歷時11年，累計1000萬次試驗，積累150G數(shù)據(jù)，耗資1億元，中國中車旗下株洲電力機車研究所有限公司(下稱“株洲所”)攻克了第三代軌道交通牽引技術(shù)，即永磁同步電機牽引系統(tǒng)(下稱“永磁牽引系統(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成功交付。這是國內(nèi)首次將永磁同步電機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。
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牽引系統(tǒng)，第二代是起步于20世紀70年代的交流異步電機牽引系統(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)，由變流器和電機兩大部分組成，其中變流器相當(dāng)于列車的心臟，電機好比是列車的肌肉，電機主要負責(zé)傳達動力，完成電能到機械能轉(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。
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)團隊，“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，后果不僅僅是跑偏”。
“電機控溫是項目進展最大的瓶頸。”許峻峰介紹，為避免水、灰塵、鐵屑等腐蝕電機內(nèi)部永磁體，電機采用全封閉結(jié)構(gòu)，但由于電機功率太大，發(fā)熱過高，永磁材料在高溫、振動和反向強磁場等條件下，可能發(fā)生不可恢復(fù)性失磁的嚴重風(fēng)險。“如果列車在高速運行時失磁，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，電機升溫試驗一做就是五六個小時，電機溫控數(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)團隊成立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計劃”之“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點項目”，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)計專家李益豐對《中國經(jīng)濟周刊》稱，沈陽地鐵用的永磁同步電機功率是190kW，而用于時速500公里高速動車組的電機功率高達690kW，且始終是高速運行狀態(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)，“對電機設(shè)計的挑戰(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，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”：讓高鐵電機功率提高60%
丁榮軍對《中國經(jīng)濟周刊》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57%，今后將逐步以永磁牽引系統(tǒng)取代異步電機系統(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，比目前主流的異步電機功率提高60%，電機損耗降低70%。
根據(jù)沈陽地鐵2號線的實際運行數(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)值將達到100億元，全國每年新線運營能耗將節(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)可實現(xiàn)節(jié)能40%。一臺240kW的中央空調(diào)，若每年運行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。
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化技術(shù)研發(fā)， 另一方面是橫向上不斷擴展永磁牽引技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)全面布局和持續(xù)領(lǐng)先。”
專家點評
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)達國家競相研究的技術(shù)熱點，是花錢也買不到的核心技術(shù)。
中國中車株洲電力機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)的電機額定效率達到了98%以上，將電機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。
株洲電力機車研究所有限公司副總經(jīng)理 馮江華
為了早日趕上發(fā)達國家技術(shù)水平，我們在研制時主動提高了目標
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)計等，經(jīng)歷不下百萬次的地面試驗，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號線列車上成功實現(xiàn)裝車試驗，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。
沈陽試驗的同一年，我們接到了國家“863計劃項目”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)部將研制的目標提高到了690kW。三年的堅守與付出，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。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)進步的基石。