永磁牽引系統(tǒng)：中國(guó)掌握了最先進(jìn)的高鐵牽引技術(shù)

 永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)異特性

永磁系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

目前永磁同步牽引系統(tǒng)已經(jīng)被業(yè)界公認(rèn)為是軌道交通車(chē)輛牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向，能更好的滿足城市軌道交通列車(chē)節(jié)能、降噪、高效、運(yùn)行可靠等要求。

2017 年6 月2 日，全球首列虛擬軌道列車(chē)在中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所首次亮相。

2015年6月24日，由中國(guó)鐵路總公司組織裝載株洲所自主開(kāi)發(fā)的永磁牽引系統(tǒng)的高鐵進(jìn)行首件鑒定，鑒定現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)電機(jī)的功率顯示達(dá)到690千瓦，這標(biāo)志著我國(guó)高速鐵路擁有了世界上最先進(jìn)的牽引技術(shù)，讓我國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國(guó)家，使得我國(guó)高鐵動(dòng)力技術(shù)真正進(jìn)入到了“永磁時(shí)代”！同年，“永磁高鐵牽引系統(tǒng)通過(guò)首輪線路試驗(yàn)考核”被兩院院士評(píng)為當(dāng)年的中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。

牽引系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)軌道交通車(chē)輛能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，被喻為列車(chē)的“心臟”，它決定了車(chē)輛的速度和性能，在有著“裝備工業(yè)之花”之稱(chēng)的鐵路裝備領(lǐng)域，猶如皇冠上那顆璀璨奪目的明珠。

縱觀世界軌道交通發(fā)展史，從蒸汽到內(nèi)燃再到電力，一代牽引系統(tǒng)決定一代機(jī)車(chē)車(chē)輛。作為機(jī)車(chē)車(chē)輛升級(jí)標(biāo)志的牽引系統(tǒng)，一直為世界上極少數(shù)國(guó)家所掌握，并作為最關(guān)鍵的核心技術(shù)，嚴(yán)格限制技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)挥挟?dāng)新一代的牽引系統(tǒng)進(jìn)入成熟批量商業(yè)應(yīng)用階段，國(guó)外已經(jīng)淘汰的上一代技術(shù)才會(huì)以市場(chǎng)換技術(shù)的方式對(duì)外轉(zhuǎn)讓。

作為新中國(guó)專(zhuān)為軌道交通電力牽引設(shè)立的第一家研究機(jī)構(gòu)，從1959年成立至今，中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所（下稱(chēng)“株洲所”）不管是在曾經(jīng)的“直流傳動(dòng)”還是如今的“交流傳動(dòng)”時(shí)代，一直是這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。

20多年前，我從浙江大學(xué)電機(jī)系畢業(yè)后，分配到了株洲所，不久后，有幸在公司老專(zhuān)家的帶領(lǐng)下，參與了當(dāng)時(shí)國(guó)外公司剛推向市場(chǎng)、最先進(jìn)的交流傳動(dòng)異步電機(jī)牽引系統(tǒng)的研究。

此后，經(jīng)過(guò)將近20年的不懈努力，中國(guó)工程院院士、時(shí)任株洲所董事長(zhǎng)丁榮軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)“彎道超車(chē)”，成功研發(fā)出中國(guó)完全自主的交流傳動(dòng)異步牽引系統(tǒng)，該項(xiàng)成果使我國(guó)躋身世界上少數(shù)能夠獨(dú)立掌握交流傳動(dòng)技術(shù)的國(guó)家之列。

在交流傳動(dòng)異步牽引系統(tǒng)之后，永磁牽引以其高效和高功率密度的天然優(yōu)勢(shì)，為軌道交通牽引技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的革命，毫不夸張地說(shuō)，誰(shuí)擁有永磁牽引技術(shù)，誰(shuí)就掌握下一代高鐵的話語(yǔ)權(quán)。

起步就落后10年，在永磁牽引技術(shù)上“不能老是跟在別人的后面”

