高鐵永磁同步牽引系統原理圖
新京報訊 由中國南車集團株洲所研制的新一代高速列車永磁同步牽引系統，近日已成功通過國家鐵道檢測試驗中心的地面試驗考核。《新京報》記者在株洲所最新了解到，首輛裝有永磁牽引系統的高鐵已經在南車青島四方整車下線，接下來將進入考核試驗階段，最快3年后實現商業化運營。
“原來一列8節車廂的列車，需要6節車廂裝備動力；采用永磁同步牽引系統后，則只需要4節車廂裝備動力即可，從而節省2節車廂的牽引系統成本”，負責高鐵永磁牽引系統研究的中國南車基礎與平臺研發中心副主任許峻峰介紹說，利用永磁電機高效率特點，可以提高列車牽引效率，節省大量電能，同時提高我國高鐵在節能、減排、安全、舒適等方面的綜合競爭優勢。
許峻峰說，由于牽引系統是機車的核心技術，雖然法、德、日等國家都在進行永磁牽引系統的研制，但一直對華實現技術封鎖，中國永磁在軌道交通上的研發雖然起步較晚，但目前已經逐漸追趕上國外先進水平。株洲所此次永磁高鐵的下線，標志著我國成為世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家。
■ 揭秘
1 牽引車減少 至少省電10%
“株洲所自2003年起進行永磁牽引系統的研發，至今已經追趕上世界領先步伐，并且完全擁有自主知識產權。”許峻峰說：“2011年開始進行永磁高鐵的研發，當時任務是600千瓦，但實際上我們做到了690千瓦”。
許峻峰舉例稱，雖然目前單個的高鐵用永磁電機成本比現在普遍服役的交流異步電機成本增加約10%，不過由于永磁電機具有高功率密度的特點，通過節省動拖比(即指一列固定編組的列車中，動力車與無動力車的比例)，比如一輛原來需要6動2拖的列車，在裝備了永磁電機后，只需要采用4動4拖就可以，其節省的2輛動車的牽引系統成本會使得安裝永磁電機的整列車牽引系統成本反而降低20%，另一方面可以利用永磁電機高效率特點，提高列車牽引效率，節省大量電能，降低列車的全壽命周期成本。
“由于永磁發電機的功率可以比異步電機更大，所以在整個車跑起來的時候，電機要求的數量更少了，”許峻峰說：“如果保持同樣的動拖比，將提升整車的牽引能力。”
據許峻峰介紹，一般來說，牽引系統能耗約占軌道交通系統總能耗的40%至50%。根據南車方面提供的數據稱，在沈陽地鐵測量中，永磁同步牽引系統相比于異步牽引系統可實現節能9.61%。
經測算，目前地鐵運營統計的數據是一列車平均每公里耗能為13度，按一列車每天平均跑250公里，一條線按20列車進行計算，則一條線一天耗能為65000度，如果電費按照0.85元/度電進行計算，如果2015年全國規劃建設的96條軌道交通線路全部采用永磁同步牽引系統，那么每年新線運營能耗將節約1.92億元。
2 電機全封閉 噪音低維護少
永磁電機與異步電機的最大區別在于它的勵磁磁場是由永磁體產生的。許峻峰介紹說，異步電機，需要從定子側吸收無功電流來建立磁場，用于勵磁的無功電流導致了損耗的增加，降低了電機效率和功率因數，所以永磁電機比異步電機要節能。
許峻峰介紹說，由于為了通風冷卻，地鐵用異步發電機是將線圈暴露在外的，需要定期將每臺電機的濾網進行一次清潔，如果不清潔，濾網堵塞會影響電機的散熱。而永磁發電機則使用全封閉式設計，更加安全可靠，此次株洲所研發的永磁發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清潔干凈，相對異步牽引電機維護更少，噪音低。
許峻峰介紹說：“由于永磁牽引電機結構和電磁方面的特點，其在地鐵現場應用過程中在低速時系統噪音明顯比異步電機低。整個系統噪音大概降低了3分貝左右。沒有濾網清潔這樣繁瑣的工作，系統的壽命周期成本也大大地降低了。”
■展望
永磁可助高鐵更多走出“國門”
株洲所副總經理、總工程師，高鐵永磁牽引系統項目總設計師馮江華向記者介紹，牽引系統技術是高鐵的核心技術，永磁技術在國內高鐵動力應用上的突破，將使中國高鐵在世界舞臺上更具核心競爭力。
永磁牽引成為下一代列車主流研究方向
據了解，世界軌道交通車輛牽引系統技術，經歷了直流系統、異步系統、永磁系統三大階段。永磁同步牽引系統因其高效率、高功率等顯著優勢，正逐步取代傳統牽引系統，成為下一代列車牽引系統主流研制方向。
馮江華說，此次南車株洲所推出的高速列車永磁同步牽引系統，包含牽引變流器、網絡控制系統、永磁同步牽引電動機等，其中最具亮點的就屬該公司自主研發的JD188型大功率永磁同步牽引電動機。該電機額定功率達到了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。
與傳統的異步電動機相比，該電機具有轉速穩、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等諸多特點，采用永磁驅動的同步牽引電機與傳統的異步電機驅動系統相比，節能可達10%以上。
永磁高鐵最快3年內商用
永磁高鐵的市場規模將非常可觀，參照永磁地鐵的商業化進程，永磁高鐵的商業化預計最快3年內能達成。
許峻峰介紹說，近幾年隨著國內稀土材料價格下降，讓永磁體價格也隨之下降，大大降低永磁牽引系統成本，而目前國外幾個大廠家一直希望到中國國內尋找永磁材料供應商，以降低成本。
就海外市場而言，直到2013年7月，日本東芝才宣布首次獲得海外地鐵市場永磁同步牽引系統大單：新加坡66列396輛改造車永磁同步牽引系統訂單。
馮江華介紹說，未來的某些軌道交通將會去掉齒輪箱，采用直接驅動的方式進行驅動，從而給軌道交通牽引系統帶來革命性的變化。
“由于軌道交通對體積、重量和空間限制很高，從目前技術狀態來說，異步電機無法做到直接驅動，目前只有永磁電機可以做到這一點。”馮江華說。
本版采寫/新京報記者 韓旭陽