2008年8月1日，全長(zhǎng)200公里的京津城際鐵路竣工，一輛俊俏的高顏值流線型列車(chē)從北京南站開(kāi)出。這是我國(guó)第一條高標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)時(shí)速為350km、采用無(wú)砟軌道技術(shù)鋪設(shè)的高鐵，從此揭開(kāi)了我國(guó)高鐵快速發(fā)展嶄新的一頁(yè)。
經(jīng)過(guò)10余年的艱苦努力，2018年我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2.2萬(wàn)公里，施工中高鐵1.82萬(wàn)公里，均穩(wěn)居全球第一。而排名第二到第五的西班牙，德國(guó)、日本、法國(guó)的運(yùn)營(yíng)里程合計(jì)為11561公里，約為我國(guó)的一半。高鐵運(yùn)行速度我國(guó)為300km/h到350km/h,在各國(guó)高鐵中也比較領(lǐng)先。按照2016年國(guó)家發(fā)改委公布的“中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”，到2020年全國(guó)高鐵要達(dá)到3萬(wàn)公里，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)和貫通特大城市的高鐵時(shí)速要達(dá)到350km/h以上,要構(gòu)建“八縱八橫”全通道，實(shí)現(xiàn)資金來(lái)源多渠道，鼓勵(lì)社會(huì)資本投資建設(shè)鐵路，到2025年，高鐵總里程將達(dá)到3.8萬(wàn)公里。
“十三五”期間高鐵運(yùn)營(yíng)里程新增1.3萬(wàn)公里，需增加動(dòng)車(chē)組1.1萬(wàn)輛。一輛4動(dòng)4拖列車(chē)用稀土永磁0.25噸，如新車(chē)全部用稀土永磁，需2750噸稀土永磁材料。同期全國(guó)軌道交通將新增7305公里，若全部用釹鐵硼將需1827噸，以上合計(jì)4577噸,按45萬(wàn)元/噸計(jì)算，釹鐵硼產(chǎn)值將達(dá)20.6億元。當(dāng)然這是理想狀況，初期應(yīng)用還是以釤鈷磁體為主，實(shí)際目前還遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的應(yīng)用量。
按照2018年底統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)高鐵列車(chē)共2797趟，動(dòng)車(chē)組2562趟，城際列車(chē)1837趟，合計(jì)7196趟。全國(guó)每天有七千多高鐵、動(dòng)車(chē)和城鐵編組，以200～350km/h的速度，風(fēng)馳電掣般行進(jìn)在祖國(guó)大地上，是何等美好而壯觀的場(chǎng)景。
國(guó)內(nèi)高鐵動(dòng)車(chē)制造廠商高度重視稀土永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。以中車(chē)株洲電機(jī)公司為例：早在2003年就開(kāi)始了永磁同步牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、控制策略及相關(guān)制造工藝的研究，建立了電機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)與控制策略仿真平臺(tái)；2010年得到國(guó)家863計(jì)劃的支持，次年完成600kw高鐵永磁電機(jī)設(shè)計(jì)；2012年進(jìn)行600kw首輪樣機(jī)試制與試驗(yàn)，2013年完成600kw電機(jī)改造并通過(guò)了試驗(yàn)；2014年是永磁電機(jī)牽引取得重要進(jìn)展的一年，功率提高至690kw并實(shí)現(xiàn)裝車(chē)；2015年實(shí)現(xiàn)了裝車(chē)試運(yùn)行考核，2016年開(kāi)始正線運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明與傳統(tǒng)的異步牽引系統(tǒng)相比，百公里人均能耗降低11.7%。
2014年9月中車(chē)株洲電機(jī)公司TQ-600高速動(dòng)車(chē)永磁同步牽引電機(jī)研制成功，失磁問(wèn)題、絕緣性能、通風(fēng)結(jié)構(gòu)等都得到較好解決，功率由交流電機(jī)的365kw提高到600kw，最大的為635kw。電機(jī)由24臺(tái)減為13臺(tái)，單臺(tái)減重1/3,一列8編組高鐵每天往返一次京滬，年節(jié)電可達(dá)100萬(wàn)度。
特別令人欣喜的還有永磁同步電機(jī)牽引在地鐵車(chē)輛運(yùn)行中進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。中車(chē)電機(jī)所2009年就完成了地面試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)，2010年完成190kw地鐵永磁電機(jī)地面試驗(yàn)，2011年在沈陽(yáng)地鐵2#線完成了7000kwAWO空載和AW3負(fù)載的現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)試驗(yàn)，2012年就實(shí)現(xiàn)了載客運(yùn)營(yíng)，2014年完成了230kW永磁電機(jī)試驗(yàn)，2015年在長(zhǎng)沙地鐵1#線實(shí)現(xiàn)了裝車(chē)，2016年進(jìn)入載客試運(yùn)營(yíng)階段，2018年長(zhǎng)沙地鐵1#實(shí)現(xiàn)商業(yè)營(yíng)運(yùn)，并成功將這一技術(shù)用于北京地鐵8#線載客運(yùn)行。
