■創(chuàng)新行動派

　　“永磁同步傳動系統(tǒng)在國外，目前正處于小批量應(yīng)用階段。我們不但具備了小批量裝車應(yīng)用的技術(shù)狀態(tài)，甚至在軌道交通領(lǐng)域的批量應(yīng)用，已趕超國外。在永磁同步傳動系統(tǒng)，我們實現(xiàn)了與國際先進(jìn)技術(shù)擁有國的‘并肩創(chuàng)新’，在永磁同步電機設(shè)計和控制策略等具體技術(shù)點上，我們能夠‘引領(lǐng)創(chuàng)新’！”11月19日，南車株洲電力機車研究所有限公司副總經(jīng)理馮江華的表述中充滿著激動與興奮。

　　馮江華的興奮，不難理解。半月前，株洲所聯(lián)合中國鐵道科學(xué)研究院自主研制的高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)，先后通過了國家鐵道檢測試驗中心地面試驗考核和南車青島四方股份公司的裝車考核。這，不僅標(biāo)志著我國實現(xiàn)了軌道交通領(lǐng)域第三代牽引系統(tǒng)的成功研制，還標(biāo)志著我國高鐵動力技術(shù)應(yīng)用打破了國外的技術(shù)壟斷。永磁牽引時代，已然開啟。

　　從“零”起步：從基礎(chǔ)研究到小批量應(yīng)用

　　牽引傳動系統(tǒng)的性能，在一定程度上決定了軌道交通車輛的動力品質(zhì)、能耗和控制特性，是影響其節(jié)能升級的關(guān)鍵因素。然而，從第一代直流電機牽引系統(tǒng)，到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的第二代交流異步電機牽引系統(tǒng)，我國的批量應(yīng)用均處于滯后狀態(tài)。第二代牽引系統(tǒng)的應(yīng)用，甚至滯后了20余年。

　　2003年，有關(guān)永磁同步牽引系統(tǒng)的闡述，第一次進(jìn)入馮江華的耳朵。直覺敏銳的他，迅速判斷，這必將帶來軌道交通領(lǐng)域牽引傳動系統(tǒng)的第三次變革。株洲所立馬“下手”了，組建了以馮江華為首的，國內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊。

　　軌道交通永磁同步傳動系統(tǒng)技術(shù)，是我國無法依靠引進(jìn)的重大裝備技術(shù)。要開展這項研究，完全“零起步”。缺乏書籍文獻(xiàn)，大家就拿著為數(shù)不多的資料反復(fù)鉆研；沒平臺，團(tuán)隊舉步維艱的搭建永磁同步傳動系統(tǒng)試驗平臺；缺少數(shù)據(jù)記錄儀器，大家就在酷暑嚴(yán)冬人工記錄數(shù)據(jù)。

　　目前，團(tuán)隊已相繼攻克永磁同步傳動系統(tǒng)、電機、控制算法等幾大核心技術(shù)。永磁同步傳動系統(tǒng)在電動汽車、地鐵、高速動車組、低地板車?yán)锏膽?yīng)用捷報頻傳——

　　2008年，公司研制的額定功率100kW/峰值功率150kW永磁同步牽引系統(tǒng)在電動大巴上實現(xiàn)裝車應(yīng)用。隨后，公司永磁同步牽引系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋電動大巴和電動小轎車兩大車型，成功應(yīng)用3000多臺套；

　　2011年底，承載株洲所老中青三代人夢想的永磁同步牽引系統(tǒng)，在沈陽地鐵二號線列車成功裝車，實現(xiàn)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用，填補了國內(nèi)軌道交通業(yè)沒有永磁系統(tǒng)的空白，打破了國外技術(shù)壟斷。裝車應(yīng)用五個月，列車完成了7000公里系統(tǒng)零故障正線試驗運行，實測節(jié)能10%以上。截至去年，實現(xiàn)載客運營6萬公里。業(yè)界專家高度評價：具多項原創(chuàng)性技術(shù)，整體技術(shù)居國際領(lǐng)先水平，使我國成為少數(shù)幾個掌握該項核心技術(shù)的國家之一；

　　2013年，公司為長沙地鐵公司成功開發(fā)了230kW地鐵車輛永磁同步電機，相比同等條件下的異步電機，功率提升20%，是目前國內(nèi)地鐵領(lǐng)域功率密度最大的牽引電機。電機年底將在長沙地鐵1號線裝車應(yīng)用；公司在國內(nèi)率先開展低地板車永磁同步牽引系統(tǒng)研究，開發(fā)了120kW低地板車用永磁同步電機牽引系統(tǒng)平臺；

