电机驱动 稀土需求倍增（上）

一、稀土成为低碳、智能时代的驱动材料

1.稀土在低碳和智能工业领域应用广泛

低碳化和工业智能化是当今驱动中国乃至全球经济两大最重要的力量，而稀土则是这两大驱动力量的核心材料。

相较于钴和锂的新兴应用领域相对集中于电池领域，稀土在低碳经济中的应用范围更加广泛。稀土在光、磁、电领域能够产生特殊的能量转换、传输、存储功能，通过加工可形成一批新型功能材料，满足更快、更小和更轻产品的节能需求，是无污染、高性能的“绿色材料”。在低碳能源系统方面，稀土可用于石油化工和天然气工业催化剂，用于风力涡轮机；在低碳产业体系方面，稀土可以用于电子、激光与感应设备、高端医疗设备、民用照明光学材料、特殊陶瓷、工业合金、磁性材料与风电设备、新能源汽车与电池中；在低碳技术方面，稀土通过其在汽车尾气催化转化、混合动力汽车、电机中的独特应用，在减少温室气体排放方面发挥着关键作用。

除了低碳发展外，智能化工业是主导全球经济的另一驱动，智能化所需要的核心能力包括自动化、信息化、互联化、智能化四个阶段。中国做出了相应的规划，在“中国制造2025”中提出以信息化和工业深度融合，发展五大工程、十大领域，其中十大领域包括新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械，稀土在上述领域中均为举足轻重的基础材料。

表1 稀土在《中国制造2025》十大领域中的应用

2.稀土元素的特点铸就独特功能

稀土是化学元素周期表中镧系（镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥）15 个元素和21 号元素钪、39 号元素钇（共17 个元素）的总称。据其物理化学性质的差异性和相似性，可分成三个组：轻稀土组（镧～钷）、中稀土组（钐～镝）、重稀土组（钬～镥加上钪和钇）。

稀土能够成为低碳、智能新时代的关键核心材料，是由其特殊的原子结构决定的。稀土元素的共性在于原子结构相似、离子半径相近、在自然界密切共生，同时，由于各元素原子结构中K、L、M 层能级不同，核内质子数及排列不同，4f 层中电子数不同，因而存在特殊，具有丰硕的能级跃迁、大的原子磁矩、很强的自旋轨道耦合等特性。与其他元素形成稀土配合物时,配位数可在3～12 间转变,使稀土化合物晶体结构多样化。这些特性给予了稀土元素及其化合物独特的电、光、磁、热等性能。

稀土下游需求主要为稀土磁性材料、稀土催化材料、稀土储氢材料、稀土抛光材料、稀土发光材料、稀土合金材料等稀土功能材料。

3.节能效果使稀土永磁成为增速最快的应用领域

稀土应用广泛，新兴需求不断开发应用，其中稀土永磁成为最大的应用领域。2015～2021年间，稀土各功能材料按照增速来看发光材料、抛光材料、永磁材料、储氢材料等新兴应用增速较快，而用于裂解、催化等领域需求萎缩。按照绝对量看来，永磁材料是稀土应用材料的主要来源，约占6年间稀土应用材料增量比重的为55%。

稀土永磁技术路线分为三种：铁氧体、钐钴永磁和钕铁硼，其中钕铁硼（NdFeB）是第三代稀土永磁材料，主要成分为稀土（Re）、铁（Fe）、硼(B），其中稀土Nd 为了获得不同性能可用部分镨（Pr）、镝（Dy）等其他稀土金属替代，铁也可以被钴（Co）、铝（Al）等其他金属部分替代。钕铁硼具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能级的优点，是迄今为止磁性最强的永磁材料。

