精彩实录！绿色城轨趋势下永磁同步牵引系统的发展

　　12月1日19:30-21:50，由RT轨道交通推出的“约见轨道界”栏目开展了第三十一期话题直播互动讨论活动。本期话题以“绿色城轨趋势下，永磁同步牵引系统的发展”为主题，特邀权威专家、地铁业主单位及解决方案提供商的6名专家，以视频连线直播的方式，分别从各自不同的维度，探讨城轨智慧运维的发展。

　　本期活动由广州地铁集团有限公司集团专家何晔主持，邀请了中国城市轨道交通协会专家和学术委员会副主任李中浩，苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司总工程师何小兵，深圳地铁建设集团有限公司设备部副总经理周光海，宁波轨道交通集团有限公司车辆管理部部长李义国，江苏经纬轨道交通设备有限公司研发总监、浙江大学博士贺超等嘉宾参与。

　　当晚的直播收获很高的热度，截至12月2日上午10：30，本期累计观看量（PV）达到15257人次，观众来自全国34省区市。现将演讲嘉宾的部分观点摘要如下：

　　《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》（以下简称《行动方案》）于2022年8月18日正式对外发布，这是集体智慧的结晶。此次约见轨道界线上活动，李中浩主任重点针对《行动方案》进行了宣贯和解读，针对永磁牵引技术的优势和节能效益进行了深度阐述。他说：“一花独放不是春，万花齐放春满园。” 他呼吁行业要大力推动城轨永磁牵引应用，共建良好健康的永磁牵引系统产业链和生态环境。

　　城轨交通全产业链各个环节和全生命周期各个阶段，最大限度地降低能耗，减少二氧化碳排放；最大幅度地提升能效和资源利用率，提高运输效率效益；最大可能地采用清洁能源，推动用能结构转换；最大程度地促进与城市协调发展，优化绿色出行。

　　总体思路是行动方案的红线。围绕两大任务,构思了八句话的总体思路：以绿色转型为主线，清洁能源为方向，节能降碳为重点，智慧赋能，创新驱动，开展六大绿色城轨行动，实现碳达峰碳中和目标，建设绿色城轨。

　　绿色城轨建设覆盖范围广、建设体量大、技术难度高、实施周期长，是复杂的系统性工程。《行动方案》在统筹谋划、顶层设计的基础上，将绿色城轨建设细化为“三步走（2025 年、2030年和2060 年）”的实施目标。

　　三步走目标中既设置了碳排放量指标要求，体现了实现碳达峰碳中和的要求；同时又将“绿色转型程度”和“绿色低碳发展体系建设进展程度”作为“三步走”战略的重要衡量维度，这体现建设绿色城轨的要求。

　　2030年：城轨交通绿色转型取得显著成效，基本建成绿色低碳发展体系，碳排放强度值持续下降，碳排放总量经平台期稳中有降，绿色城轨初步建成，跻身世界先进行列。

　　2060年：全面完成城轨交通绿色转型，全面建成绿色低碳发展体系，全行业实现碳中和，高水平建成近零排放的绿色城轨，成为全球绿色交通引领者。

　　即：以绿色转型为主线，清洁能源为方向，节能降耗为重点，统筹铺画绿色城轨发展的“一张蓝图”；重点实施 “六大绿色城轨行动”；制定实施 “六项保障措施”；精心打造 “一批绿色城轨示范工程”，引导企业编制“N个企业绿色城轨发展实施方案”。

　　不仅涵盖了城轨交通建设期、运行期、维保期在内的全过程，而且统筹考虑了装备制造等产业链上下游；

　　不仅提出了能耗强度、碳排放强度等指标，也提出了绿色建筑创建、绿色能源利用、绿色制造等各个方面的具体指标；

　　核心指标是约束性指标，即综合能耗强度下降比例，2025年下降10%以上，2030年15%以上。这是落实国务院《2030年前实现碳达峰行动方案》“到2030年营运交通工具单位换算周转量碳排放强度比2020年下降9.5%左右”，结合国际水平测算的；

