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新能源汽车所需的「烧结NdFeB磁性材料」全球专利分析

科技情报
豆豆20天前
新能源汽车所需的「烧结NdFeB磁性材料」全球专利分析

新能源汽车所需的「烧结NdFeB磁性材料」全球专利分析

#本文由作者授权发布,未经作者许可,禁止转载,文章不代表IPRdaily立场#


发布:IPRdaily中文网(IPRdaily.cn)

供稿:方象知产研究院

原标题:新能源汽车的强劲需求引爆基础性高科技材料产业增长


随着全球新能源汽车产业的不断发展,稀土永磁电机具有广阔的需求市场。我国丰富的稀土资源、产储量优势也将推动稀土永磁材料的快速发展。这为我国高性能钕铁硼产业的发展创造了有利条件,尤其是烧结NdFeB永磁材料的发展会保持高速增长趋势。但是如何实现从“量”变到“质”变,从“专利大国”变身为“专利强国”?十九大报告发出科技时代最强音,创新是引领发展的第一驱动力。


内容提要:


    1.双积分、补贴新政的出台究竟对谁影响大?

    2.永磁同步电机已成新能源汽车强劲“心脏”,但背后原因何在?

    3.新能源汽车产业风暴来袭,烧结钕铁硼永磁体“抢镜”说明了什么?


1、新能源汽车发展高歌猛进 巨大电机需求市场应运而生


发展新能源汽车是应对能源和环境问题的有效解决措施之一,各国非常重视新能源汽车产业发展。基于节能减排的考虑,我国自2001年开始相继出台多项产业扶持政策,将新能源汽车产业发展置于国家战略发展层面。《中国制造2025》已将新能源汽车作为未来30年大力推动突破发展的十大重点领域之一,这对于提升新能源汽车产业化的技术水平、市场竞争力和产业规模具有重要作用。国务院日前印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,明确提出到2020 年我国将实现新能源汽车 200 万辆产销量规模的宏伟目标。


图 1为2016年以来中国新能源汽车产量情况。


整体上看,新能源汽车产量呈上升趋势。而就统计数据而言,中国新能源汽车产量经历了增长和回落的阶段性波动过程,这与新能源汽车市场是政策导向性市场有关。其中,2016年整年新能源汽车产量平稳上升,这是因为新能源汽车购置锐减免和补贴政策的落地直接拉动整年产量。与2016年相比,2017年初新能源汽车产量有所回落,其原因是2016年底旧新能源政策到期作废,新能源汽车产业处于短时调整期。随着2017年行业整肃以及双积分政策的出台,新能源汽车开始快速增长,其中10月份产量同比增长高达87.7%。在2018年初,双积分政策开始正式实施,同时四部委出台了补贴新政策,鼓励消费者选购新能源汽车,估计产量会持续增加。由此可见,政策和市场的双驱动将可能引发新能源汽车行业的爆发式增长。


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图1   2016年以来中国新能源汽车产量月产量变动情况(万辆)

方象知产研究院整理


驱动电机是新能源汽车的核心部件,其性能优劣直接影响电动汽车整车的使用性能。在选择驱动电机时,需要考虑几个关键指标,例如效率、可靠性、耐用性、成本、重量和尺寸等。目前适用于新能源汽车的驱动电机主要有以下四大类,分别是无刷直流电机、交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。不同类别电机的性能特点见表1。


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表1  新能源汽车电机性能比较-永磁同步电机综合性能最佳

方象知产研究院整理


从表1中可以看出,与其他类型电机相比,永磁同步电机综合性能最优。尤其是在相同体积和质量下,永磁同步电机能够为电动车提供最大的功率输出,因而成为电动车用驱动电机的主流选择。永磁同步电机占据了全球新能源汽车用电机的90%以上,包括最新上市的特斯拉model3也是使用稀土永磁电机,这意味着永磁同步电机基本占据了新能源汽车市场。


2、稀土永磁材料助力 永磁同步电机性能提升


永磁电机是使用永磁体作为励磁的电机,永磁材料对电机性能具有重要影响。永磁材料的性能越高,永磁电机的力矩常数、转矩惯量比、功率密度等性能指标越高,即电机的使用性能越好。


