節(jié)能降耗“利器”--“永磁高鐵”來了

       2015年，在大西高鐵客運專線上，一列銀白色高速動車組飛速前進，這輛列車正是我國研制的首列“永磁高鐵”。據了解，該“永磁高鐵”在線路考核試驗中的最高運行速度達到385公里/時，是永磁牽引系統(tǒng)在軌道交通領域應用中的最高運行速度?！坝来鸥哞F”的研制成功，標志著我國成為了世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術的國家之一。

        2018年9月，在2018中國永磁驅動技術研討會上，中車青島四方股份有限公司副總工程師孟冬華表示，我國永磁高鐵列車已經完成30萬公里性能測試，目前正探討在京雄城際鐵路采用永磁高鐵方案的可行性，為永磁高鐵的商業(yè)化運營鋪路。

節(jié)能、低損耗的“永磁高鐵”

“永磁高鐵”即采用永磁同步牽引系統(tǒng)技術的高鐵列車。眾所周知，牽引系統(tǒng)被稱為高速動車組等軌道交通車輛的動力系統(tǒng)，是高速列車動力的關鍵來源，由牽引變流器和電機兩大部分組成。其中牽引變流器相當于列車的“心臟”，電機好比是列車的“肌肉”，電機主要負責傳達動力，完成電能到機械能轉變，帶動列車平穩(wěn)行駛。

據中國中車基礎與平臺研發(fā)中心副主任許峻峰介紹，世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)技術歷經了直流系統(tǒng)、異步系統(tǒng)、永磁系統(tǒng)三大階段。而永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效、節(jié)能、高可靠性等顯著優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)，成為下一代列車牽引系統(tǒng)的主流研制方向。

節(jié)能，降低成本。高效節(jié)能是永磁牽引系統(tǒng)最為突出的優(yōu)勢。高速列車采用永磁同步牽引系統(tǒng)，一方面可以充分利用永磁電機高功率密度的特點，降低列車的動拖比（指一列固定編組的列車中，動力車與無動力車的比例）。另一方面通過提高列車牽引效率，可節(jié)省大量電能，降低列車的全壽命周期成本。

許峻峰表示：“雖然采用永磁電機比采用交流異步電機的成本增加約10%，但通過節(jié)省動拖比一樣可以達到降低成本的效果。例如原來一列8節(jié)車廂的列車，需要6節(jié)車廂裝備動力。采用永磁牽引系統(tǒng)后，只需4節(jié)車廂裝備動力，節(jié)省了2節(jié)車廂的牽引系統(tǒng)成本，使得列車整體成本降低了20%?！?

另外，牽引系統(tǒng)能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的40%～50%，永磁同步牽引系統(tǒng)相比于異步牽引系統(tǒng)可實現節(jié)能9.61%。

維護少，噪音低。永磁發(fā)電機其絕緣技術結合了大功率機車和高鐵牽引電機絕緣結構的優(yōu)點，具有更高的絕緣可靠性。而全新的封閉式通風設計，則有效確保電機內部冷卻系統(tǒng)的清潔干凈，并且封閉式設計也降低了電機運作時產生的噪音，與異步牽引電機相比維護更少、噪音更低、系統(tǒng)的壽命周期成本也大為降低。

許峻峰認為：“在高鐵上采用永磁牽引系統(tǒng)技術，不僅可以提高列車牽引效率，節(jié)省大量電能，還能提高我國高鐵在節(jié)能、減排、安全、舒適等方面的綜合競爭優(yōu)勢，為旅客提供更高質量的旅行體驗?！?

永磁技術已在地鐵中得以應用

永磁驅動技術是全新一代的牽引技術，主要利用磁力驅動負載工作，以實現電機與負載間的非接觸扭力傳遞。目前，永磁驅動技術在電動汽車、風電、船舶等領域得到了應用。近幾年，隨著永磁驅動技術的發(fā)展，該技術開始“進軍”要求更高的軌道交通領域。

在我國，永磁高鐵雖然暫時還未真正投入運營，但是采用永磁牽引技術的地鐵列車早已在多個城市地鐵線路上開通了運營。

2011年年底，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號線成功裝車，實現了永磁系統(tǒng)在國內軌道交通領域的首次應用。截至2015年5月底，沈陽地鐵2號線已無故障載客運營7萬公里。根據相關數據顯示，在沈陽地鐵測量中，永磁同步牽引系統(tǒng)相比異步牽引系統(tǒng)可實現節(jié)能9.61%。

2016年，永磁地鐵在長沙地鐵1號線正式投入載客運營。據長沙軌道交通總經理周曉明介紹，目前這列永磁地鐵列車已經安全運營23萬公里，總體節(jié)能、噪音低、安全可靠。經過測試，運行期間節(jié)能率超過30%。

長沙軌道交通集團副總工程師肖利君表示：“在永磁牽引列車載客運營一年后，運行里程達10萬公里時，對該車進行了返廠解體檢查。經過檢查，發(fā)現電機的一些指標均無變化，電機永磁材料也沒有失磁現象?！?

