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耳机、电冰箱、高铁，这三个看起来毫不相关，如今有了一个共性：都用上了永磁体。 近日，南车株洲电力机车研究所研制的“高速列车永磁同步牵引系统”已经通过了铁道检测试验中心的地面试验考核，装有永磁牵引系统的高铁最快3年就可以实现商业化运营。 要说高铁“新装备”有什么门道？故事还要从“永磁体”说起。 永磁体是什么？ “永磁体”听上去玄乎，其实每个人都接触过。天然的磁铁矿石、日常用的吸铁石、实验室里掰成马蹄铁状的铁棒，都是永磁体家族的一员。 天然磁石诞生于地壳运动，而人造磁体则得益于冶金技术。但要想制造出一块好磁铁可不容易，原料价格、是否易得、磁性强度以及是否容易退磁都是考量的标准——没错，即便是强磁铁，也会在极端条件下变成一块顽石。 这些要素中，对于实际应用影响最大的要数“能量密度”，只有“小”而“强”的永磁体，才能装备到日益纤巧的电子设备里，实现你我更轻便、更时尚的需求。 为了达成这个目标，冶金师们不断施展着“黑魔法”。各种金属被混在一起排列组合，屡败屡战，百试不爽。20世纪30年代，铝-钴-镍磁铁诞生，它的能量密度是最好的铁氧体磁铁的两倍。上世纪70年代对镧系元素或者叫稀土元素的研究，又进一步挖掘了合金的磁性潜力。用钴和稀土元素“钐”混合制成的磁铁，储能比铝-钴-镍磁铁还要高一倍。此后发现的稀土元素钕-铁-硼磁铁更是这场“神农尝百草”大赛的选秀明星。在上世纪90年代之前，这些钕系磁铁得到了突飞猛进的发展，指甲盖那么大一块磁铁产生的磁场，比整个地球铁质核心的磁场还要强数千倍。 还不够形象？那好。假如你在手心粘上一小块钕磁铁碎片，手掌向下伸开，置于桌上。手掌骨作为人体磁性最强部位被磁化后，在手背上形成一个强磁场。这时如果在手掌和手背上各放上一块稍大的钕磁铁，强力的磁场大可以生生把你的骨头弄裂！ 永磁同步电动机是什么？ 钕系磁铁几乎掀起了一场磁场革命。从汽车中的动力输送，到让硬盘、CD和DVD盘片高速旋转的马达；从扬声器和耳机中将电流脉冲转换成声响的振膜，到医学磁共振成像（MRI）中所需的超高密度磁场——但凡需要用最小体积产生最大磁场的地方，都有钕磁的身影闪现。开头说到的永磁同步电动机同样是高效永磁体施展拳脚的大舞台。
磁铁的广泛运用 要说永磁同步电动机的原理也十分简单。套用经典电磁学理论，电和磁在一定条件下可以相互转换，磁场转化出的电流就能带动高铁机车那样的“大家伙”。 为了得到电能，一般先要往金属线圈中通入少量的“励磁电流”制造磁场，再由导体切割磁感线输出大量电流。简而言之，就是电先产生磁、磁再产生电。由于永磁同步电机“自带”永磁体磁场，从而大大简化了上面这个流程。无需“励磁电流”、没有金属线圈的耗损，电机体积更小、磁场强度大、效率更高。 高速列车一旦采用永磁同步牵引系统，一方面可以充分利用永磁电机高功率密度的特点，降低列车的动拖比（指一列固定编组的列车中，动力车与无动力车的比例）；另一方面通过提高列车牵引效率，可节省大量电能，降低列车的全寿命周期成本。 2011年，南车株洲所研制的永磁同步牵引系统就在沈阳地铁二号线第20列车上装车，实现了永磁在我国轨道交通系统的首次应用。根据在沈阳地铁测量的结果，永磁同步牵引系统相比于异步牵引系统可实现节能9.61%。目前，在德、日、法等高铁大国，永磁同步传动系统已经应用到了高速动车组、地铁车辆、低地板车辆、单轨车以及机车调车等领域。 我国得天独厚的发展条件 看到技术差距，也应注意到中国永磁无可比拟的优势。中国拥有丰富的稀土资源可用于制造永磁材料，在强磁体如此紧俏的当下意味着什么不言而喻。 光是你手边的一台电脑里，就有大约有50克磁铁，环顾四周就知道数量之可观。但这和绿色能源吞噬的磁铁相比，只是小巫见大巫。每辆电动汽车中的马达都需要大约2千克钕磁，而一座能输出百万千瓦电能的风力发电机，则需要大约2/3吨。 上述种种足以证明稀土资源市场的广大，在过去的几十年里，中国几乎满足了全世界90%的稀土原料供应。钕磁加工过程中必不可少的“镝”元素，罕见于美国和澳大利亚矿井中，唯独在中国矿井中富足。 除去资源优势，中国还有产业优势。过去西方国家出于保护本国资源安全的考虑，大量廉价购买、囤积中国出口的稀土金属，结果反而造成了受制于人的被动局面。 美国关闭稀土矿山后，强磁生产商和专家都转移到亚洲，寻求更加毗邻矿山以此降低劳工成本。研究机构和公司在磁产品生产和研发上兴趣陡降，虽然现在科研资金充盈，但缺乏人才、工业和矿山来付诸实践。另一个棘手的问题是，绝大部分的下游工厂相继倒闭。现在的美国矿山只能生产出稀土矿石，轮到矿石提纯、加工成磁体的环节，企业和设施则都分布在中国。另外，磁工业聚集在中国和日本，日本企业多年积攒的强磁体制造专利让别国都动弹不得…… 是的，这一切看起来很美，可冷静下来，仍需要意识到巨大机遇中潜伏的危险。稀土并不稀有，美国等国家地下蕴藏的大量稀土资源、其经济竞争力、科技水平，以及矿业和资本市场的丰富运作经验——如果没有南车株洲所锐意进取的研发力度，今天的优势迟早会溃散，美国在将来也大有可能制衡中国。株洲所研发的永磁体电机也仅仅是高铁技术的一级台阶，甚至一时间不会让乘客出行更快、旅途更舒适，但这一默默运转的机械，确是高铁呼啸而过的源头。
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来源：观察者网
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