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　　歷時11年,累計(jì)1000萬次試驗(yàn),積累150G數(shù)據(jù),耗資1億元,中國中車旗下株洲電力機(jī)車研究所有限公司攻克了第三代軌道交通牽引技術(shù),即永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng),掌握完全自主知識產(chǎn)權(quán),成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。

　　2015年5月16日,長沙地鐵1號線使用的永磁同步電機(jī)成功交付。這是國內(nèi)首次將永磁同步電機(jī)裝載在整列地鐵車輛投入裝車應(yīng)用。

　　中國工程院院士、株洲所總經(jīng)理丁榮軍透露,目前,株洲所已研發(fā)出可用于時速500公里的高鐵動車的690kW永磁牽引系統(tǒng),即將小批量生產(chǎn)。這標(biāo)志著我國成為繼德、日、法等國之后,世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。

　　“中國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的永磁牽引系統(tǒng)已經(jīng)邁開產(chǎn)業(yè)化步伐,中國軌道交通的‘永磁牽引時代’終于來臨了。”丁榮軍表示。

在德國柏林交通軌道技術(shù)展上，南車展出了裝有永磁同步電機(jī)的CRH-380A動車組列車模型。

　　從“地鐵用”到“高鐵用”:“爬完衡山又去登珠峰”

　　牽引傳動系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)被稱為“列車之心”,其性能在某種程度上決定了列車的動力品質(zhì)、能耗和控制特性,也影響著列車的經(jīng)濟(jì)性、舒適性與可靠性,是節(jié)能升級的關(guān)鍵。

　　世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的第一代是直流電機(jī)牽引系統(tǒng),第二代是起步于20世紀(jì)70年代的交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),為當(dāng)前的主流技術(shù)。

　　株洲所副總經(jīng)理馮江華介紹,“對軌道交通牽引技術(shù)來說,永磁牽引系統(tǒng)是一場革命,誰擁有永磁牽引系統(tǒng),誰就擁有高鐵的話語權(quán)。”

　　永磁牽引系統(tǒng)是列車的動力系統(tǒng),由變流器和電機(jī)兩大部分組成,其中變流器相當(dāng)于列車的心臟,電機(jī)好比是列車的肌肉,電機(jī)主要負(fù)責(zé)傳達(dá)動力,完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變,帶動列車平穩(wěn)行駛。

　　目前,西門子、龐巴迪等國際設(shè)備制造商均將永磁牽引系統(tǒng)作為其研發(fā)方向。在這個新興領(lǐng)域,中國并沒有輸在起點(diǎn)。

　　2003年,有關(guān)永磁牽引系統(tǒng)的闡述第一次傳入馮江華的耳朵。當(dāng)時,該項(xiàng)技術(shù)尚處于理論研究階段。然而,馮江華察覺到,永磁牽引系統(tǒng)必將取代交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),必須迅速研發(fā)。當(dāng)年,株洲所率先組建了國內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì),“從零起步”。

　　株洲所基礎(chǔ)與平臺研發(fā)中心副主任許峻峰稱,在交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)研發(fā)階段,我國比國外落后了20來年;在更先進(jìn)的永磁同步領(lǐng)域,“我們就像是沒有車燈的汽車,在黑燈瞎火的山路上摸索,方向稍有把握不準(zhǔn),后果不僅僅是跑偏”。

　　冷庫NGN拖拉機(jī)電磁脈沖閥電子病歷同軸電纜液壓和氣壓動力機(jī)械及元件有線CA壓鑄衛(wèi)星通信設(shè)備導(dǎo)光板消費(fèi)類電子產(chǎn)品“電機(jī)控溫是項(xiàng)目進(jìn)展最大的瓶頸。”許峻峰介紹,為避免水、灰塵、鐵屑等腐蝕電機(jī)內(nèi)部永磁體,電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu),但由于電機(jī)功率太大,發(fā)熱過高,永磁材料在高溫、振動和反向強(qiáng)磁場等條件下,可能發(fā)生不可恢復(fù)性失磁的嚴(yán)重風(fēng)險。“如果列車在高速運(yùn)行時失磁,后果不可想象。”

