节能降耗“利器”--“永磁高铁”来了

       2015年，在大西高铁客运专线上，一列银白色高速动车组飞速前进，这辆列车正是我国研制的首列“永磁高铁”。据了解，该“永磁高铁”在线路考核试验中的最高运行速度达到385公里/时，是永磁牵引系统在轨道交通领域应用中的最高运行速度。“永磁高铁”的研制成功，标志着我国成为了世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。

        2018年9月，在2018中国永磁驱动技术研讨会上，中车青岛四方股份有限公司副总工程师孟冬华表示，我国永磁高铁列车已经完成30万公里性能测试，目前正探讨在京雄城际铁路采用永磁高铁方案的可行性，为永磁高铁的商业化运营铺路。

节能、低损耗的“永磁高铁”

“永磁高铁”即采用永磁同步牵引系统技术的高铁列车。众所周知，牵引系统被称为高速动车组等轨道交通车辆的动力系统，是高速列车动力的关键来源，由牵引变流器和电机两大部分组成。其中牵引变流器相当于列车的“心脏”，电机好比是列车的“肌肉”，电机主要负责传达动力，完成电能到机械能转变，带动列车平稳行驶。

据中国中车基础与平台研发中心副主任许峻峰介绍，世界轨道交通车辆牵引系统技术历经了直流系统、异步系统、永磁系统三大阶段。而永磁同步牵引系统因其高效、节能、高可靠性等显著优势，正逐步取代传统牵引系统，成为下一代列车牵引系统的主流研制方向。

节能，降低成本。高效节能是永磁牵引系统最为突出的优势。高速列车采用永磁同步牵引系统，一方面可以充分利用永磁电机高功率密度的特点，降低列车的动拖比（指一列固定编组的列车中，动力车与无动力车的比例）。另一方面通过提高列车牵引效率，可节省大量电能，降低列车的全寿命周期成本。

许峻峰表示：“虽然采用永磁电机比采用交流异步电机的成本增加约10%，但通过节省动拖比一样可以达到降低成本的效果。例如原来一列8节车厢的列车，需要6节车厢装备动力。采用永磁牵引系统后，只需4节车厢装备动力，节省了2节车厢的牵引系统成本，使得列车整体成本降低了20%。”

另外，牵引系统能耗约占轨道交通系统总能耗的40%～50%，永磁同步牵引系统相比于异步牵引系统可实现节能9.61%。

维护少，噪音低。永磁发电机其绝缘技术结合了大功率机车和高铁牵引电机绝缘结构的优点，具有更高的绝缘可靠性。而全新的封闭式通风设计，则有效确保电机内部冷却系统的清洁干净，并且封闭式设计也降低了电机运作时产生的噪音，与异步牵引电机相比维护更少、噪音更低、系统的寿命周期成本也大为降低。

许峻峰认为：“在高铁上采用永磁牵引系统技术，不仅可以提高列车牵引效率，节省大量电能，还能提高我国高铁在节能、减排、安全、舒适等方面的综合竞争优势，为旅客提供更高质量的旅行体验。”

永磁技术已在地铁中得以应用

永磁驱动技术是全新一代的牵引技术，主要利用磁力驱动负载工作，以实现电机与负载间的非接触扭力传递。目前，永磁驱动技术在电动汽车、风电、船舶等领域得到了应用。近几年，随着永磁驱动技术的发展，该技术开始“进军”要求更高的轨道交通领域。

在我国，永磁高铁虽然暂时还未真正投入运营，但是采用永磁牵引技术的地铁列车早已在多个城市地铁线路上开通了运营。

2011年年底，永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车，实现了永磁系统在国内轨道交通领域的首次应用。截至2015年5月底，沈阳地铁2号线已无故障载客运营7万公里。根据相关数据显示，在沈阳地铁测量中，永磁同步牵引系统相比异步牵引系统可实现节能9.61%。

2016年，永磁地铁在长沙地铁1号线正式投入载客运营。据长沙轨道交通总经理周晓明介绍，目前这列永磁地铁列车已经安全运营23万公里，总体节能、噪音低、安全可靠。经过测试，运行期间节能率超过30%。