2003年8月，我在國(guó)外參加一場(chǎng)學(xué)術(shù)交流會(huì)議，一位國(guó)外專(zhuān)家發(fā)表了關(guān)于“永磁同步牽引系統(tǒng)是下一代軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)”的演講，引起了我的極大興趣。我當(dāng)時(shí)就有一種預(yù)感，永磁同步牽引系統(tǒng)極有可能取代已普遍應(yīng)用的交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，引發(fā)牽引技術(shù)的一場(chǎng)“革命”，成為軌道交通下一代牽引系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

當(dāng)時(shí)國(guó)外有許多同行已經(jīng)開(kāi)始技術(shù)研究和儲(chǔ)備了，并且已經(jīng)有樣機(jī)投入試驗(yàn)，在起跑線，我們就晚了別人10多年了。我暗下決心，在交流傳動(dòng)異步牽引時(shí)代，我們是追趕者，在永磁時(shí)代，我們不能還走“落后、再追趕”的老路，我們要搶抓機(jī)遇，主動(dòng)布局。

回國(guó)后，我立刻向株洲所領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)了這個(gè)“新情報(bào)”。雖然正好是異步牽引系統(tǒng)開(kāi)花結(jié)果的關(guān)鍵時(shí)期，所內(nèi)資源極度緊張，但是，丁榮軍院士等領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家還是大力支持這個(gè)想法，公司永磁牽引技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)也很快敲定。

最讓我感動(dòng)的是，已經(jīng)退休在家含飴弄孫的國(guó)務(wù)院特殊津貼專(zhuān)家、國(guó)家“八五”科研攻關(guān)先進(jìn)個(gè)人、詹天佑成就獎(jiǎng)獲得者黃濟(jì)榮，一聽(tīng)說(shuō)株洲所要搞永磁牽引技術(shù)，馬上主動(dòng)請(qǐng)纓，返聘加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)。他還專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了副“板凳要坐十年冷，文章不寫(xiě)半句空”的對(duì)聯(lián)，張掛在辦公室墻壁上勉勵(lì)大家。

壯心不已的還有資深電機(jī)專(zhuān)家柯以諾，這位曾經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)90年代舌戰(zhàn)日本專(zhuān)家，迫使對(duì)方承認(rèn)錯(cuò)誤，為我國(guó)6K機(jī)車(chē)技術(shù)引進(jìn)挽回3000多萬(wàn)美元損失的老人，不顧老伴勸阻，再次返聘公司，把退休后多年收集的10多本技術(shù)文獻(xiàn)全部交給研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

我想，正是因?yàn)橛羞@樣一批可愛(ài)、可敬的老專(zhuān)家，我們的軌道交通產(chǎn)業(yè)才發(fā)展得這么好，這么快。

永磁牽引系統(tǒng)讓一條地鐵一年節(jié)能400萬(wàn)元

所謂永磁牽引系統(tǒng)，就是改變以往電機(jī)依靠異步電磁感應(yīng)勵(lì)磁的傳動(dòng)方式，通過(guò)加入永磁體，建立物理磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)同步傳動(dòng)。

與傳統(tǒng)的交流異步傳動(dòng)方式相比，永磁同步傳動(dòng)技術(shù)有效提升了系統(tǒng)效率，同時(shí)，由于電機(jī)效率的提高和功率密度的提高，電機(jī)體積可以縮小20%~30%。

然而，從理論到成熟產(chǎn)品，絕對(duì)不是咫尺之遙。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先做的事就是基礎(chǔ)研究，當(dāng)時(shí)大功率永磁牽引技術(shù)屬于前瞻性核心技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)研究成果嚴(yán)格保密，很多成員別說(shuō)沒(méi)有接觸過(guò)永磁技術(shù)，當(dāng)時(shí)連研究對(duì)象都還只是一個(gè)模糊的概念，一切都只能在摸索中前進(jìn)。

那陣子，我真的為永磁牽引技術(shù)著迷，一有時(shí)間就開(kāi)始琢磨。有一天晚上，我去北京開(kāi)會(huì)，在機(jī)場(chǎng)候機(jī)的時(shí)候，想起一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，就從包里拿出了紙和筆，靠著座椅現(xiàn)場(chǎng)推算。沒(méi)想到，一下子就沉浸進(jìn)去了，機(jī)場(chǎng)催著登機(jī)的廣播都沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)，誤了飛機(jī)只好在機(jī)場(chǎng)附近找酒店住了一個(gè)晚上，第二天才趕去開(kāi)會(huì)。

