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磁性元器件行業深度報告

發布人:a340547058 時間:2023-09-15 來源:工程師 發布文章

磁性元器件行業深度報告:乘新能源之風,磁性元器件破竹建瓴

1 磁性材料:應用廣泛,新能源催生新需求

當前新能源發展勢頭強勁,而光伏核心部件逆變器和新能源車的 OBC、DCDC 等部位須通過大量的磁性元件實現功能,磁性元件這一存在近兩百年的古老元件煥發出新的生機。磁性元件包括電感及變壓器,繞組及磁芯為其上游,共同構成 磁性元件主體,其中繞組一般為銅制漆包線,磁芯一般由磁粉芯/鐵氧體/非晶納米 晶一類軟磁材料制成。本報告將重點關注磁性元件及其上游軟磁材料,以及下游新 能源應用的情況。

 

磁性材料是由元素鐵 Fe、鈷 Co、鎳 Ni 及其合金等鐵磁性物質或亞鐵磁性物 質組成,是一種古老而用途十分廣泛的功能材料。磁性材料按使用分為軟磁材料、 永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電 阻材料、磁泡材料、磁光材料,旋磁材料以及磁性薄膜材料等,反映磁性材料基本 磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

 

磁性材料廣泛的應用于工業及生活中,作為基礎材料應用于電機、變壓器鐵芯、 電磁鐵、發電機、麥克風、揚聲器和磁選機等領域,這些產品進一步應用于從電氣 到機械的功率轉換、信號傳輸、電源適配、磁場屏蔽、模擬和數字數據存儲等功能 中。根據 Precedence Research 數據,2021 年全球磁性材料市場規模為 326.6 億美元,預計 2030 年將增長至 579 億美元,期間 CAGR 6.57%,其中新能 源車與光伏風電領域成為推動磁材發展的重要增長點。據中國電子元器件工業協 會磁性材料與器件分會數據,2021 年中國永磁材料產量為 76.8 萬噸,占國內磁 性材料產量的 68.05%,軟磁材料產量為 36.1 萬噸,占 31.99%。

磁性材料的磁性能衡量指標如下:穩定性:主要參數是剩余磁化強度、最大磁 能積。值越高表示磁場強度越強,磁體越能保持自身磁性能??雇舜判裕褐饕獏?/span> 是內稟矯頑力。值越高表示抗退磁能力越強,使用效率值越高??箿匦裕褐饕獏凳莾确A矯頑力、最高工作溫度、居里溫度。值越高表示抗溫性能越好,磁材性能越 穩定。

1.1 永磁材料:各類電機應用催生需求

永磁材料通常具有較高的矯頑力,其矯頑力 Hc 一般不小于 10

 

衡量永磁材料產品性能的指標主要有:矯頑力(Hc):分為磁感矯頑力(Hcb) 和內稟矯頑力(Hcj)。Hc 值越大,電機的抗退磁能力越強,過載倍數越大,對強 退磁動態工作環境的適應能力越強。最大磁能積(BHmax:永磁材料向外磁路 提供的磁場能量的最大值。磁能積(BH)為在永磁體任何退磁曲線的任何點的磁 感應密度與磁場強度的乘積,在退磁曲線上得到的 BH 最大值為 BHmax。BHmax 越大,預示著該種永磁材料對外磁路能提供的磁場能量越大,即在相同功率情況下 電機中使用的永磁材料越少。剩磁感應強度(Br):永磁材料在外磁場中充磁到飽 和后,當外磁場為零時,永磁材料所具有的磁感應強度值,指標大小直接關系著電 機中氣隙磁密的高低。最高工作溫度(Tm):磁鐵最高使用溫度取決于磁體本身的 磁性能和工作點的選取,磁體所處工作點可用磁體的導磁系數來表示。對同一磁體 而言,磁路的導磁系數越高(即磁路越閉合),磁鐵的最高使用溫度就越高,磁鐵 的性能就越穩定。

金屬永磁材料:以鐵和鐵族元素(如鎳、鈷等)為重要組成元素的合金型永磁材 料,主要有鋁鎳鈷(AlNiCo)系和鐵鉻鈷(FeCrCo)系兩大類永磁合金。鋁鎳鈷系永 磁合金以鐵、鎳、鋁元素為主要成分,并且包含銅、鈷、鈦等元素,具有高剩磁感 應強度和低溫度系數,磁性穩定。鐵鉻鈷系永磁合金以鐵、鉻、鈷元素為主要成分, 還含有鉬和少量的鈦、硅元素。其加工性能好,可進行冷熱塑性變形,磁性類似于 鋁鎳鈷系永磁合金,并可通過塑性變形和熱處理提高磁性能。用于制造各種截面小、 形狀復雜的小型磁體元件。

稀土永磁材料:是最大磁能積最高的一大類永磁材料,是指以稀土金屬元素與 過渡族金屬所形成的金屬間化合物為基礎的永磁材料。稀土永磁至今已發展到第四代。第一代和第二代為釤鈷永磁,第三代為釹鐵硼合金,是目前應用最廣的稀土 永磁,其剩磁、矯頑力和最大磁能積比前者高,不易碎,有較好的機械性能,合金 密度低,有利于磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化,在各類稀土永磁材料中產量最高,廣泛應用于電機、醫療器械、玩具、包裝、五金機械、航天航空等 領域。第四代為稀土鐵氮(碳)系永磁材料,目前尚未進入商業化生產階段。

