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稀土永磁与轨道交通产业分析发布时间:2018年5月15日 来源:中国稀土学会

(此文发表于《新材料产业》杂志  2017-08-05)作者:陈占恒

轨道交通包括铁路和城市轨道交通,具有运量大、速度快、安全准点保护环境节约能源和土地资源的优点,是国家关键基础设施和经济发展的动脉。大力发展轨道交通,有利于国内钢铁、水泥、有色等产能过剩产业的产能释放,有利于相关产业链的延伸,可以大幅度拉动国内经济发展。

铁路方面,2015年我国铁路里程已达12万公里,其中高速铁路1.9万公里,快速铁路4万公里。2016年我国高铁里程达到2.2万公里,占世界高铁总里程的65%。中国高铁已经成为我国享誉世界的一张名片。“十三五”期间,我国将进一步完善高速铁路网络,形成八纵八横主通道,到2020年,将实现高速铁路运营里程3万公里,到2025年达到3.8万公里左右。轨道交通方面,截至2016年末,共30个城市开通城轨交通运营,运营线路133条,总长度达4152.8公里;有48个城市在建线路总规模5636.5公里,同比增长26.7 %;已获得城轨交通建设项目批复的城市有58个,规划线路总规模为7305.3公里,总投资37018.4亿元;其中,14个城市投资计划超过1000亿元。数据表明,我国轨道交通行业已进入大规模快速发展阶段。城市轨道交通具有节能环保、舒适安全、运力强大、节约土地等优点,是城市交通未来发展的主要方向。为推动城市轨道交通发展减少了审批障碍,有轨电车建设审批权于2013年下放省级政府,已有超过100个城市规划建设有轨电车。

轨道交通技术的核心是车辆牵引系统。牵引系统电气化已经成为轨道交通主流技术方向。电气化轨道交通具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低等优点,对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化,在技术上、经济上均有明显的优越性。世界轨道交通车辆牵引系统历经第一代是直流电机牵引系统;第二代交流异步电机牵引系统,为当前的主流技术;第三代永磁同步电机牵引系统,是下一代机车牵引系统。

永磁同步牵引系统与异步牵引系统相比较具有以下优点:一是低传递损耗小、噪声低;二是转速平稳、过载能力强、可靠性和功率密度高;三是体积小、重量轻、效率高;四是电机采用全封闭结构维护简单,无齿轮驱动,磨耗小,全寿命周期成本低;五是结构多样,转向架自由空间大,径向调节能力强。永磁同步牵引系统已经成为各发达国家竞相研究的技术热点。牵引系统能耗约占轨道交通系统总能耗的40~50%。永磁牵引系统较传统的异步牵引系统能耗可降低约11.5%。若牵引系统附加再生能量系统,永磁牵引系统的综合能耗可降低30%左右。有资料表明,一台永磁电机可承载2台异步电机的运力并满足运行要求,永磁同步牵引电机能耗为497.198MVA.s,异步牵引电机能耗为550.068MVA.s,对比说明永磁同步牵引电机比异步牵引电机节能9.61%。新型永磁直驱转向架采用全封闭水冷永磁直驱电机直接驱动轮对,效率高,且直驱过程无齿轮传动损耗,跟目前主流的异步电机带齿轮传动的转向架相比,能耗降低了15%,节能优势显著。一条地铁每年通过节能可降低运营成本400万元。一辆原来需要6动2拖的高速列车,使用永磁同步牵引系统可以只采用4动4拖,节省2辆动车牵引系统整列车成本可降低20%中国中车株洲电力机车研究所的永磁同步牵引系统的电机额定效率达到了98%以上,将电机损耗降低至原来的三分之一,显著降低了高速列车的牵引能耗。

