為什么要大力發(fā)展稀土永磁節(jié)能電機(jī)？（一）
大綱：
一、工信部推出“電機(jī)能效提升計(jì)劃”政策點(diǎn)評(píng)
二、電機(jī)分類
三、電動(dòng)機(jī)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)
四、能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
五、稀土永磁電機(jī)單耗與滲透率
六、為什么要大力發(fā)展稀土永磁節(jié)能電機(jī)？
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?一、工信部推出“電機(jī)能效提升計(jì)劃”政策點(diǎn)評(píng)
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2021年11月22日工業(yè)和信息化部、市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合印發(fā)《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》，提出到2023年高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到1.7億千瓦，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電量490 億千瓦時(shí)。文件明確提到“針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等通用設(shè)備， 鼓勵(lì)采用2級(jí)能效及以上的電動(dòng)機(jī)。針對(duì)變負(fù)荷運(yùn)行工況，推廣2級(jí)能效及以上的變頻調(diào)速永磁電機(jī)”。
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根據(jù)2013版《永磁同步電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)判斷，現(xiàn)產(chǎn)永磁電機(jī)分布在一級(jí)、二級(jí)能耗區(qū)間；再結(jié)合《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB 18613-2020） 和“電機(jī)能效提升計(jì)劃”，只有部分高性能釹鐵硼稀土永磁電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)應(yīng)IE5）的95%以上效率，其余稀土永磁電機(jī)屬于二級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)。目前稀土永磁電機(jī)可以節(jié)省10%以上電力，將效率提升至95% 以上。采用稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)功功率節(jié)電率可達(dá)85％，有功功率節(jié)電率可達(dá)23%~25%，節(jié)電效果顯著。
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政策順利推行的前提下，我國(guó) 2023年一級(jí)和二級(jí)節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量將為170GW，占比工業(yè)電機(jī)總產(chǎn)量的 48.96%，假設(shè)2023年稀土永磁電機(jī)滲透率為60%，對(duì)應(yīng)稀土永磁電機(jī)產(chǎn)量 102GW，對(duì)釹鐵硼的需求量為1.92萬(wàn)噸。如果“十四五”將推出措施配合電機(jī)能效提升計(jì)劃，政策持續(xù)推進(jìn)下，工業(yè)高效電機(jī)將成為釹鐵硼需求增速最快的下游。
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無(wú)取向硅鋼作為工業(yè)電機(jī)中重要原材料，起到電能轉(zhuǎn)化的作用。電機(jī)能效提升，鼓勵(lì)采用 2 級(jí)能效及以上標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，將大大增加未來(lái)我國(guó)工業(yè)電機(jī)中對(duì)于薄規(guī)格、低鐵損無(wú)取向硅鋼的需求量。根據(jù) 2020 年 5 月 29 日發(fā)布的《電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí) GB18613-2020》要求，各等級(jí)電動(dòng)機(jī)額定輸出功率下的實(shí)測(cè)效率應(yīng)不低于 3 級(jí)規(guī)定。因此，我國(guó)目前存量工業(yè)電機(jī)仍主要以 3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為主，執(zhí)行 2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后整體效率需提升 3%-4%。2020 年，工業(yè)電機(jī)對(duì)于無(wú)取向硅鋼需求量在 400-450 萬(wàn)噸左右，預(yù)計(jì)未來(lái)在等效等級(jí)提升的過(guò)程中，高端（高磁感、超薄、低鐵損）無(wú)取向硅鋼需求將有望大增。
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未來(lái)的電機(jī)需求主要分為兩個(gè)方面：一是增量需求，即每年新增的電機(jī)需求；二是存量需求，即把舊電機(jī)替換為新電機(jī)，特別是高效節(jié)能電機(jī)替換傳統(tǒng)電機(jī)。根據(jù)國(guó)際通用估算方法，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量為發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的 2.5-3.5 倍，按 照 2020 年中國(guó)全口徑發(fā)電設(shè)備容量 22 億千瓦計(jì)算，取 3 倍這個(gè)中間值，那么 2020 年電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘繛?66 億千瓦，目前電動(dòng)機(jī)中稀土永磁電機(jī)占比還比 較低，未來(lái)在電機(jī)能效提升計(jì)劃的推動(dòng)下，假設(shè)稀土永磁電機(jī) 2022 年-2023 年 的每年的滲透率增長(zhǎng) 3%，那么每年將拉動(dòng)釹鐵硼需求量達(dá)到 2 萬(wàn)噸，帶動(dòng)輕稀土下游需求在 2022-2023 年每年達(dá)到 20%以上的增長(zhǎng)。
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二、電機(jī)分類
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永磁電機(jī)種類繁多，根據(jù)電機(jī)功能大致可分為永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)兩大類。政策提到 的電機(jī)，指應(yīng)用在鋼鐵、有色、石化、化工、建材、紡織等重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)的電動(dòng)機(jī)。凡需要將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的地方都必須用到電機(jī)，而工業(yè)類的泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等產(chǎn)品在社會(huì)生活中應(yīng)用極為廣泛，是社會(huì)耗電量的重要組成部分，所以該類產(chǎn)品的用電效率很大程度上關(guān)系到社會(huì)整體的電能使用效率。
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三、電動(dòng)機(jī)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)
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四、能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比
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2019 年開(kāi)始變頻調(diào)速永磁電機(jī)效率需高于二級(jí)，資料來(lái)源：《GB 30253-2013 永磁同步電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)》
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五、稀土永磁電機(jī)單耗與滲透率
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1、單耗：