 

鐵氧體永磁材料:以三氧化二鐵為主要組成元素的復合氧化物強磁材料(狹義) 和磁有序材料如反鐵磁材料(廣義)。其特點是電阻率高,特別有利于在高頻和微波 應用。鐵氧體永磁材料的制備方法有很多,其中主要包括陶瓷法、化學共沉淀法、 溶膠凝膠法、水熱合成法等幾種方法。永磁鐵氧體產品以各類永磁電機磁瓦為主要 品種,其終端應用包括電動工具、變頻家電、小家電以及汽車等。

1.2 軟磁材料:助力新能源磁性元器件成長

軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導率的磁性材料,易于磁化,也易于退磁,其 主要功能是導磁、電磁能量的轉換與傳輸,廣泛用于各種電能變換設備中。軟磁材 料主要包括金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體材料以及非晶、納米晶軟磁材料等,應用最 多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等。由軟磁材料制成的磁 芯是磁性元器件的核心部件。

軟磁材料的發展基本可以分為四個主要階段:傳統金屬軟磁--軟磁鐵氧體--非 晶、納米晶軟磁--磁粉芯。金屬軟磁是第一代軟磁材料,可以追溯到 19 世紀末, 電機和電訊的興起使得低碳鋼被應用于制造電機、變壓器和電感線圈,20 世紀初 以硅鋼為代表的軟磁金屬材料得到了迅速發展。相比最早的低碳鋼,硅鋼提高了變 壓器效率,降低了損耗,直到現在仍在電力工業用軟磁中位居首位。20 年代無線 電技術的興起促進了高導磁材料坡莫合金的發展。 20 世紀 30 年代,出現了第二代軟磁材料軟磁鐵氧體,并在 20 世紀 50-80 年代經歷了黃金發展期,軟磁鐵氧體材料電阻率高,在頻率較高的場合得到廣泛應 用。非晶軟磁材料的研究開發始于 20 世紀 60-70 年代,其飽和磁感應強度高于 軟磁鐵氧體材料,電阻率遠高于金屬軟磁材料,作為第三代軟磁材料展現出優異的 綜合性能,但由于其特殊的層間結構,很難被加工成各種形狀復雜的磁芯。粉末冶 金技術催生了第四代軟磁材料磁粉芯,也被稱為軟磁復合材料,其結合了金屬和軟 磁鐵氧體材料的優勢,更能滿足當前電力電子器件小型化、集成化的要求可壓制成 環形、E 型、U 型等各種復雜形狀,實現元器件一體化生產。因此磁粉芯已成為發 展與應用增長速度最快的磁性材料。

1.2.1 金屬軟磁材料

金屬軟磁材包括工業純鐵、鐵硅、鐵鋁合金、硅鋁合金、坡莫合金、非晶合金、 鉬坡莫合金等金屬軟磁合金及對應合金粉末制成的金屬軟磁粉芯。 金屬磁粉芯是由鐵磁性粉粒和絕緣材料以一定的比例混合、壓制、燒結而成的 軟磁材料。具有良好的隔絕功能和良好的工作狀態和性能。依據不同的磁性粉料材 料,分為鐵粉芯、高磁通磁粉芯、鐵硅鋁磁粉芯、鐵鎳鉬磁粉芯等。金屬磁粉芯被 廣泛應用于光伏逆變器、UPS 電源、變頻家電及新能源車中。 鐵粉芯。鐵粉芯由碳基鐵磁粉、樹脂碳基鐵磁粉等構成。在價格上具有一定的 優勢,性價比較高。鐵粉芯被廣泛地用于開關電源輸出電感、在線噪聲濾波器、PFC 電感、擾流圈、EMI/RFI 用途,終端領域廣泛地應用于通信、電子、儀器儀表、家 電中。

鐵硅鋁磁粉芯。鐵硅鋁磁粉芯是一種改進型的鐵硅鋁材料,由 85%鐵、9%硅、 6%鋁合金粉組成,具有好的溫升效果,能夠保證工作穩定和高效。 高磁通磁粉芯。高磁通磁粉芯由 50%的鎳和 50%的鐵合金粉末所組成。主要 應用于開關電源調制電感器、線路噪音濾波器、脈沖變壓器和回掃變壓器磁芯。 鐵鎳鉬磁粉芯。具有良好的溫升效果,能夠保證工作進程中的穩定和高效。主 要應用于汽車、醫療設備、測試儀器等高附加價值的電子產品。 金屬磁粉芯結合了金屬和軟磁鐵氧體材料的優勢,具有較高的電阻率,能夠有 效降低渦流損耗,且比軟磁鐵氧體具有更高的飽和磁化強度,同時可加工成復雜的 幾何形狀。金屬磁粉芯是當今廣泛應用的綜合性能最好的軟磁材料之一,也是當前 發展速度最快的磁性材料。根據觀研天下數據,預計全球金屬軟磁粉芯市場規模將 由 2021 年的 36.1 億元增長至2025 年的 75.2 億元,期間 CAGR 20.14%。 總需求量將由 2021 年的 10.3 萬噸增長至 2025 年的 20.1 萬噸,期間 CAGR 18.19%。

