永磁地铁揭开城轨交通动力变革序幕
永磁地铁内景。图片来源于网络
长沙市地铁一号线永磁牵引系统顺利通过载客前评审，成为我国首列商用的永磁地铁。 图片来源于网络
与常见的地铁不同，一列安装了“永磁同步牵引系统”的地铁，在业界引起了热议。8月6日，长沙市地铁一号线永磁牵引系统顺利通过载客前评审，成为我国首列全车装载永磁牵引系统并投入载客运营的地铁列车。
能耗低、噪音小、转速稳、体积小，得益于这些特点，“永磁同步牵引系统”被称之为下一代轨道交通牵引系统。在中国之前，拥有轨道交通先进技术的德国、法国、日本等已在此方面取得了重大研究成果，并逐步进入了商业化和工程化应用阶段。
一直以来，我国地铁主要采用的牵引系统为“异步传动系统”，而异步传动系统也经历了“齿轮转动”和“直接驱动”两个阶段。长沙市这列地铁的运行，则揭开了我国城市轨道交通“永磁列车”的序幕。
●南方日报记者 王伟凯 黄祖健 策划统筹 李江萍
外观上与普通地铁无异
这列安装了中国国产永磁牵引系统的地铁，是由长沙市轨道交通集团、中车株洲电力机车有限公司和中车时代电气公司联合研发。实际上，中车的前身“南车”，早在2011年，就曾在沈阳的地铁2号线上进行了永磁牵引系统试验。
只不过，在当时只装载了一列车12个电机中的一台。沈阳地铁的工程师郭枫曾撰文描写当时装机方案，第一个转向架不变，仍使用两台异步牵引电动机;第二个转向架换成两台永磁同步牵引电动机，但只用其中一台;其余转向架电动机不变;整个方案是在原有异步牵引系统上变更而成。而长沙地铁一号线上的这列“永磁地铁”，完全按照满足城轨1500V、B型车的通用要求来设计，并且一整列地铁中的16台电机全部采用了永磁电机，实现永磁牵引系统在整列地铁车辆上的装载运营。
不过，需要指出的是，并非所有的长沙地铁一号线上的列车都采用该牵引技术。据了解，于今年6月28日试运营的长沙一号线是长沙市第二条地铁线路(长沙地铁二号线先开通)，全线共采购了23列车，其中只有一列地铁采用永磁牵引系统。
根据长沙市轨道交通集团相关负责人的介绍，在外观上，永磁地铁和普通地铁一样，“看不出来，只能听出来。”公开资料显示，传统的异步传动系统产生的噪音是105分贝，而永磁同步牵引系统的噪音只有90分贝，汽车产生的噪音就介于80—100分贝之间。
在能耗功率上均有优势
据中车时代电气公司总工程师尚敬介绍，牵引传动系统可以说是轨道交通车辆中动力驱动的“心脏”，它的能耗约占轨道交通系统总能耗的40%―50%。这也意味着如果牵引系统的能耗降低，那么整个车辆的能耗也将大大降低。
资料显示，与异步电动机相比，永磁电机的体积和重量都更小。记者检索了同车轮一体中的异步牵引电机和永磁同步牵引电机、ICE3原型车异步电机和永磁同步电机的数据对比。数据显示，在前一组对比当中，前者的质量、效率、功率因数分别为395kg、90.5%、76%，后者在这三方面的数据则为260kg、93%、91%;在第二组对比中，前者的启动牵引力、质量、总效率分别为3.2kN/M、750kg、91.5%，而后者的三组数据则为9kN/M、400kg、96.5%。
可以看出，在功耗、功率密度、重量等方面，永磁同步电机都具备一定优势。而根据最新的测试结果，采用永磁牵引系统的列车，较异步牵引系统列车能耗降低约11.5%。
长沙市轨道交通集团董事长彭旭峰就曾向媒体算了一笔账，以长沙地铁二号线为例，每年列车的总耗电量约为3721万千瓦时，如果全部采用永磁牵引系统，则每年可节约用电400多万千瓦时。按0.7元/度的电费计算，一年就能节省约300万元的运营成本。
我国高铁已用永磁技术
其实，早在上世纪90年代，国外就开始研究永磁同步牵引系统。
1993年，日本铁道综合技术研究所研制了第一台RMT1型永磁同步直驱牵引电机，对比相同性能的直驱式异步电机，该永磁牵引电机重量降低了35%，功率因数却提高了20%，效率增加了2.7%。
1998年，德国西门子公司以ICE3高速列车的要求和技术规格为基础，和Starnbeng磁性电机公司设计了抱轴式直接驱动永磁同步电机，并在车辆最高速度达到330km/h的条件下进行试验。
法国的阿尔斯通公司也在2007年开发出用于轻轨和高速列车的永磁同步牵引系统，该公司研发的新一代高速AGV列车(V150)，创下列车速度574.8km/h的世界纪录。
我国的永磁同步牵引系统的研发相对较晚，起步于2003年。时称为株洲南车时代电气的中车时代在当时开始了永磁同步牵引传动系统设计方法、永磁同步牵引电机控制策略、永磁同步牵引电机设计及相关制造工艺的研究工作。
刚开始时，主要针对纯电动大巴的永磁同步牵引电机进行研究，并实现了数千台的商业应用，首批系统也完成了40万公里的稳定可靠运营。
此后，对地铁、高铁进行研究试验。2009年，针对地铁车辆进行了永磁同步牵引系统研究，完成了样机的试制和试验平台的搭建。2011年在沈阳的地铁2号线上进行永磁牵引系统试验，今年8月6日，首列全车装载永磁牵引系统的地铁在长沙投入使用。
高铁方面，2014年年底由南车时代电气(时称)研制的第三代“高铁动力”——高速列车永磁同步牵引系统成功完成“首秀”，并通过中国铁路总公司评审，标志着我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。
■专家观点
采用何种电机需要综合考虑
虽然，业内普遍将永磁同步牵引系统看作是下一代轨道交通牵引技术，但广东的一位业内专家在接受记者采访时表示，决定采用哪一种电机牵引系统，要参考很多因素，要从全流程的角度来考虑。“比如直线电机，虽然能耗较高，但是它的维护成本会低一些。”
据其介绍，目前在国内地铁中使用的机车驱动系统主要有两种：三相交流异步电机驱动系统和直线电机驱动系统。
广州是全国地铁线路比较密集的一个城市，记者了解到，广州地铁已使用了10多年的直线电机，它的零部件也能够比较方便地获得，维修、维护成本比较低。目前，广州的4、5、6三条地铁线都使用了直线电机牵引系统，其他的线路都是使用交流电机。
这位专家告诉记者，采用不同电机的原因是各条线路的情况不同，直线电机爬坡能力强，一些地铁线路要过江，从江底到地面，如果要坡度小，铺设的轨道距离就要更长，那么车站设置也有可能要远离交通便利的位置。而采用了直线电机，可以让线路更短，车站设置更加灵活。
选择某一个驱动系统或者某一款列车，和整条线路的规划设计是有关系的。优先服从宏观的规划，再据此进行详细的设计，根据一些原则，比如方便周边居民的出行、节能等要求进行设计。
“每一个牵引系统都有一定的适应范围，不存在谁绝对好、谁绝对不好的说法。而且全国各地的线路条件不一样，能耗也很难找到统一的口径进行对比。”这位专家表示。
