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【技术论文】传统与新兴并举 稀土“磁性”十足

电机工程师杂志    2015/2/24  



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传统与新兴并举 稀土“磁性”十足


  一、传统需求稳中有升


  (一)风电需求加速复苏

  全球风电装机总量整体增速放缓。2005年-2009年期间,全球风电在中国新装机容量连续翻倍的超速增长带动下,保持了年增速30%以上的快 速增长。2010年,中国新装机容量增速跌至37%,就此结束连续5年高速增长,受此影响,全球风电累计装机容量增速从2010年的22%下降10个百分 点至2013年的12%。2013年全球累计装机容量已达到318.14GW,即使未来新增装机容量达到或超过12年峰值(44.65GW),全球累计装 机容量增速也将放缓至10%左右水平。

  13年中国新装机容量率先触底回升,14年有望加速复苏。根据CWEA统计,2013年中国风电新装机容量16.1GW,同比增长 24.22%;2014年我国风电装机目标定为18GW,较13年同比增长11.18%。此外,根据GWEA预测,2014年全球风电新装机容量将超过 40GW,较13年同比增长14%;受益中国风电复苏,到2015年,全球新增装机容量将达到45GW并超越12年峰值,而到2016年则有望达到创纪录 的50GW。

  双馈直驱各有所长。目前风电电机主要有异步发电机与同步发电机两种技术路线,其中异步发电电机又分为鼠笼型和绕线型转子双馈型,同步发电电机分 为电励磁式和永磁式。目前双馈式发电电机是风电电机主流,约占80%的市场。双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机,它的 发电机的转速高,转矩小,重量轻,体积小,变流器容量小,但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗;而直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱,将 风轮与低速同步发电机直接连接,然后通过变流器全变流上网,降低了机械故障的概率和定期维护的成本,同时提高了风电转换效率和运行可靠性,但是电机体积 大、价格高。

  中国风场优选直驱,永磁占比稳步提升。我国低风速的三类风区的风能资源占全部风能资源50%左右,低风速区域更适合使用永磁直驱风电机组。根据 CWEA统计,2013年中国风电新装机市场中,金风和湘电合计占比增加3.4个百分点至29.8%,直驱永磁装机占比进一步提高。受中国市场影响,预计 到2016年,全球风电新增装机量中直驱永磁占比将逐步提升至20%以上。

  风电领域对钕铁硼需求将超万吨。根据GWEA预测,到2016年全球新增装机容量为50GW,其中直驱永磁装机量约为10500GW(占比21%)。以每1.5MW新装机容量消耗1吨钕铁硼计算,届时,全球风电市场对钕铁硼的需求量将超过7000吨。

  (二)VCM需求缓慢下降

  VCM是HDD硬盘核心部件,HDD市场空间遭受冲击。VCM在硬盘驱动器(HDD)中大多作为磁盘头提供运动,是HDD中重要的核心组成部 件。目前电脑硬盘主要分为机械硬盘(HDD)和固态硬盘(SSD)两大类。HDD硬盘性能每代升级都会有不小的性能提升,但由于其机械原理的特性相比其它 电子硬件产品,其更新速度还是明显慢于摩尔定律。在HDD硬盘遇到性能提升瓶颈后,人们开始应用闪存的固态硬盘SSD,相比于HDD,SSD具有运行速度 快、温度低、无噪音、防震等优越性。同时其价格仍较为昂贵,容量较低,一旦硬件损坏,数据较难恢复等其劣势也较为明显,但IDC认为SSD已经进入存储市场的主流行列,HDD市场空间因此受到冲击。

  SDD市场空间迅速增长,VCM对钕铁硼需求缓慢下降。虽然目前在大容量存储市场上,SSD的大规模应用还是受到其较贵价格的制约,但是随着生 产规模的扩大,未来其成本将不断下降。12年和13年,全球SSD出货量分别为3110万块和5660万块,同比分别增长107%和82%,而同期HDD 的市场空间被挤压,全球出货量同比分别下降23%和7%,因此我们认为未来HDD硬盘出货量将以每年2%-3%的速度递减,每块HDD硬盘中约需要钕铁硼 5克,受此影响,预计到2016年,全球VCM对高性能钕铁硼需求将缓慢减少至2000吨左右,较13年下降约10%。

