靈光“閃”出交通新未來(lái)

陳文英

8月14日，全球首艘采用永磁同步發(fā)電機(jī)的油電混合大型濱海觀光船“大灣區(qū)一號(hào)”成功交付，毋庸諱言，永磁牽引技術(shù)已經(jīng)滲透到船舶領(lǐng)域。

而在一個(gè)多月前的6月28日，我國(guó)首條全線搭載永磁牽引系統(tǒng)的地鐵線路長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，宣布地鐵“永磁時(shí)代”已經(jīng)到來(lái)。據(jù)第三方測(cè)評(píng)，永磁牽引系統(tǒng)平均節(jié)能率超過(guò)30%。

發(fā)明這一技術(shù)的正是第二屆全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者、中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中車株洲所”）總工程師馮江華。

馮江華是我國(guó)大功率電力牽引與控制領(lǐng)域的專家，長(zhǎng)期致力于高動(dòng)力、高效率、高實(shí)時(shí)控制技術(shù)的研究，在應(yīng)用基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究、核心裝備研制方面取得系列原創(chuàng)性成果。更值得一提的是，這些成果的取得幾乎都是馮江華靈光一閃“閃”出來(lái)的。

篳路襤褸，心系電力

牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛的“心臟”和“大腦”，是車輛動(dòng)力的關(guān)鍵來(lái)源，更是其高速、綠色、安全運(yùn)行的關(guān)鍵，主要有直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和永磁系統(tǒng)三種。其性能在某種程度上決定了車輛的動(dòng)力、能耗和控制特性，是車輛節(jié)能升級(jí)的關(guān)鍵部件。

1989年，馮江華從浙江大學(xué)電機(jī)系研究生畢業(yè)。作為當(dāng)時(shí)稀有的高端人才，本可以留在大城市謀求一份待遇更好的職業(yè)，他卻選擇留在一個(gè)叫作“田心”的株洲偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)。這是一片在地圖上無(wú)跡可尋、卻有著“中國(guó)電力機(jī)車搖籃”稱號(hào)的熱土。

產(chǎn)生于第二次工業(yè)革命，大規(guī)模發(fā)展于第三次工業(yè)革命之后的電力機(jī)車，主要從供電網(wǎng)或供電軌中獲取電能，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，其綜合性能明顯優(yōu)于蒸汽機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車。

然而，直到上世紀(jì)八十年代，我國(guó)電力機(jī)車還有很多研究領(lǐng)域處于鴻蒙階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平，甚至嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。在機(jī)車大功率電力牽引控制方面，幾乎毫無(wú)技術(shù)儲(chǔ)備，尤其是長(zhǎng)期被西門子等少數(shù)公司控制、且一直對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖的大功率交流異步牽引技術(shù)。

為填補(bǔ)技術(shù)空白，上世紀(jì)九十年代初，馮江華在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展對(duì)高性能異步牽引及控制技術(shù)的研究。

彼時(shí)，他剛進(jìn)中車株洲所兩年，即被委以重任，牽頭組織對(duì)大功率異步牽引控制技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并受命主持原鐵道部“交直交電傳動(dòng)微機(jī)控制系統(tǒng)及其模塊化研究”課題。

隨即，馮江華組建了國(guó)內(nèi)最早的電力牽引高性能交流傳動(dòng)控制技術(shù)研究與工程實(shí)踐團(tuán)隊(duì)，以他為首的中車株洲所三代鐵路科技人開(kāi)始在中國(guó)軌道交通領(lǐng)域的“無(wú)人區(qū)”開(kāi)疆拓土。

然而，由于沒(méi)有技術(shù)儲(chǔ)備作為支撐，在很多領(lǐng)域還是不得不被動(dòng)地與國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)合作。

1997年，馮江華擔(dān)綱負(fù)責(zé)把國(guó)外成熟的產(chǎn)品應(yīng)用到“藍(lán)箭”動(dòng)車組上。經(jīng)過(guò) 3年的反復(fù)摸索、調(diào)試，到商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)還是出了問(wèn)題。

