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稀土在轨道交通领域应用空间广阔

2008年8月1日,全长200 公里的京津城际铁路竣工,一辆俊俏的高颜值流线型列车从北京南站开出。这是我国第一条高标准、设计时速为350km、采用无砟轨道技术铺设的高铁,从此揭开了我国高铁快速发展崭新的一页。

经过10 余年的艰苦努力,2018年我国高铁运营里程已达2.2 万公里,施工中高铁1.82 万公里,均稳居全球第一。而排名第二到第五的西班牙,德国、日本、法国的运营里程合计为 公里,约为我国的一半。高铁运行速度我国为300km/h 到350km/h,在各国高铁中也比较领先。按照2016年国家发改委公布的“中长期铁路网规划”,到2020年全国高铁要达到3 万公里,经济较发达地区和贯通特大城市的高铁时速要达到350km/h 以上,要构建“八纵八横”全通道,实现资金来源多渠道,鼓励社会资本投资建设铁路,到2025年,高铁总里程将达到3.8 万公里。

“十三五”期间高铁运营里程新增1.3 万公里,需增加动车组1.1 万辆。一辆4 动4 拖列车用稀土永磁0.25 吨,如新车全部用稀土永磁,需2750 吨稀土永磁材料。同期全国轨道交通将新增7305 公里,若全部用钕铁硼将需1827 吨,以上合计4577 吨,按45 万元/吨计算,钕铁硼产值将达20.6 亿元。当然这是理想状况,初期应用还是以钐钴磁体为主,实际目前还远达不到这样的应用量。

按照2018年底统计数据,我国高铁列车共2797 趟,动车组2562 趟,城际列车1837 趟,合计7196 趟。全国每天有七千多高铁、动车和城铁编组,以200 ~350km/h 的速度,风驰电掣般行进在祖国大地上,是何等美好而壮观的场景。

国内高铁动车制造厂商高度重视稀土永磁电机牵引系统的开发和应用。以中车株洲电机公司为例:早在2003年就开始了永磁同步牵引系统设计方法、控制策略及相关制造工艺的研究,建立了电机设计平台与控制策略仿真平台;2010年得到国家863 计划的支持,次年完成600kw 高铁永磁电机设计;2012年进行600kw 首轮样机试制与试验,2013年完成600kw 电机改造并通过了试验;2014年是永磁电机牵引取得重要进展的一年,功率提高至690kw 并实现装车;2015年实现了装车试运行考核,2016年开始正线运行。统计数据表明与传统的异步牵引系统相比,百公里人均能耗降低11.7%。

2014年9月,中车株洲电机公司TQ-600 高速动车永磁同步牵引电机研制成功,失磁问题、绝缘性能、通风结构等都得到较好解决,功率由交流电机的365kw 提高到600kw,最大的为635kw。电机由24 台减为13 台,单台减重1/3,一列8 编组高铁每天往返一次京沪,年节电可达100 万度。

特别令人欣喜的还有永磁同步电机牵引在地铁车辆运行中进行了开发和应用。中车电机所2009年就完成了地面试验台建设,2010年完成190kw 地铁永磁电机地面试验,2011年在沈阳地铁2#线完成了7000kwAWO 空载和AW3 负载的现场装车试验,2012年就实现了载客运营,2014年完成了230kW 永磁电机试验,2015年在长沙地铁1#线实现了装车,2016年进入载客试运营阶段,2018年长沙地铁1#实现商业营运,并成功将这一技术用于北京地铁8#线载客运行。

稀土永磁牵引技术在城市低地板电机中应用也取得了可喜的进展。如中车株洲所2013年完成了低地板车用永磁电机设计与制造,2014年地面考核后,2015年在浦镇低地板车上实现装车试验,而在去年已开始在重庆,佛山,德令哈三地实现了批量应用。

2008年中车株洲所进行了用于纯电动大巴的100Kw 永磁同步电机的试验,经过十余年的努力,中车株洲所的相关牵引系统已成为新能源汽车行业的主要批量供货单位之一。

长沙地铁1#线是首例永磁牵引的地铁线路,到目前为止已安全运营23 万Km 以上,实现了节能大于30%。特别要提到的是在运行10 万Km 时,曾对电机进行解体检查而未发现失磁现象。现在北京地铁8#线、天津地铁6#线、宁波地铁4#线等都采用了永磁牵引技术。

有资料介绍,高铁用永磁电机磁体,要求Hcj+BHmax >75%,最高使用温度230℃,采用通风等措施,国内生产的钕铁硼磁体完全可以满足需求。

2016年8月中车株洲电机宣布全球首台盾构机用永磁电机研制成功,并交付使用,总功率1056Kw。盾构机直径6 米,比异步电机提高效率10%,每个工作日就能节电千度以上。

笔者去年曾前往中车株洲电机公司调研,并与有关科研人员座谈交流,了解到该公司投入了相当可观的人力财力开发稀土永磁牵引系统,在生产车间还专门设置了小型展示台。以稀土永磁电机为主要品种的新产品,有多种新款展示。面对展品和展示牌上的先进指标,和车间技术人员和工人的自信神态,可以领略到一股浓浓的创新之风。