可见,提高永磁电机的关键是制备高性能永磁材料。


永磁材料分为传统永磁材料和稀土永磁材料,其中传统永磁材料包括铝镍钴和铁氧体,且其性能均低于稀土永磁材料。根据开发应用时间不同,稀土永磁材料主要包括三代,依次是SmCo5 系、Sm2Co17系和稀土钕铁硼(NdFeB)系(见图2),其性能特点如表2所示。从表2可以看出,NdFeB永磁材料的内禀矫顽力是Sm2Co17的2倍,铁氧体的5倍,最大磁能积比Sm2Co17高约50%,是铁氧体的10倍,剩磁约为铁氧体的3倍,且不含战略元素Co,其性价比高。另外,NdFeB合金的机械力学性能优于Sm2Co17合金,易于切削和钻孔,成品率高,被誉为“磁王”。因此,NdFeB永磁材料自1983年问世以来,飞速发展并很快得到工业化应用,也成为永磁同步电机用稀土材料的首选。


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图2   永磁材料的类别及历史演进

方象知产研究院整理


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表2   永磁材料的性能对比

方象知产研究院整理


稀土NdFeB永磁体包括烧结磁体和粘结磁体。


其中,粘结磁体易于加工成型,但存在磁性能较低、使用温度不高的缺点,所以其发展和应用具有一定的局限性;而烧结磁体是世界上磁性能最强的永磁体,经过近三十年的发展,其制备工艺较为成熟,烧结磁体的磁性能、力学性能、耐腐蚀性及温度特性均得到很大提升。稀土NdFeB永磁体主要性能指标及理论值如表3所示。


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表3   稀土NdFeB永磁体的主要性能指标和理论值

方象知产研究院整理


从表3中可以直观地看出,烧结磁体的综合磁性能最高,目前烧结磁体磁能积的实验室水平可达474kJ/m3(59.5MGOe),相当于最大理论磁能积(64.4MGOe)的93%。且剩磁已接近理论值,而矫顽力(0.82T)与理论值相差甚远,这意味矫顽力提升具有很大的潜力。所以在不降低磁体剩磁的前提下,提高矫顽力是获得高性能烧结NdFeB永磁体的有效途径。


另外,根据《中国高新技术产品目录(2006)》第六大类新材料中第895项的规定,高性能NdFeB永磁材料主要指以“速凝甩带法”制成,且Hcj(kOe)+(BH)max(MGOe)>60的烧结NdFeB永磁材料。永磁同步电机是新能源汽车的心脏,每台电机约使用烧结NdFeB磁体1-3千克,可见烧结磁体的性能是永磁同步电机效率的直接影响因素。


所以,制备高性能烧结NdFeB永磁材料是提高永磁电机效率的关键途径,也是新能源汽车产业发展的重要影响因素。


3、烧结NdFeB永磁体的制备工艺流程


烧结NdFeB永磁体的传统制备工艺流程及改进方案,如图3所示。


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图3   烧结钕铁硼生产工艺流程及改进工艺

方象知产研究院整理


从图3中可以看出,烧结钕铁硼磁体的制备需要经多道工序才能完成,其中合金熔炼、破碎制粉、磁场取向和烧结处理是该过程的主要工序。


近年来,随着烧结NdFeB磁体制备技术的开发及应用,烧结NdFeB磁体的制备方法均有很大改进。主要改进方法如图3中红色部分所示,这也是提高烧结NdFeB永磁材料性能的技术研发方向。


4、专利分析视角 聚焦稀土永磁产业突围之路


为推进新能源汽车产业的发展目标,生产具有高效、节能、轻量、高可靠性的新能源汽车已是大势所趋,这要求电机具有优异的额定功率、转速、扭矩等各项技术指标。显然,在各类电机中,永磁同步电机是高性能电机的首选,而高性能稀土永磁材料作为永磁电机的关键基础材料,其相关技术研发和产业化应用研究尤为重要。


