金属软磁粉芯行业研究：新能源和人工智能时代的金属软磁

金属软磁粉芯行业研究：新能源和人工智能时代的金属软磁一、合金软磁行业概览1.1软磁材料是电力时代和人工智能时代的重要材料磁性材料主要可以分为永磁和软磁两类。永磁材料又称硬磁材料，这类材料能长期保留其剩磁，具有较高的矫顽力，能经受不太强的磁场干扰。软磁材料与之对应，矫顽力低，磁导率高，既容易受外加磁场磁化，又易退磁。其主要功能是导磁、电磁能量的转换与传输，被广泛应用于电能转换设备中，是电子电力时代的重要材料。软磁材料主要可分为金属软磁、铁氧体软磁、非晶及纳米晶三类。金属软磁应用广泛，全世界年产百万吨以上，可继续细分为纯铁、硅钢、坡莫合金、金属软磁粉芯等类别，其中金属软磁粉芯性能最为优异，在光伏、储能、新能源汽车等板块广泛应用。1.2软磁材料发展历程软磁材料在工业应用中已有一百多年的历史，依据时间先后可以划分为四个发展阶段：第一阶段为19世纪末叶至20世纪初，纯铁、硅钢等软磁合金陆续问世。纯铁是工业上应用最早的软磁材料，1886年美国Westinshouse电气公司首先用杂质含量约为0.4%的热轧低碳钢薄板制成变压器叠片铁芯。随着电力工业和电讯技术的兴起，低碳钢制造电机和变压器得以广泛使用。20世纪初，研制出硅钢片代替低碳钢，提高了效率，降低了损耗。至今，硅钢片在电力工业中对于软磁材料的使用仍居首位。同时，随着电话技术的发展，在弱电工程中提出了材料需具有高磁导率的要求，铁镍系等各类软磁合金便应运而生。到20世纪20年代，无线电技术的兴起，更促进了高磁导率合金的发展，坡莫合金（78Ni-Fe）、缪高磁导合金（Mumetal，77Ni-5Cu-Fe）、坡明瓦（Perminvar，43Ni-23Co-Fe）、坡明杜尔合金（50Co-2V-Fe）及坡莫合金磁粉芯等相继出现。第二阶段为20世纪30年代到40年代，金属软磁材料发展迅速，铁氧体软磁材料应运而生。20世纪30年代到40年代，金属软磁材料在品种、性能和应用等方面都有了迅速的发展。这期间研制出了多元坡莫合金、铁硅铝粉状高磁导率合金和单取向硅钢，羰基铁粉被压制成铁粉芯。同时期也开始了对于铁氧体的研究：随着高频无线电技术的发展，生产中迫切需要一种同时具有铁磁性和高电阻率的材料，1935年，荷兰Philips实验室Snoek成功研制出了适合在高频下应用的铁氧体，实现了尖晶石型锌铁氧体的工业化，拉开了软磁铁氧体材料在工业中应用的序幕。第三阶段为20世纪50年代到70年代，铁氧体生产取得重大突破，纳米晶合金的发明成为软磁材料发展的新里程碑。20世纪50年代，人们开发出了石榴石型铁氧体、平面型铁氧体等多种型号的铁氧体，为铁氧体奠定了坚实的工业基础。经过20年的发展至20世纪70年代，生产的铁氧体磁导率显著增大、损耗降低、频带变宽。1988年，日本日立金属公司在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金，此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感应强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗。其组元少，不含有贵重的Co、Zr、Nb、B等元素，是一种成本低廉的铁基材料。纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展，把非晶态合金研究开发又推向一个新高潮。第四阶段为20世纪80年代至今，高性能软磁复合材料产业化，市场份额逐年增加。除了20世纪初研制的铁粉芯，大多数磁粉芯都是在20世纪80年代开始研发。20世纪80年代初，羰基铁粉芯开始量产，铁硅铝合金磁粉芯成功开发并逐渐实现产业化，铁硅磁粉芯、高磁通磁粉芯、铁镍钼磁粉芯陆续问世。1984年，美国Allied公司把非晶态粉末压制成了非晶磁粉芯，其具备低损耗、高直流偏置的性能，但成本相对较高。近年来，由于软磁复合材料兼具高饱和磁通密度和较高的应用频段两大优势，市场份额逐年快速增长。1.3两大材料路线不断迭代，金属软磁粉芯综合性能突出金属软磁粉芯和非晶纳米晶是当前并存的两大高端软磁材料发展路线。