“產(chǎn)品是外方提供的，中方?jīng)]掌握核心技術(shù)，但出事了我們就要‘背鍋?！边@件事讓馮江華更深刻地意識(shí)到，“不能再被動(dòng)跟跑了”，一定要通過(guò)自主研發(fā)和創(chuàng)新打破技術(shù)壟斷，爭(zhēng)取在軌道交通領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)。

裝備現(xiàn)代化成為歷史賦予馮江華的責(zé)任和使命，“我們經(jīng)歷的失敗不計(jì)其數(shù)，當(dāng)看到炸損的器件用車?yán)叩臅r(shí)候，看到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性都無(wú)法判斷的時(shí)候……我們沒(méi)有沮喪放棄，而是在挫折中一步一步堅(jiān)毅前行?！?/p>

創(chuàng)新一直是中車株洲所的自發(fā)行為，更是馮江華本人的自覺(jué)行為。

“幾乎沒(méi)有任何可借鑒的資料，很多原理性試驗(yàn)只能‘摸著石頭過(guò)河?！?/p>

盡管如此，他還是做了“第一個(gè)吃螃蟹的人”。經(jīng)過(guò)兩年的艱難攻關(guān)，馮江華團(tuán)隊(duì)硬是啃下了電力牽引這塊硬骨頭。

此后十余年間，馮江華和他的團(tuán)隊(duì)，攻克了車輛級(jí)動(dòng)力實(shí)時(shí)控制、分布式系統(tǒng)協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，搭建了自主軌道交通交流傳動(dòng)技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，先后研制出2800kVA、驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)1200千瓦電機(jī)的自主牽引系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在“中華之星”“奧星”和哈薩克斯坦機(jī)車等先鋒車型上。大功率交流傳動(dòng)控制技術(shù)從無(wú)到有，我國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家之一。

2002年，中國(guó)第一代高速動(dòng)車組“中華之星”，在秦沈客運(yùn)專線上創(chuàng)造了每小時(shí)321.5公里的速度，中國(guó)高鐵正式登上歷史舞臺(tái)。

“中華之星”動(dòng)車組設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，在用樣機(jī)做試驗(yàn)時(shí)，馮江華發(fā)現(xiàn)樣機(jī)采用的油冷技術(shù)實(shí)用性并不好，便“靈光一閃”推薦使用水冷技術(shù)。

“和諧號(hào)”閃亮登場(chǎng)，“復(fù)興號(hào)”橫空出世，中國(guó)逐漸形成世界最大的高鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜的高鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境以及諸多尚存瓶頸的關(guān)鍵核心技術(shù)問(wèn)題給中國(guó)高鐵提出了新的難題。

“滬昆高鐵”、蘭新線高寒動(dòng)車組項(xiàng)目……一個(gè)個(gè)耳熟能詳?shù)闹匾哞F項(xiàng)目，都有馮江華團(tuán)隊(duì)的身影，在每個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵“卡脖子”節(jié)點(diǎn)，迅速力挽狂瀾。

2014年，“滬昆高鐵”開(kāi)通之際，馮江華團(tuán)隊(duì)日夜奮戰(zhàn)，無(wú)數(shù)次往返南昌、分宜兩地，攻克了車—網(wǎng)穩(wěn)定、裝備安全等難題，有效保障了“滬昆高鐵”的順利開(kāi)通。

蘭新線高寒動(dòng)車組項(xiàng)目開(kāi)展期間，由于原進(jìn)口牽引技術(shù)無(wú)法滿足長(zhǎng)大坡道持續(xù)高速運(yùn)行的需求，而系統(tǒng)配置已固化，無(wú)法變更牽引變流器和牽引電機(jī)。馮江華和團(tuán)隊(duì)大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗(yàn)證并替代原進(jìn)口控制器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在功率提升20%的同時(shí)溫升降低25K，一舉解決了全局高能效牽引行業(yè)難題。

