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全球轨道交通将掀“永磁革命”谁将成为领军者

  • 发布时间:2015-01-17 16:40:38  来源:新华网  作者:佚名  责任编辑:孙业文

  纷纷扰扰数十年的轨道交通市场,从没有像现在这样引来无数遐想与猜测。是的,正是永磁技术的大发展,推动着全球轨道交通产业进入一个全新的时代。那么,谁将成为这个新时代的领军者?

  “能不能再通俗点儿解释,永磁技术会给轨道交通领域带来怎样的变化?”一个记者抛出的问题略显急促,他迫切想得到一个最言简意赅的答案。

  “给你打个形象的比喻吧,我们的永磁同步牵引系统就像一根金箍棒,既节能,又能改变机车的空间结构。”中国南车株洲所基础与平台研发中心副主任许俊峰双手一摊,无奈地笑了笑。其实在场的每一位科研人员都心领神会,十多年的科研成果哪能一两句话就说得清……

  轨道交通即将进入“永磁时代”,这块难以量化的新市场在给人们带来极大想象空间的同时,也让巨头间的竞争变得尤为激烈。市场即将爆发,会不会引来行业的一场大洗牌?而谁又将拔得头筹?

  掌中充满着火药味儿,然而,对于中国南车来说,这场角逐却更像是一次千载难逢的机会�

  厚积薄发

  角逐已经持续到了第十个年头。

  很长时间,南车株洲电力机车研究所有限公司(简称中国南车株洲所)一直扮演着“追逐者”的角色。

  能不能撵得上?什么时候能超越对手?……对于这些问题,从来没有人能给出一个确定的答案,毕竟针对永磁同步牵引系统的研发,中国南车株洲所从起步阶段就已经落后外国近十年的时间。“我们的很多核心技术,包括相关配套产业,确实是落后西方太多了,之前的状态可以说是全面落后!”许俊峰说。

  对于任何一位科研人员来讲,全面落后无疑是一种莫大的耻辱。在轨道交通领域,且不说我国全面引进第一代直流牵引系统,直到21世纪初,我国才真正实现批量应用第二代异步牵引系统,而国外早在20世纪80年代就可以成熟应用。在牵引系统方面,中国比外国落后了20年左右的时间!然而,这就像一场恶性循环,中国险些再一次与新时代失之交臂。

  上世纪90年代,当人们探讨轨道交通下一步的发展方向时,一名庞巴迪的工程师这样说道:上世纪七、八十年代,异步牵引系统大规模替代了直流牵引系统,现在,永磁同步牵引系统正逐步取代异步牵引系统成为下一代牵引系统!尽管这个颇具前瞻性的预言引起了业内人士的高度重视,但遗憾的是,国人当时还在奋力研发异步牵引系统,如何利用永磁,还是一个遥不可及的梦。

  直到2003年,曾创立过国内第一支轨道交通交流传动控制团队的冯江华参加了一场国外的学术会议,一位国外专家发表了关于“永磁同步牵引系统是下一代轨道交通牵引系统技术趋势”的演讲,“永磁”概念再一次引起了关注。冯江华敏锐地意识到,中国南车株洲所必须要抓住这次机会奋起直追,这或许是中国在牵引系统方面唯一一次赶超欧美的机会!回国后,冯江华当即着手组建了国内一支专业技术团队,开展永磁同步牵引系统的基础研究。那时,全球轨道交通行业五大巨头:西门子、三菱、庞巴迪、阿尔斯通、ABB早在南车之前就开始了对永磁同步牵引系统长达十几年的研发,尽管还没有实现商业化运作,但毫无疑问,南车与他们存在着巨大的差距。但冯江华知道,如果能在全面商业化之前赶超欧美,南车完全有可能在“牵引系统新时代”与国外巨头并驾齐驱!