　　以推广应用成熟技术和推进研发试用新一代节能关键技术为手段，开创应用技术推进节能的新途径，实现城轨交通全行业节能降耗增效。

　　全面推广成熟节能技术应用。一是供能侧，车站及场段利用地、气、水源热泵及光伏发电等绿色新能源技术，采用网络化双向变流牵引供电技术以及专用轨回流技术，工程维修机械和调车机车采用清洁能源。二是用能侧，车辆采用永磁同步牵引技术、高频辅助逆变技术、客室智能照明技术、变频空调、轻量化技术等，重点车站通风空调采用直膨式机组、变频技术，场段及区间照明采用直流集中供电、智能LED、光导管等技术，自动扶梯采用智能启停以及变频运行技术，数据中心采用低PUE值的高密度IT设备集成及高效制冷系统。三是管理侧，构建基于云平台、大数据的能源管理系统，实现线网供能侧、用能侧的信息共享、高效融合，提升城轨交通能源智能化、精细化管理水平。

　　推动绿色装备自主创新，推进新一代绿色智能技术装备的研发与应用，绿色低碳与智能智慧相融合；推动绿色装备自主创新。依托绿色城轨建设，搭建自主创新重要平台，开创自主创新发展新局面。

　　推进新一代绿色智能技术装备的研发与应用。聚焦节能降耗潜力大、能效利用率高的新一代自主化绿色智能技术装备，如灵活编组运行的新一代列车运行控制系统、新一代智能列车、永磁牵引系统、网络化控制双向变流的新一代牵引供电设备、空调通风一体化的新一代大空间空调设备、高中压绿色环保开关柜等，加大研发力度，尽快取得突破，批量推广应用，在绿色城轨发展和双碳工作中发挥引领作用。

　　积极利用和创新绿色低碳金融产品。充分利用国家碳达峰碳中和等绿色金融政策，拓宽绿色城轨资金渠道，扩大绿色债券、绿色信贷等绿色金融产品规模，为城轨行业提供稳定的绿色金融支持。争取国家绿色发展基金等资金支持，降低企业融资成本，鼓励将采用绿色产品节省能源的费用冲抵增加的成本。

　　子体系一：绿色规划先行行动标准规范。围绕城轨绿色低碳发展理念，制定城轨行业及企业绿色规划标准，指导城轨行业及城轨企业编制绿色规划；

　　子体系二：节能降碳增效行动标准规范。围绕城轨节能降碳目标，制修订贯穿规划、建设、运营、维保、供应的全生命周期、全产业链应用绿色节能标准；

　　子体系三：出行占比提升行动标准规范。为科学合理的线网布局、制定高效客流组织、推进碳普惠政策激励、吸引乘客选择城轨出行制定出行占比提升行动标准；

　　子体系四：绿色能源替代行动标准规范。以双碳和绿色城轨发展目标为引领，编制线网或企业的绿色能源替代相关标准；

　　子体系五：绿色装备制造行动标准规范。技术装备是绿色城轨发展的基础，编制装备制造相关标准规范；

　　子体系六：全面绿色转型行动标准规范。城轨的绿色转型紧扣双碳和绿色城轨发展目标，与数字化转型协同，以“绿色创建”为载体，编制绿色转型相关标准规范。

　　通过对长沙、天津、厦门、宁波、深圳等城市DC1500V供电的地铁列车永磁和异步牵引系统的能耗测试和统计，在正常载客运营工况下，列车牵引系统能耗节能率均能达到30%以上，最高可到40%，列车总能耗（牵引+辅助）节能率能达到20%以上，最高可达35%。

　　按照DC1500V供电、时速80km/h的B型地铁推算，列车年均12万公里运营里程，每公里能耗为11度/列，电费0.8元/度计算，每列车每年用电量约为132万度，每列车每年电费花费约为105.6万元/年，按照节能率30%计算，若列车采用永磁牵引系统，每列车每年可节约电费为31.68万元，单列车30年全寿命周期内节电效益可达950万元。

