永磁地鐵揭開城軌交通動力變革序幕
2016-08-15
原標題：永磁地鐵揭開城軌交通動力變革序幕
永磁地鐵內景。圖片來源于網絡
長沙市地鐵一號線永磁牽引系統(tǒng)順利通過載客前評審，成為我國首列商用的永磁地鐵。圖片來源于網絡
與常見的地鐵不同，一列安裝了“永磁同步牽引系統(tǒng)”的地鐵，在業(yè)界引起了熱議。8月6日，長沙市地鐵一號線永磁牽引系統(tǒng)順利通過載客前評審，成為我國首列全車裝載永磁牽引系統(tǒng)并投入載客運營的地鐵列車。
能耗低、噪音孝轉速穩(wěn)、體積小，得益于這些特點，“永磁同步牽引系統(tǒng)”被稱之為下一代軌道交通牽引系統(tǒng)。在中國之前，擁有軌道交通先進技術的德國、法國、日本等已在此方面取得了重大研究成果，并逐步進入了商業(yè)化和工程化應用階段。
一直以來，我國地鐵主要采用的牽引系統(tǒng)為“異步傳動系統(tǒng)”，而異步傳動系統(tǒng)也經歷了“齒輪轉動”和“直接驅動”兩個階段。長沙市這列地鐵的運行，則揭開了我國城市軌道交通“永磁列車”的序幕。
●南方日報記者王偉凱黃祖健策劃統(tǒng)籌李江萍
外觀上與普通地鐵無異
這列安裝了中國國產永磁牽引系統(tǒng)的地鐵，是由長沙市軌道交通集團、中車株洲電力機車有限公司和中車時代電氣公司聯(lián)合研發(fā)。實際上，中車的前身“南車”，早在2011年，就曾在沈陽的地鐵2號線上進行了永磁牽引系統(tǒng)試驗。
只不過，在當時只裝載了一列車12個電機中的一臺。沈陽地鐵的工程師郭楓曾撰文描寫當時裝機方案，第一個轉向架不變，仍使用兩臺異步牽引電動機；第二個轉向架換成兩臺永磁同步牽引電動機，但只用其中一臺；其余轉向架電動機不變；整個方案是在原有異步牽引系統(tǒng)上變更而成。而長沙地鐵一號線上的這列“永磁地鐵”，完全按照滿足城軌1500V、B型車的通用要求來設計，并且一整列地鐵中的16臺電機全部采用了永磁電機，實現永磁牽引系統(tǒng)在整列地鐵車輛上的裝載運營。
不過，需要指出的是，并非所有的長沙地鐵一號線上的列車都采用該牽引技術。據了解，于今年6月28日試運營的長沙一號線是長沙市第二條地鐵線路（長沙地鐵二號線先開通），全線共采購了23列車，其中只有一列地鐵采用永磁牽引系統(tǒng)。
根據長沙市軌道交通集團相關負責人的介紹，在外觀上，永磁地鐵和普通地鐵一樣，“看不出來，只能聽出來?！惫_資料顯示，傳統(tǒng)的異步傳動系統(tǒng)產生的噪音是105分貝，而永磁同步牽引系統(tǒng)的噪音只有90分貝，汽車產生的噪音就介于80—100分貝之間。
在能耗功率上均有優(yōu)勢
據中車時代電氣公司總工程師尚敬介紹，牽引傳動系統(tǒng)可以說是軌道交通車輛中動力驅動的“心臟”，它的能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的40%―50%。這也意味著如果牽引系統(tǒng)的能耗降低，那么整個車輛的能耗也將大大降低。
資料顯示，與異步電動機相比，永磁電機的體積和重量都更校記者檢索了同車輪一體中的異步牽引電機和永磁同步牽引電機、ICE3原型車異步電機和永磁同步電機的數據對比。數據顯示，在前一組對比當中，前者的質量、效率、功率因數分別為395kg、90.5%、76%，后者在這三方面的數據則為260kg、93%、91%；在第二組對比中，前者的啟動牽引力、質量、總效率分別為3.2kN／M、750kg、91.5%，而后者的三組數據則為9kN／M、400kg、96.5%。
可以看出，在功耗、功率密度、重量等方面，永磁同步電機都具備一定優(yōu)勢。而根據最新的測試結果，采用永磁牽引系統(tǒng)的列車，較異步牽引系統(tǒng)列車能耗降低約11.5%。