钕铁硼具有“小型化”和“高磁能”两大特点，使其具有节能环保的功能，成为低碳时代必然的选择。与铁氧体相比，钕铁硼具备高能量、高密度的优点，相同磁力的钕铁硼体积是铁氧体的1/10，体积是其1/6，能够满足小型化、轻量化、薄型化的需求；同时，钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力，是目前永磁材料中磁性能最高的一种，因此广泛应用于电机、电动工具、风力发电、节能电梯、电动自行车、新能源汽车、EPS 等。钕铁硼设备的初置成本虽然较高，但长期节能价值更为突出。

表1 稀土产业链

从各稀土元素在地壳中的丰度来看，最高为铈（La）和镧(Ce)，分别为43ppm 和39ppm，钕(Nd)、镨（Pr）分别为26ppm 和5.7ppm，镝（Dy）为6ppm，铽（Tb）为1.4ppm。因此，不同稀土元素之间价格分化较大，体现了其地壳丰度与应用领域之间的差异度。

4.需求换挡，高性能钕铁硼市场规模快速扩大

所谓高性能钕铁硼永磁材料是指以速凝甩带法制成，内禀矫顽力Hcj(kOe) 和最大磁能(BH)max,MGOe）之和大于60，用于制作中、小、微型特殊用途的永磁电机、传感器、磁共振仪、高级音像设备等的烧结钕铁硼永磁材料，属于重点鼓励和支持发展的高新技术产品。从实际应用来看，低端钕铁硼主要应用于磁吸附、磁选、电动自行车、箱包扣、门扣、玩具等领域，而高性能钕铁硼主要是指应用于高技术壁垒领域中各种型号的电机、扬声器之中的磁钢，包括节能电机、汽车电机、风力发电、高级音像设备、电梯电机等。

按照生产工艺，钕铁硼可以分为烧结钕铁硼、粘结钕铁硼和热压钕铁硼，粘结钕铁硼主要用于硬盘光驱主轴电机以及功率较小的微特电机等领域，而烧结钕铁硼更多用于功率较大的驱动电机等领域。据悉，2020年中国烧结钕铁硼毛坯产量约为19 万吨，较2019年的17 万吨增长11.8%。其中，高性能烧结钕铁硼毛坯产量为5.13 万吨，占钕铁硼毛坯总量的27.6%。2015年～2020年高性能钕铁硼年复合增长率为13.69%，较钕铁硼同期9.6%的CAGR 高4个百分点，占比由21.3%提升至27.6%。

随着低碳理念在经济领域的贯彻执行，高性能钕铁硼的下游需求已经发生了质变与量变。2009年高性能钕铁硼下游消费占比最大的三大行业为风电、消费电子和VCM，其中消费电子和VCM 合计占高端钕铁硼的消费比重为46%，2015年，即新能源革命所带来相关行业的爆发式增长前夕，这一格局从结构上并未发生根本变化，消费电子和VCM 合计占高端钕铁硼的消费比重为44%。但从2020年来看，新能源汽车、传统汽车、变频空调、工业机器人已成为高端钕铁硼的主要消费行业，风电占比变化不大，但绝对量出现倍数级增长。我们认为，从需求驱动的角度看，高端钕铁硼进入一个新时代，体现在两个方面：驱动行业的多元化和需求量级上的跃升。

二、全球低碳化开启钕铁硼电机新时代

电能是现代工业的主要能源和动力，电机是各种设备的动力驱动系统。电机广泛应用于冶金、电力、石化、煤炭、矿山、建材、造纸、市政、水利、造船、港口装卸等领域，凡需要将电能转化为机械能或将机械能转化为电能的地方都必须用到电机，电机行业整体上具有巨大的市场容量。

稀土永磁电机无源（不需要额外提供电能）、无接触（隔空作用，无机械磨损），具有三高三小一好的特点：效率高、功能密度高、力矩高、体积小、噪音小、温升小、稳定性可靠性好，结构简单、节能环保，是现代科学技术与工业制造不可缺少的基础功能材料。在稀土永磁的应用中，电机占比超过60%。

