靈光“閃”出交通新未來

陳文英

8月14日，全球首艘采用永磁同步發電機的油電混合大型濱海觀光船“大灣區一號”成功交付，毋庸諱言，永磁牽引技術已經滲透到船舶領域。

而在一個多月前的6月28日，我國首條全線搭載永磁牽引系統的地鐵線路長沙地鐵5號線正式開通運營，宣布地鐵“永磁時代”已經到來。據第三方測評，永磁牽引系統平均節能率超過30%。

發明這一技術的正是第二屆全國創新爭先獎獎章獲得者、中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱“中車株洲所”）總工程師馮江華。

馮江華是我國大功率電力牽引與控制領域的專家，長期致力于高動力、高效率、高實時控制技術的研究，在應用基礎理論和關鍵技術研究、核心裝備研制方面取得系列原創性成果。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”出來的。

篳路襤褸，心系電力

牽引系統是軌道交通車輛的“心臟”和“大腦”，是車輛動力的關鍵來源，更是其高速、綠色、安全運行的關鍵，主要有直流系統、交流系統和永磁系統三種。其性能在某種程度上決定了車輛的動力、能耗和控制特性，是車輛節能升級的關鍵部件。

1989年，馮江華從浙江大學電機系研究生畢業。作為當時稀有的高端人才，本可以留在大城市謀求一份待遇更好的職業，他卻選擇留在一個叫作“田心”的株洲偏遠小鎮。這是一片在地圖上無跡可尋、卻有著“中國電力機車搖籃”稱號的熱土。

產生于第二次工業革命，大規模發展于第三次工業革命之后的電力機車，主要從供電網或供電軌中獲取電能，再通過電動機驅動車輛行駛，其綜合性能明顯優于蒸汽機車和內燃機車。

然而，直到上世紀八十年代，我國電力機車還有很多研究領域處于鴻蒙階段，遠遠落后于世界先進水平，甚至嚴重制約經濟社會的發展。在機車大功率電力牽引控制方面，幾乎毫無技術儲備，尤其是長期被西門子等少數公司控制、且一直對中國進行技術封鎖的大功率交流異步牽引技術。

為填補技術空白，上世紀九十年代初，馮江華在國內率先開展對高性能異步牽引及控制技術的研究。

彼時，他剛進中車株洲所兩年，即被委以重任，牽頭組織對大功率異步牽引控制技術進行攻關，并受命主持原鐵道部“交直交電傳動微機控制系統及其模塊化研究”課題。

隨即，馮江華組建了國內最早的電力牽引高性能交流傳動控制技術研究與工程實踐團隊，以他為首的中車株洲所三代鐵路科技人開始在中國軌道交通領域的“無人區”開疆拓土。

然而，由于沒有技術儲備作為支撐，在很多領域還是不得不被動地與國外領先企業合作。

1997年，馮江華擔綱負責把國外成熟的產品應用到“藍箭”動車組上。經過 3年的反復摸索、調試，到商業運營時還是出了問題。

“產品是外方提供的，中方沒掌握核心技術，但出事了我們就要‘背鍋。”這件事讓馮江華更深刻地意識到，“不能再被動跟跑了”，一定要通過自主研發和創新打破技術壟斷，爭取在軌道交通領域的話語權。

裝備現代化成為歷史賦予馮江華的責任和使命，“我們經歷的失敗不計其數，當看到炸損的器件用車拉走的時候，看到試驗結果的準確性都無法判斷的時候……我們沒有沮喪放棄，而是在挫折中一步一步堅毅前行。”

創新一直是中車株洲所的自發行為，更是馮江華本人的自覺行為。

“幾乎沒有任何可借鑒的資料，很多原理性試驗只能‘摸著石頭過河?！?/p>

盡管如此，他還是做了“第一個吃螃蟹的人”。經過兩年的艱難攻關，馮江華團隊硬是啃下了電力牽引這塊硬骨頭。

此后十余年間，馮江華和他的團隊，攻克了車輛級動力實時控制、分布式系統協同控制等關鍵技術，搭建了自主軌道交通交流傳動技術平臺和產業化平臺，先后研制出2800kVA、驅動兩臺1200千瓦電機的自主牽引系統，并成功應用在“中華之星”“奧星”和哈薩克斯坦機車等先鋒車型上。大功率交流傳動控制技術從無到有，我國成為少數幾個掌握該技術的國家之一。