2005年，依托國(guó)家“863”計(jì)劃——串聯(lián)式混合動(dòng)力車(chē)用永磁電機(jī)項(xiàng)目，我們進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段。

很快，設(shè)計(jì)方案與圖紙有了，可當(dāng)時(shí)制造工藝跟不上，由于永磁體磁性大，稍不留神就會(huì)“跑”到電機(jī)鐵心表面去了，教授級(jí)高級(jí)工程師符敏利只好蹲守在車(chē)間，他花費(fèi)了整整兩天，一塊一塊親手將永磁體嵌裝到電機(jī)里，幫助工藝人員設(shè)計(jì)制作流程和加工方法。

這臺(tái)功率僅為5千瓦的永磁電機(jī)樣機(jī)，是株洲所開(kāi)發(fā)的第一個(gè)真正意義上的永磁電機(jī)。又過(guò)了一年多，我們研發(fā)出了額定功率100千瓦的永磁電機(jī)，到2008年就實(shí)現(xiàn)批量成熟裝車(chē)，如今這款電機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用到國(guó)內(nèi)10多個(gè)城市3000多輛城市電動(dòng)公交車(chē)。

由于永磁電機(jī)比一般的汽車(chē)電機(jī)的效率要高5%左右，強(qiáng)大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，成為株洲所在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

隨后，我們將目光瞄準(zhǔn)了技術(shù)難度更高、工況更為復(fù)雜的地鐵領(lǐng)域。

那個(gè)時(shí)候，永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用方面仍是一片“處女地”，國(guó)外包括西門(mén)子、龐巴迪、阿爾斯通和東芝等公司從上世紀(jì)90年代就開(kāi)展了大量的研究，但是在應(yīng)用方面一直未能取得實(shí)質(zhì)突破。

從2009年開(kāi)始，我們著手研制地鐵車(chē)輛用永磁同步牽引電機(jī)。2011年，首臺(tái)樣機(jī)完成全部地面試驗(yàn)。2012年底，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵上裝車(chē)考核運(yùn)行。

2013年，這列裝載株洲所永磁牽引系統(tǒng)的地鐵成功實(shí)現(xiàn)“零故障”載客運(yùn)營(yíng)10萬(wàn)公里，這項(xiàng)成果，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域永磁牽引系統(tǒng)裝車(chē)應(yīng)用的空白。

根據(jù)沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，一條線一年的節(jié)能費(fèi)用可達(dá)400萬(wàn)元。

永磁牽引系統(tǒng)在地鐵上的成功，給了我們團(tuán)隊(duì)很大的鼓舞，不過(guò)，我們要跑到世界領(lǐng)先位置，還必須拿下高鐵永磁牽引系統(tǒng)！

高效節(jié)能是永磁牽引技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的牽引技術(shù)相比，采用永磁牽引技術(shù)，可以使電機(jī)的額定功率達(dá)到98%上，比傳統(tǒng)電機(jī)提高5個(gè)百分點(diǎn)，損耗降低58%，顯著降低了列車(chē)牽引能耗。

然而，在高速運(yùn)行的狀況下要想研制出穩(wěn)定、可靠的永磁牽引系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的匹配、系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略都比以往的地鐵、電動(dòng)汽車(chē)的難度大得多，特別是由于永磁體在列車(chē)高溫、震動(dòng)和反向強(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜環(huán)境下，還可能發(fā)生失磁，一旦失磁，列車(chē)將失去動(dòng)力，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序，后果不敢想象。

團(tuán)隊(duì)遇到的最大挑戰(zhàn)就是電機(jī)溫度控制，在試驗(yàn)當(dāng)中，當(dāng)電機(jī)溫度達(dá)到一定值，永磁體就完全退磁，整個(gè)電機(jī)磁場(chǎng)就完全失效，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