除了作为新能源汽车、风电、机器人等新兴领域的电机首选外，电力消耗最大的传统工业电机能效提升改造也为钕铁硼提供巨大的市场空间。

（一）汽车行业成为永磁需求主要驱动

1.传统汽车微电机与EPS拉动永磁需求

传统汽车对稀土永磁的应用主要来自微电机和EPS 的拉动。随着汽车驾乘享受、舒适度和安全措施的提升，传统汽车所用永磁电机的数量由原来的近40 个提升至70 个，并向小型化、轻量化、高效率化方向发展，稀土永磁取代部分传统铁氧体永磁电机，用于起动电机、发动机、自动刹车、油泵电机、空调电机等。

在传统汽车中，作为自动驾驶基本要素之一的EPS（电动助力转向系统）则是其中最重要的执行机构之一。EPS 利用电动机产生的动力协助驾车者进行动力转向，可以增强汽车操纵稳定性、舒适性、行驶安全性和潜在的自动驾驶适配能力。国内汽车行业的EPS 系统在历史上的普及略晚于欧美日国家，近年来乘用车EPS 渗透率迅速提升，但商用车汽车转向系统依旧以HPS（机械液压助力转向系统）和EHPS（电子液压助力转向系统）为主，2020年EHPS 占比40.1%。液压系统效率为60%～70%，EPS 则高达90%以上，且结构简单能耗少。随着环保趋严，HPS、EHPS 的市场份额未来将逐步被EPS 所取代，EPS 渗透率提升有望带动镨钕需求持续扩张。

2.新能源汽车成为钕铁硼需求的主要增长动力

在能源与环境压力下，发展新能源汽车（油、电混合动力汽车和纯电动汽车等）已形成全球共识。新能源汽车主要包括纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）。全球新能源汽车自2019年以来加速增长，2021年新能源汽车产销量呈现出爆发式增长。2021年全球新能源汽车销量达到611 万辆，同比增长110%，渗透率为8%，较2020年提升4 个百分点。

2021年我国新能源乘用车产量为354.5 万辆，同比增长159.5%，大幅超过年初预期。其中纯电动车276.1 万辆，同比增长178.8%，插电混动车型零售59.8 万辆，同比增长133.5%。渗透率呈现逐月提升态势，全年达到16%，欧洲受到芯片短缺的影响，但全年产销保持平稳，2021年新能源汽车销量为195 万辆，德国、法国、英国销售分别增长73%、63%和74%，渗透率较上年提升5%～9%个百分点；2021年是美国新能源汽车政策的拐点年，新能源汽车销量65 万辆，同比增长102%，渗透率较2020年翻番至7 个百分点左右。

新能源汽车驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一，是纯电动车和燃料电池汽车上唯一驱动部件，是油电混合动力汽车实现各种工作模式的关键，直接影响混合动力汽车的油耗指标、排放指标、动力性、经济性和稳定性。

适合新能源汽车驱动电机的主要有永磁同步、交流异步和开关磁阻三类。稀土永磁驱动电机因其具有尽可能宽广的弱磁调速范围、高功率密度比、高效率、高可靠性等优势而被用作新能源汽车驱动电机，有效地降低新能源汽车的重量和提高其效率。高性能烧结钕铁硼永磁材料是用于稀土永磁驱动电机的核心关键材料，对电机的性能起着重要作用。2019年以来我国新能源车90%以上配置永磁同步电机，北汽新能源、比亚迪、小鹏、哪吒、威马等大多数自主品牌汽车都采用永磁同步电机。部分新能源汽车采用双电机模式，双电机模式既可在一般行驶状态下使用永磁同步电机，从而获得较长的续驶里程，也能在高速行驶时使用双电机，由转速更快的交流异步电机输出更高的速度，还减少了整车成本。部分客车也装载两台驱动电机(双驱动)，集中分布在比亚迪牌、长江牌、申沃牌等纯电动客车车型。