 

制備磁粉芯的前道工序包括金屬熔煉-噴粉-篩選-配比-絕緣-壓制,其中制粉、 配比、絕緣均為核心環節。制粉階段決定了粉末的質量及良率,高良率可以降低整 體成本;配比階段體現了滿足下游產品定制化能力,配比方案足夠多時可以通過近 似方案的改良來迅速滿足客戶需求;絕緣階段則直接影響磁芯的功耗特性,好的絕 緣技術使得磁芯功耗較低。云路股份在制粉階段良品率高,技術實力強;鉑科新材 在配比方面積累方案較多,在產品定制化方面具備顯著優勢,同時絕緣技術好,產 品功耗較低;東睦科達的磁粉芯產品也具備較強的競爭力。

硅鋼及合金

硅鋼是含硅量在 3%左右、其他成分主要是鐵的硅鐵合金,具有高磁導率、低 鐵損值的優良磁性,鐵芯損耗低,磁感應強度高,沖片性良好,鋼板表面質量好, 絕緣薄膜性能好等優點。由于硅鋼電阻率較低,在高頻下會產生較大的渦流損耗, 高頻損耗較大,隨著軟磁材料下游應用頻率的提高,硅鋼逐步受到限制,目前主要 用于各種工業用電動機、發電機和變壓器等低頻應用場景,在配電變壓器市場中依 然占據統治地位。 硅鋼按 Si 質量分數分為 Si<0.5%的電工鋼和 Si 含量在 0.5~4.5%的硅鋼兩 類。按生產方式可分為熱軋和冷軋。冷軋硅鋼又根據內部晶粒朝向分為取向硅鋼和 無取向硅鋼。相比取向硅鋼,冷軋無取向硅鋼晶??棙嬵愋洼^為漫散,各個方向上 具有較為均勻的磁性能,而且磁各向異性較低,主要用作各類型電機和發電機的鐵 芯疊片。

在產量上面,2016-2021 年,中國硅鋼產量保持持續增長態勢,從 2016 年 的產量 1010 萬噸升至 2021 年末 1318.3 萬噸,2021 年增速高達 17.90%,達到 近 6 年增速新高。2021 年,中國非取向硅鋼的進出口量遠遠高于取向硅鋼的進出 口量。

 

1.2.2 軟磁鐵氧體材料

軟磁鐵氧體是以

錳鋅系(Mn-Zn)軟磁鐵氧體主要分功率鐵氧體和高磁導率鐵氧體兩類。功率鐵氧體的主要特征是在高頻(幾百千赫)高磁感應(幾千高斯)的條件下,仍舊 保持很低的功耗,而且其功耗隨磁芯的溫度升高而下降,在 80℃左右達到最低點, 可以形成良性循環。功率鐵氧體的主要用途是以各種開關電源變壓器和彩電回掃 變壓器為代表的功率型電感器件,用途十分廣泛,是目前產量最大的軟磁鐵氧體。 高磁導率通常指初始磁導率(μi)大于 5000 Mn-Zn 鐵氧體材料。高磁導率鐵 氧體可以使磁芯體積縮小,適應元器件向小型化、輕量化方向發展的需要。高磁導 率鐵氧體的主要用途是做通訊設備、測控儀器、家用電器及新型節能燈具中的寬頻 帶變壓器、微型低頻變壓器、小型環行脈沖變壓器和微型電感元件等更新換代的電 子產品。 鎳鋅系(Ni-Zn)軟磁鐵氧體材料是另一種產量大、應用廣泛的高頻軟磁材料。 當應用頻率在 1MHz 以下時其性能不如錳鋅系鐵氧體,而在 1MHz 以上時,由于 它具有多孔性及高電阻率,其性能大大優于錳鋅系鐵氧體,非常適宜在高頻中使用。 鎳鋅系軟磁鐵氧體材料做成的鐵氧體寬頻帶器件具有使用頻率很寬的特點,其下 限頻率可做到幾千赫茲,上限頻率可達幾千兆赫茲,大大擴展了軟磁材料的頻率使 用范圍。由于它們具有頻帶寬、體積小、重量輕等特點而被廣泛應用在雷達、電視、 通訊等領域。

從市場來看,軟磁鐵氧體材料的下游主要為磁芯生產廠商,磁芯主要被用來 加工電源電路中不同型號的電子變壓器、電感的等電子磁性元件。從終端應用角度 來看,軟磁鐵氧體材料被應用在家電、通訊、電腦及周邊、汽車電子、照明等領域。

隨著新能源汽車銷量的提升,軟磁鐵氧體材料的需求有望穩步提升。從終端 產品應用的占比來看,軟磁鐵氧體主要用于通訊、家電及新能源、汽車電子等領域。其中汽車電子的占比有望進一步提高。軟磁鐵氧體材料被大量應用于 OBC 設備、 EV 充電設備、HEV 動力系統功率轉換、DC-DC 變換器、BMS(電池管理系統)、 PDU(電源分配單元)等。

