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

馮江華（口述）　李永華

2015年6月24日，由中國鐵路總公司組織裝載株洲所自主開發(fā)的永磁牽引系統(tǒng)的高鐵進(jìn)行首件鑒定，鑒定現(xiàn)場單臺電機(jī)的功率顯示達(dá)到690千瓦，這標(biāo)志著我國高速鐵路擁有了世界上最先進(jìn)的牽引技術(shù)，讓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，使得我國高鐵動力技術(shù)真正進(jìn)入到了“永磁時代”！同年，“永磁高鐵牽引系統(tǒng)通過首輪線路試驗(yàn)考核”被兩院院士評為當(dāng)年的中國十大科技進(jìn)展新聞。

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

牽引系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，被喻為列車的“心臟”，它決定了車輛的速度和性能，在有著“裝備工業(yè)之花”之稱的鐵路裝備領(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)車車輛。作為機(jī)車車輛升級標(biāo)志的牽引系統(tǒng)，一直為世界上極少數(shù)國家所掌握，并作為最關(guān)鍵的核心技術(shù)，嚴(yán)格限制技術(shù)轉(zhuǎn)讓，只有當(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，國外已經(jīng)淘汰的上一代技術(shù)才會以市場換技術(shù)的方式對外轉(zhuǎn)讓。

作為新中國專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，中車株洲電力機(jī)車研究所（下稱“株洲所”）不管是在曾經(jīng)的“直流傳動”還是如今的“交流傳動”時代，一直是這個領(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，有幸在公司老專家的帶領(lǐng)下，參與了當(dāng)時國外公司剛推向市場、最先進(jìn)的交流傳動異步電機(jī)牽引系統(tǒng)的研究。

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

在交流傳動異步牽引系統(tǒng)之后，永磁牽引以其高效和高功率密度的天然優(yōu)勢，為軌道交通牽引技術(shù)帶來一場新的革命，毫不夸張地說，誰擁有永磁牽引技術(shù)，誰就掌握下一代高鐵的話語權(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，我在國外參加一場學(xué)術(shù)交流會議，一位國外專家發(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”的演講，引起了我的極大興趣。我當(dāng)時就有一種預(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“革命”，成為軌道交通下一代牽引系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。

當(dāng)時國外有許多同行已經(jīng)開始技術(shù)研究和儲備了，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，在交流傳動異步牽引時代，我們是追趕者，在永磁時代，我們不能還走“落后、再追趕”的老路，我們要搶抓機(jī)遇，主動布局。

馮江華

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

最讓我感動的是，已經(jīng)退休在家含飴弄孫的國務(wù)院特殊津貼專家、國家“八五”科研攻關(guān)先進(jìn)個人、詹天佑成就獎獲得者黃濟(jì)榮，一聽說株洲所要搞永磁牽引技術(shù)，馬上主動請纓，返聘加入這個團(tuán)隊(duì)。他還專門寫了副“板凳要坐十年冷，文章不寫半句空”的對聯(lián)，張掛在辦公室墻壁上勉勵大家。

壯心不已的還有資深電機(jī)專家柯以諾，這位曾經(jīng)在上個世紀(jì)90年代舌戰(zhàn)日本專家，迫使對方承認(rèn)錯誤，為我國6K機(jī)車技術(shù)引進(jìn)挽回3000多萬美元損失的老人，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、可敬的老專家，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)勵磁的傳動方式，通過加入永磁體，建立物理磁場，實(shí)現(xiàn)電機(jī)同步傳動。

與傳統(tǒng)的交流異步傳動方式相比，永磁同步傳動技術(shù)有效提升了系統(tǒng)效率，同時，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)國家對研究成果嚴(yán)格保密，很多成員別說沒有接觸過永磁技術(shù)，當(dāng)時連研究對象都還只是一個模糊的概念，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，一有時間就開始琢磨。有一天晚上，我去北京開會，在機(jī)場候機(jī)的時候，想起一個技術(shù)問題，就從包里拿出了紙和筆，靠著座椅現(xiàn)場推算。沒想到，一下子就沉浸進(jìn)去了，機(jī)場催著登機(jī)的廣播都沒聽見，誤了飛機(jī)只好在機(jī)場附近找酒店住了一個晚上，第二天才趕去開會。