此外,尽管我国是稀土资源大国,但是稀土产业的高端应用水平与国外相比,仍然存在较大差距,导致我国高档永磁电机长期以来不得不依赖进口。稀土永磁材料作为稀土产业的一级应用领域,发展高性能稀土永磁材料也是拓展稀土产业链纵深需求的有效方法,同样是深度开发稀土资源,提高稀土高附加值应用的有效路径。但是核心技术专利缺失,致使在高端永磁材料市场中的竞争乏力,这已成为我国永磁产业发展的最大瓶颈。


目前烧结磁体是磁能积最高、制备工艺最为成熟的高性能永磁材料。所以发展高性能稀土永磁材料,即要加强烧结磁体的基础研究、原始创新和产业化的关键技术研发。这不仅能够推动永磁电机产业的发展,而且有助于提升稀土产业的整体竞争力。各国有关研究机构和企业均投入大量资源进行广泛深入的研究,同时申请了大量的专利。


所以本文着重研究稀土烧结NdFeB磁性材料的专利申请情况,主要对全球专利、中国专利、主要申请人分布等方面进行统计与分析,以期掌握烧结NdFeB永磁材料的发展现状和研究热点,为我国烧结NdFeB永磁材料的发展方向提供指引。


5、专利申请情况分析


(一)全球专利申请态势


鉴于1989年以前,烧结NdFeB磁体的专利量很少,所以数据统计开始于1986年。全球烧结NdFeB永磁材料的专利申请趋势如图4所示。


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图4   烧结钕铁硼领域全球专利申请趋势

方象知产研究院整理


从专利申请趋势图中可以看出,专利量总体呈小幅波动上升的走势,说明烧结NdFeB永磁材料领域的研究持续受到关注和重视。


根据专利申请量,可将整个烧结NdFeB领域的技术生命周期划分为以下几阶段,简述如下:


技术萌芽期(1986-1990年)1990年之前,全球专利申请量基本维持在每年4件左右,专利申请进展迟缓,且大多是基本成分专利。这主要是由于技术市场不明朗,也仅有少数企业如日本住友、美国麦格昆磁等参与相关专利技术研发与市场开发。且日美以基本专利技术为手段,一直长期占有烧结NdFeB磁体在全球市场的主要份额。


技术上升期(1991-2009年)在进入1990年后,专利量缓慢上升。随着稀土开采、冶炼提取及应用技术不断进步,以及下游应用市场需求不断得到拓展,带动了烧结NdFeB永磁材料领域的研究进展。


这一时期主要参与企业有日立、信越化学和住友等日企,相关技术涉及优化成分配比、新型制粉、润滑成型和低氧烧结工艺等。以上均为烧结NdFeB磁体制备的重要基本专利,这为后续技术研究和工艺开发奠定了基础。本时期计算机、移动设备等高科技领域的应用需求也推动了烧结NdFeB磁体领域的技术发展。尽管烧结NdFeB磁体颇具应用潜力,铁氧体凭借其高性价比的优势,活跃于许多传统应用领域中,成为一些烧结NdFeB磁体的替代品,这也是本阶段烧结NdFeB专利申请量缓慢上升的原因。


技术发展期(2009-2017年)在2009年后,专利申请量呈现快速增长态势,且一直延续至今。可见,本阶段烧结NdFeB技术发展迅速,这也表明国际上对于烧结NdFeB永磁材料的研发热情高涨。


烧结NdFeB永磁材料是迄今为止磁性能最强的永磁材料,是新能源和节能减排产业中的重要基础材料。正因如此,本时期新能源汽车、风力发电、节能家电、工业机器人等新兴行业的快速崛起,必然带动烧结NdFeB永磁材料需求的显著增长。对于本时期专利文献分析发现,日本专利量依然占比最大,这说明作为专利“强体”的日本,也一直领跑NdFeB永磁材料产业。这与日本原始技术创新能力强、基础研究实力雄厚和专利布局的有效性等密切相关。


而本阶段中国科研院和大学的专利量也快速上升,且跻身世界前列。其原因有二:一是依托于强大的技术研究实力;二是日美烧结NdFeB永磁材料的专利临界到期,这为我国NdFeB产业发展带来了海外市场机遇,客观上促进了我国NdFeB技术的发展。


