馮江華的興奮，不難理解。半月前，株洲所聯(lián)合中國(guó)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(guò)了國(guó)家鐵道檢測(cè)試驗(yàn)中心地面試驗(yàn)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(guó)實(shí)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(guó)高鐵動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷。永磁牽引時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的性能，在一定程度上決定了軌道交通車輛的動(dòng)力品質(zhì)、能耗和控制特性，是影響其節(jié)能升級(jí)的關(guān)鍵因素。然而，從第一代直流電機(jī)牽引系統(tǒng)，到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的第二代交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)，我國(guó)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(jué)敏銳的他，迅速判斷，這必將帶來(lái)軌道交通領(lǐng)域牽引傳動(dòng)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(guó)內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
軌道交通永磁同步傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)，是我國(guó)無(wú)法依靠引進(jìn)的重大裝備技術(shù)。要開展這項(xiàng)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(méi)平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)舉步維艱的搭建永磁同步傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)；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(duì)已相繼攻克永磁同步傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)、控制算法等幾大核心技術(shù)。永磁同步傳動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車、地鐵、高速動(dòng)車組、低地板車?yán)锏膽?yīng)用捷報(bào)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(dòng)大巴上實(shí)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(dòng)大巴和電動(dòng)小轎車兩大車型，成功應(yīng)用3000多臺(tái)套；
2011年底，承載株洲所老中青三代人夢(mèng)想的永磁同步牽引系統(tǒng)，在沈陽(yáng)地鐵二號(hào)線列車成功裝車，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軌道交通業(yè)沒(méi)有永磁系統(tǒng)的空白，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷。裝車應(yīng)用五個(gè)月，列車完成了7000公里系統(tǒng)零故障正線試驗(yàn)運(yùn)行，實(shí)測(cè)節(jié)能10%以上。截至去年，實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營(yíng)6萬(wàn)公里。業(yè)界專家高度評(píng)價(jià)：具多項(xiàng)原創(chuàng)性技術(shù)，整體技術(shù)居國(guó)際領(lǐng)先水平，使我國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)掌握該項(xiàng)核心技術(shù)的國(guó)家之一；
2013年，公司為長(zhǎng)沙地鐵公司成功開發(fā)了230kW地鐵車輛永磁同步電機(jī)，相比同等條件下的異步電機(jī)，功率提升20%，是目前國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域功率密度最大的牽引電機(jī)。電機(jī)年底將在長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線裝車應(yīng)用；公司在國(guó)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(jī)牽引系統(tǒng)平臺(tái)；
公司承擔(dān)863重大專項(xiàng)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(guó)內(nèi)最大功率高速動(dòng)車組用永磁同步牽引電機(jī)牽引系統(tǒng)，電機(jī)功率密度超過(guò)1kW/kg，比主流異步電機(jī)功率提高60%，電機(jī)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(jī)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(duì)。如今，團(tuán)隊(duì)近80歲高齡的老科學(xué)家黃濟(jì)榮還在堅(jiān)守，一批年輕骨干在此成長(zhǎng)茁壯，新生力量仍不斷涌入。
攻堅(jiān)克難：從“地鐵用”到“高鐵用”
“沈陽(yáng)地鐵用的JD155A永磁同步牽引電機(jī)功率是190kW，而用于500公里高速動(dòng)車組的JD188電機(jī)功率高達(dá)690kW。從“地鐵用”到“高鐵用”，研究院基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心副主任許峻峰永磁牽引傳動(dòng)系統(tǒng)向記者描述了這其中令人難以想象的難關(guān)——
“電機(jī)功率密度大幅提高，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高挑戰(zhàn)，研發(fā)過(guò)程要經(jīng)過(guò)多輪電機(jī)的試制；控制策略方面，二者運(yùn)行工況不一致，高鐵長(zhǎng)時(shí)間處于高速區(qū)；高鐵用永磁牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)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(jī)內(nèi)部永磁體，電機(jī)須采用全封閉結(jié)構(gòu)。電機(jī)散熱就成為了難題。電機(jī)功率越大，發(fā)熱越高。永磁材料在高溫、振動(dòng)和反向強(qiáng)磁場(chǎng)等條件下會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)性失磁。電機(jī)溫升過(guò)高，將帶來(lái)電機(jī)失磁的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。電機(jī)“控溫”，成為項(xiàng)目進(jìn)展最關(guān)鍵的“坎兒”。
那么，如何有效降低電機(jī)溫升、定子線圈端部冷卻、永磁體選擇這些難關(guān)？項(xiàng)目組做了大量理論分析和仿真計(jì)算，優(yōu)化電磁方案、改進(jìn)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)，不斷完善電磁方案和機(jī)械結(jié)構(gòu)理論。
酷暑高溫，電機(jī)溫升試驗(yàn)一做就是五、六個(gè)小時(shí)，汗流浹背的技術(shù)人員與試驗(yàn)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(jī)“溫控”的最優(yōu)方式。為防止永磁體失磁，團(tuán)隊(duì)采用對(duì)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(jī)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(shí)和預(yù)警技術(shù)，融合在線檢測(cè)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(lì)磁，產(chǎn)生的反電勢(shì)不僅無(wú)法關(guān)閉，還與轉(zhuǎn)速成正比。為抵消電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)過(guò)高的反電勢(shì)，需保持其在弱磁控制狀態(tài)下運(yùn)行。煩惱的是，控制器一旦故障，反電勢(shì)就可能損壞逆變器元件。故障解除后，控制器也無(wú)法再次投入，即“高速重投”。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)自創(chuàng)“智能相位跟蹤”高速重投算法，首創(chuàng)最優(yōu)電壓補(bǔ)償算法，徹底解決了這一世界級(jí)的技術(shù)難題。
11年，對(duì)于想要全面進(jìn)入“永磁牽引時(shí)代”的中國(guó)軌道交通領(lǐng)域，還很短暫。馮江華表示，面向未來(lái)，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(jī)控制技術(shù)研究、永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感控制技術(shù)及工程化研究、永磁同步電機(jī)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(wèn)題等五大領(lǐng)域。
