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灵光“闪”出交通新未来
作者:陈文英

8月14日,全球首艘采用永磁同步发电机的油电混合大型滨海观光船“大湾区一号”成功交付,毋庸讳言,永磁牵引技术已经渗透到船舶南昌、分宜两地,攻克了车—网稳定、装备安全等难题,有效保障了“沪昆高铁”的顺利开通。
兰新线高寒动车组项目开展期间,由于原进口牵引技术无法满足长大坡道持续高速运行的需求,而系统配置已固化,无法变更牵引变流器和牵引电机。冯江华和团队大胆提出新的控制策略,在自主控制器完成验证并替代原进口控制器的基础上,实现了在功率提升20%的同时温升降低25K,一举解决了全局高能效牵引行业难题。
革故鼎新,梦牵永磁
伟大的想法往往诞生于不经意间的灵光一闪。
妻子柯思勤介绍,冯江华经常前一秒还在话家常,后一秒就挥手喊停:“别出声,我在想一个问题。”就这样,冯江华抓住了出现在脑海里的无数个“灵光一闪”,并迅速付诸实践,通过深入的研究,将这“灵光”变成利国利民的科技成果。
永磁牵引系统是轨道交通下一代牵引系统的主流产品,平均节能率超过30%。相比交流异步牵引系统,其具有高功率密度、高效率、高功率因数和低噪音、轻量化等优势,可有效减少空间占比和能耗比。 将该系统应用于轨道交通车辆牵引,不仅可以提高牵引功率,还能减少能耗和维护量,降低全寿命周期成本,使列车在低速段明显降低噪音。
就前文提到的长沙地铁5号线来说,冯江华介绍:“全线采用永磁牵引系统,将大大降低长沙地铁5号线的运营成本,为中国城市轨道交通牵引系统升级换代起到示范引领作用。”
他还举例说明,1500V供电、最高速度每小时80千米的B型列车,每列车年运营里程数约为12万公里,每公里能耗为11度,每列车每年用电量约为132万度,若采用永磁牵引系统,按节电率30%进行核算,每列车每年可节约电量约40万度。
2000年,在一次国际学术会议上,冯江华偶然听到有关“永磁同步牵引技术”的演讲。他敏锐地察觉到,永磁牵引系统必将是新一代电机牵引系统的发展方向,灵光一闪后,随即陷入沉思。
那时,永磁牵引技术仍属于前瞻性核心技术,在全球尚处起步阶段,国外在这方面的研究也不多。
“在‘异步交流传动时代’,我们是追赶者;在‘永磁时代’,我们要做竞跑者,抓住机遇,抢占制高点。”冯江华的话语激起了团队成员自主创新的激情。
目标一确定,他们迅速行动起来。2003年初秋,冯江华从零起步,在中车株洲所组建了国内首个永磁牵引系统研发团队,我国第一次与国外公司站在同一起跑线上进行技术较量。
每一次重大核心技术的更新迭代,都会经历分娩新生命般的阵痛。
从交流异步牵引系统到永磁牵引系统,冯江华将创新深深镌刻进生命。
放眼国内外,完全没有标杆可寻。团队成员不但没接触过,甚至连即将开展研究的永磁牵引系统也只是一个概念而已。
“这是一个孤独的、漫长的求索、求证过程。”
终于,第一台功率5千瓦的永磁电机开发成功,100千瓦的永磁驱动系统也随之在实验室诞生。
循序渐进,冯江华团队又将目光对准技术难度更大、更复杂的地铁领域。永磁牵引系统开始应用于我国轨道交通系统,并取得一系列可喜的成绩。
历时8年,永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车,实现了永磁牵引系统在国内轨道交通领域的首次应用,结束了中国铁路没有永磁牵引系统的历史。
5年后,长沙地铁1号线开通试运营,这是国内首次一整列装载永磁牵引系统的城轨列车。该线路完成永磁地铁15万公里载客运营考核后,中车株洲所又陆续在厦门、深圳、宁波、佛山和北京等地的部分地铁车辆中布局永磁牵引系统。
然而,“永磁高铁”才是冯江华心中魂牵梦萦的“制高点”。但要实现这个目标,必须先解决电机控温问题。在试验中,当电机温度过高,永磁体会发生失磁,系统将罢工。
在刚开始的高铁线路试验上,由于轨道坡度大,只能实行满手柄牵引和制动的“野蛮操作”,导致永磁电机温度升高更快,跑了几个回合,系统就扛不住了。
正值夏季,试验场宛如“桑拿房”,最高温度达40多摄氏度。冯江华带领团队日夜轮流蹲守,记录每一个数据、细节,进行无数次技术讨论。熬了三个月后,他们以自主研发出的冷却风道设计、轴承冷却设计、热管理技术等,解决了电机控温这一关键难题,并设计出最优方案重新装机。
2014年11月,基于永磁电机控制的高速动车组成功下线,实现了我国首套高速动车组永磁牵引系统的研制、试验和装车。
2015年6月24日,永磁高铁在北京环铁试验基地进行首件鉴定,单台电机功率“690千瓦”。当数据被报送出来时,全场沸腾了!这标志着,我国成为全球