　　经济原因：永磁与异步相比，由传统的车控变为轴控，前级高压电路增加控制回路，在逆变器与电机中间增加隔离保护装置，以及电机的不同，在未大批量工程化之前，永磁牵引系统售价较异步系统高15%左右。

　　（四）采用“永磁牵引+供电能馈”组合模式，可充分发挥永磁电机高效率特点，实现“1+12”的节能效果，整体节能可达30%。

　　采用双向变流供电技术，实现供电系统牵引回馈一体化“可控”式供电，稳定直流电压，降低线路损耗，实现能量调度。

　　轨道交通行业积极响应国家“双碳”战略，明确将永磁同步牵引技术作为全面推广的成熟节能技术。永磁牵引技术与系统解决方案在城轨领域推广应用符合行业政策和技术发展趋势。

　　江苏经纬轨道交通设备有限公司自主研发的新型永磁电机——混合磁阻电机（HSM），技术先进、成熟。

　　混合磁阻电机先进性在于，电磁设计引入了其母公司汇川技术及其收购的瑞士BURSA公司的先进思想，采用多层磁路结构，磁阻转矩占比更高。相比于传统的永磁电机，具有全线路广域高效、反电势低的特点，更加适合地铁牵引工况。

　　混合磁阻电机可靠性方面，其采用了斯柯达与经纬经典的结构设计与绝缘设计，成熟的设计与大量的市场验证，保证了其可靠性。

　　系统设计层面，江苏经纬充分考虑了失磁、电机短路等异常工况，给出了降低失磁预防、诊断及保护的综合策略，并提出了电机发生短路时的主动短路保护（ASC）策略，最大限度的保障车辆运营。

　　通过一系列地面与整车实验，验证了混合磁阻电机及牵引系统具有更加安全、节能、全生命周期成本低的优势，技术先近、方案成熟可靠，具有显著的经济效益和社会效益。相信混合磁阻牵引系统的市场推广应用，能够为城轨技术的发展与绿色城轨贡献一份力量。

　　苏州3号线km，均为地下线座，均为地下车站。其中换乘站14座，平均站间距1.249km，最大站间距1.887km，最小站间距0.683km。

　　苏州地铁3号线辆编组。牵引系统由江苏经纬轨道交通设备有限公司供货，其中48列车采用了常规的异步交流牵引系统， 0312车采用永磁直驱牵引系统、0345车采用永磁磁阻牵引系统。

　　0345车永磁磁阻牵引电机、0345车永磁磁阻牵引逆变器；0345车于2021年2月20日正式上线车投入运营至今，永磁磁阻牵引电机运行稳定，未发生故障。为了测试永磁磁阻牵引系统的节能效果，开展了两次能耗试验，并持续跟踪记录牵引能耗。

　　0312车永磁直驱牵引电机、0312车永磁直驱牵引逆变器；0312车已完成各项静态、动态功能验收，目前正在进行5000km稳定性试验，预计2023年可投入正式运营。

　　为了研究对比永磁磁阻电机能耗情况，苏州3号线车的高压箱内加装能耗记录仪，每个高压箱加装1套，每列车共计2套设备。能耗仪能够通过实时采集高压箱内高压母线的电压、电流情况来计算并记录各高压母线车能耗记录中选取有效数据，以2000km、5000km、10000km、30000km、50000km运营里程为统计节点，形成五组牵引、再生能效对照数据：

　　通过计算得出，0345车在不同统计周期内每公里综合能耗均低于0350车。同一列电客车在不同统计里程周期内的永磁磁阻牵引系统较交流异步牵引系统节能值分别为：0.85、0.88、0.86、0.84、0.84（ kwh/km） ，节能效果稳定。

