这种材料被誉为中国特产,性能好过普通材料4倍,高端钕铁硼材料乘“电”而起

材料天团 2022-03-04

钕铁硼矫顽力电动车电机

3009 字丨阅读本文需 8 分钟

去年的新能源车相关板块火得一塌糊涂,宁德时代作为锂电池的龙头,2021年曾成为机构投资者第一大权重股,股价从350涨到690,市值最高达1.6万亿,曾成为A股市值第二大的股票(第一茅台2万亿,第三工商银行1.5万亿),市盈率最高达287倍。

以宁德时代为鉴,挖掘一些新能源车产业链中我国企业占特殊优势的低位龙头,显得十分必要。我们发现高性能稀土就是这样跟随新能源车景气,自身门槛很高,我国又有优势的细分行业。

驱动电机作为新能源车的核心部件,其性能决定了汽车的爬坡能力、加速能力及最高车速等行驶时的主要性能指标。随着新能源车的景气,电机的装机量持续快速增长。

从新能源汽车装配的电机类型分析,永磁同步电机已占据中国新能源汽车驱动电机97%的市场份额。永磁同步电机主要原材料包括永磁体(铷铁硼等稀土永磁材料)定子铁芯、铜绕组、壳体等;据头豹研究院的数据,永磁体占整个电机成本的45%。

除了电驱,很多微电机也需要高性能永磁

高性能永磁(钕铁硼)下游消费结构中,汽车行业为最大应用领域,2020年汽车端需求占比39%。

钕铁硼是第三代永磁材料,是目前已知综合性能最好的磁性材料,磁性能超过一般永磁材料4倍。

磁材磁性指标直接影响电机的性能,剩磁力、矫顽力(内禀矫顽力)、最大磁能积等都是钕铁硼磁体最重要的性能指标。

钕铁硼磁体作为制造高效能、小体积、轻重量的磁性功能器件的理想材料,在下游汽车端的运用驱动电机中,汽车方向盘扭转传感器、油泵电机、真空泵电机、电动悬挂、座椅调节器等设计有刷电机零部件都在逐步向钕铁硼永磁体过渡。据统计,2020年,平均单车微电机用量从52台提高至62台,钕铁硼磁性材料渗透率由25%提升至33%。

普通汽车微特电机超过25个,中高端汽车微特电机一般在40-50个;豪华汽车微特电机使用量可以超过100个。

钕铁硼材料被誉为“磁王”

新能源汽车将替代传统汽车助力钕铁硼增长,预计 2025 汽车行业对高性能钕铁硼需求超高 2 万吨,其中来自于新能源汽车领域的需求占比超出 80%。

钕铁硼磁材是第三代稀土永磁,应用最为广泛。永磁材料可分为稀土永磁、铁氧体永磁和其他永磁三大类。其中,稀土永磁材料自 60 年代以来持续高速发展,按其开发应用的时间顺序可分为四代:第一代为以SmCo5为代表的RECo5系材料;第二代是Sm2Co17为代表的RECo17系磁体;第三代是 80 年代初期开发成功的钕铁硼(NdFeB)系磁性材料,因其是 Fe 基稀土材料,有着较低价格的特点,并且性能优异,在很多领域较快的取代了 RECo17 型磁体,是目前应用最为广泛的稀土永磁材料,而第四代为铁氮(Re-Fe-N)系和铁碳(Re-Fe-C)系,尚处于实验开发阶段,或需要数十年的比较长的时间才能实现规模化生产应用。

钕铁硼在内禀矫顽力、磁能积和剩磁强度等“磁性能”系数上都表现优异:1、拥有较强的抗退磁能力,最大内禀矫顽力可达到钐钴永磁的约 2 倍,铁氧体的约 3-10 倍;2、钕铁硼磁材应用的仪器仪表在轻量化领域更具潜力,最大磁能积是钐钴永磁的1.5 倍,铁氧体的 10 倍; 3、抗外界磁场能力最强,最大剩磁强度是钐钴永磁的 1.2 倍,铁氧体的 3-4 倍。因此,钕铁硼磁材在内禀矫顽力、磁能积和剩磁强度等性能系数上的比较优势,被广泛应用,是当之无愧的“磁王”。而与之相比,铁氧体唯一的优点则是生产成本较低,所以多被应用于较为低端的领域,高端领域因在性能的高要求下,几乎不使用铁氧体;钐钴永磁虽然可工作温度的范围较宽,但是机械力学性能不佳,并且含有钴,性价比并不高,因此往往仅用于军事、航空航天等对高温性能要求很高的领域。

烧结钕铁硼磁材为主流类型。钕铁硼磁材根据生产工艺不同,可分为烧结、粘接以及热压三种。

1、烧结钕铁硼磁材是应用粉末冶金工艺,将预制料制成微粉,压制成型制成坯料,再进行烧结而制成,具有高磁能积、高矫顽力和高工作温度等特性,主要应用于电动机、发电机等领域;

2、粘接钕铁硼磁材是把钕铁硼磁粉与高分子材料及各种添加剂均匀混合,再用模压或注塑等成型方法制造的磁体。粘接钕铁硼性能不如烧结钕铁硼,但其具备工艺简单、造价低廉、体积小、精度高、磁场均匀稳定等优点,主要应用于信息技术、办公自动化、消费类电子等领域;