2002年，中國第一代高速動車組“中華之星”，在秦沈客運專線上創造了每小時321.5公里的速度，中國高鐵正式登上歷史舞臺。

“中華之星”動車組設計研發過程中，在用樣機做試驗時，馮江華發現樣機采用的油冷技術實用性并不好，便“靈光一閃”推薦使用水冷技術。

“和諧號”閃亮登場，“復興號”橫空出世，中國逐漸形成世界最大的高鐵運營網絡。復雜的高鐵運營環境以及諸多尚存瓶頸的關鍵核心技術問題給中國高鐵提出了新的難題。

“滬昆高鐵”、蘭新線高寒動車組項目……一個個耳熟能詳的重要高鐵項目，都有馮江華團隊的身影，在每個項目的關鍵“卡脖子”節點，迅速力挽狂瀾。

2014年，“滬昆高鐵”開通之際，馮江華團隊日夜奮戰，無數次往返南昌、分宜兩地，攻克了車—網穩定、裝備安全等難題，有效保障了“滬昆高鐵”的順利開通。

蘭新線高寒動車組項目開展期間，由于原進口牽引技術無法滿足長大坡道持續高速運行的需求，而系統配置已固化，無法變更牽引變流器和牽引電機。馮江華和團隊大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗證并替代原進口控制器的基礎上，實現了在功率提升20%的同時溫升降低25K，一舉解決了全局高能效牽引行業難題。

革故鼎新，夢牽永磁

偉大的想法往往誕生于不經意間的靈光一閃。

妻子柯思勤介紹，馮江華經常前一秒還在話家常，后一秒就揮手喊停：“別出聲，我在想一個問題。”就這樣，馮江華抓住了出現在腦海里的無數個“靈光一閃”，并迅速付諸實踐，通過深入的研究，將這“靈光”變成利國利民的科技成果。

永磁牽引系統是軌道交通下一代牽引系統的主流產品，平均節能率超過30%。相比交流異步牽引系統，其具有高功率密度、高效率、高功率因數和低噪音、輕量化等優勢，可有效減少空間占比和能耗比。

將該系統應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。

就前文提到的長沙地鐵5號線來說，馮江華介紹：“全線采用永磁牽引系統，將大大降低長沙地鐵5號線的運營成本，為中國城市軌道交通牽引系統升級換代起到示范引領作用?！?/p>

他還舉例說明，1500V供電、最高速度每小時80千米的B型列車，每列車年運營里程數約為12萬公里，每公里能耗為11度，每列車每年用電量約為132萬度，若采用永磁牽引系統，按節電率30%進行核算，每列車每年可節約電量約40萬度。

2000年，在一次國際學術會議上，馮江華偶然聽到有關“永磁同步牽引技術”的演講。他敏銳地察覺到，永磁牽引系統必將是新一代電機牽引系統的發展方向，靈光一閃后，隨即陷入沉思。

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

“在‘異步交流傳動時代，我們是追趕者;在‘永磁時代，我們要做競跑者，抓住機遇，搶占制高點?！瘪T江華的話語激起了團隊成員自主創新的激情。

目標一確定，他們迅速行動起來。2003年初秋，馮江華從零起步，在中車株洲所組建了國內首個永磁牽引系統研發團隊，我國第一次與國外公司站在同一起跑線上進行技術較量。

每一次重大核心技術的更新迭代，都會經歷分娩新生命般的陣痛。

從交流異步牽引系統到永磁牽引系統，馮江華將創新深深鐫刻進生命。

放眼國內外，完全沒有標桿可尋。團隊成員不但沒接觸過，甚至連即將開展研究的永磁牽引系統也只是一個概念而已。

“這是一個孤獨的、漫長的求索、求證過程?！?/p>

終于，第一臺功率5千瓦的永磁電機開發成功，100千瓦的永磁驅動系統也隨之在實驗室誕生。

循序漸進，馮江華團隊又將目光對準技術難度更大、更復雜的地鐵領域。永磁牽引系統開始應用于我國軌道交通系統，并取得一系列可喜的成績。

歷時8年，永磁牽引系統在沈陽地鐵2號線成功裝車，實現了永磁牽引系統在國內軌道交通領域的首次應用，結束了中國鐵路沒有永磁牽引系統的歷史。

5年后，長沙地鐵1號線開通試運營，這是國內首次一整列裝載永磁牽引系統的城軌列車。該線路完成永磁地鐵15萬公里載客運營考核后，中車株洲所又陸續在廈門、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。