稀土永磁牽引技術(shù)在城市低地板電機(jī)中應(yīng)用也取得了可喜的進(jìn)展。如中車(chē)株洲所2013年完成了低地板車(chē)用永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2014年地面考核后，2015年在浦鎮(zhèn)低地板車(chē)上實(shí)現(xiàn)裝車(chē)試驗(yàn)，而在去年已開(kāi)始在重慶，佛山，德令哈三地實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。
2008年中車(chē)株洲所進(jìn)行了用于純電動(dòng)大巴的100Kw永磁同步電機(jī)的試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)十余年的努力，中車(chē)株洲所的相關(guān)牽引系統(tǒng)已成為新能源汽車(chē)行業(yè)的主要批量供貨單位之一。
長(zhǎng)沙地鐵1#線是首例永磁牽引的地鐵線路，到目前為止已安全運(yùn)營(yíng)23萬(wàn)Km以上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能大于30%。特別要提到的是在運(yùn)行10萬(wàn)Km時(shí)，曾對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體檢查而未發(fā)現(xiàn)失磁現(xiàn)象?，F(xiàn)在北京地鐵8#線、天津地鐵6#線、寧波地鐵4#線等都采用了永磁牽引技術(shù)。
有資料介紹，高鐵用永磁電機(jī)磁體,要求Hcj+BHmax＞75%，最高使用溫度230℃，采用通風(fēng)等措施，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的釹鐵硼磁體完全可以滿足需求。
2016年8月中車(chē)株洲電機(jī)宣布全球首臺(tái)盾構(gòu)機(jī)用永磁電機(jī)研制成功，并交付使用，總功率1056Kw。盾構(gòu)機(jī)直徑6米，比異步電機(jī)提高效率10%，每個(gè)工作日就能節(jié)電千度以上。
筆者去年曾前往中車(chē)株洲電機(jī)公司調(diào)研，并與有關(guān)科研人員座談交流，了解到該公司投入了相當(dāng)可觀的人力財(cái)力開(kāi)發(fā)稀土永磁牽引系統(tǒng)，在生產(chǎn)車(chē)間還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了小型展示臺(tái)。以稀土永磁電機(jī)為主要品種的新產(chǎn)品，有多種新款展示。面對(duì)展品和展示牌上的先進(jìn)指標(biāo)，和車(chē)間技術(shù)人員和工人的自信神態(tài)，可以領(lǐng)略到一股濃濃的創(chuàng)新之風(fēng)。
還有的研究表明，從價(jià)值看，稀土原材料:釹鐵硼:永磁電機(jī):高鐵列車(chē)=1:5:10:6000，如果真是這樣，稀土永磁的作用真是四兩撥千斤了。如果今后逐漸在上述車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)上更多地使用稀土永磁材料，不僅使軌道交通牽引技術(shù)實(shí)現(xiàn)了升級(jí)換代，其產(chǎn)生的節(jié)能減排的社會(huì)效益更是不可小視。
國(guó)外各主要軌道交通制造巨頭也競(jìng)相開(kāi)展永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)，并從樣機(jī)的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)進(jìn)入工程化驗(yàn)證和商業(yè)化推廣階段。
日本東芝公司是最早開(kāi)展永磁牽引研發(fā)項(xiàng)目（PMSM）的公司，早在2001年就開(kāi)展了155Kw電機(jī)的裝車(chē)試驗(yàn)，2003年完成360Kw電機(jī)的控制試驗(yàn)，2005年開(kāi)發(fā)了355kw電機(jī)并進(jìn)行車(chē)載試驗(yàn)，2007年全封閉PMSM的205kw電機(jī)量產(chǎn)，2010年還開(kāi)發(fā)了480kw強(qiáng)風(fēng)冷PMSM并用于干線機(jī)車(chē)，2012年全封閉的120kw電機(jī)量產(chǎn)，2015年獲授權(quán)對(duì)新加坡地鐵進(jìn)行了全永磁電機(jī)改造，2018年韓國(guó)釜山地鐵1#線全采用了東芝公司永磁牽引系統(tǒng)并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行。
法國(guó)阿爾斯通公司開(kāi)發(fā)了120kw和720kw全封閉永磁電機(jī)，分別用于低地板電車(chē)citadis和AGV高速動(dòng)車(chē)組，低地板電車(chē)2004年已在荷蘭的鹿特丹應(yīng)用。該系統(tǒng)2011年在意大利的高鐵中投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2011年7月法國(guó)國(guó)家鐵路公司訂購(gòu)了100列新一代超高速TAV列車(chē)，該車(chē)型采用永磁牽引系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2033年才能全部交付使用。
