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稀土与轨道交通

作者:张安文 日期:2019-10-09 加入收藏

   
  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11561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。

  还有的研究表明,从价值看,稀土原材料:钕铁硼:永磁电机:高铁列车=1:5:10:6000,如果真是这样,稀土永磁的作用真是四两拨千斤了。如果今后逐渐在上述车辆的驱动上更多地使用稀土永磁材料,不仅使轨道交通牵引技术实现了升级换代,其产生的节能减排的社会效益更是不可小视。

  国外各主要轨道交通制造巨头也竞相开展永磁牵引系统的研发,并从样机的开发试验进入工程化验证和商业化推广阶段。

  日本东芝公司是最早开展永磁牵引研发项目(PMSM)的公司,早在2001年就开展了155Kw电机的装车试验,2003年完成360Kw电机的控制试验,2005年开发了355kw电机并进行车载试验,2007年全封闭PMSM的205kw电机量产,2010年还开发了480kw强风冷PMSM并用于干线机车,2012年全封闭的120kw电机量产,2015年获授权对新加坡地铁进行了全永磁电机改造,2018年韩国釜山地铁1#线全采用了东芝公司永磁牵引系统并成功实现商业运行。

  法国阿尔斯通公司开发了120kw和720kw全封闭永磁电机,分别用于低地板电车citadis和AGV高速动车组,低地板电车2004年已在荷兰的鹿特丹应用。该系统2011年在意大利的高铁中投入商业运营。2011年7月法国国家铁路公司订购了100列新一代超高速TAV列车,该车型采用永磁牵引系统,预计2033年才能全部交付使用。

  德国西门子公司则开发了集合永磁同步牵引电机的直驱转向架。该转向架轴间距为1.6米,而传统的转向架轴间距为2.5米。该公司与达姆斯达特大学还开发了抱轴式直驱永磁同步牵引电机,以满足ICE3高速列车的要求,并制造了两台500KW试验样机。线路运行试验表明,与同功率异步电机相比,损坏率可降低50%,重量可减少30%,噪声降低了15db。2018年6月西门子公司推出了采用永磁电机牵引系统的Velaro Novo列车,牵引功率提高了10%,电制动功率提升70%,效率提高5%,线路试验综合节能达30%,预计2023年投入运营。

  从国内外轨道交通驱动系统实际进展来看,稀土永磁驱动已经成功应用,基本上完成了设计、试生产、试运较长距离、考核定型,小批量商业化生产,而规模化生产和运营也提到日程。特别值得注意的是,所采用的稀土永磁材料,已由钐钴磁体逐渐转向钕铁硼磁体。

  随着高铁动车及轨道交通的快速发展,稀土原材料在这一领域应用将会有更大的发展空间,其中有希望的当属以下几种。

  一是稀土镍氢材料及电池的应用,国外已经在研发轨道交通车辆的混合动力驱动,锂电池因比功率(比容量)较高已被选用。但稀土镍氢电池也有很多优势,最主要的是有很高的安全性,这已被多年的使用实践所证明,其次是具有—40℃~+50℃的宽使用温区,能在极寒或热带地区应用;还有稀土镍氢电池具备大电池放电的特点,从经济性和电池原料的可获得性方面考虑也值得肯定。说到稀土镍氢电池比容量偏低的问题,其实这些年也有变化。日本三洋公司生产的爱乐普稀土镍氢电池,AA电池容量可达2500毫安时以上,比早期产品几乎提高一倍。更可贵的是,具有很低的自放电,电池保存两年后仍保有80%以上容量。如果对稀土镍氢电池技术进一步提升和优化,采用以镧镁镍即A2B7型等为主的材料,能显著提高稀土镍氢电池的比功率,有可能在混合动力车(HEV)或插电混合动力车(PHEV)上更多地使用稀土镍氢电池。考虑到机车对动力电池重量有较好的承受能力,在机车混合动力牵引系统也可试用,特别是电容型动力电池组的试用。如能推广可使大量积压的轻稀土,主要是镧铈找到更多的用武之地,同时生产更多的混动车,或牵引机车、地铁车辆等,将会减少尾气排放,降低油耗,从而获得显著的经济效益和环境效益。

  二是高铁动车及地铁装备,是集多种技术为一身的系统工程,也是多种重要结构材料和功能材料的可以大有用武之地。比如高强度的铝镁合金可用于门、窗、车身等重要构件;稀土发光材料可用于照明系统;稀土显示材料可用于车辆显示屏及标牌等;各种传感器、仪表和执行机构也会使用稀土原材料;车辆用各种玻璃尤其是高档特殊用途的玻璃也可考虑采用稀土处理;车辆上有不少塑料和工程塑料,可以采用稀土助剂改性;稀土涂料应争取使用于车身;稀土钢铁材料也应能找到用武之地。当然目前最重要的还是稀土永磁材料用于驱动系统,今后可否在混动型的牵引机车用上稀土镍氢电池或电容型动力电池,很值得期待。

  三是开拓市场,培育市场,为战略新兴产业和先进制造业提供量身订制的稀土原材料,这是稀土企业和稀土科技工作者永恒的的目标和追求,应该说这一进程仍在路上。希望上中游生产厂家能为下游产业链提供具有较高性价比,具有良好的产品均匀性、一致性,化学性能和物理等性能具佳的优质稀土原材料,只有这样,稀土全产业链才能互利共赢,稳健成长,并实现转型升级和可持续发展。
 

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