陳占恒

一、蓬勃發(fā)展的軌道交通產(chǎn)業(yè)

軌道交通包括鐵路和城市軌道交通，具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和土地資源的優(yōu)點(diǎn)，是國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動脈。大力發(fā)展軌道交通，有利于國內(nèi)鋼鐵、水泥、有色等產(chǎn)能過剩產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能釋放，有利于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，可以大幅度拉動國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

就鐵路而言，2015年我國鐵路里程已達(dá)12萬km，其中高速鐵路1.9萬km，快速鐵路4萬km。2016年我國高鐵里程達(dá)到2.2萬km，占世界高鐵總里程的65%。中國高鐵已經(jīng)成為我國享譽(yù)世界的一張名片?！笆濉逼陂g我國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)將形成“8縱8橫”主通道，到2020年，將實(shí)現(xiàn)高速鐵路運(yùn)營里程3萬km，到2025年達(dá)到3.8萬km左右。軌道交通方面，截至2016年末，共30個(gè)城市開通城軌交通線路133條，運(yùn)營里程4 152.8km；48個(gè)城市的建線路規(guī)模共達(dá)5 636.5km，同比增長26.7%；已獲得城軌交通建設(shè)項(xiàng)目批復(fù)的城市有58個(gè)，規(guī)劃線路總規(guī)模為7 305.3km。數(shù)據(jù)表明，我國軌道交通行業(yè)規(guī)模和和建設(shè)速度將在“十三五”期間得到較大發(fā)展。城市軌道交通因其具有節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、高效和節(jié)約土地等優(yōu)點(diǎn)成為提高城市交通的主要方向。為推動城市軌道交通發(fā)展減少了審批障礙，有軌電車建設(shè)審批權(quán)于2013年下放省級政府，已有超過100個(gè)城市規(guī)劃建設(shè)有軌電車。

二、永磁同步牽引電機(jī)——軌道交通的核心技術(shù)

車輛牽引系統(tǒng)是軌道交通的核心技術(shù)，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢顯著。從軌道交通電機(jī)牽引系統(tǒng)技術(shù)的變遷，可以把軌道交通發(fā)展歷程分為3個(gè)階段，第1階段是直流牽引電機(jī)；第2階段是交流異步牽引電機(jī)；第3階段是永磁同步牽引電機(jī)。交流異步牽引電機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用于軌道交通牽引系統(tǒng)的主流電機(jī)，而永磁同步牽引電機(jī)則代表著軌道交通牽引技術(shù)的未來發(fā)展方向。

永磁同步牽引電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是低能耗、低噪聲；二是轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)、可靠性和功率密度高；三是體積小、質(zhì)量輕、效率高；四是電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu)維護(hù)簡單，無齒輪驅(qū)動，磨耗小，全壽命周期成本低；五是結(jié)構(gòu)多樣，轉(zhuǎn)向架自由空間大，徑向調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。永磁同步牽引系統(tǒng)已經(jīng)成為各發(fā)達(dá)國家競相研究的技術(shù)熱點(diǎn)。車輛牽引機(jī)構(gòu)能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的45%左右，使用永磁牽引電機(jī)可降低能耗10%。如果永磁電機(jī)牽引機(jī)構(gòu)再采用能量回收裝置系統(tǒng)，則綜合能耗可進(jìn)一步降低大約30%左右，節(jié)能優(yōu)勢顯著。一條地鐵每年通過節(jié)能可降低運(yùn)營成本400萬元。一輛原來需要“6動2拖”的高速列車，使用永磁同步牽引系統(tǒng)可以只采用“4動4拖”，節(jié)省2輛動車牽引系統(tǒng)整列車成本可降低20%。

三、稀土永磁材料——永磁同步牽引電機(jī)的關(guān)鍵材料

永磁牽引系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的關(guān)鍵材料是稀土永磁材料。稀土永磁材料的性能決定了軌道交通車輛的動力品質(zhì)、能耗和控制特性，可以采用釤鈷永磁體或者釹鐵硼永磁體。釤鈷永磁體的最大磁能積可達(dá)到35MGOe，工作溫度高，居里溫度670～850℃，使用溫度高達(dá)500℃；因鈷資源短缺，價(jià)格昂貴，大范圍商業(yè)化永磁牽引系統(tǒng)采用釤鈷磁體成本壓力較大。