据第一电动数据，2021年10月国内新能源汽车97.6%搭载了永磁电机。单台永磁电机耗用钕铁硼1～10kg，在驱动电机中的成本占比约为30%。我们以单台永磁电机平均耗用钕铁硼5kg、90%的永磁同步电机渗透率计算，预计2025年国内新能源汽车磁体用量4.8 万吨，是2020年的8 倍。

（二）风力发电机中流砥柱作用不减

1.风机大型化趋势改变电机需求

国内风电装机显现出大型化趋势，2017年我国新增风机平均功率首次突破2MW，2018年和2019年则分别达到2.2MW 和2.5MW。而2021年风电项目的招标情况来看，陆上机组单机容量基本都在3MW 以上，低风速区域也有4.65MW-182、5.0MW-191 级别的大容量风电机组参与，中高风速区投标中也出现5.0MW、5.2MW 机型，北方大基地风电项目招标单机容量已达6MW 以上，风机大型化显著提速。

在风力发电机单机功率提升的过程中，零部件的材料使用量并不随功率增长而线性放大，整机制造的单瓦成本可以随单机功率提升而下降。同时可以提升风电场容量、降低道路及集电线路投资成本，降低风电场的建设成本和维成本，提高运维效率。

风电行业的另一发展趋势是海上风电快速增长。海上风电凭借其距离用电负荷近、发电稳定、不占用陆地土地资源等优势，在中国发展迅速。2021年爆发海上风电抢装潮，海上风电累计装机2639 万千瓦，新增装机1690 万千瓦。2021年中国海上风电装机总量超过英国，成为全球海上风电装机容量最大的国家。海上风电的快速发展加快风机大型化趋势，一方面，海上风机较陆上风机面临环境更加恶劣，对技术要求更高，将进一步推动大容量风机的普及，另一方面，2021年是海上风电中央补贴的最后一年，相比已经很成熟的陆上风电，海上风电面临着更大的平价挑战。据中国海装机械设计所所长李杨测算，海上风电要实现平价上网，综合开发成本需再下降40%左右。大容量海上风机可以提高单机功率，减少机位点数，进而降低基础投资。未来海上风电大型化趋势更加凸显。

2.直驱与半直驱随着风机大型化渗透率提升

国内风机采用的技术路线主要有双馈式、永磁直驱及永磁半直驱式三种。直驱风机与双馈风机各有优势。双馈风机中齿轮箱与风轮机连接，风轮带动齿轮箱高速转动实现发电，而直驱风机指的是不通过齿轮箱传递动力。与双馈风机相比，在同等容量下体积相对较大，吊装运输成本相对更高，但由于齿轮箱存在过载等损坏风险，直驱风机的运维成本相对较低，在大兆瓦风机趋势下颇具优势。

永磁半直驱风机则结合了双馈和直驱风机的优点，逐步成为当下海上风机的主流机型，在2021年10月北京国际风能展上，明阳智能、中国海装、运达股份、中车集团等均推出半直驱电机，部分采取直驱式电机的风机企业如金凤科技、上海电气等也推出半直驱产品。

半直驱风机在直驱的基础上增加了齿轮箱提升转速，能够以较低的转速降低运行期间风机内齿轮箱的损耗程度，半直驱机组齿轮箱普遍采用两级行星轮传动，主流机型发电机与齿轮箱通过壳体的刚性联接而无需对中，机组的可靠性强。同时，相对直驱永磁发电机用铜量高、成本高，采用半直驱技术路线的风机，可以降低风机重量和体积，当单机容量达到15 兆瓦时，半直驱机组与传统机组的重量或相差100 余吨，便于运输和吊装，可节约成本。伴随风机大型化，直驱和半直驱型交流永磁同步电机的渗透率有望进一步提升，预计全球风电对钕铁硼的需求量在2025年有望达到3 万吨以上。