技术成熟期(2017年之后)经过近三十年的技术发展,烧结NdFeB相关技术已经比较成熟。鉴于该产业的技术门槛高,以及巨头企业的专利权垄断等原因,中国企业的介入更加困难。烧结NdFeB领域的集中度更高,从事该技术领域的研发和专利申请工作容易固化于现有企业中。同时,高技术产业的发展也带来烧结NdFeB新的应用增长点。故预计此后烧结NdFeB专利量会持续增加,但是幅度不大。


需要说明的是,2016和2017年两年间的申请趋势曲线形式上略有回落,这是由于专利从申请到公开、授权需要一定的时间,所以统计数据小于实际数据。


图5是烧结NdFeB永磁材料的专利申请国家分布。


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图5   烧结NdFeB磁性材料全球专利申请国家分布

方象知产研究院整理


从图中可以看出,全球经济体的核心国家,如中、美、日、欧等均有相当的专利量,这说明各国均看好烧结NdFeB永磁材料技术的应用前景和价值。其中,中国的专利申请在数量上占有绝对优势地位,这一方面是因为从事NdFeB永磁材料领域研发的机构基数大;另一方面说明我国非常重视烧结NdFeB永磁材料产业发展,并在相应技术方面取得了一系列显著进步。但是在专利的市场转化上,我国与西方发达国家仍有距离,所以我国虽是专利申请大国,但不是专利强国。日本的专利申请量仅次于中国,但就技术水平而言,日本处于绝对领先地位,且技术研发布局最全面。美国在烧结NdFeB永磁材料领域的研发起步早,优势较明显;而欧洲在该领域有其自身的技术优势。


图6是烧结NdFeB永磁材料全球专利申请人前十位的分布情况。


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图6   全球烧结NdFeB永磁材料领域专利申请人前十位

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由图6可知,前十位申请机构均归属于中国和日本,且各占比一半。而其中4家日本机构位居全球申请量前五,也是烧结NdFeB永磁材料领域的技术垄断型巨头。根据前述分析知,日本相关技术的专利权始于20世纪80年代,且一直非常重视专利保护,并采取了专利布局策略不断巩固专利的垄断地位。这意味着其专利封锁会使中国在专利博弈中障碍重重。若要改变中国企业的被动局面,从政策角度而言,需加大专利保护力度,增加专利保护的资源投放。从申请机构的构成来看,主要申请机构为企业、研究所和大学。可见,通过推进产学研结合实现烧结NdFeB永磁材料的产业化应用,也不失为一条有效的突围之路。


(二)中国专利申请状况


图7是中国烧结NdFeB稀土永磁材料专利申请趋势。


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图7   中国烧结NdFeB稀土永磁材料专利申请趋势

方象知产研究院整理


对照图4可以看出,中国和全球专利量的年度走势相似,但前期发展滞后于全球。这是因为日本作为烧结NdFeB稀土永磁材料领域的寡头,在全球稀土永磁材料产业格局中处于主导地位,这间接限制了中国永磁材料产业的发展。


与全球技术发展周期相比,我国的技术萌芽阶段一直持续到2001年,与发达国家相比落后了近10年时间。这一阶段专利量少,基本维持在每年3件以下,且大多为包头稀土研究院所申请。囿于制备机理、微观组织等基础研究的认知局限,我国这一时期的烧结NdFeB制备技术进展缓慢。


从2001至2010年我国相关专利量开始呈现缓慢上升的趋势,并且追平全球的专利申请走势,这说明关键技术被国内的研究人员不断突破。其中影响因子和被引频次最高的专利为浙江大学所申请,该专利(CN200510049962.7)介绍了一种通过添加纳米氧化物提高烧结NdFeB矫顽力方法。其本质是通过控制微观结构,增强磁畴壁的钉扎作用,改进烧结工艺,进而提高磁体矫顽力。该工艺突破了烧结过程中的核心技术难题。