除了沈陽地鐵2號線、長沙地鐵1號線，接下來廈門、深圳、寧波、佛山等城市也即將開展“永磁地鐵”應用研究。而北京地鐵八號線、天津地鐵六號線的“永磁地鐵”已具備載客運營資質。

由于永磁驅動技術具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，被視作軌道交通未來的發(fā)展趨勢。中車株洲電機有限公司副總經理兼總工程師馮江華表示，到2020年前后，全國將建設約100條城市軌道交通線路。如果新建線路60%采用永磁牽引系統(tǒng)，預期的產值將達到100億元，全國每年新線運營能耗將節(jié)約2.4億元。

高鐵永磁技術進行時

“對軌道交通牽引技術來說，永磁牽引系統(tǒng)是一場革命，誰擁有永磁牽引系統(tǒng)，誰就擁有高鐵的話語權。”馮江華透露：“目前，永磁同步牽引系統(tǒng)已成為各大發(fā)達國家競相研究的技術熱點?！?

我國早在2003年就開展了永磁同步牽引系統(tǒng)的基礎研究。據孟冬華介紹，當時永磁技術在國外尚處于起步階段，技術完全保密，對外嚴格封鎖技術轉讓，中國要想進行永磁技術研究，就只能從零起步，摸著石頭過河。經過了不下百萬次的地面試驗，積累了數百G的硬盤數據，2011年終于成功研制了我國首套軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)在沈陽地鐵2號線列車上實現了裝車試驗，這也是永磁系統(tǒng)在國內軌道交通領域的首次應用。

永磁系統(tǒng)在地鐵上的成功應用，讓“永磁高鐵”的研究有了底氣。在沈陽地鐵進行永磁系統(tǒng)試驗的同一年，國家“863計劃項目”提出了高速動車組采用600千瓦永磁同步牽引系統(tǒng)的目標。2015年2月，鐵路總公司發(fā)布了《時速350公里基于永磁電機牽引動車組技術條件》。2014年～2015年，永磁高鐵通過了設計方案評審，并下線了我國第一臺永磁高鐵樣車。據了解，這臺樣車的永磁同步牽引系統(tǒng)包含牽引變流器、網絡控制系統(tǒng)、永磁同步牽引電動機等。與前兩代的直流系統(tǒng)、異步系統(tǒng)相比，具有轉速穩(wěn)、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等優(yōu)勢，節(jié)能可達10%以上。其中，我國自主研發(fā)的JD188型大功率永磁同步牽引電動機的額定功率達到690千瓦，是目前國內軌道交通領域最大功率的永磁同步牽引電動機。

2016年12月，在試驗合格完成驗收后，永磁高鐵樣車開始了漫長的測試，截至2018年6月，永磁高鐵樣車完成了30萬公里運用考核，并完成了分解檢查。孟冬華具體介紹，永磁牽引高速動車組在大西線測試時，處于彎道、隧道等線路條件較差的情況中，仍比CRH380A（時速380公里級別高速動車組）在滬杭線的測試更節(jié)能。2017年6月，永磁牽引高速動車組和CRH380A動車組在成渝線進行了能耗對比測試，其中長距離、大站停的工況，整車節(jié)能約8.4%，停站次數比較多的工況，整車節(jié)能約10%。

孟冬華表示，接下來將開展京雄城際鐵路采用“永磁高鐵”方案的可行性研究。京雄城際鐵路作為雄安新區(qū)首個重大項目，于2018年2月開工，北京段2019年9月開通，新機場至雄安段預計2020年底投入使用。屆時，“永磁高鐵”也將正式進入商業(yè)運營階段，更好的為鐵路出行服務。

在德、日、法等高鐵大國，永磁同步傳動系統(tǒng)已經擴展到了高速動車組、地鐵車輛、低地板車輛、單軌車以及機車調車等領域，目前許多項目已完成了樣機的開發(fā)和實際線路的考核，甚至在某些領域正逐步進行小批量應用。2013年7月，日本東芝宣布首次獲得海外地鐵市場永磁同步牽引系統(tǒng)大單。另外，新加坡相關企業(yè)也獲得了66列396輛改造列車永磁同步牽引系統(tǒng)訂單。

在軌道交通領域，中國永磁技術雖然起步較晚，但也已經逐漸追趕上了國外先進水平。在孟冬華看來，我國擁有世界最大的鐵路網，因而高速列車節(jié)能降耗尤為重要。永磁高鐵具有損耗低、效率高的優(yōu)點，未來必將得到產業(yè)化的大力推廣。