金属软磁粉芯不仅改善了传统金属软磁磁导率不高的缺陷，并且达到了远超铁氧体软磁的饱和磁感应强度，综合性能优良。而非晶纳米晶除去成本劣势，综合性能更为优异，并具有制造节能、应用节能、回收节能的特点，是全生命周期绿色可循环材料。金属软磁粉芯金属软磁粉芯是由绝缘介质包覆的磁粉压制而成的软磁材料，是当今软磁材料领域综合性能最佳的软磁材料。软磁粉芯的磁性能，结合了金属软磁材料和软磁铁氧体的优势，由于其粉末采用的是铁磁性颗粒，饱和磁感应强度高，同时因为有绝缘层的存在，其电阻率也较高。成型工艺方面，其相较非晶软磁成熟，可塑性强。软磁粉芯可以同时满足高频（KHz~MHz）使用和体积小型化的需求，并且可以加工成环形、E型、U型等，以满足不同的应用场合。金属软磁粉芯可分为铁粉芯、羰基铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁硅磁粉芯、高磁通磁粉芯、铁镍钼磁粉芯。在合金金属软磁粉芯材料中，金属铁镍类粉芯材料性能优异，但由于价格昂贵难以大规模地被采用。铁基非晶类粉芯材料，虽具有良好的磁芯损耗与饱和特性，但在技术上仍然存在可靠性、磁芯成型的压制性等结构性问题短时间难以彻底解决，大批量生产与使用仍然难以实现，在中高频工作条件下，铁硅类金属磁粉芯软磁材料是能够满足要求的理想材料之一。铁粉芯：以纯铁粉为原料，经表面绝缘包覆后采用有机粘合剂混合压制而成。被广泛应用于储能电感器、调光抗流器、EMI噪音滤波器、DC输出/输入滤波器等。羰基铁粉芯：由超细纯铁粉制成，具有优异的偏磁特性合良好的高频适应性。其直流偏置特性远优于其他磁粉芯，是制造高频开关电路输出扼流圈、谐振电感及高频调谐磁芯芯体较为理想的材料。铁硅铝磁粉芯：由85%Fe、9%Si、6%Al的合金粉末生产出来的一种软磁复合材料，适用于功率因数校正电路（PFC电感器）、脉冲回扫变压器合储能滤波电感器。铁硅磁粉芯：开发相对较晚，由94%Fe和6%Si的合金粉末制成，适用于大电流下的抗流器、高储能的功率电感器、PFC电感器等，在太阳能、风能、混合动力汽车等新能源领域中被广泛使用。高磁通磁粉芯：磁通密度最高的磁粉芯，具有优异的直流偏置特性、低损耗和高储能特性。高磁通磁粉芯非常适用于大功率、大直流偏置场合的应用，如调光电感器，回扫变压器、在线噪音滤波器、脉冲变压器和功率回数校正电感器等。铁镍钼磁粉芯：由17％Fe、81％Ni和2％Mo的合金粉末制成的一种粉芯材料，也称钼坡莫合金磁粉芯，具有高磁导率、高电阻率、低磁滞和低涡流损耗的特性。在磁粉芯领域中，铁镍钼磁粉芯的损耗是最低的，同时也具有最佳的温度稳定性。适合用于回扫变压器、高Q滤波器、升压降压电感器、功率因校正电感器（PFC电感器）、滤波器等。非晶纳米晶非晶纳米晶软磁材料兼具饱和磁感应强度高、磁导率高、损耗低、良好温度特性和温度稳定性等优点，是传统硅钢、铁氧体和坡莫合金的替代产品，被誉为二十一世纪新型绿色节能材料，广泛应用于信息通讯和电力电子行业，推动并实现了电子产品向节能、小型化、高频化方向发展。（1）非晶合金行业非晶合金又称“液态金属、金属玻璃”，是一种新型软磁合金材料。主要包含铁、硅、硼等元素。其主要制品非晶合金薄带的制造工艺是采用急速冷却技术将合金熔液以每秒106℃的速度急速冷却，形成厚度约0.03mm的非晶合金薄带，物理状态表现为金属原子呈无序非晶体排列。得益于上述极端生产工艺形成的特殊原子结构，非晶合金具有低矫顽力、高磁导率、高电阻率、耐高温腐蚀和高韧性等优异特性。非晶合金因其高效电磁能量转换效率的材料特性在节能减排方面具有优势。目前，非晶合金材料主要应用于配电变压器领域。相比硅钢材料，非晶合金材料具有突出的节能环保特性，是“制造节能、使用节能、回收节能”的全生命周期可循环绿色材料。在应用侧，非晶变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达到60%左右，实现使用节能；在回收侧，废旧的非晶铁心可通过中频炉重熔后制成非晶合金薄带，非晶铁心中的硅、硼元素基本可以实现回收再利用，实现回收节能。