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稀土永磁與軌道交通產業分析發布時間:2018年5月15日 來源:中國稀土學會

(此文發表于《新材料產業》雜志  2017-08-05)作者:陳占恒

軌道交通包括鐵路和城市軌道交通,具有運量大、速度快、安全準點保護環境節約能源和土地資源的優點,是國家關鍵基礎設施和經濟發展的動脈。大力發展軌道交通,有利于國內鋼鐵、水泥、有色等產能過剩產業的產能釋放,有利于相關產業鏈的延伸,可以大幅度拉動國內經濟發展。

鐵路方面,2015年我國鐵路里程已達12萬公里,其中高速鐵路1.9萬公里,快速鐵路4萬公里。2016年我國高鐵里程達到2.2萬公里,占世界高鐵總里程的65%。中國高鐵已經成為我國享譽世界的一張名片。“十三五”期間,我國將進一步完善高速鐵路網絡,形成八縱八橫主通道,到2020年,將實現高速鐵路運營里程3萬公里,到2025年達到3.8萬公里左右。軌道交通方面,截至2016年末,共30個城市開通城軌交通運營,運營線路133條,總長度達4152.8公里;有48個城市在建線路總規模5636.5公里,同比增長26.7 %;已獲得城軌交通建設項目批復的城市有58個,規劃線路總規模為7305.3公里,總投資37018.4億元;其中,14個城市投資計劃超過1000億元。數據表明,我國軌道交通行業已進入大規模快速發展階段。城市軌道交通具有節能環保、舒適安全、運力強大、節約土地等優點,是城市交通未來發展的主要方向。為推動城市軌道交通發展減少了審批障礙,有軌電車建設審批權于2013年下放省級政府,已有超過100個城市規劃建設有軌電車。

軌道交通技術的核心是車輛牽引系統。牽引系統電氣化已經成為軌道交通主流技術方向。電氣化軌道交通具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低等優點,對運量大的干線鐵路和具有陡坡、長大隧道的山區干線鐵路實現電氣化,在技術上、經濟上均有明顯的優越性。世界軌道交通車輛牽引系統歷經第一代是直流電機牽引系統;第二代交流異步電機牽引系統,為當前的主流技術;第三代永磁同步電機牽引系統,是下一代機車牽引系統。

永磁同步牽引系統與異步牽引系統相比較具有以下優點:一是低傳遞損耗小、噪聲低;二是轉速平穩、過載能力強、可靠性和功率密度高;三是體積小、重量輕、效率高;四是電機采用全封閉結構維護簡單,無齒輪驅動,磨耗小,全壽命周期成本低;五是結構多樣,轉向架自由空間大,徑向調節能力強。永磁同步牽引系統已經成為各發達國家競相研究的技術熱點。牽引系統能耗約占軌道交通系統總能耗的40~50%。永磁牽引系統較傳統的異步牽引系統能耗可降低約11.5%。若牽引系統附加再生能量系統,永磁牽引系統的綜合能耗可降低30%左右。有資料表明,一臺永磁電機可承載2臺異步電機的運力并滿足運行要求,永磁同步牽引電機能耗為497.198MVA.s,異步牽引電機能耗為550.068MVA.s,對比說明永磁同步牽引電機比異步牽引電機節能9.61%。新型永磁直驅轉向架采用全封閉水冷永磁直驅電機直接驅動輪對,效率高,且直驅過程無齒輪傳動損耗,跟目前主流的異步電機帶齒輪傳動的轉向架相比,能耗降低了15%,節能優勢顯著。一條地鐵每年通過節能可降低運營成本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可以只采用4動4拖,節省2輛動車牽引系統整列車成本可降低20%中國中車株洲電力機車研究所的永磁同步牽引系統的電機額定效率達到了98%以上,將電機損耗降低至原來的三分之一,顯著降低了高速列車的牽引能耗。

