为什么要大力发展稀土永磁节能电机？（一）
大纲：
一、工信部推出“电机能效提升计划”政策点评
二、电机分类
三、电动机现行标准
四、能效标准对比
五、稀土永磁电机单耗与渗透率
六、为什么要大力发展稀土永磁节能电机？
一、工信部推出“电机能效提升计划”政策点评
2021年11月22日工业和信息化部、市场监督管理总局联合印发《电机能效提升计划（2021-2023年）》，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。文件明确提到“针对风机、水泵、压缩机、机床等通用设备， 鼓励采用2级能效及以上的电动机。针对变负荷运行工况，推广2级能效及以上的变频调速永磁电机”。
根据2013版《永磁同步电动机》标准判断，现产永磁电机分布在一级、二级能耗区间；再结合《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613-2020） 和“电机能效提升计划”，只有部分高性能钕铁硼稀土永磁电动机可以达到一级能耗标准（对应IE5）的95%以上效率，其余稀土永磁电机属于二级能耗标准。目前稀土永磁电机可以节省10%以上电力，将效率提升至95% 以上。采用稀土永磁同步电动机，无功功率节电率可达85％，有功功率节电率可达23%~25%，节电效果显著。
政策顺利推行的前提下，我国 2023年一级和二级节能电机年产量将为170GW，占比工业电机总产量的 48.96%，假设2023年稀土永磁电机渗透率为60%，对应稀土永磁电机产量 102GW，对钕铁硼的需求量为1.92万吨。如果“十四五”将推出措施配合电机能效提升计划，政策持续推进下，工业高效电机将成为钕铁硼需求增速最快的下游。
无取向硅钢作为工业电机中重要原材料，起到电能转化的作用。电机能效提升，鼓励采用 2 级能效及以上标准电动机，将大大增加未来我国工业电机中对于薄规格、低铁损无取向硅钢的需求量。根据 2020 年 5 月 29 日发布的《电动机能效限定值及能效等级 GB18613-2020》要求，各等级电动机额定输出功率下的实测效率应不低于 3 级规定。因此，我国目前存量工业电机仍主要以 3 级标准为主，执行 2 级标准后整体效率需提升 3%-4%。2020 年，工业电机对于无取向硅钢需求量在 400-450 万吨左右，预计未来在等效等级提升的过程中，高端（高磁感、超薄、低铁损）无取向硅钢需求将有望大增。
未来的电机需求主要分为两个方面：一是增量需求，即每年新增的电机需求；二是存量需求，即把旧电机替换为新电机，特别是高效节能电机替换传统电机。根据国际通用估算方法，电动机装机容量为发电机装机容量的 2.5-3.5 倍，按 照 2020 年中国全口径发电设备容量 22 亿千瓦计算，取 3 倍这个中间值，那么 2020 年电动机装机总容量为 66 亿千瓦，目前电动机中稀土永磁电机占比还比 较低，未来在电机能效提升计划的推动下，假设稀土永磁电机 2022 年-2023 年 的每年的渗透率增长 3%，那么每年将拉动钕铁硼需求量达到 2 万吨，带动轻稀土下游需求在 2022-2023 年每年达到 20%以上的增长。
二、电机分类
永磁电机种类繁多，根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两大类。政策提到 的电机，指应用在钢铁、有色、石化、化工、建材、纺织等重点工业行业的电动机。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，而工业类的泵、风机、压缩机等产品在社会生活中应用极为广泛，是社会耗电量的重要组成部分，所以该类产品的用电效率很大程度上关系到社会整体的电能使用效率。
三、电动机现行标准
四、能效标准对比
2019 年开始变频调速永磁电机效率需高于二级，资料来源：《GB 30253-2013 永磁同步电机能效标准》
五、稀土永磁电机单耗与渗透率
1、单耗：
按照三种方式计算永磁节能电动机功率密度比，相互验证。
1）据 2019 年 WNEVC 公布的电动化汽车驱动电机用材统计数据，业界某车用电动机有效材料功率密度 为5.3kw/kg，计算得到电动机钕铁硼单耗为 189kg/MW。
2）按照 1.5 匹变频空调功率为 1100w，磁材用量为 0.12kg 计算，电动机钕铁硼单耗为 109kg/MW。
3）按照《稀土永磁 同步电动机磁体用量的确定》论文公式计算，FXT53-6 型稀土永磁同步电动机，机械功率 为 800w，磁体体积为 7.67cm^3，采用 N35 牌号钕铁硼密度数据 7.5g/cm^3 换算，电动机钕铁硼单耗为 72kg/MW。
2、渗透率：
2011 年 3 月，财政部、发改委部署高效电机推广工作。
2011 年全国高效电机的推广任务3177 万千瓦，其中稀土永磁电机为 177 万千瓦，占比5.57%。
假设稀土永磁电机在高效电机中渗透率从 2015 年的 20%开始逐步提高至 2023 年的60%。
按照节能计划，2023 年中国高效节能电机年产量 170Gw，预计其中永磁电机年产量为 102GW，两者 3 年 CAGR 分别为123%/145%。
按照电动机单耗为 189kg/MW 计算，2023 年工业电机钕铁硼需求量为 1.92 万吨，占比对应年份高性能钕铁硼产量（据 Frost&Sullivan 预测）的 25.32%。
六、为什么要大力发展稀土永磁节能电机？
1、工业电机是社会耗电量最大的领域。
2020 年，我国电机保有量约 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%，其中工业领域电机总用电量为 3.84 万亿千瓦时，约占工业 用电的 75%，工业领域电机能效每提高 1%，可年节约用电量 384 亿kWh 左右，能效提升 3%即相当一个三峡年发电 量。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。
2、高效节能电机是指通用标准型电动机具有高效率（符合电机能效新标准二级标准以上）的电动机，2020 年 5 月， 我国公布最新电机能效标准《GB18613-2020 电动机能效限定及能效等级》，该标准于 2021 年 6 月 1 日正式实施，IE3 （国际标准）以下能效电机将被强制停产。电机类型包含三相异步电机、稀土永磁电机等，传统的异步电机可以通过增加材料（加大铁心外径、增大定子槽型尺寸、增加铜线重量、采用导磁性能好的硅钢片）等方式提升电机的效率， 但是由于其基本工作原理，传统异步电机本身效率提升存在天花板，且难度较大，比如部分 IE4 和 IE5 等级能效电机更倾向于使用永磁模式。
3、更重要，与异步电机相比，稀土永磁电机具有天然节能优势。
1）高效节能：区别于异步电机，永磁电机的转子不需要励磁电流，节能约 15%-20%左右。
2）效率高：永磁电机效率较传统电机提高2-19 个百分点。
3）稀土永磁电机 结构简单，故障率低。
4）寿命长：永磁电机的转子采用内嵌密封式结构，有利于降低转动时的摩擦和氧化，提高电机稳定性和寿命。
电机效率曲线图：
4、更换稀土永磁电机回收周期约 1-2年，经济效益其实很明显。
根据文献资料《浅谈稀土永磁电机在热电厂的应用》，110kw 循环水泵为例，稀土永磁节电率约 8.21%，按照年运行 7000h 计算，每年可以节约电能 6.32 万 kwh，按 0.6 元/kwh 计算， 每年可以节约电费 37930 元，水泵售价约 71000 元，回收周期约 1.87 年左右。不同应用领域的 15%-20%左右的节电率，回收周期将更短。
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