 

軟磁鐵氧體行業產銷形式良好,市場規模將進一步擴大。目前軟磁鐵氧體材 料生產主要集中在日本和中國,根據中國電子元件行業協會統計,2014-2020 年 我國軟磁鐵氧體產量總體穩定,2020 年我國軟磁鐵氧體生產接近 21 萬噸,占全 球總量的 60%。根據磁性材料行業協會統計,2021 年我國軟磁鐵氧體全年銷量 30 萬噸,同比增長 3.5%。根據華經產業研究院預計,2025 年軟磁鐵氧體市場規 模有望達到 149 億元。

軟磁鐵氧體主要“玩家”包括 TDK、橫店東磁、天通股份、美磁等,日本作 為軟磁鐵氧體技術的領跑者,具有一定的高端優勢。我國軟磁材料產能產量占比雖 高,但生產廠商眾多且規模較小,總體呈現“小而散”的格局,產品也大多集中在 中低端領域。隨著橫店東磁、天通股份的擴產,以及龍磁科技及中鋼天源的入局,國內軟磁鐵氧體行業有望乘新能源之風進入快速發展階段。

1.2.3 非晶及納米晶軟磁材料

非晶及納米晶材料是一種特殊的金屬軟磁材料,具有獨特的原子排列結構。通 常情況下,金屬及合金在從液體凝固成固體(例如煉鋼后的鋼水凝固成鋼錠)時, 原子總是從液體的混亂排列轉變成整齊的排列,即成為晶體。但如果金屬或合金的 凝固速度非???,原子來不及整齊排列便被凍結住了,最終的原子排列方式混亂, 類似于液體,非晶合金多項軟磁性能遠優于傳統硅鋼片材料及晶體磁性材料。

非晶合金具有許多獨特的性能,如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高強度硬度 及韌性、高磁導率、低矯頑力、高電阻率以及極易完成磁化和去磁過程。由于性能 優異,非晶材料從 80 年代開始成為國內外科學界研究重點,目前美、日、德已經 具備完善的生產規模,大量的非晶合金產品逐漸取代硅鋼、鐵氧體等。

 

非晶合金種類主要包含鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其 中鐵基非晶合金廣泛應用于節能配電變壓器;鐵鎳基非晶合金在能量損耗和機械 強度方面更加優越,應用于漏電開關、磁屏蔽等,鈷基非晶合金在非晶合金中具有 最高的磁導率,且具有優異的耐磨性和耐蝕性,應用于要求嚴格的軍工電源中的變 壓器、電感等,可替代坡莫合金、鐵氧體等;鐵基納米晶合金為目前綜合性能最優 的軟磁材料,廣泛應用于大功率電源開關、逆變電源、高頻變壓器、共模電感等領 域,可替代鐵氧體。 非晶合金薄帶是非晶合金的主要制品。制造工藝是采用急速冷卻技術將合金 熔液以每秒百萬度的速度快速冷卻,最終得到厚度約 0.03mm 的非晶合金薄帶。 非晶合金薄帶的主要應用領域為配電變壓器領域。非晶鐵心是非晶合金薄帶經過 剪切、成型、熱處理等工藝而制作的產品,是非晶變壓器的核心部件。

未來非晶合金材料發展前景廣闊。非晶合金材料具有突出的節能環保特性, “制造節能、使用節能、回收節能”的全生命周期可循環綠色材料。配電變壓器按照鐵心材質類型可以分為非晶變壓器和硅鋼變壓器。目前全球范圍內電網配電變 壓器的應用仍以硅鋼變壓器為主。但是相較于傳統材料硅鋼,非晶合金的低矯頑力、 高磁導率、高電阻率等特性使得材料更易于磁化和退磁,可顯著降低電磁轉換損耗, 以非晶合金為鐵芯的配電變壓器鐵損僅為硅鋼片的 1/51/10。我國約 30%60% 電網損耗來自變壓器,即使只替代現有變壓器的 15%,其節電可達 90 億度/ 年、CO2 減排 800 萬噸/年。在面對氣候變化挑戰、減少碳排放、盡早實現“碳中 和”的大背景下,非晶變壓器的占比有望進一步提升。 非晶帶材產能及市場規模近六年增速顯著。2021 年,中國非晶帶材產量約 10.3 萬噸,同比增長 6%,2015-2021 CAGR 12.9%;中國非晶帶材市場規 模在 2021 年達 14.5 億元左右,2015-2021 CAGR 10.42%。

納米晶合金是在非晶態的基礎上,通過特殊的熱處理,讓它形成晶核并長大, 但控制晶粒大小在納米級別,不形成完全的晶體,這時形成的結構就是納米晶,實 際上是非晶和納米晶的混合結構。與非晶材料相比,納米晶合金表現出更佳的強度、 硬度,更良好的韌性,更小的彈性模量和延展性等特點。 納米晶超薄帶產品是制造電感、電子變壓器、互感器、傳感器、無線充電模塊 等磁性器件的優良材料,主要應用于消費電子、新能源發電、新能源汽車、家電、 粒子加速器等領域,滿足電力電子技術向大電流、高頻化、小型輕量、節能等發展 趨勢的要求,目前已在智能手機無線充電模塊、新能源汽車等產品端實現規?;瘧?/span> 用。與軟磁鐵氧體材料、非晶軟磁材料等材料相比,納米晶超薄帶因其高飽和磁度、 低矯頑力、高初始磁導率等材料特性可以縮小磁性器件體積、降低磁性器件損耗, 屬于新型磁性材料,綜合磁性性能更為優異。

