裝載株洲所核心部件的CRH380A動車組示意圖
歷時11年，累計1000萬次試驗，積累150G數據，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，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權，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。這是國內首次將永磁同步電機裝載在整列地鐵車輛投入裝車應用。
中國工程院院士、株洲所總經理丁榮軍透露，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。這標志著我國成為繼德、日、法等國之后，世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術的國家之一。
“中國具有完全自主知識產權的永磁牽引系統(tǒng)已經邁開產業(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、能耗和控制特性，也影響著列車的經濟性、舒適性與可靠性，是節(jié)能升級的關鍵。
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)，為當前的主流技術。
株洲所副總經理馮江華介紹，“對軌道交通牽引技術來說，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。”
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，其中變流器相當于列車的心臟，電機好比是列車的肌肉，電機主要負責傳達動力，完成電能到機械能轉變，帶動列車平穩(wěn)行駛。
目前，西門子、龐巴迪等國際設備制造商均將永磁牽引系統(tǒng)作為其研發(fā)方向。在這個新興領域，中國并沒有輸在起點。
2003年，有關永磁牽引系統(tǒng)的闡述第一次傳入馮江華的耳朵。當時，該項技術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)。當年，株洲所率先組建了國內第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團隊，“從零起步”。
株洲所基礎與平臺研發(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、鐵屑等腐蝕電機內部永磁體，電機采用全封閉結構，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)生不可恢復性失磁的嚴重風險。“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)測試用的相關設備”，株洲所只能“摸著石頭過河”，不少數據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，電機溫控數據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，實現了國內軌道交通領域的首次應用，結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“高速鐵路重大關鍵技術及裝備研制重點項目”，承擔高速動車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。
從“小功率”轉向“大功率”，從“地鐵用”轉向“高鐵用”，株洲所面臨著新的難關。
株洲所首席設計專家李益豐對《中國經濟周刊》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。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。
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