（2）纳米晶合金行业纳米晶主要指铁基纳米晶合金，是由铁、硅、硼和少量的铜、铌等元素经急速冷却工艺形成非晶态合金后，再经过高度控制的退火环节，形成具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料。纳米晶材料得益于其高饱和磁密、高磁导率、高居里温度的材料优点，相比较于铁氧体软磁材料，在追求小型化、轻量化、复杂温度的场景下，有着显著优势。其主要用于生产电感元件、电子变压器、互感器、传感器等产品，可以应用于新能源汽车、消费电子、新能源发电、家电以及粒子加速器等领域。特别是近年来纳米晶合金材料在新兴产业领域无线充电模块和新能源汽车电机等应用的逐步推广，使其逐步打开了广阔的市场增长空间。二、需求：新能源市场多点开花，高算力领域可拓展性强2.1光伏&储能发展进入快车道，合金软磁基本盘稳健软磁材料在光伏发电和储能领域主要应用于逆变器的生产。光伏逆变器和储能逆变器在很大程度上同源，两大产业相互促进，协同发展。光储逆变器，作为光伏发电系统的核心设备，其工作原理是将光伏太阳能板所产生的可变直流电压转换成为市电频率交流电压，反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用。当用电低谷期电量富余时，电网的电能通过逆变器充放电控制器，对蓄电池进行充电储能。未来，逆变器还可继续优化将不规则的交流电转化为正弦波交流电流，输出的电流更稳定、安全，适用范围广、便于远距离传输，市场前景广阔。光储逆变器主要分为集中型、组串型、集散型、微型等。软磁材料主要应用于集中型和组串型逆变器。集中型逆变器的软磁用材主要是硅钢片，通过串联并行组串产生的电流，将直流电逆变为交流电。由于占地面积大，通常建造在戈壁沙漠等地区，应用于大型商业屋顶、工业厂房等。由于需要输出较大电流，即需要电抗器拥有较高的抗饱和能力，因此选取铁损率低、质量大的硅钢片。目前已研发出用取向硅钢片替代无取向硅钢做驱动电机定子，提高效能；组串型逆变器的软磁用材主要是金属软磁粉芯，为每个光伏组串配备一个逆变器，以并联的方式并网，主要应用于小型商场屋顶、停车场、居民住宅等。由于组串型逆变器开关频率较高，因此选用低功率损耗、低矫顽力的金属软磁粉芯。1、光伏领域未来软磁需求复合增速约为31%光伏电站项目迈入“平价上网”时代，资本投资出现爆发式增长。根据中国光伏行业协会及国际能源署数据，2021年全球和中国新增光伏机装机容量分别为175GW和55GW，同时光伏产业政策利好不断，据国家发改委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》，要求加快推进大型风电光伏基地项目建设，预计2022年全球新增光伏装机容量为250GW，2025年有望达到518GW，2022-2025年CAGR为30%左右。分布式占比提升带动高性能软磁材料的需求快速增长。分布式光伏电站是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，集规模灵活可调、污染少、利用率高等优点。2022年3月，住建部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出：到2025年，全国新增建筑太阳能光伏装机容量50GW以上。2022年5月，欧盟发布太阳能战略，提出充分开发屋顶太阳能。在全球降碳和能源自主趋势下，分布式光伏或将迎来历史性机遇。2017年至2022年，我国分布式光伏装机容量由19.4GW扩大到51.1GW。分布式光伏电站的发展带动了组串式逆变器需求的提升，中国组串式逆变器的渗透率由2017年的38%提升至2022年的59%，利好金属软磁粉芯市场。目前，华为已推出325KW组串式逆变器，将对500KW集中式逆变器形成替代。未来，高效能低成本的组串式逆变器还将进一步扩大其市场份额，金属软磁粉芯材料需求将持续旺盛。逆变器替换需求同样为金属软磁粉芯带来可观的增量市场。光伏组件的寿命一般为20-25年左右，在组件的寿命周期中，至少需要更换一次逆变器。假设10年更换一次逆变器，预计2025年全球光伏逆变器替换需求为51GW。预计2025年金属软磁粉芯在光伏逆变器领域需求量7.85万吨，复合增速31%。