 

下游新興行業旺盛需求帶動納米晶材料發展。隨著下游電力電子領域科技水 平的不斷提升以及綠色低碳發展理念的持續推廣,新能源汽車、新能源發電等新興 行業逐漸興起,對于承擔電能轉換功能的磁性器件的重量、體積、傳輸效率等方面 均提出了更高的標準和要求,納米晶材料市場前景廣闊。 納米晶材料市場規模將持續高速增長。根據觀研天下數據顯示,2020 年全 球納米晶需求量 2.78 萬噸,市場規模為 12.51 億元;預計 2025 年全球納米晶需 求量達 7.4 萬噸,市場規模有望達到 33.29 億元,2020-2025 年間年復合增長率 為 23.4%。 納米晶材料行業集中度較高,市場競爭激烈。日本日立金屬作為全球納米晶 材料行業巨頭,專注于汽車、電子、建筑、機械等領域相關產品生產、經營和銷售, 于 1988 年率先完成納米晶合金材料的研發,占據全球納米晶材料市場近 50.0% 的份額。青島云路新材、浙江兆晶電氣、北京安泰科技為我國納米晶材料龍頭企業, 在技術創新帶動下,我國龍頭企業的納米晶材料制備工藝已經達到全球先進水平。

1.2.4 軟磁材料發展與展望

軟磁磁材上游屬于大宗商品,以金屬磁粉芯為例有 4 種核心金屬:鐵鋁硅鎳。 光伏方面主要使用鐵、鋁、硅,汽車及高端 5g 通信領域則會用到鎳合金。金屬磁 粉芯制作工藝復雜,技術含量較高,擁有較高的毛利率,以光伏應用為例,當前鐵 硅鋁+磷酸鹽絕緣劑等原料成本占磁粉芯價值量不超過 50%,磁粉芯整體毛利率 能夠達到 45%-60%。 21 年大宗商品價格高企,以軟磁材料上游原料鐵及磁性元器件繞組上游銅價 格為例,銅由 20 3 月的低點 36570 /噸漲至 21 5 月高點 76110 /噸, 鐵礦石價格由 20 2 月的低點 645 /噸漲至 21 5 月高點 1573 /噸。上游原材料的漲價給磁材企業及磁性元器件廠商帶來成本壓力,同時價格向下游客戶傳導存在滯后,導致行業整體毛利率出現明顯下滑。22 年上半年俄烏沖突導致全球能源價格大漲,銅和鐵礦石階段性走強。隨著后續大宗商品價格的回落企穩,下 半年市場上銅呈現供應少量過剩的局面,銅價和鐵價出現下行趨勢,行業成本端壓 力得到一定緩解。

磁粉芯、非晶納米晶、鐵氧體三種軟磁材料在應用領域互有交叉,小范圍內存 在互相替代,但短期內彼此無法完全替代。以磁粉芯為例,光伏行業在 15 年前大 多采用非晶納米晶磁芯作為電感,隨著分布式光伏的普及,居民樓開始大量鋪設光 伏機臺,此時非晶納米晶產生的噪音會對居民產生影響,金屬磁粉芯便開始逐步取 代非晶納米晶,在光伏領域成為主導,當前鐵硅磁粉芯已成為逆變器中 Boost 升 壓電感和大功率交流逆變電感的標準設計。 三種軟磁材料當前呈三足鼎立態勢,粉芯材料在 10k-60kHz 領域有極大的市 場,該范圍內盡管鐵氧體自身成本較低,但鐵氧體的大體積會對整機造成影響,抬 高整體成本。一旦突破 60kHz 則需采用高端鐵鎳合金粉芯甚至價格更高的鐵鎳鉬 合金粉芯,此時鐵氧體比磁粉芯更具有成本優勢。而一旦超過 150kHz 磁粉芯會 發熱嚴重,此時則需采用鐵氧體或非晶納米晶才能使元器件正常發揮功能。 當前逆變器中 IGBT MOS 管在往大功率方向發展,頻率也在逐漸升高,總 體呈現鐵氧體和非晶納米晶對磁粉芯緩慢替代的過程,但當前頻率大部分處于 40kHz 以下,替代需要較長的過程,短期內磁粉芯需求仍舊較旺盛。

 

2 電磁轉換重要載體,磁性元器件為電源電路之基

磁性元件通常由繞組和磁芯構成,它以法拉第電磁感應定律為原理實現電能 和磁能相互轉換,是儲能、能量轉換及電氣隔離所必備的電力電子器件。磁性元器 件是電力電子技術最重要的組成部分之一,幾乎所有電源電路中都離不開磁性元 件。

