中国研发世界最先进高铁牵引技术 被称节能神器

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株洲研究所crh380a动车组装载核心部件示意图

“拥有永磁牵引系统的人有权在高铁上发言。”

[发现中国原创技术]中国的高铁使用了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

历时11年，累计1000万次测试，累计150克数据，耗资1亿元。CRRC子公司株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“株洲所”)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”)，掌握了完全自主的知识产权，成为中国高铁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顺利交付。这是我国首次将永磁同步电机加载到地铁车辆的整车中并投入加载应用。

中国工程院院士、株洲研究所总经理丁荣军透露，目前株洲研究所已开发出时速500公里的高速列车用690千瓦永磁牵引系统，并将小批量生产。这表明中国已经成为继德国、日本和法国之后，世界上少数几个掌握高速铁路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了产业化的步伐，中国轨道交通的‘永磁牵引时代’终于到来了。”丁荣军说。

从“地铁使用”到“高铁使用”:“爬衡山，爬珠穆朗玛峰”

牵引传动系统在业界被称为“列车的心脏”。其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，是节能和升级的关键。

世界轨道交通车辆的第一代牵引系统是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，是当前的主流技术。

株洲研究所副总经理冯江华说:“对于轨道交通牵引技术来说，永磁牵引系统是一场革命。谁拥有永磁牵引系统，谁就有权在高铁上发言。”

永磁牵引系统是列车的动力系统，由变流器和电机组成，其中变流器相当于列车的心脏，电机就像列车的肌肉，电机主要负责传递动力，完成从电能到机械能的转换，驱动列车平稳运行。

目前，西门子、庞巴迪等国际设备制造商将永磁牵引系统作为研发方向。在这个新领域，中国并没有失去起点。

2003年，永磁牵引系统的博览会首次传到冯江华的耳朵里。当时，该技术还处于理论研究阶段。然而，冯江华注意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。同年，株洲建设率先组建了中国第一个永磁牵引系统R&D团队，“从零开始”。

株洲研究所R&D基础与平台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，中国已经落后国外20年；在更先进的永磁同步领域，“我们就像一辆没有前灯的汽车，在黑暗的山路上摸索，方向稍有不确定，其后果不仅仅是偏离。”

"电机温度控制是工程进度的最大瓶颈."徐俊峰介绍说，为了避免水、灰尘、铁屑等。腐蚀电机内部的永磁体，电机采用全封闭结构。然而，由于电机的高功率和高热，永磁材料在高温、振动和强反向磁场的条件下可能遭受不可恢复的磁性损失的严重风险。"如果火车在高速行驶时失去磁性，后果不堪设想."

冯江华回忆说，“R&D没有参考资料，也缺乏相关的检测设备”，株洲只能“摸着石头过河”，许多数据还得靠原始而愚蠢的方法。例如，电机温度测试持续五到六个小时，电机温度控制数据在整个过程中手动记录，以便慢慢积累冯江华说道。

R&D团队成立8年后，即2011年底，株洲建设的永磁牵引系统成功加载到沈阳地铁2号线，实现了在中国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。株洲研究所也成为中国唯一掌握独立永磁牵引系统成套技术的企业。截至2015年5月底，沈阳地铁2号线已无故障运营7万公里的乘客。

“这一次，我们获得了第一名。”冯江华告诉记者，2011年，株洲被指定参与国家“863计划”的“高速铁路重大关键技术和装备发展重点项目”，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“地铁使用”到“高铁使用”，株洲正面临新的困难。

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公里的高速动车组使用的电机功率高达690千瓦，始终高速运行，对牵引系统的稳定性和可靠性提出了巨大挑战。“对电机设计的挑战就像再次攀登恒山和珠穆朗玛峰。”

尽管如此，株洲研究所还是提前完成了任务。2013年12月，株洲研究所成功开发出一种可用于时速500公里高速列车的电机，并于2014年10月在青岛四方有限公司成功装车

“如果进展顺利，中国高铁将很快能够充分利用永磁牵引系统，这不仅更节能，而且更稳定、更安全。”李易峰说。

“节能神器”:高铁电机功率提高60%

丁荣军告诉《中国经济周刊》，2014年，株洲所牵引系统占据了城轨列车市场的57%，未来永磁牵引系统将逐步取代异步电机系统。

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

数据表明，株洲开发的690kw永磁同步电机与目前主流的异步电机相比，功率提高了60%，电机损耗降低了70%。

根据沈阳地铁2号线的实际运营数据，刘可安算了一笔账:一条地铁每年可以节能400万元。"这是利润，哪个单位不会用它？"

刘克安提交的一份行业分析报告显示，到2020年左右，全国将建设约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，中国新线年能耗将节约2.4亿元。

永磁系统在空中部调整领域也显示出强大的替代优势。基于永磁变频驱动系统的中央空调节可节能40%。如果每年运行4个月，240千瓦的空中部电网每年至少可以节约115，200千瓦时的电力。根据中国40000central/きだよ0机组的计算，一年可以节约46亿千瓦时的电力，减少460000吨二氧化碳。

自2009年研发开始以来，株洲研究所成功开发了世界上第一套中央商用空可调永磁高速直接驱动系统，成为空中央可调永磁驱动系统在国内外的唯一供应商。截至2015年4月底，株洲所已在空中部调整中应用了400多套永磁系统。在今年4月的中国制冷展上，格力电器将装有永磁同步变频热泵离心机的中央空调节器作为高端产品推向市场。

随着永磁牵引系统的高效节能，株洲的电动汽车、风力发电、100%低地板现代有轨电车等领域也占据了市场竞争的制高点。

冯江华表示，R&D永磁牵引系统的工业应用还处于起步阶段。“今后，株洲所将一方面纵向深化和细化技术研发，另一方面横向拓展永磁牵引技术的应用领域。实现全面布局和持续领导。”

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

从“DC驱动牵引系统”发展到“交流驱动牵引系统”后，世界轨道交通车辆的电力牵引系统技术正从“感应异步驱动”发展到“永磁同步驱动”。永磁同步牵引系统因其高效、高功率密度的显著优势，代表了当前倡导节能减排和绿色环保的技术发展趋势，已成为主要发达国家的研究热点，是一项用钱买不到的核心技术。

中国CRRC株洲电力机车研究所成功自主开发了高速列车永磁同步牵引系统，使中国成为世界上少数几个掌握高速永磁牵引系统技术的国家之一。永磁同步牵引系统的电机额定效率达到98%以上，电机损耗降低到原来的三分之一，大大降低了高速列车的牵引能耗。在我国能源短缺和“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一种模式。

为了尽快赶上发达国家的技术水平，我们在发展中主动提出了我们的目标

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，是可持续发展的动力。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起步阶段，技术被完全保密，技术转让被严格封锁。我们只能从零开始，摸着石头过河，进行大量的理论分析、仿真研究和三维虚拟设计等。，经历了超过一百万次地面测试，并积累了数百g的硬盘数据。2011年，我们成功开发了中国首套轨道交通永磁同步牵引系统，并在沈阳地铁2号线列车上成功进行了加载试验，这也是永磁系统在中国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”项目的任务，为高速动车组开发600千瓦永磁同步牵引系统。为了早日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。经过三年的坚持和奉献，成功的喜悦终于获得了。

牵引系统的性能决定了列车的技术水平。美国开发的高速动车组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。

更关键的是，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逆变器、风力发电等领域的核心技术。它是我们高端设备技术进步的基石。