永磁牵引系统驱动电机的核心材料是永磁体,是第三代轨道交通牵引系统的关键部件,决定着轨道交通车辆的动力品质、能耗和控制特性,可以采用钐钴永磁体或者钕铁硼永磁体。两种磁体钐钴磁体高磁能积钐钴永磁的最大磁能积可达到35 MGOe,工作温度高,居里温度670850℃,使用温度高达500℃;因钴资源短缺,价格昂贵,大范围商业化永磁牵引系统采用钐钴磁体成本压力较大;据了解目前年毛坯产量约2400吨,难以满足轨道交通稀土的未来需求。中车株洲电力机车研究所有限公司开发的高速动车组永磁牵引电动机出于安全性、可靠性和稳定性考虑采用钐钴磁体;电动机采用全封闭强迫风冷、独特的内外循环冷却方式,既满足全封闭防护等级要求,同时具有较好的散热效果。报告中对635kW永磁牵引电机各部的温场分布表明电机绕阻处温度最高,但未超过140°C。钕铁硼磁体磁能积的理论极限值为64 MGOe,2006 年实验室样品已达到59.6 MGOe,工业产品已超过55MGOe,磁性能优于钐钴磁体,居里温度320℃~460°C,工作温度与钐钴磁体相比较低,在150℃以下已经得到广泛应用,最高工作温度200℃左右,但要添加较多的重稀土金属铽镝;考虑到高速铁路的安全性,必须进一步提高钕铁硼永磁体的工作温度,或者为使用钕铁硼磁体的牵引系统附加冷却系统降低钕铁硼磁体工作环境温度,才有可能使钕铁硼磁体满足高速铁路需求。轨道交通领域永磁同步传动系统中的永磁材料要求其内禀矫顽力Hcj(kOe)+最大磁能积(BH)max(MGOe)>60。我国已研制出室温下综合磁性能指标内禀矫顽力Hcj(kOe)与最大磁能积(BH)max(MGOe)之和高于75的高性能烧结钕铁硼磁体,最高工作温度高达230℃。可见,钕铁硼永磁体完全可以用于高速铁路牵引系统。

在良好的产业政策环境推动下,依托自主开发的第三代永磁牵引技术,“十三五”期间我国永磁轨道交通将得到迅猛发展。有资料表明,到2020年新增高铁、城市轨道交通列车永磁同步传动系统市场占有率将分别达到30%和50%。我国标准动车组车辆保有量密度约为1辆/公里。十三五期间,我国的高铁营业里程将增加1.1万公里,高铁新线建设的动车组新增需求约1.1万辆,平均每年增加2200辆。据统计,一辆4动4拖永磁列车使用高性能稀土永磁为0.25吨,若新增高铁列车全部采用永磁牵引系统,则“十三五”新增高铁列车对钕铁硼的总需求约为2750吨。另“十三五”期间城市轨道交通规划线路总规模为7305.3公里,若全部采用永磁牵引系统,大约需要钕铁硼1827吨。我国轨道交通对钕铁硼的总需求约4577吨,按照45万元/吨高性能钕铁硼价格计算,十三五期间轨道交通可带动20.6亿元的钕铁硼市场。受市场需求影响,目前我国高性能钕铁硼永磁材料仅占钕铁硼永磁体产量的约25%,未来轨道交通领域将对高性能钕铁硼材料的需求具有一定拉动作用。

目前,法国阿尔斯通、加拿大庞巴迪、日本东芝的轨道交通永磁同步牵引列车已进入商业化的推广应用阶段。我国已经掌握永磁牵引系统技术,为我国发展现代轨道交通产业提供了坚实的技术保障,并在地铁、城轨、动车和高铁等领域实现应用。2011年末,沈阳地铁2号线首次应用株洲电力机车研究所190kW永磁牵引系统。2014 年南车开发研制的 690kW 永磁同步牵引系统成功实现装车考核。2015 1 月我国首列永磁高铁试车,运营考核30万公里后将在2017年实现载客运营。20165 月,中车四方股份公司研制成功首列永磁跨座式单轨列车。2016年6月28日,“永磁地铁”长沙地铁1 号线正式投入载客运营。轨道交通永磁同步牵引系统的商业化应用标志着我国已打破了国外对高铁动力技术的垄断。

我国钕铁硼行业产能30多万吨,产量已达14万吨,掌握高性能钕铁硼永磁体生产技术,已经具备满足轨道交通系统对钕铁硼需求的产业基础。轨道交通永磁同步牵引系统符合低碳节能经济发展理念,有助于实现快速绿色交通的发展目标。我国轨道交通牵引传动系统已实现从“跟随创新”到“并肩创新”的转变。依托自主研发的永磁同步电机牵引系统和雄厚的稀土与钕铁硼产业基础,我国轨道交通产业具有很强的国际竞争力。可以预期,我国轨道交通产业在“十三五”期间将得到快速发展。进一步加强永磁牵引系统研发与应用,稳步发展国内市场,快速占领国际市场,将给未来轨道交通带来良好的经济和社会效益。稀土资源的最终价值体现在于终端应用水平。就永磁高铁来讲,稀土:钕铁硼:永磁牵引电机:高铁列车的产值比例约为1:5:10:6000,也就是说价值1亿元的稀土产品,可以撬动价值6000亿元的永磁轨道交通市场。装备先进永磁牵引系统的轨道交通产业,将成为体现把稀土资源优势转化为经济优势的标志性战略新兴产业。

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