  留给中国南车株洲所的时间不多了。彼时,国内关于永磁电机的相关资料寥寥无几,各发达国家在加快研发进度的同时,对外实行技术封锁,我国根本无法引进重大装备技术。中国南车株洲所的一些离退休老科研人员、一些即将毕业的博士生都纷纷自愿加入到研发队伍中来,他们下定决心,无论吃多少苦也要把技术拿下!经过一年的奋战,设计方案和图纸终于做出来了,可到了永磁电机制造工艺这一环节,团队实在太缺乏经验了。尤其是永磁体嵌装技术方面,因永磁体磁性大,稍不留神就会贴附在电机铁心表面,起初他们连永磁体是怎么装进去的都不知道。有一名研发人员每天在车间里与工艺人员讨论制作流程和加工方法,第一台永磁电机样机上的永磁体就是他一块一块亲手嵌装完成的。

  尽管条件艰苦,永磁电机设计团队还是逐渐成熟起来。2005年,他们争取来第一个项目——串联式混合动力车用永磁电机,并在一年后设计出了第一台真正意义上的永磁电机产品——JD150。与传统的异步电动机相比,这台永磁电机具有转速稳、效率高、体积小、重量轻、噪声低、可靠性高等诸多特点,节能可达10%以上。其优越的性能,更是给汽车转向架的设计提供了很多空间,使车型设计更完美。2008年,JD150成功装车,打响了永磁团队的“第一枪”!

  没有什么能比后续上千台电动汽车用永磁电机的订单接踵而至更激动人心。虽然当时南车的产品只覆盖了电动大巴和电动小轿车两大车型,但在一年之内3000多台套的销售业绩,令南车强烈意识到,无论是永磁电机、还是以永磁电机为核心的牵引传动系统,将来一定会有广阔的市场空间。

  相比于电动汽车,轨道交通领域的永磁同步牵引系统,将挑战上升到了新的高度。业内人士都知道,曲线磨耗、轮轨曲线噪声和曲线波浪磨耗,是严重影响地铁经济和安全运行的三大关键因素。解决这一问题最好的办法就是取消齿轮箱,改成直驱模式。“取消齿轮箱以后,不仅可以降低机车的重量、提高适应线路的不平顺的能力、增加安全性以外,还可以柔性设计机车的转向架,增加径向调节能力。”许俊峰解释说,“这就要求在功率不变的情况下,尽量缩小电机的体积。目前来看,若在轨道交通领域实现直驱,只有永磁可以实现。”作为永磁同步牵引团队的领军人物,许俊峰明白,整个轨道交通系统都将迎来一次革命性的变化,若要真正实现与国外巨头并驾齐驱,一定要在轨道交通领域实现突破!

  2009年4月,中国南车株洲所立项开展190kW地铁永磁同步电机牵引系统的开发。这是中国南车株洲所第一次真正在轨道交通领域开展样机试制,意义可想而知。但如何提升牵引系统功力?如何实现直驱?磁路怎么设计……这些问题不断挑战着永磁团队。历经几个月的奋战,同年11月样机竟顺利出厂了!2011年,南车研制的永磁同步牵引系统在沈阳地铁二号线成功实现了国内轨道交通领域的首次应用,结束了中国铁路没有永磁同步牵引系统的历史。两年之后,国内首条装载永磁同步牵引系统的地铁,顺利完成了6万公里的载客运营!

  辉煌仍在继续。继为沈阳地铁公司配套永磁同步牵引系统之后,中国南车株洲所又为长沙地铁公司开发了230kW国内地铁领域功率密度最大的牵引电机。同时,它又将科研领域延伸到高速列车行业,承担了“863”重大专项高速列车永磁同步牵引系统子课题的研究,开发了690kW国内最大功率高速动车组用永磁同步牵引系统。尽管高速列车的永磁同步牵引系统还没有装车试运行,但实验室的数据已足够说明一切:与国外对比,国外在轨道交通方面的永磁同步牵引系统功率最高可以做到700kw,南车能做到690kw;在功率密度方面,国外可以做到700kw/700公斤,南车能做到690kw/680公斤。而在应用状态上,国外巨头和南车一样,依然还处于技术储备阶段,一些工程化、商业化的应用也基本都在本国进行,直到2013年东芝才第一次在新加坡拿到海外永磁订单……毫无疑问,中国南车株洲所已经用最短的时间和国外巨头站在了同一条起跑线上,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,我国高铁动力技术真正进入到了“永磁时代”!