然而，“永磁高鐵”才是馮江華心中魂牽夢縈的“制高點”。但要實現這個目標，必須先解決電機控溫問題。在試驗中，當電機溫度過高，永磁體會發生失磁，系統將罷工。

在剛開始的高鐵線路試驗上，由于軌道坡度大，只能實行滿手柄牽引和制動的“野蠻操作”，導致永磁電機溫度升高更快，跑了幾個回合，系統就扛不住了。

正值夏季，試驗場宛如“桑拿房”，最高溫度達40多攝氏度。馮江華帶領團隊日夜輪流蹲守，記錄每一個數據、細節，進行無數次技術討論。熬了三個月后，他們以自主研發出的冷卻風道設計、軸承冷卻設計、熱管理技術等，解決了電機控溫這一關鍵難題，并設計出最優方案重新裝機。

2014年11月，基于永磁電機控制的高速動車組成功下線，實現了我國首套高速動車組永磁牽引系統的研制、試驗和裝車。

2015年6月24日，永磁高鐵在北京環鐵試驗基地進行首件鑒定，單臺電機功率“690千瓦”。當數據被報送出來時，全場沸騰了！這標志著，我國成為全球少數幾個掌握高鐵永磁牽引技術的國家。中國工程院院士劉友梅稱之為“花錢也買不到的核心技術”，兩院院士將其評為當年“中國十大科技進展新聞”之一。

此后，一列空無一人、卻載滿貨物的高速列車在成渝線上來回奔跑。這是國內首列采用永磁牽引系統的高鐵，它要在成渝線上跑滿30萬公里，才能完成試驗任務。

2018年，這列永磁高鐵完成運營考核，各項技術指標完全滿足需求，成為永磁高鐵發展的一個里程碑。

由馮江華主持完成的“軌道交通永磁牽引系統關鍵技術研究與應用”項目，榮獲當年國家技術發明獎二等獎。這一成果被視為開啟了中國高鐵時代3.0版，馮江華也被業內譽為我國研究高鐵永磁牽引技術的第一人。

“永磁時代來了！我們必將贏得世界的仰望！”比起獲獎，更讓馮江華開心的是永磁技術必將成為世界發達國家尋求新突破的技術熱點。

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

潮平岸闊，花開智軌

又是靈光一閃。

2009年，馮江華偶然聽一位同事提起法國有一種新型單軌交通電車，他突發奇想，能不能根據我國的道路情況也做一款全新的無軌電車，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，馮江華再次闖進全新的“無人區”——智能軌道快運列車領域，并組建了專門的研發團隊。經過試制、試驗、討論，再試制、再試驗、再討論……2014年11月，18米“敞篷”驗證車下線;2015年底，35米原理樣車研發成功;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“巨無霸”在株洲驚艷面世，迅速引發世界矚目，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，在中國國際（湖南）軌交峰會期間，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“網紅車”。

智軌電車是一種全新的交通工具，最高設計時速為70公里，一般設三節車廂，長度在30米左右，寬度和高度都為3米，不需要依靠實際的軌道，只需在“畫”出來的虛擬軌道上行駛即可。

這種列車不僅節約了建設軌道的費用，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、無污染的優點，并支持多種供電方式，由于采用高鐵柔性編組的模式，還可根據客流變化調節運力。這對于因城市體量、地質、建筑等問題而無法建設地鐵的城市來說，無疑是解決市內交通擁堵問題的最佳選擇。

2018年5月8日，全球首條智能軌道快運系統即智軌試驗示范線在株洲開通試運行。在同年的“慶祝改革開放40周年大型展覽”上，這一全新的中低運量軌道交通制式產品，成為最受觀眾歡迎的中國自主研發的“黑科技”之一。

2019年12月，全球首條智軌商業運行線在宜賓開通，宣告城市公共交通的“智軌時代”已經到來。目前廣東韶關等多個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新的杰作，它們的出現，開啟了交通裝備的新制式，也開啟了一個全新的交通時代。

31年孜孜以求，馮江華及其團隊澆灌出了一朵朵璀璨的“科技之花”，批量應用在以“復興號”為代表的高速動車組上，打造了完全自主知識產權、世界領先的牽引系統產品平臺，為“復興號”實現世界最高運營時速、最大單軸異步牽引動力等頂層指標發揮了核心作用，創造了與風競速、“陸地飛行”的中國奇跡。

在外人看來，馮江華取得巨大成就都是因為“腦子靈光”。然而，科研不光靠靈感，更靠專精?！耙稽c不能馬虎，一點走不得神。”在充滿未知的自主創新道路上，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研究這個核心上，這是“靈光一閃”的升華，更是獨辟蹊徑的代價。正是這代價換來了中國交通的新未來！