（三）电梯、空调仍有提升空间，机器人有望成为后期之秀

1.节能电梯改造增加永磁同步曳引机渗透率

电梯是高层建筑最大能耗设备之一，作为电梯驱动部件的曳引机，其能耗占到电梯耗电量的80%以上。据中国电梯协会测算估计，我国平均每部电梯每天耗电量约40kWh，约占整个建筑能耗的5%。应用了稀土永磁钕铁硼的电梯曳引机拥有了体积小、损耗低、效率高、运行可靠、低噪音等优点，安装永磁同步曳引机技术的无机房电梯，相对于普通的异步电动机而言可节省25%的电能，已发展成为新型曳引机的主流机型。

未来节能电梯的增量主要来自新增需求、旧电梯更换与节能改造和4层以上建筑必须加装电梯等，其中旧电梯更换在未来几年呈现递增趋势。根据市场监管总局数据，截止2020年底，我国电梯保有量786.55 万台，由于我国电梯参照日本标准设定，报废年限为15年。截止2019 底，国内使用年限超过15年的电梯已超过10 万台。自2000年开始我国电梯产销量快速增加，未来运行超过15年的电梯数量将快速上升。预计2021～2025年旧电梯更新需求从15 万台逐年增加至30 万台。我国电梯产量占全球的三分之二，新兴曳引电梯以及节能电梯的替代应用，对永磁材料需求有望保持稳定增长。

2.变频空调能效标准提升加速变频渗透率

空调能效新标准-GB214552020 自2021年7月1 日实施，这是我国空调能效标准单次提升幅度最大的一次。新能效标准由3 个等级调整5 个等级，不同等级能效均有不同程度的提升，其中定速产品的成本大幅增加将不再具有竞争优势，初步定为分两步淘汰，2022年1月1 日完全淘汰。参考历史表现，2013年变频空调标准颁布实施后，空调的变频占有率提升超过了6 个百分点，本次空调新标将进一步加速产品的升级迭代，通过变频与定频空调市场结构的调整，根据能效政策，预计2022年前后，中国空调市场整体的能效准入门槛提高30%左右，变频空调市场占有率提高20%。

压缩机是空调的核心，其转速直接影响空调的使用效率，变频器则可以将电机调节到合适的速度，可以明显降低能耗。随着变频空调能耗标准提高，铁氧体无法满足能耗下降指标要求，钕铁硼变频空调的市场占有率有望进一步提升。

3.机器人有望成为钕铁硼需求的后起之秀

智能机器人主要包括工业机器人，专业服务机器人和个人/家庭机器人，钕铁硼主要用于智能机器人的传感器和驱动电机中。机器人替代人工生产是未来制造业重要的发展趋势，是实现智能制造的基础，也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障，工业机器人将为智能制造中智能装备的普及代表。机器人结合视觉和其他传感系统，具备新技巧，配备了最新导航技术的移动机器人的智慧工厂比传统生产线更加灵活，机器人凭借高效能实现更高的精度、降低废品次品，提升投入产出比，符合低碳需求，新冠疫情影响下供应链的安全问题也会加速机器人的应用。

2021年我国规模以上企业工业机器人产量为36.30 万套，同比增长44.9%。在制造业人力成本不断提高和疫情对供应链的影响大背景下，全球机器换人的趋势方兴未艾。IFR（国际机器人联合会）预计2021～2024年全球机器人年均增速为6%左右，全球产量在2024年达到518 万台。

稀土永磁电机是机器人核心零部件伺服电机的核心材料。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，它将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象，可精准控制速度和位置精度。驱动电机对功率质量比和扭矩惯量比、起动转矩、惯量和调速范围等性能要求较高，具有较高可靠性和稳定性的高性能钕铁硼永磁材料能够使得核心部件实现体小量轻、快速反应，并具备较强的短时过载能力。一套工业机器人的单个手臂需要配备一个减速器和伺服电机，整体需要配备4～6 个减速器/伺服电机和1 套控制系统。伺服电机成本占比约为20%，其中钕铁硼材料成本占伺服电机成本15%左右。按照单台工业机器人耗用钕铁硼25 公斤估算，预计到2025年全球工业机器人耗用钕铁硼2.6 万吨左右。