據(jù)了解目前年釤鈷磁體毛坯產(chǎn)量約2 400t，難以滿足軌道交通稀土的未來需求。出于安全性、可靠性和穩(wěn)定性，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司開發(fā)的高速動車組永磁牽引電動機(jī)考慮采用釤鈷磁體。有關(guān)研究報(bào)告對635kW永磁牽引電機(jī)各部的溫場分布表明電機(jī)繞阻處溫度最高，但未超過140℃。標(biāo)志釹鐵硼磁體性能的主要指標(biāo)磁能積的理論最大值為64MGOe，目前工業(yè)化批量生產(chǎn)的釹鐵硼永磁體的磁能積已經(jīng)超過55MGOe，另外已經(jīng)開發(fā)出了磁能積為59.6MGOe的實(shí)驗(yàn)室樣品?？梢哉f，釹鐵硼的磁性能要優(yōu)于釤鈷磁體，其居里溫度320～460℃，工作溫度與釤鈷磁體相比較低，在150℃以下已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，最高工作溫度200℃左右，但要添加較多的重稀土金屬鋱鏑；考慮到高速鐵路的安全性，必須進(jìn)一步提高釹鐵硼永磁體的工作溫度，或者為使用釹鐵硼磁體的牽引系統(tǒng)附加冷卻系統(tǒng)降低釹鐵硼磁體工作環(huán)境溫度，才有可能使釹鐵硼磁體滿足高速鐵路需求。軌道交通領(lǐng)域永磁同步傳動系統(tǒng)中的永磁材料要求其綜合磁性能指標(biāo)即內(nèi)稟矯頑力Hcj（kOe）+最大磁能積（BH）max（MGOe）>60，目前，我國已經(jīng)開發(fā)出綜合磁性能指標(biāo)高于75的高性能燒結(jié)釹鐵硼磁體，最高工作溫度高達(dá)230℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過634kW永磁電機(jī)對永磁材料工作溫度的要求。可見，釹鐵硼永磁體完全可以用于高速鐵路牽引系統(tǒng)。

在良好的產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境推動下，依托自主開發(fā)的第3代永磁牽引技術(shù)，“十三五”期間我國永磁軌道交通將得到迅猛發(fā)展。有資料表明，到2020年新增高鐵、城市軌道交通列車永磁同步傳動系統(tǒng)市場占有率將分別達(dá)到30%和50%。我國標(biāo)準(zhǔn)動車組車輛保有量密度約為1輛/km?！笆濉逼陂g，我國的高鐵營業(yè)里程將增加1.1萬km，高鐵新線建設(shè)的動車組新增需求約1.1萬輛，平均每年增加2 200輛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛“4動4拖”永磁列車使用高性能稀土永磁為0.25t，若新增高鐵列車全部采用永磁牽引系統(tǒng)，則“十三五”新增高鐵列車對釹鐵硼的總需求約為2 750t。另“十三五”期間城市軌道交通規(guī)劃線路總規(guī)模為7 305.3km，若全部采用永磁牽引系統(tǒng)，大約需要釹鐵硼1 827t。我國軌道交通對釹鐵硼的總需求約4 577t，按照45萬元/t高性能釹鐵硼價(jià)格計(jì)算，“十三五”期間軌道交通可拉動20.6億元的稀土永磁市場。受市場需求影響，目前我國高性能釹鐵硼永磁材料僅占釹鐵硼永磁體產(chǎn)量的約25%，未來軌道交通的發(fā)展將進(jìn)一步刺激高性能釹鐵硼材料的市場需求。

目前，國外主要軌道交通企業(yè)法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪、日本東芝的永磁同步電機(jī)牽引列車已進(jìn)入商業(yè)化的推廣應(yīng)用階段。我國已經(jīng)掌握永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)，為我國發(fā)展現(xiàn)代軌道交通產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，并在地鐵、城軌、動車和高鐵等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。有報(bào)道表明，沈陽地鐵2號線采用190kW永磁牽引系統(tǒng)，“永磁地鐵”長沙地鐵1號線已投入載客運(yùn)營，南車690kW永磁同步牽引系統(tǒng)已通過裝車測試考驗(yàn)。我國自主研發(fā)的軌道交通永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)已打破了國外對軌道交通永磁同步電機(jī)牽引技術(shù)的壟斷。

四、結(jié)語

我國釹鐵硼行業(yè)產(chǎn)能30多萬t，產(chǎn)量已達(dá)14萬t，掌握高性能釹鐵硼永磁體生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)具備滿足軌道交通系統(tǒng)對釹鐵硼需求的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)符合低碳節(jié)能經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，有助于實(shí)現(xiàn)快速綠色交通的發(fā)展目標(biāo)。我國軌道交通牽引傳動系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)從“跟隨創(chuàng)新”到“并肩創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變。依托自主研發(fā)的永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)和雄厚的稀土與釹鐵硼產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，我國軌道交通產(chǎn)業(yè)具有很強(qiáng)的國際競爭力?？梢灶A(yù)期，我國軌道交通產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間將得到快速發(fā)展。

稀土資源的最終價(jià)值體現(xiàn)在于終端應(yīng)用水平。就永磁高鐵來講，稀土∶釹鐵硼∶永磁牽引電機(jī)∶高鐵列車的產(chǎn)值比例約為1∶5∶10∶6 000，也就是說價(jià)值1億元的稀土產(chǎn)品，可以撬動價(jià)值6 000億元的永磁軌道交通市場。裝備先進(jìn)永磁牽引系統(tǒng)的軌道交通產(chǎn)業(yè)，將成為體現(xiàn)稀土資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)。進(jìn)一步加強(qiáng)永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用，穩(wěn)步發(fā)展國內(nèi)市場，快速占領(lǐng)國際市場，將給未來軌道交通帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。