  (三)变频空调需求有望迅速重启

  我国变频空调普及是趋势,发展速度较快。空调分为定频空调和变频空调。变频空调是通过改变输入电压的频率来控制电机的转速,而电机转速的变化会 引起输气量变化,制冷剂的循环流量也随之变化,从而使空调器的制冷量或供热量发生变化,达到调节环境温度的目的。目前在日本和欧美等国,98%左右的空调 均为变频空调,但我国目前应用较少。与变频空调相比,变频空调有控温xx、制冷制热速度快、节能、噪音小、寿命长、舒适等诸多优点,是空调发展的必然方 向。

  节能变频空调对稀土价格敏感度高,铁氧体乘虚而入。一台变频空调出厂价约在3000元左右,空调龙头格力、美的空调业务的毛利率在15%左右, 平均单台空调的成本约在2550元左右,以一台变频空调需250钕铁硼磁体测算,平均一台变频空调钕铁硼磁材原料价格约占售价的5%,总成本的5.9%。 由于变频空调厂商面对终端消费者,议价能力弱,难以通过提价转嫁原料成本。因此在2011年稀土价格的大幅上涨时,变频空调大面积重回采用铁氧体技术,钕铁硼渗透率迅速下降。

  变频空调需求有望迅速重启。我国变频空调能效新标准《转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》已于2013年10月1日正式实施, 该标准在能效等级、限定值、评价指标等方面都做了改变,修改之后的变频空调能效限定值从现行的3.0提升至3.9,市场准入门槛也由5级提升至3级,这将 导致部分采用铁氧体的机型被淘汰。此外,稀土价格已回落至2010年初水平,未来即使出现上涨,重演2011年的非理性行情的概率也极低,因此自2013年起,国内空调企业开始重新推出使用钕铁硼的变频空调产品。根据奥维咨询(AVC)数据显示,至2013年末新标准变频空调在 变频空调终端零售市场渗透率已接近20%,由此变频空调对钕铁硼的需求有望迅速重启,预计到2016年变频空调中钕铁硼渗透率达到20%,以每台变频空调 使用钕铁硼250克计,届时偏频空调对钕铁硼的需求将超过4500吨。

  (四)节能电梯领域需求增速稳定


  建筑节能是必然趋势,永磁交流同步(PM)无齿轮系统优势明显。建筑能耗占我国社会总能耗的1/3,在我国约有90%的建筑属于高能耗建筑,其 中空调系统、照明系统、电梯系统合计占建筑能耗的80%。通过使用节能变频空调、LED照明产品、节能电梯是减少建筑能耗的主要途径之一,因此从长期看, 应用节能效果更佳的节能电梯(节电率可达20%-50%)是必然趋势。

  目前,电梯曳引机主要包括永磁同步曳引机与传统异步曳引机,永磁同步曳引机主要有铁氧体永磁技术和钕铁硼永磁技术,相比钕铁硼永磁技术,铁氧体永磁电机体积更大,占用电梯机房空间也大,而电梯下游商业客户对电梯价格敏感度不高,且省电效果更佳明显,因此采用钕铁硼作为永磁材料的节能电梯渗透率将逐年增长。

  以每台节能电梯约需使用6kg高性能钕铁硼永磁材料计算,预计到2016年,我国节能电梯行业需使用钕铁硼约3000吨。

  (五)传统需求稳中有升,新兴应用值得期待


  传统需求稳中有升。xx钕铁硼传统需求因2011年稀土价格暴涨而遭受冲击,在12年消费量出现下滑(-10%),但13年已重回正增长。从下 游应用领域的角度看,除硬盘VCM需求成趋势性小幅下滑外,其他领域需求均成稳定增长态势,其中风电和变频空调的需求复苏需要特别关注,整体上高性能钕铁 硼传统需求将成平稳增长态势。