革故鼎新，夢(mèng)牽永磁

偉大的想法往往誕生于不經(jīng)意間的靈光一閃。

妻子柯思勤介紹，馮江華經(jīng)常前一秒還在話家常，后一秒就揮手喊停：“別出聲，我在想一個(gè)問(wèn)題?！本瓦@樣，馮江華抓住了出現(xiàn)在腦海里的無(wú)數(shù)個(gè)“靈光一閃”，并迅速付諸實(shí)踐，通過(guò)深入的研究，將這“靈光”變成利國(guó)利民的科技成果。

永磁牽引系統(tǒng)是軌道交通下一代牽引系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，平均節(jié)能率超過(guò)30%。相比交流異步牽引系統(tǒng)，其具有高功率密度、高效率、高功率因數(shù)和低噪音、輕量化等優(yōu)勢(shì)，可有效減少空間占比和能耗比。

將該系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通車輛牽引，不僅可以提高牽引功率，還能減少能耗和維護(hù)量，降低全壽命周期成本，使列車在低速段明顯降低噪音。

就前文提到的長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線來(lái)說(shuō)，馮江華介紹：“全線采用永磁牽引系統(tǒng)，將大大降低長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線的運(yùn)營(yíng)成本，為中國(guó)城市軌道交通牽引系統(tǒng)升級(jí)換代起到示范引領(lǐng)作用?！?/p>

他還舉例說(shuō)明，1500V供電、最高速度每小時(shí)80千米的B型列車，每列車年運(yùn)營(yíng)里程數(shù)約為12萬(wàn)公里，每公里能耗為11度，每列車每年用電量約為132萬(wàn)度，若采用永磁牽引系統(tǒng)，按節(jié)電率30%進(jìn)行核算，每列車每年可節(jié)約電量約40萬(wàn)度。

2000年，在一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，馮江華偶然聽(tīng)到有關(guān)“永磁同步牽引技術(shù)”的演講。他敏銳地察覺(jué)到，永磁牽引系統(tǒng)必將是新一代電機(jī)牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向，靈光一閃后，隨即陷入沉思。

那時(shí)，永磁牽引技術(shù)仍屬于前瞻性核心技術(shù)，在全球尚處起步階段，國(guó)外在這方面的研究也不多。

“在‘異步交流傳動(dòng)時(shí)代，我們是追趕者;在‘永磁時(shí)代，我們要做競(jìng)跑者，抓住機(jī)遇，搶占制高點(diǎn)?！瘪T江華的話語(yǔ)激起了團(tuán)隊(duì)成員自主創(chuàng)新的激情。

目標(biāo)一確定，他們迅速行動(dòng)起來(lái)。2003年初秋，馮江華從零起步，在中車株洲所組建了國(guó)內(nèi)首個(gè)永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，我國(guó)第一次與國(guó)外公司站在同一起跑線上進(jìn)行技術(shù)較量。

每一次重大核心技術(shù)的更新迭代，都會(huì)經(jīng)歷分娩新生命般的陣痛。

從交流異步牽引系統(tǒng)到永磁牽引系統(tǒng)，馮江華將創(chuàng)新深深鐫刻進(jìn)生命。

放眼國(guó)內(nèi)外，完全沒(méi)有標(biāo)桿可尋。團(tuán)隊(duì)成員不但沒(méi)接觸過(guò)，甚至連即將開(kāi)展研究的永磁牽引系統(tǒng)也只是一個(gè)概念而已。

“這是一個(gè)孤獨(dú)的、漫長(zhǎng)的求索、求證過(guò)程?！?/p>

終于，第一臺(tái)功率5千瓦的永磁電機(jī)開(kāi)發(fā)成功，100千瓦的永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也隨之在實(shí)驗(yàn)室誕生。

循序漸進(jìn)，馮江華團(tuán)隊(duì)又將目光對(duì)準(zhǔn)技術(shù)難度更大、更復(fù)雜的地鐵領(lǐng)域。永磁牽引系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)軌道交通系統(tǒng)，并取得一系列可喜的成績(jī)。