長沙市軌道交通集團董事長彭旭峰就曾向媒體算了一筆賬，以長沙地鐵二號線為例，每年列車的總耗電量約為3721萬千瓦時，如果全部采用永磁牽引系統(tǒng)，則每年可節(jié)約用電400多萬千瓦時。按0.7元/度的電費計算，一年就能節(jié)省約300萬元的運營成本。
我國高鐵已用永磁技術
其實，早在上世紀90年代，國外就開始研究永磁同步牽引系統(tǒng)。
1993年，日本鐵道綜合技術研究所研制了第一臺RMT1型永磁同步直驅牽引電機，對比相同性能的直驅式異步電機，該永磁牽引電機重量降低了35%，功率因數卻提高了20%，效率增加了2.7%。
1998年，德國西門子公司以ICE3高速列車的要求和技術規(guī)格為基礎，和Starnbeng磁性電機公司設計了抱軸式直接驅動永磁同步電機，并在車輛最高速度達到330km/h的條件下進行試驗。
法國的阿爾斯通公司也在2007年開發(fā)出用于輕軌和高速列車的永磁同步牽引系統(tǒng)，該公司研發(fā)的新一代高速AGV列車（V150），創(chuàng)下列車速度574.8km/h的世界紀錄。
我國的永磁同步牽引系統(tǒng)的研發(fā)相對較晚，起步于2003年。時稱為株洲南車時代電氣的中車時代在當時開始了永磁同步牽引傳動系統(tǒng)設計方法、永磁同步牽引電機控制策略、永磁同步牽引電機設計及相關制造工藝的研究工作。
剛開始時，主要針對純電動大巴的永磁同步牽引電機進行研究，并實現了數千臺的商業(yè)應用，首批系統(tǒng)也完成了40萬公里的穩(wěn)定可靠運營。
此后，對地鐵、高鐵進行研究試驗。2009年，針對地鐵車輛進行了永磁同步牽引系統(tǒng)研究，完成了樣機的試制和試驗平臺的搭建。2011年在沈陽的地鐵2號線上進行永磁牽引系統(tǒng)試驗，今年8月6日，首列全車裝載永磁牽引系統(tǒng)的地鐵在長沙投入使用。
高鐵方面，2014年年底由南車時代電氣（時稱）研制的第三代“高鐵動力”——高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)成功完成“首秀”，并通過中國鐵路總公司評審，標志著我國成為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。
■專家觀點
采用何種電機需要綜合考慮
雖然，業(yè)內普遍將永磁同步牽引系統(tǒng)看作是下一代軌道交通牽引技術，但廣東的一位業(yè)內專家在接受記者采訪時表示，決定采用哪一種電機牽引系統(tǒng)，要參考很多因素，要從全流程的角度來考慮?！氨热缰本€電機，雖然能耗較高，但是它的維護成本會低一些?！?br />
據其介紹，目前在國內地鐵中使用的機車驅動系統(tǒng)主要有兩種：三相交流異步電機驅動系統(tǒng)和直線電機驅動系統(tǒng)。
廣州是全國地鐵線路比較密集的一個城市，記者了解到，廣州地鐵已使用了10多年的直線電機，它的零部件也能夠比較方便地獲得，維修、維護成本比較低。目前，廣州的4、5、6三條地鐵線都使用了直線電機牽引系統(tǒng)，其他的線路都是使用交流電機。
這位專家告訴記者，采用不同電機的原因是各條線路的情況不同，直線電機爬坡能力強，一些地鐵線路要過江，從江底到地面，如果要坡度小，鋪設的軌道距離就要更長，那么車站設置也有可能要遠離交通便利的位置。而采用了直線電機，可以讓線路更短，車站設置更加靈活。
選擇某一個驅動系統(tǒng)或者某一款列車，和整條線路的規(guī)劃設計是有關系的。優(yōu)先服從宏觀的規(guī)劃，再據此進行詳細的設計，根據一些原則，比如方便周邊居民的出行、節(jié)能等要求進行設計。
“每一個牽引系統(tǒng)都有一定的適應范圍，不存在誰絕對好、誰絕對不好的說法。而且全國各地的線路條件不一樣，能耗也很難找到統(tǒng)一的口徑進行對比。”這位專家表示。
文章關鍵詞：系統(tǒng)地鐵電機
