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稀土永磁与轨道交通产业

时间:2018-06-22 来源:www.56.net产业 作者:研究咨询部 点击:168

一、蓬勃发展的轨道交通产业

  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。


  就铁路而言,2015年我国铁路里程已达12万km,其中高速铁路1.9万km,快速铁路4万km。2016年我国高铁里程达到2.2万km,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”期间我国高速铁路网络将形成“8纵8横”主通道,到2020年,将实现高速铁路运营里程3万km,到2025年达到3.8万km左右。轨道交通方面,截至2016年末,共30个城市开通城轨交通线路133条,运营里程4152.8km; 48个城市的建线路规模共达5 636.5km,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7305.3km。数据表明,我国轨道交通行业规模和和建设速度将在“十三五”期间得到较大发展。城市轨道交通因其具有节能、环保、安全、舒适、高效和节约土地等优点成为提高城市交通的主要方向。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。


二、永磁同步牵引电机——轨道交通的核心技术

  车辆牵引系统是轨道交通的核心技术,经济优势显著。从轨道交通电机牵引系统技术的变迁,可以把轨道交通发展历程分为3个阶段,第一阶段是直流牵引电机;第二阶段是交流异步牵引电机;第三阶段是永磁同步牵引电机。交流异步牵引电机是当前应用于轨道交通牵引系统的主流电机,而永磁同步牵引电机则代表着轨道交通牵引技术的未来发展方向。


  永磁同步牵引电机的优点表现在以下几个方面:一是低能耗、低噪声;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、质量轻、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。车辆牵引机构能耗约占轨道交通系统总能耗的45%左右,使用永磁牵引电机可降低能耗10%。如果永磁电机牵引机构再采用能量回收装置系统,则综合能耗可进一步降低大约30%左右,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%。


三、稀土永磁材料——永磁同步牵引电机的关键材料

  永磁牵引系统驱动电机的关键材料是稀土永磁材料。稀土永磁材料的性能决定了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。钐钴永磁体的最大磁能积可达到35 MGOe,工作温度高,居里温度670~850℃,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。


  据了解目前年钐钴磁体毛坯产量约2 400t,难以满足轨道交通稀土的未来需求。出于安全性、可靠性和稳定性,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考虑采用钐钴磁体。有关研究报告对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℃。标志钕铁硼磁体性能的主要指标磁能积的理论最大值为64 MGOe,目前工业化批量生产的钕铁硼永磁体的磁能积已经超过55MGOe, 另外已经开发出了磁能积为59.6 MGOe的实验室样品。可以说,钕铁硼的磁性能要优于钐钴磁体,其居里温度320~460℃,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综合磁性能指标即内禀矫顽力Hcj(kOe)+最大磁能积(BH)max(MGOe)>60,目前,我国已经开发出综合磁性能指标高于75的高性能烧结钕铁硼磁体, 最高工作温度高达230℃,远远超过634kW永磁电机对永磁材料工作温度的要求。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3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/km。“十三五”期间,我国的高铁营业里程将增加1.1万km,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2 200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 t,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2 750t。另“十三五”期间城市轨道交通规划线路总规模为7 305.3km,若全部采用永磁牵引系统,大约需要钕铁硼1 827t。我国轨道交通对钕铁硼的总需求约4 577t,按照45万元/t高性能钕铁硼价格计算,“十三五”期间轨道交通可拉动20.6亿元的稀土永磁市场。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%,未来轨道交通的发展将进一步刺激高性能钕铁硼材料的市场需求。


  目前,国外主要轨道交通企业法国阿尔斯通、加拿大庞巴迪、日本东芝的永磁同步电机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。有报道表明,沈阳地铁2号线采用190kW永磁牵引系统,“永磁地铁”长沙地铁1 号线已投入载客运营,南车690kW 永磁同步牵引系统已通过装车测试考验。我国自主研发的轨道交通永磁同步电机牵引系统已打破了国外对轨道交通永磁同步电机牵引技术的垄断。


四、结语

  我国钕铁硼行业产能30多万t,产量已达14万t,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。


  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1:5:10:6 000,也就是说价值1亿元的稀土产品,可以撬动价值6 000亿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,将成为体现稀土资源优势转化为经济优势的标志性产业。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。

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