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永磁牵引系统:中国掌握了最先进的高铁牵引技术

起步就落后10年,在永磁牵引技术上“不能老是跟在别人的后面”

口述: 中车株洲电力机车研究所总工程师  冯江华

整理: 《中国经济周刊》记者 李永华

责编:陈栋栋

编审: 张伟

(本文刊发于《中国经济周刊》2019年第20期)

P40

2015年6月24日,由中国铁路总公司组织装载株洲所自主开发的永磁牵引系统的高铁进行首件鉴定,鉴定现场单台电机的功率显示达到690千瓦,这标志着我国高速铁路拥有了世界上最先进的牵引技术,让我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家,使得我国高铁动力技术真正进入到了“永磁时代”!同年,“永磁高铁牵引系统通过首轮线路试验考核”被两院院士评为当年的中国十大科技进展新闻。


2017 年6 月2 日,全球首列虚拟轨道列车在中车株洲电力机车研究所首次亮相。 

2017年6月2日,全球首列虚拟轨道列车在中车株洲电力机车研究所首次亮相。

牵引系统是实现轨道交通车辆能量转换的关键,被喻为列车的“心脏”,它决定了车辆的速度和性能,在有着“装备工业之花”之称的铁路装备领域,犹如皇冠上那颗璀璨夺目的明珠。

纵观世界轨道交通发展史,从蒸汽到内燃再到电力,一代牵引系统决定一代机车车辆。作为机车车辆升级标志的牵引系统,一直为世界上极少数国家所掌握,并作为最关键的核心技术,严格限制技术转让,只有当新一代的牵引系统进入成熟批量商业应用阶段,国外已经淘汰的上一代技术才会以市场换技术的方式对外转让。

作为新中国专为轨道交通电力牵引设立的第一家研究机构,从1959年成立至今,中车株洲电力机车研究所(下称“株洲所”)不管是在曾经的“直流传动”还是如今的“交流传动”时代,一直是这个领域的领军企业。

20多年前,我从浙江大学电机系毕业后,分配到了株洲所,不久后,有幸在公司老专家的带领下,参与了当时国外公司刚推向市场、最先进的交流传动异步电机牵引系统的研究。

此后,经过将近20年的不懈努力,中国工程院院士、时任株洲所董事长丁荣军带领团队“弯道超车”,成功研发出中国完全自主的交流传动异步牵引系统,该项成果使我国跻身世界上少数能够独立掌握交流传动技术的国家之列。

在交流传动异步牵引系统之后,永磁牵引以其高效和高功率密度的天然优势,为轨道交通牵引技术带来一场新的革命,毫不夸张地说,谁拥有永磁牵引技术,谁就掌握下一代高铁的话语权。

冯江华

冯江华

起步就落后10年,在永磁牵引技术上“不能老是跟在别人的后面”

2003年8月,我在国外参加一场学术交流会议,一位国外专家发表了关于“永磁同步牵引系统是下一代轨道交通牵引系统技术发展趋势”的演讲,引起了我的极大兴趣。我当时就有一种预感,永磁同步牵引系统极有可能取代已普遍应用的交流异步电机牵引系统,引发牵引技术的一场“革命”,成为轨道交通下一代牵引系统的主流产品。

当时国外有许多同行已经开始技术研究和储备了,并且已经有样机投入试验,在起跑线,我们就晚了别人10多年了。我暗下决心,在交流传动异步牵引时代,我们是追赶者,在永磁时代,我们不能还走“落后、再追赶”的老路,我们要抢抓机遇,主动布局。

回国后,我立刻向株洲所领导汇报了这个“新情报”。虽然正好是异步牵引系统开花结果的关键时期,所内资源极度紧张,但是,丁荣军院士等领导、专家还是大力支持这个想法,公司永磁牵引技术研发团队也很快敲定。

最让我感动的是,已经退休在家含饴弄孙的国务院特殊津贴专家、国家“八五”科研攻关先进个人、詹天佑成就奖获得者黄济荣,一听说株洲所要搞永磁牵引技术,马上主动请缨,返聘加入这个团队。他还专门写了副“板凳要坐十年冷,文章不写半句空”的对联,张挂在办公室墙壁上勉励大家。

壮心不已的还有资深电机专家柯以诺,这位曾经在上个世纪90年代舌战日本专家,迫使对方承认错误,为我国6K机车技术引进挽回3000多万美元损失的老人,不顾老伴劝阻,再次返聘公司,把退休后多年收集的10多本技术文献全部交给研发团队。

我想,正是因为有这样一批可爱、可敬的老专家,我们的轨道交通产业才发展得这么好,这么快。

永磁牵引系统让一条地铁一年节能400万元

所谓永磁牵引系统,就是改变以往电机依靠异步电磁感应励磁的传动方式,通过加入永磁体,建立物理磁场,实现电机同步传动。

与传统的交流异步传动方式相比,永磁同步传动技术有效提升了系统效率,同时,由于电机效率的提高和功率密度的提高,电机体积可以缩小20%~30%。

然而,从理论到成熟产品,绝对不是咫尺之遥。

研发团队首先做的事就是基础研究,当时大功率永磁牵引技术属于前瞻性核心技术,发达国家对研究成果严格保密,很多成员别说没有接触过永磁技术,当时连研究对象都还只是一个模糊的概念,一切都只能在摸索中前进。

那阵子,我真的为永磁牵引技术着迷,一有时间就开始琢磨。有一天晚上,我去北京开会,在机场候机的时候,想起一个技术问题,就从包里拿出了纸和笔,靠着座椅现场推算。没想到,一下子就沉浸进去了,机场催着登机的广播都没听见,误了飞机只好在机场附近找酒店住了一个晚上,第二天才赶去开会。