歷時(shí)8年，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線成功裝車，實(shí)現(xiàn)了永磁牽引系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用，結(jié)束了中國(guó)鐵路沒(méi)有永磁牽引系統(tǒng)的歷史。

5年后，長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，這是國(guó)內(nèi)首次一整列裝載永磁牽引系統(tǒng)的城軌列車。該線路完成永磁地鐵15萬(wàn)公里載客運(yùn)營(yíng)考核后，中車株洲所又陸續(xù)在廈門、深圳、寧波、佛山和北京等地的部分地鐵車輛中布局永磁牽引系統(tǒng)。

然而，“永磁高鐵”才是馮江華心中魂?duì)繅?mèng)縈的“制高點(diǎn)”。但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須先解決電機(jī)控溫問(wèn)題。在試驗(yàn)中，當(dāng)電機(jī)溫度過(guò)高，永磁體會(huì)發(fā)生失磁，系統(tǒng)將罷工。

在剛開(kāi)始的高鐵線路試驗(yàn)上，由于軌道坡度大，只能實(shí)行滿手柄牽引和制動(dòng)的“野蠻操作”，導(dǎo)致永磁電機(jī)溫度升高更快，跑了幾個(gè)回合，系統(tǒng)就扛不住了。

正值夏季，試驗(yàn)場(chǎng)宛如“桑拿房”，最高溫度達(dá)40多攝氏度。馮江華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)日夜輪流蹲守，記錄每一個(gè)數(shù)據(jù)、細(xì)節(jié)，進(jìn)行無(wú)數(shù)次技術(shù)討論。熬了三個(gè)月后，他們以自主研發(fā)出的冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)、軸承冷卻設(shè)計(jì)、熱管理技術(shù)等，解決了電機(jī)控溫這一關(guān)鍵難題，并設(shè)計(jì)出最優(yōu)方案重新裝機(jī)。

2014年11月，基于永磁電機(jī)控制的高速動(dòng)車組成功下線，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首套高速動(dòng)車組永磁牽引系統(tǒng)的研制、試驗(yàn)和裝車。

2015年6月24日，永磁高鐵在北京環(huán)鐵試驗(yàn)基地進(jìn)行首件鑒定，單臺(tái)電機(jī)功率“690千瓦”。當(dāng)數(shù)據(jù)被報(bào)送出來(lái)時(shí)，全場(chǎng)沸騰了！這標(biāo)志著，我國(guó)成為全球少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引技術(shù)的國(guó)家。中國(guó)工程院院士劉友梅稱之為“花錢也買不到的核心技術(shù)”，兩院院士將其評(píng)為當(dāng)年“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”之一。

此后，一列空無(wú)一人、卻載滿貨物的高速列車在成渝線上來(lái)回奔跑。這是國(guó)內(nèi)首列采用永磁牽引系統(tǒng)的高鐵，它要在成渝線上跑滿30萬(wàn)公里，才能完成試驗(yàn)任務(wù)。

2018年，這列永磁高鐵完成運(yùn)營(yíng)考核，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足需求，成為永磁高鐵發(fā)展的一個(gè)里程碑。

由馮江華主持完成的“軌道交通永磁牽引系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，榮獲當(dāng)年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。這一成果被視為開(kāi)啟了中國(guó)高鐵時(shí)代3.0版，馮江華也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為我國(guó)研究高鐵永磁牽引技術(shù)的第一人。

“永磁時(shí)代來(lái)了！我們必將贏得世界的仰望！”比起獲獎(jiǎng)，更讓馮江華開(kāi)心的是永磁技術(shù)必將成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家尋求新突破的技術(shù)熱點(diǎn)。

如今，永磁牽引技術(shù)已在高速列車、地鐵車輛等批量應(yīng)用。坐上永磁高鐵，指日可待。

潮平岸闊，花開(kāi)智軌

又是靈光一閃。

2009年，馮江華偶然聽(tīng)一位同事提起法國(guó)有一種新型單軌交通電車，他突發(fā)奇想，能不能根據(jù)我國(guó)的道路情況也做一款全新的無(wú)軌電車，解決交通擁堵等“城市病”。這就是智軌列車在他心中的雛形。