  为什么是株洲所?

  深居中国内陆的中国南车株洲所,向来不如沿海省份的大企业惹眼。正是永磁技术的突破,让人们注意到了中国南车株洲所这个“后起之秀”。

  翻阅中国南车株洲所的历史数据,人们惊讶地发现,2008年,中国南车株洲所的年销售额只有38亿元,随着2009年基础设施建设高潮的到来,中国南车株洲所不仅搭上了顺风车,还一跃成为全国唯一一家规模破百亿的研究所,2013年的销售额竟达到了164亿元!“如果一切顺利的话,2014年中国南车株洲所的销售额将突破200亿元!”中国南车株洲所副总经理冯江华对《中国机电工业》说。

  这份出色的成绩单令所有人都瞠目结舌。全国大大小小的研究所不下数千家,为什么中国南车株洲所会脱颖而出?

  其实在很久以前,隶属于铁道部的株洲所只是一家纯事业性研究机构。尽管“科技是第一生产力”的号召始终萦绕在耳畔,但每年的上级拨款,只够维持全所员人的正常工资,科研成果也只是当作“贡品”摆在实验室。1984年,这个被后人称作“中国公司元年”的时间点,恰恰让株洲所迎来了第一次转折。当年,为激发国有企事业单位的活力,国家出台了一系列鼓励政策。为了摆脱株洲所长期以来“有技术无市场”的尴尬境地,时任株洲所所长的丁爱国果断地向上级提出“不要国家事业经费、扩大经营自主权”的报告,从人事制度和科研管理经济责任制两方面在全所实施改革。这种“打破铁饭碗,打破铁交椅,打破大锅饭”的举措迫使株洲所必须要针对市场做研发,把产品卖出去。那一年,通过主动出击,株洲所的销售额高达714万元,全所职工一次性就发了400多元的奖金,轰动全国。

  这只是院所改制的第一步。尽管当时株洲所的产品能基本满足国家的订单项目,但株洲所并没有安于现状,即使身处三线城市,株洲所每年都保持800人次出国交流考察,学习新的技术。正是这种全球化的视野,没有让株洲所轻易放过任何一次机会。上世纪80年代,中国跟西方国家经常会有技术交流合作项目,当时美国GE和欧洲50Hz集团正巧有一些技术需要中国的研究所来承接、学习,但国内的很多研究所并没有学习的动力,甚至会有一种恐惧感,只有株洲所“挺身而出”把这个机会夺了过来。在铁道部的指导下,1985年,株洲所在与欧洲50Hz集团签订了8K型电力机车技术转让和合作生产电子部件协议之后,又从美国GE集团引进了ND5内燃机车。“8K型电力机车本来是法国的一款淘汰产品,但机车上的电子技术,大大促进了我们本来很落后的技术水平,没想到捡了一个宝贝!中国电力机车从此走向电子时代!”冯江华说。在引进消化吸收的基础上,1988年由株洲所和株机厂联合研制的SS4型电力机车诞生,这款产品陆续获得铁道部科技进步一等奖和国家科技进步一等奖。

  从那以后,株洲所开创了一个以科研为后盾、以生产为手段、以效益为中心的新型企业运作模式,踏上了“科研-生产-效益-科研”的良性循环道路。1992年,株洲时代集团公司成立。步入集团化运作轨道的株洲所,开始对牵引电传动系统核心技术进行系统性攻关,先后参加和主导了一系列重大科技项目的研制,奠定了株洲所在轨道交通电传动技术领域的领先地位。8年时间里,株洲所的销售收入由1991年的7037万元增长为1999年的3.27亿元,增长了4.6倍。

