【什么牵引】永磁牵引系统：中国掌握了最先进的高速铁路牵引技术。

口述：中茶株洲电力机车研究所高级工程师冯江华

整理《中国经济周刊》记者李永华

责任篇：陈东东

偏心：张伟

(这篇文章刊登在《中国经济周刊》 2019年第20期)

2015年6月24日，中国铁路总公司自行研制的装载永磁牵引系统的高速铁路进行了首次评估，并验证了现场单电机的功率达到690千瓦。这标志着我国高速铁路拥有世界上最先进的牵引技术。使我国成为世界上掌握高速铁路永久牵引系统技术的少数国家，我国高速铁路动力技术实际进入同年，“永磁高速铁路牵引系统通过了第一轮线路试验审查”被杨源院士评为当年中国十大科技进展新闻。

2017年6月2日，世界上第一辆虚拟轨道列车首次在中车主电力机车研究所亮相。

牵引系统是实现轨道交通车辆能量转换的关键，被称为列车的“心脏”。决定车辆速度和性能，在被称为“装备工业之花”的铁路装备领域，就像皇冠上耀眼的明珠。

纵观世界轨道交通发展史，从蒸汽到内燃机再到电力，一代牵引系统决定了一代机车车辆。作为机车车辆升级标志的牵引系统，一直被世界上极少数国家掌握，最重要的核心技术，严格限制技术转让，只有当新一代牵引系统进入成熟的大规模商业应用阶段时，外国淘汰的上一代技术才会作为市长/市场交换技术对外转让。(约翰f肯尼迪)。

作为新中国为轨道交通电力牵引设立的第一个研究机构，自1959年成立以来，中车主电力机车研究所(“股东所”)无论是以前的“直流传动”还是今天的“交流传动”时代，都是该领域的龙头企业。

二十多年前，我从浙江大学电机系毕业后被分配到了株洲所，不久后在公司老专家的指导下，有幸参与了当时外国公司进入市场的最先进的交流传动异步电机牵引系统的研究。(威廉莎士比亚，美国作家)。

此后，经过近20年的不懈努力，中国工程院院士、时任股东所董事长郑永军带领团队“弯道超车”，成功开发了中国完全自主的交流驱动器异步牵引系统。这一成就使我国成为世界上少数能够独立掌握交流传动技术的国家之一。

交流传动异步牵引系统后，永磁牵引以其效率和高功率密度的自然优势，给铁路运输牵引技术带来了新的革命。毫不夸张地说，拥有永磁牵引技术的人可以掌握新一代高速铁路的发言权。(阿尔伯特爱因斯坦)(美国)。

彭江华

开始落后10年，在永磁牵引技术中，他说：“不能总是跟在别人后面。”

2003年8月，我在国外参加了学术交流会议，一位外国专家发表了关于“永久同步牵引系统是新一代轨道交通牵引系统技术发展趋势”的演讲，引起了极大关注。我有预感，永磁同步牵引系统很可能取代广泛使用的交流异步电动机牵引系统，引发牵引技术的“革命”，成为铁路交通新一代牵引系统的主流产品。

当时国外很多同行已经开始了技术研究和储备，已经有原型投入实验，在起跑线上，我们晚了十多年。在AC驱动器异步牵引时代，我们是追赶者，在永磁时代，我们不可能回到“落后，再次追赶”的老路。我们要抓住机会，主动部署。(莎士比亚，莎士比亚。)

回国后，我立即向股东领导的领导人报告了这一“新信息”。异步牵引系统的开花结果是关键时期，但其中的资源极度紧张，但郑永军院士等领导人、专家们仍然大力支持这一想法，公司的永久牵引技术R & ampd队也在迅速结束。(威廉莎士比亚，《北方司法》前情提要)。

最让我感动的是，已经退休的国务院特殊津贴专家、国家“85”科研攻关先进个人、贾天宇成就奖获得者黄帝英，一听说股东要做英子牵引技术，就主动邀请他加入这个团队。他还专门写了“板凳冷了十年，一句话也不用写”的大连，挂在办公室墙上鼓励大家。

还有20世纪90年代舌战日本专家koeno。迫使对方承认错误，引进我国6K机车技术挽回3000多万美元损失的老人、不顾同事劝阻，再次聘请公司，退休后多年收集的10多本技术文献全部交给了研发团队。

我觉得是因为有这么可爱可敬的老练专家，我们的轨道交通产业发展得这么好。发展得这么快。(约翰f肯尼迪)。

永磁牵引系统可使地铁每年节约400万元。

所谓永磁牵引系统，就是改变现有电机依赖异步电磁感应刺激的方式，添加永磁体产生物理磁场，实现电机同步传动。

永磁同步传动技术与传统交流异步传动方法相比，在提高系统效率的同时，由于电机效率的提高和功率密度的增加，电机体积可以减少20% ~ 30%。

然而，从理论到成熟产品，绝对不是咫尺之遥。

研发团队首先做的事就是基础研究，当时大功率永磁牵引技术属于前瞻性核心技术，发达国家对研究成果严格保密，很多成员别说没有接触过永磁技术，当时连研究对象都还只是一个模糊的概念，一切都只能在摸索中前进。

那阵子，我真的为永磁牵引技术着迷，一有时间就开始琢磨。有一天晚上，我去北京开会，在机场候机的时候，想起一个技术问题，就从包里拿出了纸和笔，靠着座椅现场推算。没想到，一下子就沉浸进去了，机场催着登机的广播都没听见，误了飞机只好在机场附近找酒店住了一个晚上，第二天才赶去开会。