磁性元件可分為變壓器和電感兩大類。變壓器是指利用電磁感應原理實現電 能變換或把電能從一個電路傳遞到另一個電路的靜止電磁裝置。按照用途可以將 變壓器分為電子變壓器、電力變壓器等。電子變壓器一般指的是輸入為高電壓(例 220 伏),輸出為低電壓(例如幾伏到幾十伏),功率范圍一般為幾瓦到幾十千 瓦之間的變壓器,具有性能穩定、體積小、效率高等優點。電子變壓器在電子設備 中占有重要地位,尤其是在電源設備中,交流電壓和直流電壓幾乎都要經過變壓器 變換、整流取得。電子變壓器按照用途通常又分為:電源變壓器、開關電源變壓器、 音頻變壓器、脈沖變壓器、特種變壓器等。

變壓器的基本結構部件是鐵心(磁芯)和繞組,由他們組成變壓器的器身。鐵心既作為變壓器的磁路,又作為變壓器的機械骨架,由軟磁材料制成,根據用途不 同可采用磁粉芯、鐵氧體或硅鋼片等材質。繞組是變壓器的電路部分,用來傳輸電 能,一般分為高壓繞組和低壓繞組,由絕緣的銅線繞制而成,高壓繞組的匝數多、 導線橫截面小,低壓繞組匝數少、導線橫截面大。為了改善散熱條件,大、中容量 變壓器的器身浸入盛滿變壓器油的封閉油箱中,各繞組與外電路的連接則經絕緣 套管引出。為了使變壓器安全可靠地運行,還設有儲油柜、氣體繼電器和安全氣道 等附件。 2020 年疫情催生了人們對電子產品及家用電器的需求,光伏、風電及新能源 的迅速發展給變壓器帶來了新的增量市場。據中國電子元件協會數據,2020 年全 球變壓器市場規模約為 615.8 億元,2021 年為 668.4 億元,同比增長 8.5%,至 2025 年將達 786.8 億元,2020-2025 年年復合增長率為 5%。

 

根據中國電子元件協會統計,21 年全球電子變壓器制造商主要集中于中國大 陸(47%)、中國臺灣(18%)、日本(14%),下游方面,照明(24%)、家用電器(15%)、通訊設 備(14%)等傳統領域依然為變壓器下游的主要應用領域,近年來 5g 通訊、風電 光伏、儲能、新能源車的快速發展給變壓器帶來了新的增量,預計未來新興領域變 壓器市場份額將快速提升。

電感器是一種儲能元件,利用電磁感應原理,將電能轉化為磁能而存儲起來。 其結構類似于變壓器,但一般只有一個繞組。電感器的主要功能是篩選信號、過濾 噪聲、穩定電流及抑制電磁波干擾等,一般由骨架、繞組、屏蔽罩、封裝材料、磁 芯等組成。

當交流電通過電感時,電流產生的磁場將其他的繞線切割,從而產生反向電壓 并阻礙電流變化,在電流突然增加時阻礙電流的趨勢尤其明顯。反之當電流減少時, 則向電流增加的方向產生電動勢,阻礙電流減小的趨勢。電感的這種特性使得電路 中電流通過更加平滑,減弱開關瞬間電流的急劇變化,可與電容、電阻等元件組合, 對電路形成一定保護作用。 當直流電通過電感時,因其電流不發生變化,不產生反向電壓,也沒有發生短 路的風險,因此電感成為“通直流、阻交流”的元器件。

電感器可分為插裝式電感器和片式電感器兩大類。插裝式電感器具有成本低、 可靠性好、Q 值高、感量精度高、系列化等優點,但是其固有的體積大而難以小型 化,且生產自動化程度不高難以大規模生產。插裝式電感多應用于大電壓大電流的 場景,單價較高,但該領域行業集中度低,大小生產廠家諸多,且過去處于存量市 場競爭,導致毛利率偏低。新能源的發展帶來了大量高電壓場景下的逆變、升降壓 等需求,京泉華、可立克、伊戈爾、麥捷科技等頭部企業抓住新能源的機遇,產品 已切入逆變器及主機廠大客戶。 片式電感器具有體積小、重量輕、可靠性高、適應于 SMT 安裝等優點,主要 應用于要求“輕、薄、短、小”的領域。片式電感按結構的不同可分為繞線性、疊 層型、薄膜型。繞線型的特點是 Q 值高,濾波器帶通的衰減特性較好,同時 Rdc 低,適用于大電流流過的扼流電路中。薄膜型的特點是可實現對線圈模型的細微加 工,在實現小型化的同時具備較高的 Q 值特性,且 L 值的偏差較小,能實現較小 L 值的分布響應。疊層型構造雖有 3 種結構且 Q 值也較低,但由于其 L 值偏差及 規格、價格等整體的平衡性較好,因此被廣泛使用于 RF 的匹配電路、共振電路及 扼流電路中。國產廠商中,順絡電子為片式電感龍頭企業,市場份額國內第一,全 球前三。

2019 年全球電感器主要制造商集中在日本(49.7%)、美國、中國大陸(16.1%)、 中國臺灣、韓國、德國等地

 