长沙轨道交通集团副总工程师肖利君表示：“在永磁牵引列车载客运营一年后，运行里程达10万公里时，对该车进行了返厂解体检查。经过检查，发现电机的一些指标均无变化，电机永磁材料也没有失磁现象。”

除了沈阳地铁2号线、长沙地铁1号线，接下来厦门、深圳、宁波、佛山等城市也即将开展“永磁地铁”应用研究。而北京地铁八号线、天津地铁六号线的“永磁地铁”已具备载客运营资质。

由于永磁驱动技术具有节能、环保等优点，被视作轨道交通未来的发展趋势。中车株洲电机有限公司副总经理兼总工程师冯江华表示，到2020年前后，全国将建设约100条城市轨道交通线路。如果新建线路60%采用永磁牵引系统，预期的产值将达到100亿元，全国每年新线运营能耗将节约2.4亿元。

高铁永磁技术进行时

“对轨道交通牵引技术来说，永磁牵引系统是一场革命，谁拥有永磁牵引系统，谁就拥有高铁的话语权。”冯江华透露：“目前，永磁同步牵引系统已成为各大发达国家竞相研究的技术热点。”

我国早在2003年就开展了永磁同步牵引系统的基础研究。据孟冬华介绍，当时永磁技术在国外尚处于起步阶段，技术完全保密，对外严格封锁技术转让，中国要想进行永磁技术研究，就只能从零起步，摸着石头过河。经过了不下百万次的地面试验，积累了数百G的硬盘数据，2011年终于成功研制了我国首套轨道交通永磁同步牵引系统，并且该系统在沈阳地铁2号线列车上实现了装车试验，这也是永磁系统在国内轨道交通领域的首次应用。

永磁系统在地铁上的成功应用，让“永磁高铁”的研究有了底气。在沈阳地铁进行永磁系统试验的同一年，国家“863计划项目”提出了高速动车组采用600千瓦永磁同步牵引系统的目标。2015年2月，铁路总公司发布了《时速350公里基于永磁电机牵引动车组技术条件》。2014年～2015年，永磁高铁通过了设计方案评审，并下线了我国第一台永磁高铁样车。据了解，这台样车的永磁同步牵引系统包含牵引变流器、网络控制系统、永磁同步牵引电动机等。与前两代的直流系统、异步系统相比，具有转速稳、效率高、体积小、重量轻、噪声低、可靠性高等优势，节能可达10%以上。其中，我国自主研发的JD188型大功率永磁同步牵引电动机的额定功率达到690千瓦，是目前国内轨道交通领域最大功率的永磁同步牵引电动机。

2016年12月，在试验合格完成验收后，永磁高铁样车开始了漫长的测试，截至2018年6月，永磁高铁样车完成了30万公里运用考核，并完成了分解检查。孟冬华具体介绍，永磁牵引高速动车组在大西线测试时，处于弯道、隧道等线路条件较差的情况中，仍比CRH380A（时速380公里级别高速动车组）在沪杭线的测试更节能。2017年6月，永磁牵引高速动车组和CRH380A动车组在成渝线进行了能耗对比测试，其中长距离、大站停的工况，整车节能约8.4%，停站次数比较多的工况，整车节能约10%。

孟冬华表示，接下来将开展京雄城际铁路采用“永磁高铁”方案的可行性研究。京雄城际铁路作为雄安新区首个重大项目，于2018年2月开工，北京段2019年9月开通，新机场至雄安段预计2020年底投入使用。届时，“永磁高铁”也将正式进入商业运营阶段，更好的为铁路出行服务。

在德、日、法等高铁大国，永磁同步传动系统已经扩展到了高速动车组、地铁车辆、低地板车辆、单轨车以及机车调车等领域，目前许多项目已完成了样机的开发和实际线路的考核，甚至在某些领域正逐步进行小批量应用。2013年7月，日本东芝宣布首次获得海外地铁市场永磁同步牵引系统大单。另外，新加坡相关企业也获得了66列396辆改造列车永磁同步牵引系统订单。

在轨道交通领域，中国永磁技术虽然起步较晚，但也已经逐渐追赶上了国外先进水平。在孟冬华看来，我国拥有世界最大的铁路网，因而高速列车节能降耗尤为重要。永磁高铁具有损耗低、效率高的优点，未来必将得到产业化的大力推广。