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按照三種方式計(jì)算永磁節(jié)能電動(dòng)機(jī)功率密度比，相互驗(yàn)證。
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1）據(jù) 2019 年 WNEVC 公布的電動(dòng)化汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)用材統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，業(yè)界某車用電動(dòng)機(jī)有效材料功率密度 為5.3kw/kg，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)釹鐵硼單耗為 189kg/MW。
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2）按照 1.5 匹變頻空調(diào)功率為 1100w，磁材用量為 0.12kg 計(jì)算，電動(dòng)機(jī)釹鐵硼單耗為 109kg/MW。
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3）按照《稀土永磁 同步電動(dòng)機(jī)磁體用量的確定》論文公式計(jì)算，F(xiàn)XT53-6 型稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，機(jī)械功率 為 800w，磁體體積為 7.67cm^3，采用 N35 牌號(hào)釹鐵硼密度數(shù)據(jù) 7.5g/cm^3 換算，電動(dòng)機(jī)釹鐵硼單耗為 72kg/MW。
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2、滲透率：
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2011 年 3 月，財(cái)政部、發(fā)改委部署高效電機(jī)推廣工作。
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2011 年全國(guó)高效電機(jī)的推廣任務(wù)3177 萬(wàn)千瓦，其中稀土永磁電機(jī)為 177 萬(wàn)千瓦，占比5.57%。
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假設(shè)稀土永磁電機(jī)在高效電機(jī)中滲透率從 2015 年的 20%開(kāi)始逐步提高至 2023 年的60%。
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按照節(jié)能計(jì)劃，2023 年中國(guó)高效節(jié)能電機(jī)年產(chǎn)量 170Gw，預(yù)計(jì)其中永磁電機(jī)年產(chǎn)量為 102GW，兩者 3 年 CAGR 分別為123%/145%。
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按照電動(dòng)機(jī)單耗為 189kg/MW 計(jì)算，2023 年工業(yè)電機(jī)釹鐵硼需求量為 1.92 萬(wàn)噸，占比對(duì)應(yīng)年份高性能釹鐵硼產(chǎn)量（據(jù) Frost&Sullivan 預(yù)測(cè)）的 25.32%。
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六、為什么要大力發(fā)展稀土永磁節(jié)能電機(jī)？
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1、工業(yè)電機(jī)是社會(huì)耗電量最大的領(lǐng)域。
2020 年，我國(guó)電機(jī)保有量約 40 億千瓦，總耗電量約 4.8 萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全社會(huì)總用電量的 64%，其中工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)總用電量為 3.84 萬(wàn)億千瓦時(shí)，約占工業(yè) 用電的 75%，工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)能效每提高 1%，可年節(jié)約用電量 384 億kWh 左右，能效提升 3%即相當(dāng)一個(gè)三峽年發(fā)電 量。國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030 年碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，其中重點(diǎn)指出推進(jìn)重點(diǎn)用能設(shè)備節(jié)能增效，以電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、 變壓器、換熱器、工業(yè)鍋爐等設(shè)備為重點(diǎn)，全面提升能效標(biāo)準(zhǔn)。
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2、高效節(jié)能電機(jī)是指通用標(biāo)準(zhǔn)型電動(dòng)機(jī)具有高效率（符合電機(jī)能效新標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以上）的電動(dòng)機(jī)，2020 年 5 月， 我國(guó)公布最新電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)《GB18613-2020 電動(dòng)機(jī)能效限定及能效等級(jí)》，該標(biāo)準(zhǔn)于 2021 年 6 月 1 日正式實(shí)施，IE3 （國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）以下能效電機(jī)將被強(qiáng)制停產(chǎn)。電機(jī)類型包含三相異步電機(jī)、稀土永磁電機(jī)等，傳統(tǒng)的異步電機(jī)可以通過(guò)增加材料（加大鐵心外徑、增大定子槽型尺寸、增加銅線重量、采用導(dǎo)磁性能好的硅鋼片）等方式提升電機(jī)的效率， 但是由于其基本工作原理，傳統(tǒng)異步電機(jī)本身效率提升存在天花板，且難度較大，比如部分 IE4 和 IE5 等級(jí)能效電機(jī)更傾向于使用永磁模式。
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3、更重要，與異步電機(jī)相比，稀土永磁電機(jī)具有天然節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
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1）高效節(jié)能：區(qū)別于異步電機(jī)，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁電流，節(jié)能約 15%-20%左右。
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2）效率高：永磁電機(jī)效率較傳統(tǒng)電機(jī)提高2-19 個(gè)百分點(diǎn)。
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3）稀土永磁電機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低。
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4）壽命長(zhǎng)：永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌密封式結(jié)構(gòu)，有利于降低轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦和氧化，提高電機(jī)穩(wěn)定性和壽命。
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電機(jī)效率曲線圖：
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4、更換稀土永磁電機(jī)回收周期約 1-2年，經(jīng)濟(jì)效益其實(shí)很明顯。
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根據(jù)文獻(xiàn)資料《淺談稀土永磁電機(jī)在熱電廠的應(yīng)用》，110kw 循環(huán)水泵為例，稀土永磁節(jié)電率約 8.21%，按照年運(yùn)行 7000h 計(jì)算，每年可以節(jié)約電能 6.32 萬(wàn) kwh，按 0.6 元/kwh 計(jì)算， 每年可以節(jié)約電費(fèi) 37930 元，水泵售價(jià)約 71000 元，回收周期約 1.87 年左右。不同應(yīng)用領(lǐng)域的 15%-20%左右的節(jié)電率，回收周期將更短。
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