陜西稀土永磁材料——永磁同步牽引電機的關鍵材料

永磁牽引系統(tǒng)驅動電機的關鍵材料是稀土永磁材料。稀土永磁材料的性能決定了軌道交通車輛的動力品質、能耗和控制特性，可以采用釤鈷永磁體或者釹鐵硼永磁體。釤鈷永磁體的最大磁能積可達到35 MGOe，工作溫度高，居里溫度670～850℃，使用溫度高達500℃；因鈷資源短缺，價格昂貴，大范圍商業(yè)化永磁牽引系統(tǒng)采用釤鈷磁體成本壓力較大。

據了解目前年釤鈷磁體毛坯產量約2 400t，難以滿足軌道交通稀土的未來需求。出于安全性、可靠性和穩(wěn)定性，中車株洲電力機車研究所有限公司開發(fā)的高速動車組永磁牽引電動機考慮采用釤鈷磁體。有關研究報告對635kW永磁牽引電機各部的溫場分布表明電機繞阻處溫度最高，但未超過140℃。標志釹鐵硼磁體性能的主要指標磁能積的理論最大值為64 MGOe，目前工業(yè)化批量生產的釹鐵硼永磁體的磁能積已經超過55MGOe， 另外已經開發(fā)出了磁能積為59.6 MGOe的實驗室樣品?？梢哉f，釹鐵硼的磁性能要優(yōu)于釤鈷磁體，其居里溫度320～460℃，工作溫度與釤鈷磁體相比較低，在150℃以下已經得到廣泛應用，最高工作溫度200℃左右，但要添加較多的重稀土金屬鋱鏑；考慮到高速鐵路的安全性，必須進一步提高釹鐵硼永磁體的工作溫度，或者為使用釹鐵硼磁體的牽引系統(tǒng)附加冷卻系統(tǒng)降低釹鐵硼磁體工作環(huán)境溫度，才有可能使釹鐵硼磁體滿足高速鐵路需求。軌道交通領域永磁同步傳動系統(tǒng)中的永磁材料要求其綜合磁性能指標即內稟矯頑力Hcj(kOe)+最大磁能積(BH)max(MGOe)>60，目前，我國已經開發(fā)出綜合磁性能指標高于75的高性能燒結釹鐵硼磁體, 最高工作溫度高達230℃，遠遠超過634kW永磁電機對永磁材料工作溫度的要求。可見，釹鐵硼永磁體完全可以用于高速鐵路牽引系統(tǒng)。

在良好的產業(yè)政策環(huán)境推動下，依托自主開發(fā)的第3代永磁牽引技術，“十三五”期間我國永磁軌道交通將得到迅猛發(fā)展。有資料表明，到2020年新增高鐵、城市軌道交通列車永磁同步傳動系統(tǒng)市場占有率將分別達到30%和50%。我國標準動車組車輛保有量密度約為1輛/km?！笆濉逼陂g，我國的高鐵營業(yè)里程將增加1.1萬km，高鐵新線建設的動車組新增需求約1.1萬輛，平均每年增加2 200輛。據統(tǒng)計，一輛“4動4拖”永磁列車使用高性能稀土永磁為0.25 t，若新增高鐵列車全部采用永磁牽引系統(tǒng)，則“十三五”新增高鐵列車對釹鐵硼的總需求約為2 750t。另“十三五”期間城市軌道交通規(guī)劃線路總規(guī)模為7 305.3km，若全部采用永磁牽引系統(tǒng)，大約需要釹鐵硼1 827t。我國軌道交通對釹鐵硼的總需求約4 577t，按照45萬元/t高性能釹鐵硼價格計算，“十三五”期間軌道交通可拉動20.6億元的稀土永磁市場。受市場需求影響，目前我國高性能釹鐵硼永磁材料僅占釹鐵硼永磁體產量的約25%，未來軌道交通的發(fā)展將進一步刺激高性能釹鐵硼材料的市場需求。

目前，國外主要軌道交通企業(yè)法國阿爾斯通、加拿大龐巴迪、日本東芝的永磁同步電機牽引列車已進入商業(yè)化的推廣應用階段。我國已經掌握永磁牽引系統(tǒng)技術，為我國發(fā)展現(xiàn)代軌道交通產業(yè)提供了堅實的技術保障，并在地鐵、城軌、動車和高鐵等領域實現(xiàn)應用。有報道表明，沈陽地鐵2號線采用190kW永磁牽引系統(tǒng)，“永磁地鐵”長沙地鐵1 號線已投入載客運營，南車690kW 永磁同步牽引系統(tǒng)已通過裝車測試考驗。我國自主研發(fā)的軌道交通永磁同步電機牽引系統(tǒng)已打破了國外對軌道交通永磁同步電機牽引技術的壟斷。