从2010年至今,专利量迅速攀升,同期也涌现出了许多烧结NdFeB研发机构和企业,其中专利申请前十位的机构分布如图8所示。


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图8   烧结NdFeB永磁材料的中国专利申请人排名

方象知产研究院整理


从图中可以看出,申请机构为科研实力较强的科研院所和大学,以及研发投入多的企业如北京中科三环、沈阳中北通磁科技股份有限公司等。目前日立和住友通过合并进一步增强研发实力,巩固其垄断地位。为了在全球市场上力争一席之地,我国相关企业也尝试进行产业格局调整。例如2013年包括沈阳中北通磁、宁波科田磁业等在内的七家永磁材料企业,组成“稀土永磁产业技术创新战略联盟”,希望通过形成利益团体打破日本专利封锁的困局。


今后,全球汽车节能化、电动化的趋势不可阻挡,作为核心部件的永磁电机的需求量也是逐年攀升。而我国出台了多项促进新能源汽车发展的利好政策,所以国内外的新能源汽车市场增长空间巨大。市场需求驱动下,相关机构更加重视技术的研发和应用,而且我国专利保护意识也逐渐增强,所以预计今后一段时期内,我国的专利申请量会稳定上升,这与全球专利申请量的发展趋势一致。


图9是全球专利在中国各省市区的专利分布情况。


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图9   烧结钕铁硼永磁材料领域中国专利申请的省市区分布

方象知产研究院整理


从图中可以看出来自浙江、京津、江苏、安徽、辽宁的专利量约占全国各区域申请总量的70%,这反映了较强的区域创新能力和竞争力。我国已形成以浙江、山西、京津和山东烟台地区为主的四大产业基地。综合来看,浙江和京津专利技术的市场应用潜力更强。


从前述分析知,在中国专利申请量前十位机构中,三家机构来自浙江,四家机构来自京津地区。其中北京中科三环已成为全球第二大钕铁硼磁性材料生产商,这得益于较高经济价值的专利技术。


从图中还可以看出,内蒙古包头、江西省和四川省的专利量也具有一定的占比,且三省区同为我国三大稀土资源地。可见,传统的稀土分离上游产业公司也已积极进行产业调整,不断发展和延伸稀土产业的深加工产业链。据相关公司公开信息显示,该省区公司已逐步将钕铁硼永磁体及永磁电机的生产纳入主营业务中。其实稀土产业的区域性发展,除了凭借资源、能源和劳动力优势外,也与国家及地区的稀土产业发展政策密不可分。


6、结论与建议


随着全球新能源汽车产业的不断发展,稀土永磁电机具有广阔的需求市场。我国丰富的稀土资源、产储量优势也将推动稀土永磁材料的快速发展。这为我国高性能钕铁硼产业的发展创造了有利条件,尤其是烧结NdFeB永磁材料的发展会保持高速增长趋势。所以,技术就是催熟烧结NdFeB永磁材料市场的另一关键因素。


总览烧结NdFeB永磁材料技术的全球专利申请态势,显然中国专利申请量领跑全球,但是如何实现从“量”变到“质”变,从“专利大国”变身为“专利强国”?十九大报告发出科技时代最强音,创新是引领发展的第一驱动力。


对照全球和中国专利申请状况可知,经过近三十年的发展,我国专利申请量已经追平全球走势。但是日本企业强大的技术实力、深厚的技术积累以及基本专利的维护策略,均为日本长期把控烧结NdFeB永磁材料市场提供了有力保障。尽管目前我国相关技术水平与发达国家相比仍存在一定差距,在日益激烈的竞争市场中,相关科研院所和高校均取得了丰硕的研究成果。同时也涌现出一批企业,尽管实力参差不齐,但其中也不乏规模较大、竞争实力强的机构。


基于上述分析,得出如下两点建议:


(1)依靠高校和科研院所雄厚的研究开发实力,加强源头创新的基础研究工作,形成产学研一体化,增强自主创新能力,助力科技成果转化和产业化应用;


(2)效仿“稀土永磁产业技术创新战略联盟”,集聚多种优势资源,建立稀土永磁材料知识产权联盟,形成利益共同体,健全专利保护战略,为企业和产业发展保驾护航。



发布:IPRdaily中文网(IPRdaily.cn)

供稿:方象知产研究院

编辑:IPRdaily赵珍          校对:IPRdaily纵横君


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