　　由下表可知，相比苏州3号线异步牵引系统车辆，永磁磁阻系统车辆牵引能耗记录仪读数的每公里节能率为4.68%，综合能耗节能率为14.41%。若选择两列车同时上线km的日期的能耗数据进行节能计算（避免发车间隔、载客量、环境温度等因素对节能结果的影响），每公里节能率为16.4%。若增大行车密度或配置地面能馈装置，还可进一步提升节能率。

　　在苏州3号线项目中，为保证列车结构和性能稳定，磁阻电机增加了配重。永磁磁阻牵引系统与异步电机牵引系统单列车重保持一致，均为3420kg（永磁磁阻牵引系统：1220kg+550 kg*4；异步电机牵引系统：1040 kg+595 kg*4）。若不考虑配重，磁阻电机重量约为460kg，单节动车可减重360kg。

　　永磁磁阻电机、永磁直驱电机与常规异步电机的常规维护内容基本一致，主要包括：电机外观检查、紧固件、线缆状态检查、定期加注轴承润滑脂等。异步牵引电机的维修周期可满足维护要求，永磁体在电机全寿命无需更换，不会增加维修成本。

　　牵引逆变箱的维护项点与常规车辆也基本一致，主要为外观检查、箱体内部元器件检查、进出风口及散热片清洁等。但由于0345车采用轴控的控制方式，其箱体内的控制板卡、接触器、电抗器、传感器等元器件数量显著增加，整体维护难度和成本略微增加。

　　对于转子由永磁体励磁的混合磁阻电机，由于转子中永磁体的存在，转子的旋转会在定子绕组中产生感应电势，在电机内绕组内发生短路时，会在电机内部产生短路电流和短路转矩,存在阻碍其余电机正常运行的隐患。

　　经过在0345车上组织试验验证，发现在电机发生短路后，车辆能成功克服电机短路产生的制动转矩，将短路电机拖起到要求速度（考虑发热情况，建议列车退出服务速度控制在45-50km/h以内），同时车辆机械传动系统无异常，车辆可以正常运行。江苏经纬也通过软件控制优化，能有效抑制电机短路造成的冲击振动和噪声。

　　由于永磁材料易受温度、振动、外界环境及强磁场等因素影响，存在失磁风险。0345车磁阻电机通过永磁材料选型、设计优化、采用温度传感器直接检测电机本体温升、设置永磁体状态观察器，并在软件中加入了相关告警和切除功能。从预防、诊断、处置三个方面进行了预防和保障。

　　0345车目前已运营219095km，未出现过磁阻电机短路、失磁以及其他失效问题，永磁磁阻牵引系统运用良好。

　　随着0345车持续投入运营，在更多、更长的运营里程节点，测算能耗情况，能更加精准的反应永磁磁阻牵引系统的节电效果。

　　持续跟踪0345车牵引系统设备故障情况，统计设备故障率，与交流异步、永磁直驱牵引系统进行可靠性、维护成本对比分析研究。在设备全寿命周期内，结合采购成本、维护成本、能耗成本综合比较永磁磁阻牵引系统与交流异步牵引系统，从而确定永磁磁阻牵引系统的综合效益。

　　苏州地铁计划在7号线列车上应用永磁磁阻牵引系统，进一步验证永磁磁阻牵引系统综合性能，充分发挥新技术节能效果。

　　截至2019年12月31日，我国内地累计有40个城市开通城轨交通运营线年度新增运营线 年，全国城轨交通总电能耗 213.1 亿千瓦时，同比增长 23.6%，与 2019 年相比增长 39.6%。

　　与2019年相比增长 34.4%。牵引能耗占总电能耗的比为 49.8%。随着新投运线路的不断增加，总体能耗指标不断增长，总电能耗和牵引能耗均达历史最高。

　　上世纪90年始——永磁牵引电机随着永磁材料的发展而进步，逐渐向大功率、高转速、大转矩和智能化方向发展；

　　随着材料工业和功率半导体技术的发展，城市轨道交通牵引系统从斩波调压直流牵引电机驱动发展到调频调压交流异步电机驱动，永磁材料的发展促进了永磁同步牵引电机在城轨车辆上的应用。