（四）工业电机能效标准提升打开永磁需求新空间

1.电机应用广泛，是节能的主要领域

2020年全年中国工业电机产量达32334.1 万千瓦，电机保有量约40 亿千瓦，总耗电量约4.8 万亿千瓦时，占全社会总用电量的64%，约占工业用电的75%。提升工业电机的能效等级是节能减排的重点措施之一，没有高效的电机系统就无法搭建先进的自动化生产线。美国和欧洲分别从1997年和2011年强制推行高效电机。我国电机系统运行效率比国外低10～20 个百分点，工业领域电机能效提升2%，即相当一个三峡年发电量。我国电机中，风机、泵类、压缩机三类合计占全部电机耗电量的55%左右，占电机CO2排放量64%，占SO2排放的78%，（NOx）的78%，电机节能减排意义重大且刻不容缓。从规模上看，中小型电动机耗电量占总发电量的50%，其中存量低效异步三相电动机约15 亿千瓦，是电力生产部门最大的用户。

从用电侧角度，电机能耗对碳达峰和碳中和的目标具有决定性影响，国家及各地政府先后出台了一系列政策，推动工业电机行业往绿色、高效节能方向发展。2021年10月26 日，国务院印发《2030年碳达峰行动方案》，其中重点指出推进重点用能设备节能增效，以电机、风机、泵、压缩机、变压器、换热器、工业锅炉等设备为重点，全面提升能效标准。2021年11月，工业和信息化部、市场监督管理总局联合印发《电机能效提升计划（2021～2023年）》。《计划》提出，到2023年高效节能电机年产量达到1.7 亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20%以上，实现年节电量490 亿千瓦时，相当于年节约标准煤1500 万吨，减排二氧化碳2800 万吨。推广应用一批关键核心材料、部件和工艺技术装备，形成一批骨干优势制造企业，促进电机产业高质量发展。

采用新型电机设计、新工艺及新材料，降低电磁能、热能、机械能的损耗来提高输出效率，高效节能电机比传统电机效率大约高3～5%。稀土永磁电机具有高效节能、轻便节材、体积小、调速性好、可靠性强等特点，在电机节能技术解决方案中能效水平最高。

2.工业电机能效提升为钕铁硼需求带来新动力

稀土永磁在电机领域有独特的优势：不需要额外提供电能、隔空作用，无机械磨损、结构简单、节能环保、稳定可靠。大型电站、矿山、石油、化工等行业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户，而目前所用电机的效率和功率因数较低，改用钕铁硼永磁后可以提高了效率和功率因数，节约能源，且为无刷结构，提高了运行的可靠性。采用变频调速技术，钢厂扎辊冷却水泵节电45%，空调泵节电58%，风机节电39%。在调速方案中，稀土永磁无刷电机与一般异步电机调速相比。在运行中，稀土永磁电机的效率变化很小，但异步变频调速电机的运行效率变化很大，运行效率波动区间在54%～93%，而稀土永磁无刷电机运行效率始终保持在90%左右。因此，采用变频调速传动，用于水泵、风机，异步电机变频调速可节电30%左右，而稀土永磁无刷电机可节电35%以上，推广1kw 稀土永磁无刷电机，每年节电为661.3kw/h。按照1kW 电机平均耗用高性能烧结钕铁硼磁体0.5kg 的假设估算，按照2023年高效能电机渗透率20%，其中一半采用稀土永磁电机，则新增钕铁硼需求量为2.5 万吨。

（五）结论：预计2025年前钕铁硼年均增速在20%～25%之间

综合以上，结合各行业权威部门对2025年的产量预测，我们估算2021～2025年全球钕铁硼年复合增速在20%～25%之间，其中增量贡献主要来自新能源汽车、工业电机和工业机器人，其中新能源汽车贡献近半；中国占全球消费增量的60%左右。

（未完待续）