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稀土永磁與軌道交通產業

時間:2018-06-22 來源:AG手机平台產業 作者:研究谘詢部 點擊:426

一、蓬勃發展的軌道交通產業

  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,有利於國內鋼鐵、水泥、有色等產能過剩產業的產能釋放,有利於相關產業鏈的延伸,可以大幅度拉動國內經濟發展。


  就鐵路而言,2015年我國鐵路裏程已達12萬km,其中高速鐵路1.9萬km,快速鐵路4萬km。2016年我國高鐵裏程達到2.2萬km,占世界高鐵總裏程的65%。中國高鐵已經成為我國享譽世界的一張名片。“十三五”期間我國高速鐵路網絡將形成“8縱8橫”主通道,到2020年,將實現高速鐵路運營裏程3萬km,到2025年達到3.8萬km左右。軌道交通方麵,截至2016年末,共30個城市開通城軌交通線路133條,運營裏程4152.8km; 48個城市的建線路規模共達5 636.5km,同比增長26.7%;已獲得城軌交通建設項目批複的城市有58個,規劃線路總規模為7305.3km。數據表明,我國軌道交通行業規模和和建設速度將在“十三五”期間得到較大發展。城市軌道交通因其具有節能、環保、安全、舒適、高效和節約土地等優點成為提高城市交通的主要方向。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於2013年下放省級政府,已有超過100個城市規劃建設有軌電車。


二、永磁同步牽引電機——軌道交通的核心技術

  車輛牽引係統是軌道交通的核心技術,經濟優勢顯著。從軌道交通電機牽引係統技術的變遷,可以把軌道交通發展曆程分為3個階段,第一階段是直流牽引電機;第二階段是交流異步牽引電機;第三階段是永磁同步牽引電機。交流異步牽引電機是當前應用於軌道交通牽引係統的主流電機,而永磁同步牽引電機則代表著軌道交通牽引技術的未來發展方向。


  永磁同步牽引電機的優點表現在以下幾個方麵:一是低能耗、低噪聲;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、質量輕、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。永磁同步牽引係統已經成為各發達國家競相研究的技術熱點。車輛牽引機構能耗約占軌道交通係統總能耗的45%左右,使用永磁牽引電機可降低能耗10%。如果永磁電機牽引機構再采用能量回收裝置係統,則綜合能耗可進一步降低大約30%左右,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,使用永磁同步牽引係統可以隻采用“4動4拖”,節省2輛動車牽引係統整列車成本可降低20%。


三、稀土永磁材料——永磁同步牽引電機的關鍵材料

  永磁牽引係統驅動電機的關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、能耗和控製特性,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到35 MGOe,工作溫度高,居裏溫度670~850℃,使用溫度高達500℃;因鈷資源短缺,價格昂貴,大範圍商業化永磁牽引係統采用釤鈷磁體成本壓力較大。


  據了解目前年釤鈷磁體毛坯產量約2 400t,難以滿足軌道交通稀土的未來需求。出於安全性、可靠性和穩定性,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考慮采用釤鈷磁體。有關研究報告對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℃。標誌釹鐵硼磁體性能的主要指標磁能積的理論最大值為64 MGOe,目前工業化批量生產的釹鐵硼永磁體的磁能積已經超過55MGOe, 另外已經開發出了磁能積為59.6 MGOe的實驗室樣品。可以說,釹鐵硼的磁性能要優於釤鈷磁體,其居裏溫度320~460℃,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係統附加冷卻係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係統中的永磁材料要求其綜合磁性能指標即內稟矯頑力Hcj(kOe)+最大磁能積(BH)max(MGOe)>60,目前,我國已經開發出綜合磁性能指標高於75的高性能燒結釹鐵硼磁體, 最高工作溫度高達230℃,遠遠超過634kW永磁電機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於高速鐵路牽引係統。


  在良好的產業政策環境推動下,依托自主開發的第3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係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/km。“十三五”期間,我國的高鐵營業裏程將增加1.1萬km,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2 200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 t,若新增高鐵列車全部采用永磁牽引係統,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劃線路總規模為7 305.3km,若全部采用永磁牽引係統,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高性能釹鐵硼價格計算,“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量的約25%,未來軌道交通的發展將進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法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪、日本東芝的永磁同步電機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係統技術,為我國發展現代軌道交通產業提供了堅實的技術保障,並在地鐵、城軌、動車和高鐵等領域實現應用。有報道表明,沈陽地鐵2號線采用190kW永磁牽引係統,“永磁地鐵”長沙地鐵1 號線已投入載客運營,南車690kW 永磁同步牽引係統已通過裝車測試考驗。我國自主研發的軌道交通永磁同步電機牽引係統已打破了國外對軌道交通永磁同步電機牽引技術的壟斷。


四、結語

  我國釹鐵硼行業產能30多萬t,產量已達14萬t,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係統對釹鐵硼需求的產業基礎。軌道交通永磁同步牽引係統符合低碳節能經濟發展理念,有助於實現快速綠色交通的發展目標。我國軌道交通牽引傳動係統已實現從“跟隨創新”到“並肩創新”的轉變。依托自主研發的永磁同步電機牽引係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。


  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1:5:10:6 000,也就是說價值1億元的稀土產品,可以撬動價值6 000億元的永磁軌道交通市場。裝備先進永磁牽引係統的軌道交通產業,將成為體現稀土資源優勢轉化為經濟優勢的標誌性產業。進一步加強永磁牽引係統研發與應用,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於終端應用水平。

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