2005年，依托國家“863”計(jì)劃——串聯(lián)式混合動力車用永磁電機(jī)項(xiàng)目，我們進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的永磁電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)階段。

很快，設(shè)計(jì)方案與圖紙有了，可當(dāng)時制造工藝跟不上，由于永磁體磁性大，稍不留神就會“跑”到電機(jī)鐵心表面去了，教授級高級工程師符敏利只好蹲守在車間，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。

這臺功率僅為5千瓦的永磁電機(jī)樣機(jī)，是株洲所開發(fā)的第一個真正意義上的永磁電機(jī)。又過了一年多，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，如今這款電機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用到國內(nèi)10多個城市3000多輛城市電動公交車。

由于永磁電機(jī)比一般的汽車電機(jī)的效率要高5%左右，強(qiáng)大的節(jié)能優(yōu)勢，成為株洲所在電動汽車市場的核心競爭力之一。

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。

那個時候，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”，國外包括西門子、龐巴迪、阿爾斯通和東芝等公司從上世紀(jì)90年代就開展了大量的研究，但是在應(yīng)用方面一直未能取得實(shí)質(zhì)突破。

從2009年開始，我們著手研制地鐵車輛用永磁同步牽引電機(jī)。2011年，首臺樣機(jī)完成全部地面試驗(yàn)。2012年底，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵上裝車考核運(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10萬公里，這項(xiàng)成果，填補(bǔ)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域永磁牽引系統(tǒng)裝車應(yīng)用的空白。

根據(jù)沈陽地鐵2號線的實(shí)際運(yùn)行測試數(shù)據(jù)，一條線一年的節(jié)能費(fèi)用可達(dá)400萬元。

沖刺高鐵永磁牽引系統(tǒng)

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，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，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個百分點(diǎn)，損耗降低58%，顯著降低了列車牽引能耗。

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)，對整個系統(tǒng)的匹配、系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略都比以往的地鐵、電動汽車的難度大得多，特別是由于永磁體在列車高溫、震動和反向強(qiáng)磁場等復(fù)雜環(huán)境下，還可能發(fā)生失磁，一旦失磁，列車將失去動力，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，整個電機(jī)磁場就完全失效，系統(tǒng)無法正常工作。

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

恰好又是8、9月，株洲潮濕、悶熱，整個實(shí)驗(yàn)室就像一個巨大的蒸籠，溫度最高的時候達(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)歷過類似的體驗(yàn)，有人戲稱這是免費(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，最終順利通過各項(xiàng)試驗(yàn)考核及主機(jī)廠FAI，實(shí)現(xiàn)了成功裝車。

2013年12月，高鐵永磁同步牽引系統(tǒng)開始樣機(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，開關(guān)頻率低（1秒鐘可以通過開關(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)后馬上開始所有系統(tǒng)地面考核試驗(yàn)。

也就是說，他必須在兩個月內(nèi)解決這個問題。那兩個月，他拋妻別子，直接住進(jìn)辦公室，沒日沒夜地干，終于成功開發(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)，整個團(tuán)隊(duì)弦繃得越來越緊， 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)迎來了最為緊張的時刻。這一天，由中國鐵路總公司組織裝載株洲所自主開發(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)場單臺電機(jī)的功率顯示達(dá)到690千瓦的時候，現(xiàn)場所有人沸騰了，這意味著公司研制的永磁高鐵牽引系統(tǒng)創(chuàng)造了國內(nèi)的最大功率。

鑒定專家認(rèn)為，這套永磁同步牽引系統(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，讓我國成為了世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家，使得我國高鐵動力技術(shù)真正進(jìn)入到了“永磁時代”！同年，“永磁高鐵牽引系統(tǒng)通過首輪線路試驗(yàn)考核”被兩院院士評為當(dāng)年的中國十大科技進(jìn)展新聞。

在現(xiàn)場，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，國內(nèi)首列永磁高速動車組完成30萬公里運(yùn)營考核，系統(tǒng)總體性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好。

責(zé)編：陳棟棟 chendongdong@ceweekly.cn

編審： 張偉

美編：孟凡婷