根据行业生产数据，目前光伏领域软磁用量为200吨/GW，我们考虑到材料升级可能使光伏领域单耗降低，保守预计2025年光伏领域单位软磁用量为180吨/GW。按照2025年全球55%的分布式光伏电站占比进行测算，2025年光伏逆变器金属软磁粉芯用量7.85万吨，三年复合增速31%。2、储能领域未来软磁需求复合增速约为85%储能技术发展为目前新能源发电领域最重要的环节之一。“源—网—荷—储”是新型电力系统中不可或缺的四类要素。储能技术有着巨大的价值。新能源并入电网后，储能在功率上能够实现实时平衡、提升系统容量系数与能源消纳能力，削峰填谷，从而为能源安全提供保障，是新型电力系统、现代化能源体系的重要组成部分。在目前用电成本高、电网协调能力弱、供电可靠性不足的情况下，储能技术的发展尤为重要。储能市场政策足够好、赛道足够宽。2022年以来，政策层面对储能行业给予了极大关注，一系列利好政策持续出台：1月，《“十四五”新型储能发展实施方案》设定了新型储能的发展目标；6月，仅地方性储能政策就发布了48条，涉及储能补贴、储能装机规划、储能设施建设等方面。在政策利好之下，储能行业发展增势迅猛，“新能源+储能”项目快速在全国范围内铺开。2023年或将成为“大储之年”，软磁材料储能市场需求爆发在即。根据行业生产数据，储能所需的金属软磁粉芯单耗为200吨/GW。预计2023年全球储能新增装机量50GW，同比增长120%，2025年或将达到146GW，据此测算，全球储能领域软磁需求量达2.92万吨，2022-2025年CAGR约为85%。2.2新能源汽车赛道赋能，合金软磁需求提速软磁材料主要应用于新能源汽车板块的充电桩、车载AC/DC充电器、车载DC/DC变换器三个应用领域。AC/DC充电器能将输入的交流电以直流电的方式输出，是为动力电池充电的装置；DC/DC变换器能将高压小电流转化为低压大电流，用于为车上其他电子器件供电。此外，软磁材料还应用于汽车其他部件如无钥匙系统、音响喇叭、倒车影像等。充电桩领域软磁材料最广泛的应用是软磁粉芯制成的高频PFC电感，起储能、滤波作用，铁硅磁粉材料磁感应强度大，所占体积小，耐用性强，叠加分段气隙磁芯技术，可以有效规避传统变换器工作时磁通密度振幅过大、高损耗高温等缺陷，减少气隙损耗，提高转换效率、使用寿命、安全性和可靠性。软磁材料或将为新能源车实现无线动态充电模式。随着无线充电机在新能源车中应用更为广泛、所需功率加大，未来这将成为合金软磁的又一增量市场。与传统充电相比，无线充电具有安全性、灵活性，尤其是在动态充电模式，能够对行驶过程中的电动汽车进行实时充电，更能满足消费者对电动汽车续航的要求。高电压趋势是金属软磁粉芯需求的新看点。金属软磁粉芯主要用于EV车型的OBC电感，单车用量0.7kg，以及PHEV车型的升压电感和OBC电感，单车用量3.3kg。根据目前纯电动车和混合动力汽车的销售占比，平均每辆新能源车的金属软磁粉芯用量约1.22kg，对应2022年全球新能源汽车对金属软磁粉芯的需求为1.32万吨。为了应对EV车型续航短、充电慢等问题，行业内提出了将电压升高，由400V升至800V的解决方案，实现这一解决方案需要在DC/DC变换器上再安装一个升压电感，这将使EV车型的单车用量由原先的0.7kg提升至2.7kg左右，提升率约为300%。按照2025年平均每辆新能源车单耗2.82kg进行测算，则全球新能源车软磁需求量将达到6.60万吨，2022-2025年CAGR为71.0%。新能源车保有量增加带来充电桩需求提升，欧美市场充电桩放量可期。根据中国充电联盟统计，2017年我国公共+私人充电桩总数约45万个，2022年达521万个，2017-2022年CAGR为63.2%，2022年加快充电桩建设节奏，充电桩总数同比增长99%，车桩增加比为2.65：1。2023年2月，工信部发布《关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知》，政策要求新增公桩与公共新能源车推广数量比例力争达到1:1，以及我国公共停车区域未配建充电桩比例仍有32.20%，两者都存在一定的下降空间。全球来看，2021年欧洲新能源车桩保有量之比高达12.3：1，美国车桩保有量之比高达15.9：1。