　　⑴ 功率密度高：永磁同步牵引电机功率密度相比异步牵引电机更高，主要原因：永磁体磁能积不断提升，永磁电机功率密度提高；永磁电机转子不发热，电机损耗小，电机更紧凑。

　　⑶噪声更低：永磁牵引电机的平均噪声值比异步牵引电机低，其中0～1900r/min平均降低5.5dB(A)，1900～4000r/min平均降低0.1dB(A) 。在模拟实际升速过程中，永磁牵引电机平均噪声值较异步降低7.4 dB(A) 。

　　（一）采用了永磁牵引系统的深圳地铁10号线年8月18日全线座车站，全部为地下站 ；列车最高运行速度80km/h，A型列车，8辆编组。深圳地铁首次在10号线列车批量采用永磁牵引系统，于2018年完成系统设计、2019年完成制造、2020年8月投入运营。

　　牵引系统是列车的动力组件，其主要作用是：通过调频调压技术，使牵引电机旋转，通过传动部件传导牵引/制动力矩，进而驱动/阻止列车行驶。

　　2、列车牵引系统主要部件：受流装置、高压电气箱（三位闸刀开关、高速断路器）、牵引变流器箱、牵引电机、接地装置

　　永磁系统主电路：永磁同步电动机；逆变输入为架控，输出为轴控，一个电机一个逆变器模块；增加隔离接触器，隔离永磁电机故障时的反电势；单台逆变器质量降低约20%，整车降低约33%。异步系统主电路：三相鼠笼异步电动机；逆变输入输出为列控；无隔离接触器。

　　永磁电机转子中插装永磁体，避免了异步电机转子导条中的发热损耗，实现永磁同步电机高效区（效率≥90%）较异步电机提升25%，额定效率提升5%。

　　永磁电机降噪明显。电机转速0~1900r/min时，永磁电机噪音较异步电机平均降低5.5dB。电机转速1900-4000r/min时，永磁电机噪音较异步电机平均降低0.1dB。

　　日常维护：基本维护周期及要求相同，永磁电机为密封结构，无电机滤网，无需清洁。架修：永磁电机无需进行堵转试验、空转试验根据返厂维修及组装要求进行测试。大修维护：基本维护周期及标准相同，永磁电机转子不浸漆。全寿命周期成本：永磁电机在全寿命成本上，较异步电机节省242.6万元/列。（基于目前运营数据测算）

　　从2020年8月开通运营至今，永磁牵引系统未发生故障，异步牵引系统故障率为0.7次/十万公里。

　　深圳地铁运营各线路列车牵引系统应用中，各品牌主要存在牵引电机轴承、牵引风机、IGBT等故障。

　　2022年8月数据：三相异步列车每公里平均牵引能耗约14.16度，单节车动车每公里平均牵引能耗约1.77度；永磁同步列车每公里平均牵引能耗约11.36度，单节车动车每公里平均牵引能耗约1.42度；永磁同步列车较三相异步列车整车总体节能约19.8%。

　　永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，永磁体要用到稀土材料，制造成本不太稳定。

　　城市轨道交通牵引电机寿命要求为30年，相对异步电机，永磁电机使用材料方面最大的区别是永磁体，永磁体的使用寿命是影响地铁永磁牵引电机寿命的关键因素。

　　永磁材料的失磁主要来源于自然失磁、高温退磁和强反向磁场退磁。高温退磁和强反向磁场退磁需要生产制造单位从系统的设计、材料的选择和电机的控制等方面优化提升，满足轨道交通行业使用寿命的要求。