2005年,依托国家“863”计划——串联式混合动力车用永磁电机项目,我们进入实质性的永磁电机设计开发阶段。

很快,设计方案与图纸有了,可当时制造工艺跟不上,由于永磁体磁性大,稍不留神就会“跑”到电机铁心表面去了,教授级高级工程师符敏利只好蹲守在车间,他花费了整整两天,一块一块亲手将永磁体嵌装到电机里,帮助工艺人员设计制作流程和加工方法。

这台功率仅为5千瓦的永磁电机样机,是株洲所开发的第一个真正意义上的永磁电机。又过了一年多,我们研发出了额定功率100千瓦的永磁电机,到2008年就实现批量成熟装车,如今这款电机已经成功应用到国内10多个城市3000多辆城市电动公交车。

由于永磁电机比一般的汽车电机的效率要高5%左右,强大的节能优势,成为株洲所在电动汽车市场的核心竞争力之一。

随后,我们将目光瞄准了技术难度更高、工况更为复杂的地铁领域。

那个时候,永磁同步牵引系统在轨道交通领域应用方面仍是一片“处女地”,国外包括西门子、庞巴迪、阿尔斯通和东芝等公司从上世纪90年代就开展了大量的研究,但是在应用方面一直未能取得实质突破。

从2009年开始,我们着手研制地铁车辆用永磁同步牵引电机。2011年,首台样机完成全部地面试验。2012年底,永磁牵引系统在沈阳地铁上装车考核运行。

2013年,这列装载株洲所永磁牵引系统的地铁成功实现“零故障”载客运营10万公里,这项成果,填补了国内轨道交通领域永磁牵引系统装车应用的空白。

根据沈阳地铁2号线的实际运行测试数据,一条线一年的节能费用可达400万元。

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冲刺高铁永磁牵引系统

永磁牵引系统在地铁上的成功,给了我们团队很大的鼓舞,不过,我们要跑到世界领先位置,还必须拿下高铁永磁牵引系统!

高效节能是永磁牵引技术最突出的优势,与传统的牵引技术相比,采用永磁牵引技术,可以使电机的额定功率达到98%上,比传统电机提高5个百分点,损耗降低58%,显著降低了列车牵引能耗。

然而,在高速运行的状况下要想研制出稳定、可靠的永磁牵引系统,对整个系统的匹配、系统的控制和保护策略都比以往的地铁、电动汽车的难度大得多,特别是由于永磁体在列车高温、震动和反向强磁场等复杂环境下,还可能发生失磁,一旦失磁,列车将失去动力,严重影响铁路运输秩序,后果不敢想象。

团队遇到的最大挑战就是电机温度控制,在试验当中,当电机温度达到一定值,永磁体就完全退磁,整个电机磁场就完全失效,系统无法正常工作。

永磁电机的温升试验需要长时间不间断进行,要求24小时守着呼呼旋转不停的电机,不放过任何一个细节和数据,一点一滴的检测和记录完成。

恰好又是8、9月,株洲潮湿、闷热,整个实验室就像一个巨大的蒸笼,温度最高的时候达到40多摄氏度,一进实验室就汗流如注,团队的所有成员都经历过类似的体验,有人戏称这是免费的“桑拿”。

为给电机降温,我们想尽各种办法,最终攻克难关。电机试制完成后的型式试验结果显示,电机平均温升有效降低30K,轴承温升降低高达50K,最终顺利通过各项试验考核及主机厂FAI,实现了成功装车。

2013年12月,高铁永磁同步牵引系统开始样机地面试验考核阶段,因电机转速高达6000转/分,但控制电机的逆变器由于功率大,受限于高压大功率IGBT的特性,开关频率低(1秒钟可以通过开关控制电机的次数),电机转速越高,每一转可用的调节能力越弱,运行越不稳定,而这又恰恰是决定高铁能否高速的关键。

在多次尝试失败后,电机控制技术负责人文宇良决定重新设计电机的控制算法,然而此时永磁电机已经生产完成,按照项目计划,春节后马上开始所有系统地面考核试验。

也就是说,他必须在两个月内解决这个问题。那两个月,他抛妻别子,直接住进办公室,没日没夜地干,终于成功开发了基于电流闭环的永磁电机方波控制算法,成功解决了永磁电机在方波模式下电流不稳定的技术难题,保证了项目的顺利推进。他自己却因为超负荷工作和不规律饮食,引发严重的肠胃炎,最后不得不住院治疗。

随着项目的推进,整个团队弦绷得越来越紧, 到了2014年下半年,团队进入“全天候”作业阶段。2015年6月24日,团队迎来了最为紧张的时刻。这一天,由中国铁路总公司组织装载株洲所自主开发的永磁牵引系统的高铁进行首件鉴定。当鉴定现场单台电机的功率显示达到690千瓦的时候,现场所有人沸腾了,这意味着公司研制的永磁高铁牵引系统创造了国内的最大功率。

鉴定专家认为,这套永磁同步牵引系统,使我国高速铁路拥有了世界上最先进的牵引技术,有力地提升了我国高速铁路的技术水平,再次向世界表明我国高速铁路完全具备自主创新的技术能力,让我国成为了世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家,使得我国高铁动力技术真正进入到了“永磁时代”!同年,“永磁高铁牵引系统通过首轮线路试验考核”被两院院士评为当年的中国十大科技进展新闻。

在现场,我们团队有人默默地流泪。11年,我们终于成功了。

到2018年5月,国内首列永磁高速动车组完成30万公里运营考核,系统总体性能稳定,运行良好。


 

2019年第20期《中国经济周刊》封面

2019年第20期《中国经济周刊》封面

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