国信证券博士后工作站 陈翊旻 马睿
随着“双碳”目标推进，经济社会绿色转型的步伐加快，带动了新能源、风力发电和节能家电等低碳环保行业的蓬勃发展，磁性材料需求迅猛增长。磁性是一种自然界物质的本质属性，主要分为顺磁性、抗磁性、铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性五类，存在于宏微观世界的各个角落。磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质，在工业生产及生活中，铁磁性及亚铁磁性物质应用广泛。磁性材料产业链上游主要包括金属矿产开采、分离及冶炼，以及磁性粉末制备；中游为磁性材料精深加工；下游包括消费电子、电力工业等传统应用领域，以及新能源等新兴应用领域。
作为重点新材料名录中的一种，磁性材料是金属功能材料的重要分支，具有转换、传递电能，对电信号进行直接或间接处理、存储的功能。磁性材料的发展有助于电子电力器件的小型化、精密化、高功率密度化和高频率应用化，对节能减排和实现绿色制造体系起着不可或缺的作用。得益于国家政策的大力支持，磁性材料产业发展迅速，从地方政策支持和代表性企业分布情况来看，磁性材料制造大厂主要聚集在我国长江三角洲地带，此外北京、四川等地也有实力较强的磁性材料企业。同时，企业各自有独特的发展模式，产品之间可替代性较弱，具有不同细分领域的技术优势。
磁性材料是电能转换的重要桥梁，行业绿色转型成为必然趋势，国家为磁性材料行业的高端化发展提供了良好的政策环境，未来将进一步淘汰落后的高污染产能，不断促进磁性行业工艺技术持续提升，稀土永磁、非晶合金材料、纳米晶合金材料等高性能磁性材料正迎来历史性的战略发展机遇，其产业链下游的应用主要包括稀土永磁电机、电感元件、变压器等。
稀土永磁电机:电能转换为动能的主要工具
稀土永磁电机又称永磁同步电机，是指电机中的转子采用了永磁磁钢的电机，与传统的异步电机相比，永磁磁钢不存在消磁现象，电机磁场通过永磁磁钢能够永久存在，无需电磁感应产生磁场以及动能。因此，电机的定子和转子的转动不存在时间差。永磁同步电机的关键在于转子上的永磁材料，目前大多数采用烧结钕铁硼制备，钕铁硼具有高磁能积、高矫顽力、高温稳定性特点，是当下应用范围最广、性价比最高、综合性能最优的永磁材料。高性能钕铁硼磁体由于自身磁能积优势，可通过较小的体积实现较强磁场，并且在充磁之后能保持较长时间的磁性，用其制成的电机性能稳定、轻便灵活，有利于实现集成化，从而减小终端产品的体积、质量。低速大转矩的运行方式使稀土永磁电机的运行精度可控，通常误差能控制在0.1%以内，极大提升产品质量。此外，其运行噪声小、载重能力强，是设备高效安全运转的有力保证。稀土永磁电机的功率/质量比值高、运行效率高，同时，其不变损耗和可变损耗变化慢，能耗相对较低，运行中的平均节电率比普通电机高10%-20%。稀土永磁电机可以灵活变速调节，最大限度地提升运转效率，降低能耗，有效节约了使用成本。
驱动电机中的磁性材料除了稀土永磁外还有硅钢、非晶等软磁材料，用于电机铁芯的制备。传统的电机铁芯采用无取向硅钢材料，其中，汽车用的电机铁芯通常采用高性能冷轧无取向硅钢产品。硅钢具有高饱和磁感应强度、低损耗的磁性能以及高强度、抗疲劳等力学特性，广泛用于现有的驱动电机铁芯制备。相比于无取向硅钢，铁基非晶材料具有更优的损耗性能，能进一步降低电机铁损。但由于非晶材料的力学特性，导致其加工成本较高，过去一直处于研究中，近期采用铁基非晶作为铁芯的电机最近才在社会公众面前亮相。2023年3月，中国汽车企业发布全新一代高性能集成电驱技术群——夸克电驱，能以更小的体积迸发出强劲的功率，电机功率密度高达12kW/kg，相比行业提升100%。在这一技术群中，纳米晶-非晶超效电机为其三大核心技术之一。中国汽车企业采用纳米晶-非晶材料研发制作电机铁芯，降低了电机50%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%。
