁电机与励磁电机，而励磁电机在可靠性方面弱于永磁电机。同时，特斯拉在活动中表示将继续使用永磁电机，因此，我们认为，从材料替代的角度探讨无稀土电机方案的潜在路径更为合适。 图表7：电机方案横向对比 电机类型稀土永磁同步感应异步励磁同步 性能 高 中 较高 成本高中较高 可靠性 高 高 中 资料来源：东方财富证券研究所整理 2017 替换稀土永磁材料路线方面，目前主流想法包括使用铁氧体、铝镍钴来替代钕铁硼，从而减少稀土的使用。对比以上常见磁性材料的剩余磁通密度以及矫顽力，包括铁氧体与铝镍钴等常见磁性材料对比钕铁硼性能仍较弱。钐钴材料在性能上与钕铁硼差异较小，但钐钴仍属于稀土永磁材料，不符合0稀土的替代需求。 图表8：不同磁性材料的对比 资料来源：Sciencedirect，Vectormagnets，东方财富证券研究所 研究发现，硬磁材料之中氮化铁（α“-Fe16N2）在理论性能上具备替代钕铁硼的可能性。铁基磁性化合物通常具有较高的饱和磁化强度，晶格间隙的氮原子改变了金属之间的原子距离，从而对磁性材料的性能产生影响。NironMagnetics是美国新兴磁材厂商，将纳米材料工程与冶金方法结合，致力于打造高强度、无稀土永磁体氮化铁。Niron表示，氮化铁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。 图表9：氮化铁Fe16N2 资料来源：SDMMagnetics，东方财富证券研究所 材料性能方面，Niron的创始人王建平教授的《Environment-friendlybulkFe16N2permanentmagnet:Reviewandprospective》中提到，α“-Fe16N2采用环保型原材料，具有极高的饱和磁通密度（2.9T）以及极高的磁各向异性常数（1.8MJ/m3）。从成本角度，氮化铁由铁和氮元素制程，成本对比稀土材 2017 料将大幅下降。Niron同时表示在氮化铁制备过程中，对环境污染对比其他材料平均减少2/3，最高减少95%。 图表10：Niron对比含钕稀土磁材 资料来源：NironMagnetics，东方财富证券研究所 氮化铁存在多种制备方案。铁氮化合物早在19世纪30年代便出现研究，至50年代出现Fe-N相图，氮化技术在其后实现工业应用。随着科技进步与实验方式的改进，逐渐出现通过溅射、离子注入以及其他薄膜工艺制备Fe16N2的薄膜以及通过固气反应制备含Fe16N2的氮化物粉末的技术。 图表11：一种合成氮化铁的试验方式 资料来源：明尼苏达大学，东方财富证券研究所 应用方面，Niron表示，已与通用汽车（GM）、马凯特（marquette）大学合作开发无稀土材料的电动汽车传动系统（Drivetrains）。英国MotorDesign公司分别基于Niron的氮化铁以及钕磁铁设计了两台Prius级别30kW，125Nm电机，对比钕永磁电机，在保留了原始电机直径的情况下，应用Niron的材料可以使得电机体积下降10%，磁材节省15-30%。 2017 图表12：基于清洁材料的电机设计 资料来源：emobility-engineering，NironMagnetics，东方财富证券研究所 综合以上，我们认为考虑无稀土电机的方案，应从材料替换的角度出发，而氮化铁（α“-Fe16N2）材料作为降低永磁电机稀土材料的使用上，具有较高的可能性。建议关注氮化铁制备及产业链机会。 【风险提示】 产品开发进度，良率等不及预期 新技术迭代 下游需求不及预期 2017 东方财富证券股份有限公司（以下简称“本公司”）具有中国证监会核准的证券投资咨询业务资格分析师申明： 作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响，特此声明。 投资建议的评级标准： 报告中投资建议所涉及的评级分为股票评级和行业评级（另有说明的除外）。评级标准为报告发布日后3到12个月内的相对市场表现，也即：以报告发布日后的3到12个月内的公司股价（或行业指数）相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅作为基准。其中：A股市场以沪深300指数为基准；新三板市场以三板成指（针对协议转让标的）或三板做市指数（针对做市转让标的）为基准；香港市场以恒生指数为基准；美国市场以标普500指数为基准。 股票评级 买入：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅15%以上； 增持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于5%～15%之间；中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于-5%～5%之间；减持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于-15%～-5%之间；卖出：相对同期相关证券市场代表性指数跌幅15%以上。 行业评级 强于大市：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅10%以上； 中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅介于-10%～10%之间；弱于大市：相对同期相关证券市场代表性指数跌幅10%以上。 免责声明： 本研究报告由东方财富证券股份有限公司制作及在中华人民共和国（香港和澳门特别行政区、台湾省除外）发布。 本研究报告仅供本公司的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。 本研究报告是基于本公司认为可靠的且目前已公开的信息撰写，本公司力求但不保证该信息的准确性和完整性，客户也不应该认为该信息是准确和完整的。同时，本公司不保证文中观点或陈述不会发生任何变更，在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。本公司会适时更新我们的研究，但可能会因某些规定而无法做到。除了一些定期出版的报告之外，绝大多数研究报告是在分析师认为适当的时候不定期地发布。 在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议，也没有考虑到个别客户特殊的投资目标、财务状况或需求。客户应考虑本报告中的任何意见或建议是否符合其特定状况，若有必要应寻求专家意见。本报告所载的资料、工具、意见及推测只提供给客户作参考之用，并非作为或被视为出售或购买证券或其他投资标的的邀请或向人作出邀请。 本报告中提及的投资价格和价值以及这些投资带来的收入可能会波动。过去的表现并不代表未来的表现，未来的回报也无法保证，投资者可能会损失本金。外汇汇率波动有可能对某些投资的价值或价格或来自这一投资的收入产生不良影响。 那些涉及期货、期权及其它衍生工具的交易，因其包括重大的市场风险，因此并不适合所有投资者。 在任何情况下，本公司不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任，投资者需自行承担风险。 本报告主要以电子版形式分发，间或也会辅以印刷品形式分发，所有报告版权均归本公司所有。未经本公司事先书面授权，任何机构或个人不得以任何形式复制、转发或公开传播本报告的全部或部分内容，不得将报告内容作为诉讼、仲裁、传媒所引用之证明或依据，不得用于营利或用于未经允许的其它用途。 如需引用、刊发或转载本报告，需注明出处为东方财富证券研究所，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。