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纳米晶软磁合金主要应用于无线充电领域。
(1)无线充电技术及原理:无线充电是一种利用近场感应或感应耦合原理,将供电设备的能量传输到接收设备的技术。充电过程中不需导线连接,故称“无线”。当前无线充电方式主要分为四种:电磁感应、磁共振、无线电波、电场耦合。
电磁感应:目前见到的无线充电技术,大多采用电磁感应技术。原理类似于分离式变压器,将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中,当电能输入到发射端线圈时,就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流,即实现无线电能传输。电磁感应具有适合短距离充电、转换效率高等优点,目前较为成熟,手机、牙刷、耳机等无线充电设备多采用该技术,但传输距离有限,只能在数毫米至 10 厘米的范围内工作,对设备的摆放有一定的要求,加上能量呈发散式,能源效率不高。
磁共振:与电磁感应方式相比,磁共振技术在距离上有一定的宽容度,可以支持数厘米至数米的无线充电,使用上更加灵活。磁共振使用两个规格完全匹配的线圈,一个线圈通电后产生磁场,另一个线圈因此共振、产生的电流就可以给设备充电。除适合远距离大功率充电外,磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电,并且对设备的位置并没有严格的限制,使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面,磁共振方式可以达到 40%~60%,仅次于电场耦合方式。
电场耦合:通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力,其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。相对比传统的电磁感应方式,电场耦合具有充电时设备位置水平自由度较高、电极可以实现轻薄化、传输过程中发热较低、电力利用效率较高的优点。
无线电波:类似于常用的 WiFi 无线网络,该方式采用电波作为能量的传递信号,接收方收到能量波后,再通过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。电波接收方式的缺点在于能量利用效率非常低,传输功率极小,如果用于手机充电耗时较长;优点在于可实现远距离传输电能,做到随时随地充电。
中金企信国际咨询公布的《2021-2027年中国纳米晶软磁合金行业市场发展分析及投资战略前景预测报告》
(2)无线充电材料行业概述:无线充电是未来智能手机、笔记本电脑、平板电脑、智能可穿戴设备的重要发展方向,而软磁材料是制造无线充电设备中隔磁片的基础材料。因为无线充电场景涉及电生磁与磁生电的过程,磁场的改变会在金属中形成感应电流(涡流效应),从而弱化磁场强度并产生热量。而隔磁材料的加入可以使得大部分磁力线聚集并通过磁性材料而非通过金属层,从而提高磁场强度,并降低热量。目前较为常见的隔磁材料包括铁氧体、纳米晶软磁合金等。
软磁铁氧体:生产成本低,磁导率虽然较低,但在不同频率下磁导率相对稳定。缺点在于加工成薄片容易断裂破碎,成品率低。同时其饱和磁感应强度不高,需要更大的厚度,防止大电流充电时磁片饱和导致的失效及发热,难以满足手机等电子设备小型化对材料超轻超薄的需求,通常用作发射端或大功率设备的接收端。
纳米晶软磁合金:兼备了高饱和磁感应强度和高磁导率特性。同时在高磁感下的高频损耗较低,并具有更好的耐蚀性和磁稳定性。纳米晶软磁合金的磁导率、充电效率要高于铁氧体,而且可以做到柔软超薄,是目前小型无线充电设备的主流材料。缺点在于磁导率随频率上升降低的较快、价格相对铁氧体更高。
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无线充电产业链包含方案设计、电源芯片、磁性材料、传输线圈、模组制造环节,其中软磁材料作为无线充电产业里最为关键的材料之一,具有较高的附加值。纳米晶软磁合金在磁场作用下易磁化,同时取消磁场后又易退磁,具有较高的磁导率、较高的饱和磁感应强度、较小的矫顽力,磁滞损耗小,在无线充电领域得到了良好的应用。目前,全球磁性材料生产企业主要集中在日本和中国。从技术和产能方面来看,日本是磁性材料技术领跑者,中国是磁性材料产能领跑者。
近年来,随着无线充电技术逐渐发展,无线充电在智能手机领域已经有普及的趋势,在智能穿戴领域也有很多产品融入日常生活,未来在家居、办公室、公共场所、出行工具、交通等多种场合都有望迎来无线充电产品的普及。根据统计数据,2019 年无线充电市场规模已达到 86 亿美元,2024 年市场规模有望达到 150 亿美元,复合增长率达 12%。从市场拆分角度看,消费电子及汽车占比较高,分别达到 36%、29%,工业、航空军工(如无人机无线充电)、医疗(植入式医疗器械)分别占 17%、10%、8%。
随着无线充电市场规模不断增长,纳米晶软磁合金有望迎来需求爆发,相关生产企业有望从中受益。无线充电有望成为未来几年软磁材料需求增长的重要推动力。