3 下游新能源增量助力,磁性元件揚帆起航

3.1 光伏產業蓬勃發展,逆變器需求大增

碳中和大概念下,光伏風電概念作為重要的能源替代方案組成環節,近年來發 展迅速。國家能源局印發的《2022 年能源工作指導意見》提出,要加快能源綠色 低碳轉型,將非化石能源占能源消費總量比重提高到 17.3%左右,新增電能替代 電量 1800 億千瓦時左右,風電、光伏發電發電量占全社會用電量的比重要達到 12.2%左右。能源轉型的大背景下,磁性元件的發展也迎來了更高的要求和更廣闊 的空間。 根據國際能源署數據,2021 年全球光伏新增裝機容量為 173.5GW,同比增 長 22%;到 2025 年有望增長至 273GW,期間 CAGR 11.96%。根據國家能 源局數據,2022 年國內光伏新增裝機容量 87.41GW,同比增長 60.3%,累計裝 機容量達 392.61GW,同比增長 28.1%。

在電路中,將交流電轉化為直流電被稱為整流,而逆變顧名思義則反之,是將 交流電轉化為直流電。在新能源發電系統中,光伏組件發出來的是直流電,沒法直 接并入電網或供家庭使用,而此時逆變器作為整個系統實現功能的核心部件,其作 用是將電壓較低的直流電轉變為交流電。其中若逆變器中沒有帶蓄電池,單純負責 直流變交流,然后把交流連到電網上,稱之“并網逆變器”;若逆變器中帶有蓄電 池,那么其具備了儲能功能,稱之為“儲能逆變器”。

 

逆變器占光伏電站成本約 6%,成本占比較低卻承擔著核心功能,所以廠商對 于光伏逆變器的價格不敏感,愿意以較高的價格保證逆變器的高性能穩定工作。華 為自 2010 年開始深耕逆變器行業,其產品價格偏高但質量好性能優異,自 2015 年開始連續 7 年出貨量實現全球第一。陽光電源、古瑞瓦特、錦浪科技、上能電氣、固德威等國產企業也在 2020 年位居出貨量前十,中國企業逆變器企業的優異 表現也給國產電感帶來了無限的暢想。

一臺光伏逆變器中通常有 4 種類型的電感:直流共模電感、升壓電感(變壓 器)、濾波電感、交流共模電感。 共模電感主要起 EMI 濾波的作用,一方面要濾除外界共模電磁對逆變器的干擾,另一方面又要抑制逆變器本身不向外發出電磁干擾,避免影響電網和同一電磁 環境下其他設備的正常工作。為了提升發電量,組串式逆變器一般為兩級結構,輸入電壓范圍較寬,單相為 70-550V,三相為 200-1000V。前級為 BOOST 升壓, 要配置升壓電感,后級為逆變電路,要配置濾波電感。升壓電感將輸入的電壓進行 升壓處理,使發出來的電可以直接并入電網之中,有些變壓器除升壓外還起到隔離 的作用,可以有效濾除 IGBT 功率器件產生的諧波,避免對電網造成污染。濾波電感主要起逆變作用,與 IGBT 功率器件配合將直流電轉化為交流電的正弦波。升壓電感和濾波電感是功率電感,從工作電流的角度來看,功率電感在其整個 工作段內紋波電流相對較大并且工作溫度較高,從而功率電感的直流偏置特性要求較高(尤其是高溫時),提高功率電感對應鐵氧體材料的高溫 Bs(飽和磁通密度)非常必要;另一方面,從損耗的角度來看,功率電感的損耗可能占到太陽能逆變系統 總損耗的 20~40%,降低功率電感鐵損非常必要。

逆變器中,電感為實現其功能的最核心的部件之一,占逆變器成本超過 14%。根據產業鏈調研,1GW 裝機量對應的電感價值量可達 2000-2500 萬元人民幣,我們取中間值 2250 萬元,其中磁粉芯占比約 30%,即 675 萬元。根據國際能源署數據,2021年全球新增光伏裝機量為173.5GW,我們測算 2021年全球光伏用電感市場規模為 39 億元,其中光伏用磁粉芯市場規模為 12 億元。根據國際能 源署預測,以 25 年全球新增 273GW 裝機量測算,光伏用電感、磁粉芯市場規模 分別為 61 億元、18 億元。

 

3.2 新能源車勢不可擋,磁性元器件單車價值量大

22 年以來,已有多地陸續出臺汽車消費政策,力圖帶動汽車行業市場回暖。 2022 5 31 日,工信部辦公廳、農業農村部辦公廳、商務部辦公廳、國家能 源局綜合司發布《開展 2022 新能源汽車下鄉活動的通知》,推動新能源汽車使用 環境的改善以及農村充換電基礎設施的建設。新能源車與充電樁的高增長對磁性 元器件的使用產生了拉動作用。 根據中汽協數據,2022年國內新能源車銷量達 688.7萬輛,同比增長93.4%, 市場滲透率達 25.6%。12 月當月新能源車銷量達 79.5 萬輛,同比增長 51.8%, 環比增長 3.6%,滲透率達 31.8%;分車型看,純電動車銷量為 62.4 萬輛,同比 增長 37.7%,插電混動車銷量為 18.9 萬輛,同比增長 129.2%。22 年以來新能源 汽車總體保持高速增長,月度產銷量不斷創下新高。