　　公司承擔(dān)863重大專項高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)子課題研究，開發(fā)出的690kW國內(nèi)最大功率高速動車組用永磁同步牽引電機牽引系統(tǒng)，電機功率密度超過1kW/kg，比主流異步電機功率提高60%，電機損耗降低50%。2014年，系統(tǒng)在南車青島四方股份公司成功裝車考核。

　　11年，株洲所不僅完成了基礎(chǔ)研究，樣機的裝車考核，攻克了相關(guān)核心技術(shù)，具備了小批量商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)狀態(tài)；11年，株洲所更打造出了一支罕見的人員“只增不減”的團(tuán)隊。如今，團(tuán)隊近80歲高齡的老科學(xué)家黃濟榮還在堅守，一批年輕骨干在此成長茁壯，新生力量仍不斷涌入。

　　攻堅克難：從“地鐵用”到“高鐵用”

　　“沈陽地鐵用的JD155A永磁同步牽引電機功率是190kW，而用于500公里高速動車組的JD188電機功率高達(dá)690kW。從“地鐵用”到“高鐵用”，研究院基礎(chǔ)與平臺研發(fā)中心副主任許峻峰永磁牽引傳動系統(tǒng)向記者描述了這其中令人難以想象的難關(guān)——

　　“電機功率密度大幅提高，對電機設(shè)計提出了更高挑戰(zhàn)，研發(fā)過程要經(jīng)過多輪電機的試制；控制策略方面，二者運行工況不一致，高鐵長時間處于高速區(qū)；高鐵用永磁牽引傳動系統(tǒng)，對系統(tǒng)的可靠性和保護(hù)策略提出了更高的要求……”

　　首先，為防止水、灰塵、鐵屑等腐蝕電機內(nèi)部永磁體，電機須采用全封閉結(jié)構(gòu)。電機散熱就成為了難題。電機功率越大，發(fā)熱越高。永磁材料在高溫、振動和反向強磁場等條件下會發(fā)生不可恢復(fù)性失磁。電機溫升過高，將帶來電機失磁的嚴(yán)重風(fēng)險。電機“控溫”，成為項目進(jìn)展最關(guān)鍵的“坎兒”。

　　那么，如何有效降低電機溫升、定子線圈端部冷卻、永磁體選擇這些難關(guān)？項目組做了大量理論分析和仿真計算，優(yōu)化電磁方案、改進(jìn)電機冷卻結(jié)構(gòu)，不斷完善電磁方案和機械結(jié)構(gòu)理論。

　　酷暑高溫，電機溫升試驗一做就是五、六個小時，汗流浹背的技術(shù)人員與試驗人員，全程蹲守，記錄下每組關(guān)鍵數(shù)據(jù)。憑借著“笨法子”，他們獲得了電機“溫控”的最優(yōu)方式。為防止永磁體失磁，團(tuán)隊采用對永磁體具較好防護(hù)能力的內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)等方法，多方面提高電機抗失磁能力，并提出了失磁診斷模型，發(fā)明了在線參數(shù)辨識和預(yù)警技術(shù)，融合在線檢測保護(hù)策略，保障系統(tǒng)和部件可靠性。

　　“高速重投”也是領(lǐng)域內(nèi)一大技術(shù)難關(guān)。永磁體勵磁，產(chǎn)生的反電勢不僅無法關(guān)閉，還與轉(zhuǎn)速成正比。為抵消電機高速運行時過高的反電勢，需保持其在弱磁控制狀態(tài)下運行。煩惱的是，控制器一旦故障，反電勢就可能損壞逆變器元件。故障解除后，控制器也無法再次投入，即“高速重投”。對此，團(tuán)隊自創(chuàng)“智能相位跟蹤”高速重投算法，首創(chuàng)最優(yōu)電壓補償算法，徹底解決了這一世界級的技術(shù)難題。

　　11年，對于想要全面進(jìn)入“永磁牽引時代”的中國軌道交通領(lǐng)域，還很短暫。馮江華表示，面向未來，公司還將積蓄力量，全面布局在直驅(qū)式永磁同步牽引系統(tǒng)技術(shù)研究、單逆變器—多永磁電機控制技術(shù)研究、永磁同步電機無位置傳感控制技術(shù)及工程化研究、永磁同步電機轉(zhuǎn)子失磁預(yù)警技術(shù)研究、永磁同步牽引系統(tǒng)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的通用技術(shù)研究及其大批量工程化應(yīng)用問題等五大領(lǐng)域。