  在2000年株洲所并入南车集团以后,在新一任领导班子的带领下,中国南车株洲所正式转变成具有现代企业管理体制的企业实体。在产业结构上,实行“同心多元化”的发展思路,即主营业务是轨道交通,但应用领域却延伸到生活的各方各面。在高速列车永磁同步牵引系统正式研制之前,中国南车株洲所研制的高速永磁同步变频调速电机就已在格力成功下线了。在相同工况条件下,这台电机比普通离心式冷水机组节能40%以上,机组效率提升65%以上,是中国南车株洲所与格力一起推出的当今世界上最节能的大型中央空调。“我们实质上是一个葡萄状的产业模式,摘下一两颗不会影响主线的生长。反过来说,主线生长好了,会不断结出新的葡萄,这也是我们科技成果产业化率能达到85%的主要原因。”冯江华说。目前,中国南车株洲所围绕轨道交通领域已完成“电气传动与自动化、高分子复合材料应用、新能源装备、电力电子(基础)器件”四大产业板块、九大业务主体的布局。但是在中国南车株洲所的所有产业中,基础研发永远是最核心的。

  南车的机会

  自从中国南车株洲所跨越进入“永磁时代”以后,外界便对南车寄予了无限的期待。这是中国在牵引系统方面第一次与国外巨头站在同一条起跑线上,人们很想知道,一旦市场爆发,南车是否会抢占先机?

  “与其他巨头相比,南车具有得天独厚的优势,那就是稀土材料,这有可能会成为最终决定胜负的‘杀手锏’!”冯江华对《中国机电工业》说。

  得稀土者,得天下。作为综合性能最高的一种永磁材料,稀土永磁材料比上世纪九十年代使用的磁钢的磁性能高100多倍,比铁氧体、铝镍钴性能优越得多,比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍,是永磁同步牵引系统的核心材料。据勘探,我国拥有全球一半以上的稀土储量,而湖南省可用于工业生产的稀土矿种几乎都能找到。其中,褐钇铌矿为湖南特有,保有储量居全国首位;离子吸附型稀土矿储量居全国第四位;轻稀土矿储量居全国第五位。这就意味着,深处湖南中部的中国南车株洲所能比其他国家竞争对手更方便地就地取材,极大地降低了生产成本。虽然目前国外竞争对手的成本情况还不太透明,但我国稀土占据了全球90%的市场份额却是毫无疑问的,目前很多外国企业已经表示出到中国开设工厂的意愿,一方面是为了中国的稀土,另一方面则是为了中国的市场。

  世界经济的不景气,早已让一些轨道交通巨头惴惴不安。自2011年以来,因德国铁路公司的订单延误,导致上亿欧元的费用搁浅,西门子的运输业务就成为了西门子集团盈利的负担。三年之后,这家欧洲最大的工程公司试图将其处境不佳的铁路业务与阿尔斯通的运输业务合并,怎奈法国阿尔斯通也正面临本土市场紧控公共开支的状况,并不愿意接盘。冷淡的国际市场迫使他们必须尽快打开局面,他们纷纷把目光投向了欣欣向荣的中国。

  根据国务院下发的《“十二五”综合交通运输体系规划》,“十二五”期间,我国要初步形成以“五纵五横”为主骨架的,总里程达 490 万公里的综合交通运输网络,其中快速铁路的建设要达到4 万公里以上。据业内人士分析,到2015年前后,全国将建设96条城市轨道交通线路。一条线按20列6辆编组进行计算,永磁同步牵引系统销售额按照每辆车100万元计算,则一条线路永磁同步牵引系统将产生1.2亿元的产值。如果96条线路全部采用永磁同步牵引系统,预期的产值将达到惊人的115亿元!是的,这仅仅是中国一年的市场容量,毫无疑问,轨道交通产品需求的第二个景气周期即将到来,占尽地缘优势的南车早已迫不及待地要把市场全部收入囊中!-记者 张乃琳

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