新能源汽車中需要的電感部位多,電感的種類豐富,應用需求大幅提升。相對于光伏電感,汽車電感涉及行駛安全,對電感的性能及安全性要求很高,加工難度也相應大很多。電感在汽車 OBC 中作為充電模塊使用,其中升壓電感在高功率 OBC(如 22kw)中制作難度較大,當前國內廠商成品率較低;主變壓器大多采用平板變壓器,加工存在一定瓶頸,目前海光電子和金之川等廠家在該領域技術積累較為豐富。DC/DC 模塊將電池包中的高壓電轉化為較低的電壓,輸出給儀表盤、雨刮器 等低電壓車載電子器件使用。DC/DC中諧振電感容易發生短路,短路后輕則模塊 燒毀,重則整車起火,因此對該電感的質量要求很高。 電機電驅裝置中,IGBT 模塊需要變壓器實現驅動功能,視車型不同可能采取 3/6/12 個變壓器,主變壓器大部分采用鐵氧體鐵心,材質較為脆弱,在車載環境下抗震動性需要得到保障,因為該變壓器直接決定電機能否實現供電,與汽車動力相關,因此對安全性及可靠性要求較高。

新能源車中共模電感主要解決電磁噪音問題,能夠提升乘員的舒適度,不與行駛安全問題直接相關。 總體來看,國內廠商在共模電感中競爭力較強,交期穩定、成本有優勢。在涉及行駛安全的電感方面日立、勝美達、TDK 等國外廠商供貨較多,國內順絡電子在該領域產品也具備一定競爭力。隨著國內廠家對車規理解的提升,對國外廠家的替代趨勢正逐漸形成。

 

新能源汽車中磁性元件單車價值量較大,一般在 800-1800 元之間,我們取中間值 1300 元;波動較大的原因是不同車型配置的 OBC DC-DC 容量大小有差異,其中如比亞迪的混動車型磁性元件價值量可達 2200 元。金屬磁粉芯占比在 車載磁性元件中占比約為 30%,即 390 元。根據 EV Volumes EV Tank 數據, 我們測算 2021 年全球新能源車用磁性元件、磁粉芯規模分別為 88 億元、26 億元,在未來將伴隨新能源車的增長而高速增長,至 2025 年分別達到 234 億元、 70 億元,期間 CAGR 27.79%。 新能源車充電樁中充電模塊起升壓及電流變換作用,電感及變壓器為充電模塊核心部件。根據中汽協數據,新能源乘用車/充電樁樁約為 31,21 年新能源 乘用車銷量占比達 95%,商用車占比約 5%,而商用車一般采用換電模式,認為沒有充電樁建設需求。假設未來保持以上比例不變,根據 EV Volumes EV Tank 數據,我們測算 2021 年全球充電樁用磁性元件市場規模為 4 億元,2025 年將增 長至 11 億元。

4 投資分析

京泉華

京泉華是一家集磁性元器件、電源類產品的生產及組件灌封、組裝技術于一體 的解決方案提供者,產品基本涵蓋了光伏及儲能、新能源汽車電子和消費類電子領域的全系列磁性器件。 公司磁性元器件產品按照產品特性可分為高頻元器件、5G 磁性元器件和車載磁性器件,包括高頻變壓器、電感器、濾波器、車載 OBC 變壓器、DC-DC 變壓 器等。公司電源產品按照產品特性可分為電源適配器、充電器和定制電源,其中智能電源是定制電源產品系列中的技術含量高的產品。公司特種變壓器中逆變器、高頻電感、特種電抗器為主要產品。

公司 21 年實現營收 19.1 億元,同比增長 45.35%,受原材料漲價及匯率波動 影響,歸母凈利潤同比下滑 39.24%,僅為 0.2 億元。隨著外部不利因素的緩解及公司新能源領域高毛利產品的放量,2022 1H 公司實現營收 11.11 億元、歸母 凈利潤 0.55 億元,同比分別增長 39.77%1180.62%,分產品來看特種變壓器 實現營收 3.95 億元,同比增長 93.84%;磁性元器件實現營收 3.85 億元,同比增 長 16.21%;電源產品實現營收 2.9 億元,同比增長 19.87%。

公司新能源領域用磁性元件營收占比超過 50%,該部分業務增長快、毛利高, 成為公司盈利的主要推動力。公司磁性元件在光伏逆變器領域為行業龍頭,主流逆 變器廠家均為公司客戶,公司產品在華為逆變器中占據較高份額,與華為深度綁定。 車載磁性元件方面,公司產品已與比亞迪、華為、法雷奧、KOSTAL 等重要戰略客 戶達成合作,并與特斯拉建立起緊密聯系,未來將持續進入新客戶的合格供應商體 系。 公司于 22 8 月非公開發行募集資金 4.355 億元,其中擬以 3.055 億元投 入河源新能源磁集成器件智能制造項目,1.3 億元用于補充流動資金。該項目建設 內容為新能源光伏磁性元器件智能制造及配套建設項目,公司擬在廣東省河源市 新建新能源光伏磁性元器件智能制造生產基地,通過租賃生產廠房和配套區域,購 置先進生產設備,滿足公司不斷增長的業務發展需要,同時優化公司資本結構,增 強償債能力和資本實力。

 

 


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