电机系列之四：碳纤维转子匹配电机高速化需求，产业密集推进

事件：23年12月28日，小米召开汽车发布会，电机创新成核心亮点：发布V6和V6s，目前已量产，将搭载于小米SU7首批车型；发布首款自研V8s，采用高强度硅钢，转速达27200转；实验室预研第三代超级电机，采用“激光原位固化”工艺制备碳纤维缠绕的电机转子，转速达35000转。 得益于碳纤维的优异性能，碳纤维转子匹配电机高速化需求 新能源车驱动电机高速化趋势明确，同时高转速导致转子所受离心力变大，对电机稳定性和安全性带来挑战。为保证高速电机安全稳定运行，需对永磁体加以保护。相较于金属护套，碳纤维复合材料护套具有轻量化、高强度与耐久性、低导电率、高导热等特性，起到保护作用的同时能够降低涡流损耗，同时不会影响转子散热，可以更好地匹配电机高速化需求，从而提高电机性能。此外，碳纤维护套可与高强度硅钢片同步使用，强强联手共同助力高速电机转子克服高离心力挑战。 特斯拉开碳纤维转子应用先河，产业密集跟进 产业化进展来看，特斯拉开碳纤维转子应用先河，在21年6月交付的Model Splaid中采用碳纤维包裹转子从而加强其结构强度 ， 最高转速达到20000rpm+，进而最高时速达到322公里。而后多家国内外主机厂及Tier1密切跟进：1）东风马赫电驱采用碳纤维包覆转子，转速可达30000 rpm；2）博格华纳碳纤维电机转子最高转速达到25000rpm；3）智己LS6电机采用定转子双油冷，转子采用碳纤维外壳，最高转速达到21000rpm；4）广汽埃安夸克电机采用碳纤维高速转子技术，与X-PIN扁线定子技术可使电机在缩小25%体积的情况下，电驱功率提升30%以上；5）此外，红旗汽车、汇川联合动力、天蔚蓝、极氪等皆推出了碳纤维转子。 投资建议：我们认为电机高速化是电驱动系统的必然趋势，高速电机有望逐步成为行业主流，而转速上限取决于主机厂与Tier 1对性能、成本、应用场景的综合考虑。碳纤维转子具有高强度、高效率、轻量化、高导热等优势，匹配电机高速化趋势，有望对高性能碳纤维带来增量需求，同时将进一步提升电动汽车的性能与效率，建议关注行业及公司相关进展。 风险提示：技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。 1.碳纤维转子：匹配新能源汽车驱动电机高速化趋势 碳纤维“刚柔并济”，是性能优异、用途广泛的战略性材料。碳纤维是一种含碳量90%以上的无机高分子纤维，由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机母体纤维经过高温氧化、碳化等环节制成。碳纤维“刚柔并济”，密度比铝低，强度比钢高，并具有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点，以及良好的可加工性和可设计性，被广泛应用于航空航天、军工、风电叶片、体育休闲等领域。 表1：碳纤维应用领域广泛 新能源车驱动电机高速化趋势明确，同时高转速导致转子所受离心力变大，对电机稳定性和安全性带来挑战。高速电机一般指转速超过10000rpm的电机，具有功率密度高、体积小、可靠性高等一系列优点，小鹏汽车认为未来1-2年行业将向20000rpm发展。一方面，通过高速化，新能源车驱动电机可以提高功率，进而提升汽车动力性；或者保持同样功率和动力性，同时可以缩小电机体积和降低成本。在高功率密度驱动下，电机转速一路攀升，以丰田普锐斯（Prius）为例，三代车型转速逐步提升，由初代产品（Prius2004）的6000rpm提升至第三代产品（Prius2015）的17000rpm。另一方面，电机在持续高转速的情况下会产生的巨大的离心力，进而产生位移、膨胀、解体等隐患。其中，转子在高速运转状态下所产生的离心力会使永磁体面临较大的拉应力和被甩出的风险。 图1：高转速导致转子所受离心力变大 得益于碳纤维的优异性能，碳纤维转子匹配电机高速化需求。为保证高速电机安全稳定运行，需对永磁体加以保护，电机转子保护套主要分为非导磁合金护套以及轻质高强的碳纤维等复合材料护套两种，相较于金属护套，碳纤维复合材料护套具有轻量化、高强度与耐久性、低导电率、高导热等特性，起到保护作用的同时能够降低涡流损耗，同时不会影响转子散热，可以更好地匹配电机高速化需求，从而提高电机性能。此外，碳纤维护套可与高强度硅钢片同步使用，强强联手共同助力高速电机转子克服高离心力挑战。 表2：碳纤维转子匹配电机高速化需求 2.特斯拉开碳纤维转子应用先河，产业密集跟进 特斯拉Model S plaid开碳纤维转子应用先河，而后多家国内外主机厂及Tier1密切跟进。 产业化进展来看，特斯拉开碳纤维转子应用先河，在2021年6月交付的Model S plaid中采用碳纤维包裹转子从而加强其结构强度，最高转速达到20000rpm+，进而最高时速达到322公里。而后多家国内外主机厂及Tier1密切跟进：1）东风马赫电驱采用碳纤维包覆转子，转速可达30000 rpm；2）博格华纳碳纤维电机转子最高转速达到25000rpm；3）智己LS6电机采用定转子双油冷，转子采用碳纤维外壳，最高转速达到21000rpm；4）广汽埃安夸克电机采用碳纤维高速转子技术，与X-PIN扁线定子技术可使电机在缩小25%体积的情况下，电驱功率提升30%以上；5）此外，红旗汽车、汇川联合动力、天蔚蓝、极氪等皆推出了碳纤维转子。 图2：特斯拉Model Splaid碳纤维转子电机实物图 我们认为电机高速化是电驱动系统的必然趋势，高速电机有望逐步成为行业主流，而转速上限取决于主机厂与Tier 1对性能、成本、应用场景的综合考虑。碳纤维转子具有高强度、高效率、轻量化、高导热等优势，匹配电机高速化趋势，有望对高性能碳纤维带来增量需求，同时将进一步提升电动汽车的性能与效率，建议关注行业及公司相关进展。 3.风险提示 技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。