永磁牽引系統驅動電機的核心材料是永磁體,是第三代軌道交通牽引系統的關鍵部件,決定著軌道交通車輛的動力品質、能耗和控制特性,可以采用釤鈷永磁體或者釹鐵硼永磁體。兩種磁體釤鈷磁體高磁能積釤鈷永磁的最大磁能積可達到35 MGOe,工作溫度高,居里溫度670850℃,使用溫度高達500℃;因鈷資源短缺,價格昂貴,大范圍商業化永磁牽引系統采用釤鈷磁體成本壓力較大;據了解目前年毛坯產量約2400噸,難以滿足軌道交通稀土的未來需求。中車株洲電力機車研究所有限公司開發的高速動車組永磁牽引電動機出于安全性、可靠性和穩定性考慮采用釤鈷磁體;電動機采用全封閉強迫風冷、獨特的內外循環冷卻方式,既滿足全封閉防護等級要求,同時具有較好的散熱效果。報告中對635kW永磁牽引電機各部的溫場分布表明電機繞阻處溫度最高,但未超過140°C。釹鐵硼磁體磁能積的理論極限值為64 MGOe,2006 年實驗室樣品已達到59.6 MGOe,工業產品已超過55MGOe,磁性能優于釤鈷磁體,居里溫度320℃~460°C,工作溫度與釤鈷磁體相比較低,在150℃以下已經得到廣泛應用,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附加冷卻系統降低釹鐵硼磁體工作環境溫度,才有可能使釹鐵硼磁體滿足高速鐵路需求。軌道交通領域永磁同步傳動系統中的永磁材料要求其內稟矯頑力Hcj(kOe)+最大磁能積(BH)max(MGOe)>60。我國已研制出室溫下綜合磁性能指標內稟矯頑力Hcj(kOe)與最大磁能積(BH)max(MGOe)之和高于75的高性能燒結釹鐵硼磁體,最高工作溫度高達230℃。可見,釹鐵硼永磁體完全可以用于高速鐵路牽引系統。

在良好的產業政策環境推動下,依托自主開發的第三代永磁牽引技術,“十三五”期間我國永磁軌道交通將得到迅猛發展。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市場占有率將分別達到30%和50%。我國標準動車組車輛保有量密度約為1輛/公里。十三五期間,我國的高鐵營業里程將增加1.1萬公里,高鐵新線建設的動車組新增需求約1.1萬輛,平均每年增加2200輛。據統計,一輛4動4拖永磁列車使用高性能稀土永磁為0.25噸,若新增高鐵列車全部采用永磁牽引系統,則“十三五”新增高鐵列車對釹鐵硼的總需求約為2750噸。另“十三五”期間城市軌道交通規劃線路總規模為7305.3公里,若全部采用永磁牽引系統,大約需要釹鐵硼1827噸。我國軌道交通對釹鐵硼的總需求約4577噸,按照45萬元/噸高性能釹鐵硼價格計算,十三五期間軌道交通可帶動20.6億元的釹鐵硼市場。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量的約25%,未來軌道交通領域將對高性能釹鐵硼材料的需求具有一定拉動作用。

目前,法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪、日本東芝的軌道交通永磁同步牽引列車已進入商業化的推廣應用階段。我國已經掌握永磁牽引系統技術,為我國發展現代軌道交通產業提供了堅實的技術保障,并在地鐵、城軌、動車和高鐵等領域實現應用。2011年末,沈陽地鐵2號線首次應用株洲電力機車研究所190kW永磁牽引系統。2014 年南車開發研制的 690kW 永磁同步牽引系統成功實現裝車考核。2015 1 月我國首列永磁高鐵試車,運營考核30萬公里后將在2017年實現載客運營。20165 月,中車四方股份公司研制成功首列永磁跨座式單軌列車。2016年6月28日,“永磁地鐵”長沙地鐵1 號線正式投入載客運營。軌道交通永磁同步牽引系統的商業化應用標志著我國已打破了國外對高鐵動力技術的壟斷。

我國釹鐵硼行業產能30多萬噸,產量已達14萬噸,掌握高性能釹鐵硼永磁體生產技術,已經具備滿足軌道交通系統對釹鐵硼需求的產業基礎。軌道交通永磁同步牽引系統符合低碳節能經濟發展理念,有助于實現快速綠色交通的發展目標。我國軌道交通牽引傳動系統已實現從“跟隨創新”到“并肩創新”的轉變。依托自主研發的永磁同步電機牽引系統和雄厚的稀土與釹鐵硼產業基礎,我國軌道交通產業具有很強的國際競爭力。可以預期,我國軌道交通產業在“十三五”期間將得到快速發展。進一步加強永磁牽引系統研發與應用,穩步發展國內市場,快速占領國際市場,將給未來軌道交通帶來良好的經濟和社會效益。稀土資源的最終價值體現在于終端應用水平。就永磁高鐵來講,稀土:釹鐵硼:永磁牽引電機:高鐵列車的產值比例約為1:5:10:6000,也就是說價值1億元的稀土產品,可以撬動價值6000億元的永磁軌道交通市場。裝備先進永磁牽引系統的軌道交通產業,將成為體現把稀土資源優勢轉化為經濟優勢的標志性戰略新興產業。

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