中国汽车制造商普遍将永磁同步电机作为新能源汽车的动力核心，国际汽车制造商如特斯拉和宝马则倾向于采用永磁同步电机与交流异步电机的组合策略，以适应不同车型和市场需求的多样性。总体而言，永磁同步电机已经成为新能源汽车领域的主导技术选择。
电感元件:存储电能的主要工具
利用软磁材料制成的电感元件是电力电子技术领域核心配套元件之一，起到逆变(直流变成交流)、斩波(直流变成直流)、变频(改变供电频率)、开关和智能控制等作用；其技术研发以应用磁学为理论基础，与物理学、化学、电磁学、粉末冶金学等其他学科技术相互渗透、相互交叉、相互联系，成为现代高新技术领域中不可或缺的组成部分，并广泛应用于变频空调、UPS、光伏发电、新能源汽车、电能质量整治等领域。
传统电感为绕线型电感，通过在磁体外绕制铜线组成电感。一体成型电感又称为压膜电感、大电流电感，压模电感，模压电感，SMT大电流电感等，其制造主要通过将导电铜线圈植入模具并填充磁性粉体压铸而成，是绕线型电感的升级换代产品。由于一体成型电感是全封闭结构，所以一体成型电感具有良好的磁屏蔽性和EMI性能，抗电磁干扰性强。一体成型电感的兴起主要是由于电脑和智能手机领域中中央处理器的频率不断攀升，这些设备正逐步向更小尺寸、更高集成度、更多功能和更大功率的方向发展。随着这些趋势，对电感器在功率承载、体积控制、成本效益和性能表现方面的要求也在不断提高。一体成型电感器能够在高电流环境下持续运作，并确保CPU的稳定电源供应。它们的优势包括能够承受大电流、体积小巧、温度上升控制良好、低可听噪音、低电磁干扰以及出色的抗冲击性能。
随着半导体器件向高功率密度和高频应用的演进，对于配套的磁性电感元件的性能要求也随之提高，以适应半导体器件的供电需求。在这样的应用需求推动下，出现了“芯片电感”这一新型磁性元件。“芯片电感”属于一体成型电感器的一种，在传统的小型电感器中，使用铁氧体材料的产品占据了主导地位。铁氧体材料，作为一种陶瓷材料，虽然具备较高的磁导率和较低的损耗，在高频应用中展现出低损耗的特性，但其饱和磁感应强度较低，这限制了其在小型化发展上的潜力。随着下游应用对高功率密度的需求日益增长，小型电感器中使用的铁氧体材料逐渐被磁粉芯所替代。磁粉芯作为一种软磁材料，因其卓越的综合性能，已成为当前最具优势的选择。
全球主要的一体成型电感生产商主要有美系、日系和台系，前四大厂商的产能约占全球80%以上，行业集中度非常高，我国的一体成型电感大型厂商主要集中于广东。目前一体成型电感的应用领域主要集中在消费电子、新能源汽车以及新兴的AI算力领域，据市场预测，2026年市场对于一体成型电感的需求将达到200亿颗。
变压器:电压转换的主要工具
变压器作为一种电气设备，主要作用在于改变输入、输出电压的等级，实现输送电能和使用电能的目的。2024年1-7月，变压器的总出口金额达到234亿元人民币，同比增加了27.9%。根据海关总署统计数据，2023年国内变压器出口前五大市场分别为香港、美国、俄罗斯、日本和墨西哥。随着能源结构的优化和升级，市场对电磁能量转换设备提出了更高的效率、更大的功率密度以及更强的环保性能要求，这为高效节能变压器的发展带来了重要的战略机遇和广阔的市场空间。铁心是变压器最核心的部件，采用了软磁材料制成薄片状，之后层层堆叠而成。变压器要求实现远距离输送电能，因此市场上对于变压器铁心的材料选择以及制备方法都具有降低电能损耗的要求，最主要的是降低交流电在电磁感应中 产生的热损耗。目前国内生产的变压器铁心以取向硅钢为主，铁基非晶为辅的形式。