新兴应用值得期待。高性能钕铁硼永磁作为电能转化为动能的xx基础材料,新兴应用领域层出不穷:汽车电子化、机器人(行情,问诊)、智能家居、核磁共振仪、磁悬浮列车等应用领域具备较大发展潜力,其中汽车电子化和机器人是新兴应用中最值得期待的两个领域。

  二、汽车电子化:需求将全面爆发


  电子化是汽车产业发展趋势。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命,汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。随着电子 技术的快速发展,传统汽车产业正在向电子化、智能化、网络化、多媒体的方向快速发展。汽车已不再仅仅是一个代步工具,它已同时具有了交通、娱乐、办公和通 讯的多种功能。

  汽车电子化是强化电机在汽车驱动系统重要性的过程。根据相关研究,汽车运行过程中有70%-80%的能量消耗在发动机和高速系统,汽车电机在动 能转化的过程中相比内燃机有更高的效率,若用汽车电机代替传统内燃机发动机将使能耗将大幅降低;同时电机的使用还可减少内燃机在高速运行时带来了的能源浪 费和环境污染。因此,汽车动力电子化的实质是增加电机在汽车动力系统中的应用。

  高性能永磁体是汽车电子化核心材料。目前汽车电子化进程已经逐步由“设备电子化”发展为“动力电子化”(新能源汽车)。不论传统汽车的设备电子化还是新能源汽车的动力电子化,都需要通过电磁效应将电能转化为动能,高性能永磁体是实现电能与动能相互转化的核心材料。

  (一)汽车微电机:小零件派上大用途


  微电机市场平稳发展。汽车微电机属于重要的电子零部件,主要应用于汽车的发动机、底盘、车身三大部位及附件中,根据汽车行业估算,每辆经济型汽 车需配备20台以上小电机、高级轿车至少需60台以上小电机,豪华型轿车需近百台小电机。传统动力汽车微特电机钕铁硼磁体的电机效率比普通电机高 8-50%、电耗降低10%以上、重量减少50%以上。我们假设中xx汽车产量占比为全球汽车总产量的10%,以每辆车用电机60台,每台电机使用7克钕 铁硼计算,到2016年全球中xx车对钕铁硼消费量将超过3700吨。未来随着汽车向小型化、轻量化、高性能化、低耗油和非汽油化节能环保方向发展,小型 化和轻量化成为首要技术开发项目,其中电机部分采用新材料来提高功能和减小尺寸,将会加快汽车微电机用钕铁硼磁体的发展。

  (二)EPS:小试牛刀,快速增长

  EPS系统渗透率快速提高。汽车转向系统是用来改变或保持汽车行驶方向的专用系统。电动助力转向系统(EPS)与传统的液压助力转向(HPS)相比在:操纵性、稳定性、驾驶员的路感、系统反应速度、环境污染、重量、空气动力学性能、油耗、传动效率等方面优势明显。

  自2012年起全球EPS市场需求逐步放量,预计到2016年全球汽车产量约8900万辆,假设届时EPS系统渗透率提高至45%,则全球EPS销量将超过4000万套,以每套EPS系统用钕铁硼0.25Kg计算,对高性能烧结钕铁硼的需求近1万吨。

  (三)智能启停:崭露头角的新兴市场


  智能起停系统需求有望快速增长。汽车智能起停系统是一套控制发动机启动和停止的系统。通过在传统发动机上植入具有高速起停功能的加强电机,使汽 车在满足高速停车条件时,发动机xx熄灭不工作。当整车再需要启动前进时,高速起停电机系统迅速响应驾驶员启动命令,快速启动发动机,瞬时衔接,从而大大 减少油耗和废气排放。通过此项技术在一般路况条件下可以节约5%的燃油,而在城市拥堵路段中可以节约8%-15%的燃油。智能起停系统的电机并不参与驱 动,因此智能起停实质上是一种发动机的节能技术(对汽车高速停车优化),并不属于汽车电驱动系统范畴;但该系统对传统车动力系统改造很小、成本低,很适宜 于批量生产。智能起停系统率先应用于奔驰、宝马、奥迪等xx轿车,但随着技术的推广目前国内长安、吉利、华晨、长城、上汽、奇瑞等厂家纷纷推出了标配智能 启停系统的车型。