2005年，依托国家“863”计划——串联式混合动力车用永磁电机项目，我们进入实质性的永磁电机设计开发阶段。

很快，设计方案与图纸有了，可当时制造工艺跟不上，由于永磁体磁性大，稍不留神就会“跑”到电机铁心表面去了，教授级高级工程师符敏利只好蹲守在车间，他花费了整整两天，一块一块亲手将永磁体嵌装到电机里，帮助工艺人员设计制作流程和加工方法。

这台功率仅为5千瓦的永磁电机样机，是株洲所开发的第一个真正意义上的永磁电机。又过了一年多，我们研发出了额定功率100千瓦的永磁电机，到2008年就实现批量成熟装车，如今这款电机已经成功应用到国内10多个城市3000多辆城市电动公交车。

由于永磁电机比一般的汽车电机的效率要高5%左右，强大的节能优势，成为株洲所在电动汽车市场的核心竞争力之一。

随后，我们将目光瞄准了技术难度更高、工况更为复杂的地铁领域。

那个时候，永磁同步牵引系统在轨道交通领域应用方面仍是一片“处女地”，国外包括西门子、庞巴迪、阿尔斯通和东芝等公司从上世纪90年代就开展了大量的研究，但是在应用方面一直未能取得实质突破。

从2009年开始，我们着手研制地铁车辆用永磁同步牵引电机。2011年，首台样机完成全部地面试验。2012年底，永磁牵引系统在沈阳地铁上装车考核运行。

2013年，这列装载株洲所永磁牵引系统的地铁成功实现“零故障”载客运营10万公里，这项成果，填补了国内轨道交通领域永磁牵引系统装车应用的空白。

根据沈阳地铁2号线的实际运行测试数据，一条线一年的节能费用可达400万元。

冲刺高铁永磁牵引系统

永磁牵引系统在地铁上的成功，给了我们团队很大的鼓舞，不过，我们要跑到世界领先位置，还必须拿下高铁永磁牵引系统！

高效节能是永磁牵引技术最突出的优势，与传统的牵引技术相比，采用永磁牵引技术，可以使电机的额定功率达到98%上，比传统电机提高5个百分点，损耗降低58%，显著降低了列车牵引能耗。

然而，在高速运行的状况下要想研制出稳定、可靠的永磁牵引系统，对整个系统的匹配、系统的控制和保护策略都比以往的地铁、电动汽车的难度大得多，特别是由于永磁体在列车高温、震动和反向强磁场等复杂环境下，还可能发生失磁，一旦失磁，列车将失去动力，严重影响铁路运输秩序，后果不敢想象。

团队遇到的最大挑战就是电机温度控制，在试验当中，当电机温度达到一定值，永磁体就完全退磁，整个电机磁场就完全失效，系统无法正常工作。

永磁电机的温升试验需要长时间不间断进行，要求24小时守着呼呼旋转不停的电机，不放过任何一个细节和数据，一点一滴的检测和记录完成。

恰好又是8、9月，株洲潮湿、闷热，整个实验室就像一个巨大的蒸笼，温度最高的时候达到40多摄氏度，一进实验室就汗流如注，团队的所有成员都经历过类似的体验，有人戏称这是免费的“桑拿”。

为给电机降温，我们想尽各种办法，最终攻克难关。电机试制完成后的型式试验结果显示，电机平均温升有效降低30K，轴承温升降低高达50K，最终顺利通过各项试验考核及主机厂FAI，实现了成功装车。

2013年12月，高铁永磁同步牵引系统开始样机地面试验考核阶段，因电机转速高达6000转/分，但控制电机的逆变器由于功率大，受限于高压大功率IGBT的特性，开关频率低（1秒钟可以通过开关控制电机的次数），电机转速越高，每一转可用的调节能力越弱，运行越不稳定，而这又恰恰是决定高铁能否高速的关键。

在多次尝试失败后，电机控制技术负责人文宇良决定重新设计电机的控制算法，然而此时永磁电机已经生产完成，按照项目计划，春节后马上开始所有系统地面考核试验。

也就是说，他必须在两个月内解决这个问题。那两个月，他抛妻别子，直接住进办公室，没日没夜地干，终于成功开发了基于电流闭环的永磁电机方波控制算法，成功解决了永磁电机在方波模式下电流不稳定的技术难题，保证了项目的顺利推进。他自己却因为超负荷工作和不规律饮食，引发严重的肠胃炎，最后不得不住院治疗。

随着项目的推进，整个团队弦绷得越来越紧， 到了2014年下半年，团队进入“全天候”作业阶段。2015年6月24日，团队迎来了最为紧张的时刻。这一天，由中国铁路总公司组织装载株洲所自主开发的永磁牵引系统的高铁进行首件鉴定。当鉴定现场单台电机的功率显示达到690千瓦的时候，现场所有人沸腾了，这意味着公司研制的永磁高铁牵引系统创造了国内的最大功率。

鉴定专家认为，这套永磁同步牵引系统，使我国高速铁路拥有了世界上最先进的牵引技术，有力地提升了我国高速铁路的技术水平，再次向世界表明我国高速铁路完全具备自主创新的技术能力，让我国成为了世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家，使得我国高铁动力技术真正进入到了“永磁时代”！同年，“永磁高铁牵引系统通过首轮线路试验考核”被两院院士评为当年的中国十大科技进展新闻。

在现场，我们团队有人默默地流泪。11年，我们终于成功了。

到2018年5月，国内首列永磁高速动车组完成30万公里运营考核，系统总体性能稳定，运行良好。

2019年第20期《中国经济周刊》封面