高磁感取向硅钢生产工艺线路较长，工艺控制窗口窄，具有工艺复杂和难度大的特点，产品具有较高的科技含量。基于上述特点，取向硅钢的批量稳定生产具有非常高的壁垒，需要企业具备强大的制造技术与工艺装备能力。2024年4月，取向硅钢价格出现2022年底以来的首次上涨，宝钢股份2024年4月B30G130、B23R085型号取向硅钢月均价环比均上涨176.62元/吨，且高牌号取向硅钢产品市场上资源偏紧，需求逐渐增加。同取向硅钢材料制备的变压器铁心相比，非晶合金带材制备的铁心在节能、提效方面的优势明显。首先，其生产流程显著短于硅钢等材料，使得材料制备过程更为节能；其次，非晶合金及其制品具有高电阻率的特性，使得磁性器件涡流损耗大幅下降，使用过程更为节能；此外，非晶铁心生产中主要产品可实现无污染回收再利用，是全生命周期可循环绿色材料及产品，未来的新增需求以及存量替换空间有望持续增加。
非晶变压器最突出的优势在于其空载损耗仅为硅钢变压器的40%左右，适用于新基建场景，新基建场景电流有周期性、季节性，呈非连续状态的用电。新基建主要涉及5G基站及其应用、光伏电网及特高压、工业互联网、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源车及充电桩、人工智能、云计算大数据中心等7大领域。据国家统计局公布的数据，2022年，新基建等相关产品较2021年持续增长，其中城市轨道车辆增长15.9%，充电基础设施数量增长100%。新基建中清洁、环保、低碳、高效的新形态能源应用带来了电源能量变换上的高效率、高功率密度的应用新需求，新基建的建设为非晶材料的应用开启了广阔的空间。据国内变压器制造商最新数据显示，2023年非晶变压器生产量达到4,654,970千伏安，较2022年同比增长15%；销售量达到4,742,680千伏安，较2022年同比增长20%，而硅钢变压器生产量为4,082,855千伏安，较2022年同比下降15%；销售量为4,266,540千伏安，较2022年同比下降9%。
磁性材料产业未来可期
在电子、计算机、信息通讯、医疗、航空航天、汽车、风电、环保节能等众多领域，磁性材料应用广泛而深远，已成为现代科技不可或缺的组成部分。得益于丰富的稀土资源及优厚的政策助推，我国的磁性材料产量居世界第一，并且由于下游应用场景不同，永磁材料产量约为软磁材料产量的两倍。国内磁性材料规模保持上升趋势，据市场统计，2022年我国磁性材料产量为182.1万吨，同比增长7%；需求量为200.7万吨，同比增长6.8%。根据磁性材料市场规模分析数据显示，2023年全球磁性材料市场规模达到711.78亿元人民币，中国磁性材料市场规模达277.24亿元人民币。
近年来新兴应用市场不断开发并快速发展，如无线充电领域、智能汽车电子、智能家电、智能机器人、5G通讯市场、智能电网、物联网、节能减排、风力和太阳能发电、新能源电动汽车等发展中的新兴市场。新兴市场的庞大规模也为中国磁性材料产业发展提供更多发展新机遇。例如:在自动驾驶汽车电子领域，磁性材料在传感器、电机、变压器等组件中发挥着核心作用，随着自动驾驶技术的发展，对高性能磁性材料的需求也在增加，2022年全球自动驾驶汽车市场规模已达到15,003亿美元；在智能机器人领域，磁性材料在机器人的伺服电机和传感器中扮演着重要角色，随着工业自动化和服务业的智能化，市场预计到2025年，全球服务机器人市场将达到约200亿美元。磁性材料产业在中国乃至全球范围内都有着巨大的发展机遇和市场潜力，随着新兴技术的不断涌现和市场需求的持续增长，磁性材料的应用前景将更加广阔。