2013年，馮江華再次闖進(jìn)全新的“無(wú)人區(qū)”——智能軌道快運(yùn)列車領(lǐng)域，并組建了專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。經(jīng)過(guò)試制、試驗(yàn)、討論，再試制、再試驗(yàn)、再討論……2014年11月，18米“敞篷”驗(yàn)證車下線;2015年底，35米原理樣車研發(fā)成功;2016年底，32米智軌電車工程樣車研制成功。

2017年6月2日，一列“巨無(wú)霸”在株洲驚艷面世，迅速引發(fā)世界矚目，它就是全球首款智軌電車。這輛奔跑在虛擬軌道上的新型軌道交通工具就是全球首款智軌電車。同年10月，在中國(guó)國(guó)際（湖南）軌交峰會(huì)期間，智軌電車再次亮相，3000余人次參與試乘，智軌電車也由此成了“網(wǎng)紅車”。

智軌電車是一種全新的交通工具，最高設(shè)計(jì)時(shí)速為70公里，一般設(shè)三節(jié)車廂，長(zhǎng)度在30米左右，寬度和高度都為3米，不需要依靠實(shí)際的軌道，只需在“畫”出來(lái)的虛擬軌道上行駛即可。

這種列車不僅節(jié)約了建設(shè)軌道的費(fèi)用，載客量還比普通公交車多出2-3倍。此外，它還具有輕軌、地鐵等軌道列車零排放、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，并支持多種供電方式，由于采用高鐵柔性編組的模式，還可根據(jù)客流變化調(diào)節(jié)運(yùn)力。這對(duì)于因城市體量、地質(zhì)、建筑等問(wèn)題而無(wú)法建設(shè)地鐵的城市來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是解決市內(nèi)交通擁堵問(wèn)題的最佳選擇。

2018年5月8日，全球首條智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)即智軌試驗(yàn)示范線在株洲開(kāi)通試運(yùn)行。在同年的“慶祝改革開(kāi)放40周年大型展覽”上，這一全新的中低運(yùn)量軌道交通制式產(chǎn)品，成為最受觀眾歡迎的中國(guó)自主研發(fā)的“黑科技”之一。

2019年12月，全球首條智軌商業(yè)運(yùn)行線在宜賓開(kāi)通，宣告城市公共交通的“智軌時(shí)代”已經(jīng)到來(lái)。目前廣東韶關(guān)等多個(gè)城市也逐步引入了智軌這種交通形式。

永磁地鐵、永磁高鐵以及智軌列車等都是世界軌道交通裝備創(chuàng)新的杰作，它們的出現(xiàn)，開(kāi)啟了交通裝備的新制式，也開(kāi)啟了一個(gè)全新的交通時(shí)代。

31年孜孜以求，馮江華及其團(tuán)隊(duì)澆灌出了一朵朵璀璨的“科技之花”，批量應(yīng)用在以“復(fù)興號(hào)”為代表的高速動(dòng)車組上，打造了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界領(lǐng)先的牽引系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)，為“復(fù)興號(hào)”實(shí)現(xiàn)世界最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速、最大單軸異步牽引動(dòng)力等頂層指標(biāo)發(fā)揮了核心作用，創(chuàng)造了與風(fēng)競(jìng)速、“陸地飛行”的中國(guó)奇跡。

在外人看來(lái)，馮江華取得巨大成就都是因?yàn)椤澳X子靈光”。然而，科研不光靠靈感，更靠專精。“一點(diǎn)不能馬虎，一點(diǎn)走不得神?！痹诔錆M未知的自主創(chuàng)新道路上，他耐住了所有寂寞，屏蔽了所有干擾，將所有注意力都集中到科學(xué)研究這個(gè)核心上，這是“靈光一閃”的升華，更是獨(dú)辟蹊徑的代價(jià)。正是這代價(jià)換來(lái)了中國(guó)交通的新未來(lái)！