  根据公开资料估算,每套智能启停系统用钕铁硼约0.5Kg,是ESP系统单位用量的2倍,我们预计智能起停系统将向中低端轿车的快速普及,到2016年其在传统汽车中的渗透率将提升至10%,对xx钕铁硼的需求量将超过4000吨。

  (四)电动车:必将是主角

  钕铁硼是汽车动力电子化的基础材料。汽车动力电子化的产品是电动车。新能源电动车主要分为混合动力车(HEV)与纯电动车(EV)两类,混合动 力车又可分为普通HEV和PHEV(插电式混合动力车),根据驱动原理不同,人们通常将PHEV与EV归类为新能源电动车,而混合动力汽车多特指HEV。 目前HEV多采用镍氢动力电池,而PHEV电池主要采用锂离子电池,汽车动力电子化的进程是由普通HEV混合动力开始,随着电池技术的进步逐步向 PHEV(插电式混合动力车)和EV(纯电动车)方向发展,但不论是那种技术路线都离不开高性能钕铁硼材料的支撑。

  混合动力汽车带动xx钕铁硼需求快速增长。全球HEV混合动力汽车自12年以来销量快速增长。据日本汽车产业调查公司FOURIN公布的统计数 据显示,2012年全球共售出混合动力车162万辆,较2011年大幅增长76.1%,其中日本品牌占整体销量的90%。2013年日本丰田全球混合动力 汽车销量为127.94万辆,据此估算13年全球HEV销量约为172万辆。我们预计到2016年全球HEV销量将近400万辆,以每辆HEV用钕铁硼 1.5kg计算,对高性能烧结钕铁硼的需求近6000吨。

  永磁电机占据新能源电动车xx主流。2013年全球新能源汽车(PHEV、EV)销量约22万辆,其中日产Leaf以21.16%的市占率领 跑,雪弗兰Volt位居次席(11.07%),TeslaModelS市场份额排名第三(9.97%),目前在全球主流新能源电动车车型中,除 TeslaModelS外,其余均采用钕铁硼永磁同步电机。

  14年新能源电动车百花齐放。2014年,Tesla热卖车型ModelS正式在华销售,大幅提升了新能源电动车产业在中国的关注度,其“公 平、低价”的销售策略亦刺激了xx消费者对电动车需求;同时宝马i系、奔驰、大众等传统知名车企都将在14年推出纯电动车型。在中央和地方政府大力扶持下 (购车补贴、牌照等政策),国产电动车在4月北京车展集中亮相:比亚迪(行情,问诊)、一汽、长安、上汽等国内一线车企纷纷推出量产新能源电动车型,其中比亚迪与奔驰合作的“腾势”电动车以25.7万元(补贴后)的亲民价格,有望以较高的xxx打开私人乘用电动车市场,我们认为2014年有望成为国内新能源电动车市场爆发元年。

  新能源电动车促高性能钕铁硼需求二次爆发。一辆新能源电动汽车(PHEV、EV)需要消耗5-40kg的高性能钕铁硼,高于混合动力汽车 (HEV)对钕铁硼的单耗,若全球新能源电动汽车市场需求爆发,则高性能钕铁硼市场需求亦将出现爆发式增长。我们预测到2016年全球除Tesla外的新 能源电动车(PHEV、EV)销量将超过60万辆,对高性能钕铁硼需求量超3000吨,较2013年增长2倍。

  动力电子化产值高。在目前稀土价格下(氧化镨钕32万元,氧化镝178万元),普通钕铁硼产品售价仅为17万元/吨(以N35为例),以此匡算 全球钕铁硼产值约为170亿元,假设其中xx产品产值占比为60%,则目前全球xx钕铁硼产值约为102亿元。新能源电动车驱动电机用磁材价格为40万元 /吨,以2016年电动车驱动磁体需求9000吨计算(HEV+PHEV+EV),产值约为36亿元,因此,仅驱动电机用磁体一项,就能为全球xx钕铁硼 产值带来约35%的增长空间,若考虑其他配件对磁材的需求(如ESP、微电机等),汽车动力电子化将为钕铁硼产值带来更大增量。

(未完待续 敬请关注)




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