永磁電機(jī)的溫升試驗(yàn)需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷進(jìn)行，要求24小時(shí)守著呼呼旋轉(zhuǎn)不停的電機(jī)，不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)，一點(diǎn)一滴的檢測(cè)和記錄完成。

恰好又是8、9月，株洲潮濕、悶熱，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室就像一個(gè)巨大的蒸籠，溫度最高的時(shí)候達(dá)到40多攝氏度，一進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就汗流如注，團(tuán)隊(duì)的所有成員都經(jīng)歷過(guò)類(lèi)似的體驗(yàn)，有人戲稱(chēng)這是免費(fèi)的“桑拿”。

為給電機(jī)降溫，我們想盡各種辦法，最終攻克難關(guān)。電機(jī)試制完成后的型式試驗(yàn)結(jié)果顯示，電機(jī)平均溫升有效降低30K，軸承溫升降低高達(dá)50K，最終順利通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)考核及主機(jī)廠FAI，實(shí)現(xiàn)了成功裝車(chē)。

2013年12月，高鐵永磁同步牽引系統(tǒng)開(kāi)始樣機(jī)地面試驗(yàn)考核階段，因電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)6000轉(zhuǎn)/分，但控制電機(jī)的逆變器由于功率大，受限于高壓大功率IGBT的特性，開(kāi)關(guān)頻率低（1秒鐘可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)的次數(shù)），電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，每一轉(zhuǎn)可用的調(diào)節(jié)能力越弱，運(yùn)行越不穩(wěn)定，而這又恰恰是決定高鐵能否高速的關(guān)鍵。

在多次嘗試失敗后，電機(jī)控制技術(shù)負(fù)責(zé)人文宇良決定重新設(shè)計(jì)電機(jī)的控制算法，然而此時(shí)永磁電機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)完成，按照項(xiàng)目計(jì)劃，春節(jié)后馬上開(kāi)始所有系統(tǒng)地面考核試驗(yàn)。

也就是說(shuō)，他必須在兩個(gè)月內(nèi)解決這個(gè)問(wèn)題。那兩個(gè)月，他拋妻別子，直接住進(jìn)辦公室，沒(méi)日沒(méi)夜地干，終于成功開(kāi)發(fā)了基于電流閉環(huán)的永磁電機(jī)方波控制算法，成功解決了永磁電機(jī)在方波模式下電流不穩(wěn)定的技術(shù)難題，保證了項(xiàng)目的順利推進(jìn)。他自己卻因?yàn)槌?fù)荷工作和不規(guī)律飲食，引發(fā)嚴(yán)重的腸胃炎，最后不得不住院治療。

隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)弦繃得越來(lái)越緊， 到了2014年下半年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)入“全天候”作業(yè)階段。2015年6月24日，團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了最為緊張的時(shí)刻。這一天，由中國(guó)鐵路總公司組織裝載株洲所自主開(kāi)發(fā)的永磁牽引系統(tǒng)的高鐵進(jìn)行首件鑒定。當(dāng)鑒定現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)電機(jī)的功率顯示達(dá)到690千瓦的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)所有人沸騰了，這意味著公司研制的永磁高鐵牽引系統(tǒng)創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)的最大功率。

鑒定專(zhuān)家認(rèn)為，這套永磁同步牽引系統(tǒng)，使我國(guó)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(guó)高速鐵路的技術(shù)水平，再次向世界表明我國(guó)高速鐵路完全具備自主創(chuàng)新的技術(shù)能力，讓我國(guó)成為了世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國(guó)家，使得我國(guó)高鐵動(dòng)力技術(shù)真正進(jìn)入到了“永磁時(shí)代”！同年，“永磁高鐵牽引系統(tǒng)通過(guò)首輪線路試驗(yàn)考核”被兩院院士評(píng)為當(dāng)年的中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。

在現(xiàn)場(chǎng)，我們團(tuán)隊(duì)有人默默地流淚。11年，我們終于成功了。

到2018年5月，國(guó)內(nèi)首列永磁高速動(dòng)車(chē)組完成30萬(wàn)公里運(yùn)營(yíng)考核，系統(tǒng)總體性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好。