　　馮江華回憶,“沒有任何可以借鑒的資料,也缺少研發(fā)測試用的相關(guān)設(shè)備”,株洲所只能“摸著石頭過河”,不少數(shù)據(jù)仍要依靠比較原始的笨辦法。“比如說,電機(jī)升溫試驗(yàn)一做就是五六個小時,電機(jī)溫控數(shù)據(jù)就人工全程蹲守來記錄,這樣來慢慢積累。”馮江華稱。

　　研發(fā)團(tuán)隊(duì)成立8年后,也就是2011年底,株洲所永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號線成功裝車,實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用,結(jié)束了中國鐵路沒有永磁牽引系統(tǒng)的歷史。株洲所也成為我國唯一掌握自主永磁牽引系統(tǒng)全套技術(shù)的企業(yè)。截至2015年5月底,沈陽地鐵2號線已無故障載客運(yùn)營7萬公里。

　　“這一次,我們搶坐了頭把交椅。”馮江華告訴記者,2011年,株洲所受命參與國家“863計(jì)劃”之“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點(diǎn)項(xiàng)目”,承擔(dān)高速動車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。

　　從“小功率”轉(zhuǎn)向“大功率”,從“地鐵用”轉(zhuǎn)向“高鐵用”,株洲所面臨著新的難關(guān)。

　　株洲所首席設(shè)計(jì)專家李益豐對《中國經(jīng)濟(jì)周刊》稱,沈陽地鐵用的永磁同步電機(jī)功率是190kW,而用于時速500公里高速動車組的電機(jī)功率高達(dá)690kW,且始終是高速運(yùn)行狀態(tài),對牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰(zhàn),“對電機(jī)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)就像是爬完衡山,又去攀登珠峰”。

　　盡管如此,株洲所卻提前完成任務(wù)。2013年12月,株洲所成功開發(fā)出可用于時速500公里高鐵動車的電機(jī),2014年10月在青島四方股份公司成功裝車考核。

　　“順利的話,中國高鐵很快就能全面用上永磁牽引系統(tǒng),不僅更節(jié)能,也更穩(wěn)定,更安全。”李益豐稱。

　　“節(jié)能神器”:讓高鐵電機(jī)功率提高60%

　　丁榮軍對《中國經(jīng)濟(jì)周刊》介紹,2014年,株洲所的牽引系統(tǒng)在城市軌道列車市場占有率達(dá)57%,今后將逐步以永磁牽引系統(tǒng)取代異步電機(jī)系統(tǒng)。

　　株洲所下屬的時代電氣公司副總經(jīng)理兼總工程師劉可安說:“高效節(jié)能是永磁牽引系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢。”

　　數(shù)據(jù)顯示,株洲所研發(fā)的690kW永磁同步電機(jī),比目前主流的異步電機(jī)功率提高60%,電機(jī)損耗降低70%。

裝載株洲所核心部件的CRH380A動車組示意圖

　　根據(jù)沈陽地鐵2號線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),劉可安算了一筆賬:一條地鐵每年可節(jié)能折合400萬元,“這就是利潤,哪家單位會不愿意用?”

　　劉可安拿出的一份業(yè)內(nèi)分析報告顯示:到2020年前后,全國將建設(shè)約100條城市軌道交通線路。如果新建線路60%采用永磁牽引系統(tǒng),預(yù)期的產(chǎn)值將達(dá)到100億元,全國每年新線運(yùn)營能耗將節(jié)約2.4億元。

　　永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)領(lǐng)域也展現(xiàn)出極強(qiáng)的替代優(yōu)勢。基于永磁變頻傳動系統(tǒng)的中央空調(diào)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能40%。一臺240kW的中央空調(diào),若每年運(yùn)行4個月,一年至少可節(jié)約用電11.52萬度。按全國40000臺中央空調(diào)測算,則一年即可節(jié)約用電46億度,少排放46萬噸二氧化碳。

　　自2009年啟動研發(fā)以來,株洲所成功研制了世界上第一套中央商用空調(diào)永磁高速直驅(qū)系統(tǒng),成為國內(nèi)外唯一一家中央空調(diào)永磁驅(qū)動系統(tǒng)的供應(yīng)商。截至2015年4月底,株洲所永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)上已應(yīng)用400多套。在今年4月的中國制冷展上,格力電器就將裝載永磁同步變頻熱泵離心機(jī)的中央空調(diào)作為其高端產(chǎn)品推向市場。