3、热压钕铁硼永磁材料是通过热挤压、热变形工艺制成的磁性能较高的磁体,具有致密度高、取向度高、耐蚀性好、矫顽力高和近终成型等优点,目前仅少数公司掌握了生产工艺,专利壁垒和制作成本高,总产量较小。

因此,烧结、粘接以及热压钕铁硼在性能和应用上各具特色,下游应用领域重叠范围比较少,相互之间并非替代与挤占关系,更多是互补关系。而由于烧结钕铁硼在性能、成本等多方面的优势,是目前产量最高、应用最为广泛的稀土永磁材料,是市场主流类型。

不同的应用领域应用不同性能水平的钕铁硼磁材,新兴领域往往有着较高性能要求,高端钕铁硼磁材难以被替代。烧结钕铁硼磁材按照矫顽力高低划分,分为低矫顽力(N)、中等矫顽力(M)、高矫顽力(H)、特高矫顽力(SH)、超高矫顽力(UH)、极高矫顽力(EH)、至高矫顽力(TH)七大类。而根据行业惯例,内禀矫顽力(Hcj,kOe)和最大磁能积((BH)max,MGOe)之和大于 60 的烧结钕铁硼永磁材料,属于高性能钕铁硼永磁材料,主要应用于高技术壁垒领域的各种型号的电机、压缩机、传感器,根据产品在下游应用上划分,包括传统汽车 EPS、新能源汽车电机、风力发电、变频家电、节能电机等新兴领域,尤其是,近几年随着新能源汽车的发展,新能源汽车电机的磁材需求也成为高端钕铁硼磁材需求的主要增长点。

从行业趋势来看:1、在中低端领域,钐钴磁体、铁氧体以及中低端钕铁硼磁材,或直接“白刃战”,充分竞争,在该应用领域区间,性价比是优先考虑因素;2、在高端领域,由于高端钕铁硼拥有不可比拟的高性能,与新兴领域高性能要求匹配,高性能钕铁硼磁材需求难以被替代,并且下游新兴领域快速拉动需求。因此,高性能钕铁硼应用趋势,可以用两个关键词来概括——需求刚性与快速成长。

钕铁硼是中国特产

中国为钕铁硼产量最大的国家,高性能钕铁硼世界占比51%,中国总体钕铁硼(普通+高性能)世界占比80%。中国拥有全球最完备的稀土永磁体产业链,是世界第一大稀土钕铁硼永磁材料生产国。

全球钕铁硼精深加工由中国、日本厂商主导,但目前日本仍为主要专利垄断国家,其生产制造的钕铁硼制备设备也存在出口限制。中国部分稀土永磁制备技术已处于世界领先地位。

钕铁硼行业进入壁垒为设备、人才技术、资金。在超高性能钕铁硼制造方面,中国同日本仍然存在一定的差距。但新能源汽车采用的钕铁硼38U、35U为常规牌号,国内钕铁硼大厂生产制造端完全能够满足技术要求。

竞争格局方面,日立、日本信越化学(也是生产光刻胶)、日本TDK、德国VAC占全球高性能钕铁硼三四成的市场份额。国内生产企业主要依靠“高性价比”抢占市场。据头豹的研究院统计,中国高性能钕铁硼的79%来自中科三环、金力永磁、宁波韵升、正海磁材、英洛华、大地熊。

全球电动化浪潮下,高性能磁材用量迅速攀升

高性能钕铁硼在电动车中主要应用永磁同步电机当中。在传统汽车中,高性能钕铁硼往往应用在微电机与 EPS,而在电动车领域,绝大部分电机采用永磁同步电机与感性异步电机,而高性能钕铁硼需求主要来自永磁同步电动机,特斯拉 Model 3 和部分国产电动车应用的便是永磁同步电机,永磁同步电机高性能钕铁硼磁材用量约 1.8Kg,考虑到毛坯到成品 60%的耗损,该部分用量达到 3Kg,另外,EPS 和其他零部件用量达到约 0.4Kg,因此纯电动单车用量达到约 3.4Kg,混动单车用量约 2.2Kg。鉴于永磁同步电机能量转换效率比较高、且能耗较低,在同等功率下永磁同步电机的体积更小,效率更高,我们判断更多电动车型将使用永磁同步电机,叠加更多车型配置双电机结构等,高性能钕铁硼在电动车中的单车用量存在进一步提升空间。

高性能磁材用量迅速攀升。基于国内消费崛起,车企加速布局新能源车,并且车型结构改善,政策驱动逐步向市场驱动转变,国内电动车市场持续高增长,而海外传统巨头亦推出全电动平台,发力新能源车,在全球电动化浪潮下,我们假设全球 2019 年电动车销量达到 325 万辆,同比增速达到 47%,其中,纯电动车约 233 万辆,同比增速达 53%,插电混约 92 万辆,同比增速达 32%。2019 年电动车领域对高性能磁材需求量将达到约 1 万吨,同比增达到 48.5%,需求占比将接近 15%。

文章来源: 爱科技的氧气,未来智库

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