中车株洲所自主研发世界最先进高铁牵引技术

株洲研究所动车组核心部件装载示意图

“拥有永磁牵引系统的人将有权在高铁上发言。”

[发现中国原始技术]中国的高速铁路使用世界上最先进的牵引技术

《中国经济周刊》记者曹畅见习记者李永华|湖南株洲报道

花了11年时间，积累了1000万次测试，积累了150克数据，花费了1亿元。中国铁路总公司下属的株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“株洲研究所”)攻克了第三代轨道交通牵引技术——永磁同步电机牵引系统(以下简称“永磁牵引系统”)，完全掌握了自主知识产权，成为中国高速铁路赢得市场的战略武器。

2015年5月16日，长沙地铁1号线使用的永磁同步电机成功交付。这是永磁同步电机首次加载到地铁车辆的整个列车上并投入加载应用。

中国工程院院士、株洲研究所总经理丁荣军透露，株洲研究所目前已开发出690千瓦永磁牵引系统，可用于时速500公里的高速列车，并将很快小批量生产。这标志着中国已成为继德国、日本和法国之后，世界上少数几个掌握高速永磁牵引系统技术的国家之一。

“拥有完全自主知识产权的中国永磁牵引系统已经走上产业化的步伐，中国轨道交通的‘永磁牵引时代’终于到来了。”丁荣军说。

从“地铁”到“高速铁路”:“登恒山，登珠峰”

牵引传动系统在业界被称为“列车的心脏”。它的性能在一定程度上决定了列车的电能质量、能耗和控制特性，也影响着列车的经济性、舒适性和可靠性，是节能升级的关键。

世界上第一代轨道交通车辆牵引系统是DC电机牵引系统，第二代是始于20世纪70年代的交流异步电机牵引系统。这是当前的主流技术。

株洲研究所副总经理冯江华说:“永磁牵引系统是轨道交通牵引技术的一场革命。拥有永磁牵引系统的人有权在高铁上发言。”

永磁牵引系统是列车的动力系统，由变流器和电机组成。转换器相当于火车的心脏，而马达就像火车的肌肉。电机主要负责传递动力，完成电能向机械能的转化，驱动列车平稳运行。

目前，西门子、庞巴迪等国际设备制造商都把永磁牵引系统作为自己的研发方向。在这个新兴领域，中国并没有在起点上迷失。

2003年，关于永磁牵引系统的博览会首次向冯江华介绍。当时，这项技术还处于理论研究阶段。然而，冯江华意识到永磁牵引系统将取代交流异步电机牵引系统，必须迅速发展。那一年，株洲研究所率先成立了中国第一个永磁牵引系统研发团队，“从零开始”。

株洲学院基础与平台研发中心副主任徐俊峰表示，在交流异步电机牵引系统的研发阶段，中国落后国外20年。在更先进的永磁同步领域，“我们就像一辆没有灯的汽车，在黑暗的山路上摸索，方向有点不确定，结果不只是徘徊”。

"电机温度控制是该项目的最大瓶颈."徐俊峰介绍说，为了避免水、灰尘、铁屑等对电机内部永磁体的腐蚀，电机采用全封闭结构。然而，由于电机的功率过高和发热过高，永磁材料在高温、振动和反向强磁场条件下可能具有不可逆退磁的严重风险。"如果火车在高速下失去磁性，后果将不堪设想."

冯江华回忆说，“没有可供参考的信息，也没有用于研究、开发和测试的相关设备”。株洲只能“摸着石头过河”，许多数据仍然依赖于相对原始和愚蠢的方法。例如，一旦电机进行加热试验，将手动记录电机的温度控制数据五到六个小时，以便缓慢积累冯江华说道。

R&D团队成立八年后，即2011年底，株洲研究所成功将永磁牵引系统加载到沈阳地铁2号线，实现了国内轨道交通领域的首次应用，结束了中国铁路无永磁牵引系统的历史。株洲研究所也成为中国唯一掌握自主永磁牵引系统全套技术的企业。截至2015年5月底，沈阳地铁2号线已开通7万公里无故障客运服务。

"这一次，我们获得了第一名。"冯江华告诉记者，2011年，株洲被任命参与国家“863计划”的“高速铁路重大关键技术和装备发展重点工程”，承担高速动车组永磁牵引系统的研发。

从“低能耗”到“高能耗”，从“地铁”到“高铁”，株洲面临着新的困难。

株洲研究所首席设计专家李易峰在接受《中国经济周刊》采访时表示，沈阳地铁使用的永磁同步电机功率为190千瓦，而时速500公里的高速电动车组使用的电机功率为690千瓦，且始终处于高速运行状态，对牵引系统的稳定性和可靠性提出了巨大挑战。"对发动机设计的挑战就像攀登恒山和珠穆朗玛峰."