德國(guó)西門(mén)子公司則開(kāi)發(fā)了集合永磁同步牽引電機(jī)的直驅(qū)轉(zhuǎn)向架。該轉(zhuǎn)向架軸間距為1.6米，而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架軸間距為2.5米。該公司與達(dá)姆斯達(dá)特大學(xué)還開(kāi)發(fā)了抱軸式直驅(qū)永磁同步牽引電機(jī)，以滿足ICE3高速列車(chē)的要求，并制造了兩臺(tái)500KW試驗(yàn)樣機(jī)。線路運(yùn)行試驗(yàn)表明，與同功率異步電機(jī)相比，損壞率可降低50%，重量可減少30%，噪聲降低了15db。2018年6月西門(mén)子公司推出了采用永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)的Velaro Novo列車(chē)，牽引功率提高了10%，電制動(dòng)功率提升70%，效率提高5%，線路試驗(yàn)綜合節(jié)能達(dá)30%，預(yù)計(jì)2023年投入運(yùn)營(yíng)。
從國(guó)內(nèi)外軌道交通驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)展來(lái)看，稀土永磁驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成功應(yīng)用，基本上完成了設(shè)計(jì)、試生產(chǎn)、試運(yùn)較長(zhǎng)距離、考核定型，小批量商業(yè)化生產(chǎn)，而規(guī)?；a(chǎn)和運(yùn)營(yíng)也提到日程。特別值得注意的是，所采用的稀土永磁材料，已由釤鈷磁體逐漸轉(zhuǎn)向釹鐵硼磁體。
隨著高鐵動(dòng)車(chē)及軌道交通的快速發(fā)展，稀土原材料在這一領(lǐng)域應(yīng)用將會(huì)有更大的發(fā)展空間，其中有希望的當(dāng)屬以下幾種。
一是稀土鎳氫材料及電池的應(yīng)用，國(guó)外已經(jīng)在研發(fā)軌道交通車(chē)輛的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，鋰電池因比功率（比容量）較高已被選用。但稀土鎳氫電池也有很多優(yōu)勢(shì)，最主要的是有很高的安全性，這已被多年的使用實(shí)踐所證明，其次是具有—40℃～+50℃的寬使用溫區(qū)，能在極寒或熱帶地區(qū)應(yīng)用；還有稀土鎳氫電池具備大電池放電的特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)性和電池原料的可獲得性方面考慮也值得肯定。說(shuō)到稀土鎳氫電池比容量偏低的問(wèn)題，其實(shí)這些年也有變化。日本三洋公司生產(chǎn)的愛(ài)樂(lè)普稀土鎳氫電池，AA電池容量可達(dá)2500毫安時(shí)以上，比早期產(chǎn)品幾乎提高一倍。更可貴的是，具有很低的自放電，電池保存兩年后仍保有80%以上容量。如果對(duì)稀土鎳氫電池技術(shù)進(jìn)一步提升和優(yōu)化，采用以鑭鎂鎳即A2B7型等為主的材料，能顯著提高稀土鎳氫電池的比功率，有可能在混合動(dòng)力車(chē)（HEV）或插電混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）上更多地使用稀土鎳氫電池。考慮到機(jī)車(chē)對(duì)動(dòng)力電池重量有較好的承受能力，在機(jī)車(chē)混合動(dòng)力牽引系統(tǒng)也可試用，特別是電容型動(dòng)力電池組的試用。如能推廣可使大量積壓的輕稀土，主要是鑭鈰找到更多的用武之地，同時(shí)生產(chǎn)更多的混動(dòng)車(chē)，或牽引機(jī)車(chē)、地鐵車(chē)輛等，將會(huì)減少尾氣排放，降低油耗，從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
二是高鐵動(dòng)車(chē)及地鐵裝備，是集多種技術(shù)為一身的系統(tǒng)工程，也是多種重要結(jié)構(gòu)材料和功能材料的可以大有用武之地。比如高強(qiáng)度的鋁鎂合金可用于門(mén)、窗、車(chē)身等重要構(gòu)件；稀土發(fā)光材料可用于照明系統(tǒng)；稀土顯示材料可用于車(chē)輛顯示屏及標(biāo)牌等；各種傳感器、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)也會(huì)使用稀土原材料；車(chē)輛用各種玻璃尤其是高檔特殊用途的玻璃也可考慮采用稀土處理；車(chē)輛上有不少塑料和工程塑料，可以采用稀土助劑改性；稀土涂料應(yīng)爭(zhēng)取使用于車(chē)身；稀土鋼鐵材料也應(yīng)能找到用武之地。當(dāng)然目前最重要的還是稀土永磁材料用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，今后可否在混動(dòng)型的牽引機(jī)車(chē)用上稀土鎳氫電池或電容型動(dòng)力電池，很值得期待。
三是開(kāi)拓市場(chǎng)，培育市場(chǎng)，為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造業(yè)提供量身訂制的稀土原材料，這是稀土企業(yè)和稀土科技工作者永恒的的目標(biāo)和追求，應(yīng)該說(shuō)這一進(jìn)程仍在路上。希望上中游生產(chǎn)廠家能為下游產(chǎn)業(yè)鏈提供具有較高性價(jià)比，具有良好的產(chǎn)品均勻性、一致性，化學(xué)性能和物理等性能具佳的優(yōu)質(zhì)稀土原材料，只有這樣，稀土全產(chǎn)業(yè)鏈才能互利共贏，穩(wěn)健成長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。