　　永磁牽引系統(tǒng)的高效節(jié)能,讓株洲所在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、100%低地板現(xiàn)代有軌電車等領(lǐng)域也占據(jù)了市場競爭的高點(diǎn)。

在去年的德國柏林國際交通軌道技術(shù)展上，一款代表中國未來高鐵牽引動力發(fā)展方向的TQ-600高速動車組永磁同步牽引電機(jī)成功亮相。該款高端電機(jī)由中車株洲電機(jī)有限公司生產(chǎn)制造。

　　馮江華稱,永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還在起步階段,“今后,株洲所一方面是縱向上深化和細(xì)化技術(shù)研發(fā),另一方面是橫向上不斷擴(kuò)展永磁牽引技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)全面布局和持續(xù)領(lǐng)先。”

　　專家點(diǎn)評

　　冷中國工程院院士劉友梅:

　　永磁同步牽引系統(tǒng)是我國高鐵技術(shù)升級的典范

　　世界軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)歷了“直流傳動牽引系統(tǒng)”向“交流傳動牽引系統(tǒng)”發(fā)展后,目前正在由“感應(yīng)異步傳動”朝“永磁同步傳動”發(fā)展。永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效率、高功率密度的顯著優(yōu)勢,代表了當(dāng)前提倡節(jié)能減排、綠色環(huán)保的技術(shù)發(fā)展趨勢,成為各大發(fā)達(dá)國家競相研究的技術(shù)熱點(diǎn),是花錢也買不到的核心技術(shù)。

　　中國中車株洲電力機(jī)車研究所成功自主開發(fā)了高速列車永磁同步牽引系統(tǒng),使我國成為世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。該永磁同步牽引系統(tǒng)的電機(jī)額定效率達(dá)到了98%以上,將電機(jī)損耗降低至原來的三分之一,顯著降低了高速列車的牽引能耗。在我國能源日益緊張,社會迫切需求“綠色交通”的大背景下,永磁同步牽引系統(tǒng)成為了我國高速鐵路技術(shù)升級的一個典范。

　　為了早日趕上發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平,我們在研制時主動提高了目標(biāo)

　　株洲電力機(jī)車研究所有限公司副總經(jīng)理馮江華

　　技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)賴以生存的支柱和持久發(fā)展的動力。2003年,我們即著手開展永磁同步牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。當(dāng)時永磁技術(shù)在國外尚處于起步階段,技術(shù)完全保密,對外嚴(yán)格封鎖技術(shù)轉(zhuǎn)讓。我們只能從零起步,摸著石頭過河,開展了大量理論分析、仿真研究和三維虛擬設(shè)計(jì)等,經(jīng)歷不下百萬次的地面試驗(yàn),積累了數(shù)百G的硬盤數(shù)據(jù),于2011年成功研制了我國首套軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng),并且在沈陽地鐵2號線列車上成功實(shí)現(xiàn)裝車試驗(yàn),這也是永磁系統(tǒng)在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用。

　　沈陽試驗(yàn)的同一年,我們接到了國家“863計(jì)劃項(xiàng)目”開發(fā)高速動車組用600kW永磁同步牽引系統(tǒng)的任務(wù)。為了早日趕上發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平,在接到任務(wù)后,我們內(nèi)部將研制的目標(biāo)提高到了690kW。三年的堅(jiān)守與付出,最終換來成功的喜悅。

　　牽引系統(tǒng)性能的優(yōu)劣決定了列車的技術(shù)水準(zhǔn)。此次我們開發(fā)的高速動車組690kW永磁同步牽引系統(tǒng)使我國高速鐵路擁有了世界上最先進(jìn)的牽引技術(shù),有力地提升了我國高速鐵路的技術(shù)水平,再次向世界表明我國高速鐵路完全具備自主創(chuàng)新的技術(shù)能力。

　　更加關(guān)鍵的是,永磁驅(qū)動技術(shù)不僅在軌道交通領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)革命,而且還是新能源汽車、超高速永磁驅(qū)動離心商用空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的核心技術(shù),是我們高端裝備技術(shù)進(jìn)步的基石。