　　钕铁硼：永磁电机中钕铁硼磁性材料具有高磁能积、高矫顽力等特点，也被称为强力磁铁。以钕铁硼为部件的电机尺寸小、重量轻，而且性价比高。

　　永磁同步电机转子上嵌有永久磁体。列车惰行时，电机仍然在旋转，产生反电动势。须使用隔离接触器将永磁电机和牵引逆变器进行隔离，并加强接触器日常状态检查。

　　根据测算，1500V供电、最高速度80km/h，每列车年运营里程数按12万公里计算，列车每公里能耗平均值约为8度，每列车每年消耗电能约为100万度。

　　按照永磁牵引系统节电率30%进行核算，若列车采用永磁牵引系统，每列车每年可节约电能100万度*30%≈30万度；

　　减少维护成本：永磁同步牵引电机采用全封闭式结构，电机气隙能够保持清洁，无需清洗进风口滤网，架修更换电机轴承时也无需除尘，可有效减少维护工作量。

　　目前，我国较大部分的电力是火电，每年发电需要消耗煤炭近20亿吨，对环境影响巨大。其成因目前基本明确，主要由工业燃煤产生的污染气体造成的。

　　轨道交通是电力消耗大户，将永磁牵引系统应用于轨道交通车辆可有效降低能耗，减少碳排放。据测算，一列地铁列车采用永磁牵引系统每天可以减少排放1000公斤二氧化碳与3公斤二氧化硫。绿色减排效果相当于种植10000平米阔叶林。

　　轨道交通永磁电机通常选用两种永磁材料：钐钴和钕铁硼，其中钕铁硼永磁材料具有磁能积高、存储量丰富等优点，且随着钕铁硼材料加工工艺发展进步，钕铁硼材料性能逐步提升，可进一步促进永磁电机性能提升，为轨道交通永磁牵引电机未来发展的优选材料。

　　永磁牵引系统与异步牵引系统的主要差异，主要因为永磁电机采用永磁体励磁，电机励磁磁场恒定存在。

　　宁波4号线个月的运行数据，牵引系统节能率高达30%，从整车（包含辅助系统用电）系统的统计结果，节能在22%左右。

　　宁波5号线全线列车全年的列公里平均能耗7.68Kw/h（含线路损耗）。而业内传统牵引系统的列公里平均能耗应该在9-10kw，甚至更高。

　　额定转速以下，永磁对异步的效率：p/i-D=1.22（牵引工况平均效率高出22%）；p/i-B=1.24（制动工平均况效率高出24%）。

　　在启动阶段，和异步系统相比，永磁牵引系统电机定子无需励磁过程，响应速度快，启动也相应平滑，乘客的舒适度也就相应较高。

　　永磁电机由永磁体励磁，励磁无法消除，只要电机旋转就会在绕组中产生感应反电势，如在高速时电机控制失效，则反电势可能对系统产生危害。电机转速在3526r/min（速度80km/h）的反向电动势有效值为1424V，如右图表格试验数据所示。

　　目前地铁项目功率器件工作电压3300V，能够确保功率器件安全使用。在电机与逆变单元之间设置隔离接触器，即使反电动势失控，通过隔离接触器将故障隔离，故障停留在电机内部，不会影响到整个系统。

　　不同永磁材料电机温升对比（采用PT100测取永磁体温度）：钐钴材料最高温度为161℃，小于其失磁温度300 ℃；钕铁硼材料最高温度为155℃，小于其失磁温度200 ℃ 。

　　两种永磁电机温升基本相当，钕铁硼材料工作温度具有较大安全裕量，进一步丰富了轨道交通永磁电机永磁材料选择，具有重大的技术应用价值。

　　经试验验证，即使是在多点匝间短路的极端工况下，永磁电机在长时间被动旋转的情况下依然不会出现线圈大面积烧损等恶劣故障。

　　经试验验证，即使永磁电机三相短路工况下，永磁电机不存在速度不同步现象，且列车试验前后的轮对不存在擦轮现象

　　正如七、八十年代异步牵引系统大规模替代直流牵引系统一样，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。