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),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(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。

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(jì)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(fù)責(zé)傳達(dá)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(tuán)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(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拖拉機電磁脈沖閥電子病歷同軸電纜液壓和氣壓動力機械及元件有線CA壓鑄衛(wèi)星通信設(shè)備導(dǎo)光板消費類電子產(chǎn)品“電機控溫是項目進(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(yán)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(tuán)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(dá)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(dá)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(dá)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?；谟来抛冾l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(xì)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。

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