2022年8月，美国制定《削减通胀法案》（IRA）扩大税收抵免上限：计划从2023年开始将单个充电站的税收抵免限额从3万美元扩大至10万美元。补贴政策力度加大，预计充电桩将迎来加速建设期。直流快充电桩扩充金属软磁粉芯需求，2025年全球充电桩软磁市场或达17亿元。直流快充是将三相交流电经过AC/DC模块的转化变成可以直接为电动车锂电池充电的高压直流电，核心部件就是AC/DC转化器、APFC和整流器等模块。根据行业生产数据，目前每kw金属软磁粉芯用量为0.1kg。随着电动车续航里程的不断提高，市场对补能速度提出更高的需求，叠加主机厂对快充技术的配套升级，高电压快充桩渗透率逐步提升。目前行业内100kw的充电桩已经开始量产，未来有望升级至300-400kw。保守假设由于技术升级，未来每kw金属软磁粉芯单耗会由0.1kg下降至0.06kg，则每台充电桩的金属软磁粉芯用量依然由原先的2kg大幅提升至18kg。假设至2025年300-400kw充电桩的渗透率在直流充电桩中占比40%，则平均每台充电桩的单耗为10.8kg，据此测算预计2025年全球金属软磁粉芯需求量约为3.49万吨，2022-2025年CAGR为191%。2.3变频空调渗透率提升，促进合金软磁需求软磁材料主要用于变频空调变频器上的PFC电感中，起到电源输入功率因数的调节、抑制电网高次谐波的储能升压电感的作用。根据产业在线数据，2022年中国空调总产量为22247.3万台，按照社会消费品增速进行测算，预计2025年中国空调总产量为24452.1万台。为满足节能降耗要求，国内变频空调的渗透率有望由目前的57%左右提升至80%左右，据此测算2025年中国变频空调产量为19561.7万台。假设中国空调产量占全球产量80%，2025年全球变频空调产量将升至24452.1万台。每台家用变频空调软磁材料的需求量约为0.25kg，则2025年全球变频空调的软磁需求量为6.11万吨，2022-2025年CAGR为15.7%。2.4UPS领域受益于数字经济与高频化趋势，合金软磁需求有望增加软磁材料以磁性元器件的形式（主要以铁氧体PC44及铁硅粉芯软磁材料为主）应用于UPS的逆变器、输入端、蓄电池、DC-DC变换器等多个区域，包含主变压器，谐振电感，PFC电感，共模电感，差模电感等。UPS（UninterruptiblePowerSupply），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的电源保护设备。主要应用于单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备，为其提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用此时的UPS实质是充当一台交流市电稳压器的功能，同时它还向机内电池充电。当市电中断时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变器转换为220V交流电，以使负载维持正常工作，并保护负载软硬件不受损坏。软磁材料制成的UPS电感应用于高频UPS电源中，实现储能、滤波、稳压、抗干扰等功能。UPS的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器，以及把直流电再变为交流电的逆变器，电池在交流电正常供电时贮存能量且维持在一个正常的充电电压上，一旦市电供电中断时，蓄电池立即对逆变器供电以保证UPS电源交流输出电压。2021年12月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》，在“优化升级数字基础设施”方面，明确要求推进云网协同和算网融合发展。2022年2月，“东数西算”工程正式全面启动，国家发改委、国家能源局等联合印发通知，同意在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏等8地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了