然而，株洲学院提前完成了任务。2013年12月，株洲研究所成功开发出一种可用于时速500公里的高速列车的电机。2014年10月，该电机在青岛四方股份有限公司成功测试

“如果进展顺利，中国的高速铁路将很快全面配备永磁牵引系统，这不仅会节约能源，还会更加稳定和安全。”李易峰说。

“节能神器”:高速铁路电机功率提高60%

丁荣军告诉《中国经济周刊》，2014年株洲研究所的牵引系统在城市轨道列车中占有57%的市场份额，未来将逐步用永磁牵引系统取代异步电机系统。

株洲时代电气公司副总经理兼总工程师刘克安表示:“高效节能是永磁牵引系统最突出的优势。”

数据显示，株洲开发的690千瓦永磁同步电机比目前主流的异步电机功率高60%，电机损耗低70%。

根据沈阳地铁2号线的实际运营数据，刘克安算了一笔账:一个地铁每年可以节约相当于400万元的能源，“这是利润，哪个单位不会用呢？”

刘克安的一份行业分析报告显示，到2020年，全国将建成约100条城市轨道交通线路。如果60%的新线采用永磁牵引系统，预计产值将达到100亿元，新线每年可节约能耗2.4亿元。

永磁系统在*空调领域也显示出强大的替代优势。基于永磁变频传动系统的*空调可节能40%。如果一台240千瓦的*空调每年运行4个月，每年至少可以节省115200千瓦小时的电力。根据全国4万台*空调的计算，一年可以节约46亿千瓦时的电力，减少46万吨二氧化碳的排放。

自2009年研发启动以来，株洲研究所已成功开发出世界上首套*商用空调永磁高速直驱系统，成为国内外唯一的*空调永磁驱动系统供应商。截至2015年4月底，株洲研究所已在*空调中应用了400多个永磁系统。在今年4月的中国制冷展上，格力电气将把装有永磁同步变频热泵离心机的*空调作为高端产品推向市场。

永磁牵引系统的高效节能使得株洲的电动车、风力发电、100%低地板现代电车等领域也占据了市场竞争的制高点。

冯江华表示，永磁牵引系统的研发和工业应用仍处于起步阶段。“未来，株洲研究所一方面将深化和细化技术研发，另一方面将不断拓展永磁牵引技术的应用领域，实现整体布局和持续领先。”

专家意见

中国工程院院士刘:

永磁同步牵引系统是我国高速铁路技术升级的典范

世界轨道交通车辆电力牵引系统技术在经历了从“直流驱动牵引系统”到“交流驱动牵引系统”的发展之后，目前正在从“感应异步驱动”向“永磁同步驱动”发展。永磁同步牵引系统以其高效、高功率密度的显著优势，代表了当前倡导节能、减排和环保的技术发展趋势。它已成为发达国家的一个热门研究课题，也是一项无法用金钱买到的核心技术。

中铁股份有限公司株洲电力机车研究所成功自主研发了高速列车永磁同步牵引系统，使中国成为世界上少数掌握高速列车永磁牵引系统技术的国家之一。永磁同步牵引系统电机额定效率达到98%以上，电机损耗降低至原值的三分之一，显著降低高速列车牵引能耗。在我国能源日益短缺和社会对“绿色交通”迫切需求的背景下，永磁同步牵引系统已成为我国高速铁路技术升级的典范。

为了尽快赶上发达国家的技术水平，我们在发展过程中积极提出了我们的目标。

株洲电力机车研究所有限公司副总经理冯江华

技术创新是企业生存的支柱和可持续发展的动力。2003年，我们开始了永磁同步牵引系统的基础研究。当时，永磁技术在国外还处于初级阶段。这项技术是完全保密的，技术转让被严格禁止。我们只能从零开始，摸着石头过河，开展大量的理论分析、仿真研究和三维虚拟设计等。，经过100多万次地面测试，积累了数百g硬盘数据，2011年成功开发了我国首个轨道交通用永磁同步牵引系统，并在沈阳地铁2号线列车上成功实施了加载测试，这也是永磁系统在国内轨道交通领域的首次应用。

在沈阳试验的同一年，我们接受了国家“863计划”600千瓦高速动车组永磁同步牵引系统的研制任务。为了尽快赶上发达国家的技术水平，在接到任务后，我们内部的研究目标已经提高到690千瓦。三年的坚持和奉献最终带来了成功的喜悦。

牵引系统的性能决定了列车的技术水平。我们这次开发的690千瓦永磁同步牵引系统，使中国高速铁路拥有了世界上最先进的牵引技术，大大提高了中国高速铁路的技术水平，再次向世界展示了中国高速铁路完全有能力自主创新。

更重要的是，永磁驱动技术不仅引发了轨道交通领域的技术革命，也是新能源汽车、超高速永磁驱动离心式商用空调、风力发电等领域的核心技术。，是我们高端设备技术进步的基石。