历史难题:纯电动汽车常用的电机是永磁同步电机和交流异步电机,但电机功率密度达到6kw/kg后,很难取得突破。
技术突破:但广汽埃安夸克电驱的诞生,彻底打破了电机6kw/kg功率密度的技术壁垒,掀起了一场电机革命。根据广汽埃安的说法,夸克电驱能以极小的体积迸发出强劲的功率,电机功率密度高达12kw/kg,相比行业6kw/kg的平均水平,提升了100%。巴掌大的电机,就能带来超越V8发动机的超大马力。而实现此项突破的难度,丝毫不亚于芯片行业一下子从“28纳米”时代快进到“3纳米”时代。
电机铁芯的材料变化:
夸克电驱制造中,最为核心的就是“纳米晶-非晶”超效率电机、X-PIN扁线绕组以及900V碳化硅功率模块,三大核心技术均为行业首创。
就“纳米晶-非晶”超效率电机而言,传统永磁同步电机的电机铁芯基本都是通过硅钢冶炼而来,而电机铁芯损耗是影响电机工况效率的主要因素。广汽埃安创新性的采用了“纳米晶-非晶”合金材料及批量制备工艺,从而降低了电机50%的铁芯损耗,使得电机工况效率提升至97.5%,电机最高效率达到98.5%。
近年来,非晶合金材料得到广泛推广
信息来源:公开资料;SMM
非晶合金材料的应用,对硅钢产生威胁吗?
一方面,电机领域,非晶合金材料对于硅钢(无取向)产品存在替代的风险;
另一方面,由于节能减排的国家战略发展目标,非晶变压器相对于传统硅钢片变压器具备优秀的节能效果,近年来逐步在快速推广。
此次电机铁芯材料更新,不乏引起市场人士对于硅钢的替代品思考。SMM将从行业分析角度,从两者性能、生产、产业链、需求等方面来阐述两者价值对比。
两者同样作为软磁材料代表,从性能方面进行对比,可以看出,硅钢片在饱和磁感应强度方面具有明显优势,但磁导率远远不如非晶合金材料。
备注:纳米晶合金为新能源电驱新材料。
信息来源:公开资料;SMM
非晶合金、硅钢产业链中,两者存在多个交叉下游领域
非晶合金分为四种:铁基非晶合金,铁基纳米晶合金,铁镍基非晶合金,钴基非晶合金。上述SMM选取与目前应用最广泛的、且与硅钢存在竞争关系的铁基非晶合金和铁基纳米晶合金作为示例,展示其产业链情况。
其中,非晶合金材料主要应用于配电变压器领域。而未来,随着技术发展以及广汽埃安的技术突破,未来纳米晶材料广泛应用于新能源汽车电机,存在可能。
上述涂红色区域为非晶合金和硅钢存在竞争关系的领域。
纳米晶在新能源汽车电驱的新应用,将对高牌号无取向硅钢产生替代
据SMM调研相关专家,电机领域来看,非晶电机目前占比极小,可以忽略不计,预计到2040年才能占到10%比例。并且,由于非晶电机技术发展不够成熟,仍存在一些缺点,目前尚未出现广泛应用。
而纳米晶用于新能源电机的技术新突破,或将对未来无取向硅钢,尤其是高牌号无取向硅钢产生替代。并且,未来在新能源车领域,纳米晶材料可用于制造各类中高频变压器、高性能电感器和滤波器、高精度电磁测量和传感器等,满足电动车性能要求。预计2025年新能源汽车销量达1800万辆,将带动汽车磁性元器件市场规模的不断增长。不过,考虑到纳米晶的产量有限且价格高,以及技术应用速度,纳米晶广泛用于新能源电驱仍需时日。
SMM调研了一些行业人士,表达了对非晶合金应用电机领域的看法:
专家1:非晶合金对硅钢,目前主要体现在盘式电机上,不过盘式电机占电机领域的比例非常小。个人比较看好非晶未来的应用,但确实仍存在技术难度,技术成熟度和市场接受度均不够。尤其对于新能源车企来说,一般不会轻易冒险使用新的技术方案。
专家2:国内目前有3-5家企业在做盘式电机,市场虽然存在,但对非晶的使用量非常小。盘式电机未来3-5年内会继续推广,但预计到2040年左右,仅能在电机领域达到10%左右的占比。不过,对于一些商用车,特别是军用领域,盘式电机的前景比较好,因为不会太考虑成本。
专家3:对于非晶在电机的应用,据了解都是小微电机。非晶合金虽然损耗小,但其饱和磁感很低。如果用0.2mm的硅钢替代非晶合金,同时可以大幅度的降低铁芯中的磁密,硅钢制作的铁芯损耗将更低。
变压器领域里,非晶合金材料将继续与取向硅钢保持平行竞争
除此次纳米晶在新能源汽车上的应用外,此前,非晶合金材料在变压器领域的应用,一直与取向硅钢存在竞争。通过国家电网,南方电网采购变压器比例可以看出,大约30%比例为非晶变压器,大部分仍为硅钢变压器。主要因为非晶变压器适用场景偏农村负荷相对低的电网使用,且未来更新替换,回收难度大,因此,综合考虑未来非晶变压器的渗透率仍将保持30%左右的水平。
据SMM测算预测,十四五前,未来变压器用取向硅钢有望达250万吨,而变压器用非晶合金带材需求有望达到10万吨以上,非晶合金材料在变压器领域,仍有望继续占据一定的渗透率。
市场规模来看,电工钢市场规模达到1300万吨,而非晶合金市场规模仅10多万吨
硅钢产量:
2022年,我国硅钢产量突破1300万吨,其中取向硅钢占比16.5%左右,无取向硅钢仍占据主要比例。
受益于变压器能效提升计划以及电力变压器能效限定值及能效等级实施,取向硅钢,尤其是高磁感取向硅钢需求表现较好。预计十四五之前,在光伏、风电新增装机容量带动下,取向硅钢行业景气度将维持高位。
受益于新能源汽车发展,2022年我国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆,居全球第一,带来无取向硅钢的需求量增量可观。
非晶合金产量:
2022年,我国铁基非晶带材产量约为10万吨,而2021年仅6.8万吨。我国非晶材料研发量产起步较晚,目前仍处于追赶阶段。并且,纳米晶产量仅开始突破1万吨水平。
产量差距原因:
因非晶带材目前主要用于变压器,而纳米晶用于电机尚未得到广泛应用。取向硅钢较非晶带材更具有供应稳定性优势。
另外,相较硅钢,虽非晶合金带材有环保、节能、降耗的优点,但也存在明显的缺点:韧性一致性差、抗潮性弱、抗触发断路能力差。而且近年来非晶合金变压器的技术还未完全成熟的情况下,有些被淘汰下来的无法修复的非晶合金变压器在回收利用方面已经成为一个棘手的难题。