灵光“闪”出交通新未来

陈文英

8月14日，全球首艘采用永磁同步发电机的油电混合大型滨海观光船“大湾区一号”成功交付，毋庸讳言，永磁牵引技术已经渗透到船舶领域。

而在一个多月前的6月28日，我国首条全线搭载永磁牵引系统的地铁线路长沙地铁5号线正式开通运营，宣布地铁“永磁时代”已经到来。据第三方测评，永磁牵引系统平均节能率超过30%。

发明这一技术的正是第二届全国创新争先奖奖章获得者、中车株洲电力机车研究所有限公司（以下简称“中车株洲所”）总工程师冯江华。

冯江华是我国大功率电力牵引与控制领域的专家，长期致力于高动力、高效率、高实时控制技术的研究，在应用基础理论和关键技术研究、核心装备研制方面取得系列原创性成果。更值得一提的是，这些成果的取得几乎都是冯江华灵光一闪“闪”出来的。

筚路褴褛，心系电力

牵引系统是轨道交通车辆的“心脏”和“大脑”，是车辆动力的关键来源，更是其高速、绿色、安全运行的关键，主要有直流系统、交流系统和永磁系统三种。其性能在某种程度上决定了车辆的动力、能耗和控制特性，是车辆节能升级的关键部件。

1989年，冯江华从浙江大学电机系研究生毕业。作为当时稀有的高端人才，本可以留在大城市谋求一份待遇更好的职业，他却选择留在一个叫作“田心”的株洲偏远小镇。这是一片在地图上无迹可寻、却有着“中国电力机车摇篮”称号的热土。

产生于第二次工业革命，大规模发展于第三次工业革命之后的电力机车，主要从供电网或供电轨中获取电能，再通过电动机驱动车辆行驶，其综合性能明显优于蒸汽机车和内燃机车。

然而，直到上世纪八十年代，我国电力机车还有很多研究领域处于鸿蒙阶段，远远落后于世界先进水平，甚至严重制约经济社会的发展。在机车大功率电力牵引控制方面，几乎毫无技术储备，尤其是长期被西门子等少数公司控制、且一直对中国进行技术封锁的大功率交流异步牵引技术。

为填补技术空白，上世纪九十年代初，冯江华在国内率先开展对高性能异步牵引及控制技术的研究。

彼时，他刚进中车株洲所两年，即被委以重任，牵头组织对大功率异步牵引控制技术进行攻关，并受命主持原铁道部“交直交电传动微机控制系统及其模块化研究”课题。

随即，冯江华组建了国内最早的电力牵引高性能交流传动控制技术研究与工程实践团队，以他为首的中车株洲所三代铁路科技人开始在中国轨道交通领域的“无人区”开疆拓土。

然而，由于没有技术储备作为支撑，在很多领域还是不得不被动地与国外领先企业合作。

1997年，冯江华担纲负责把国外成熟的产品应用到“蓝箭”动车组上。经过 3年的反复摸索、调试，到商业运营时还是出了问题。

“产品是外方提供的，中方没掌握核心技术，但出事了我们就要‘背锅。”这件事让冯江华更深刻地意识到，“不能再被动跟跑了”，一定要通过自主研发和创新打破技术垄断，争取在轨道交通领域的话语权。

装备现代化成为历史赋予冯江华的责任和使命，“我们经历的失败不计其数，当看到炸损的器件用车拉走的时候，看到试验结果的准确性都无法判断的时候……我们没有沮丧放弃，而是在挫折中一步一步坚毅前行。”

创新一直是中车株洲所的自发行为，更是冯江华本人的自觉行为。

“几乎没有任何可借鉴的资料，很多原理性试验只能‘摸着石头过河。”

尽管如此，他还是做了“第一个吃螃蟹的人”。经过两年的艰难攻关，冯江华团队硬是啃下了电力牵引这块硬骨头。

此后十余年间，冯江华和他的团队，攻克了车辆级动力实时控制、分布式系统协同控制等关键技术，搭建了自主轨道交通交流传动技术平台和产业化平台，先后研制出2800kVA、驱动两台1200千瓦电机的自主牵引系统，并成功应用在“中华之星”“奥星”和哈萨克斯坦机车等先锋车型上。大功率交流传动控制技术从无到有，我国成为少数几个掌握该技术的国家之一。

2002年，中国第一代高速动车组“中华之星”，在秦沈客运专线上创造了每小时321.5公里的速度，中国高铁正式登上历史舞台。

“中华之星”动车组设计研发过程中，在用样机做试验时，冯江华发现樣机采用的油冷技术实用性并不好，便“灵光一闪”推荐使用水冷技术。

“和谐号”闪亮登场，“复兴号”横空出世，中国逐渐形成世界最大的高铁运营网络。复杂的高铁运营环境以及诸多尚存瓶颈的关键核心技术问题给中国高铁提出了新的难题。

“沪昆高铁”、兰新线高寒动车组项目……一个个耳熟能详的重要高铁项目，都有冯江华团队的身影，在每个项目的关键“卡脖子”节点，迅速力挽狂澜。

2014年，“沪昆高铁”开通之际，冯江华团队日夜奋战，无数次往返南昌、分宜两地，攻克了车—网稳定、装备安全等难题，有效保障了“沪昆高铁”的顺利开通。

兰新线高寒动车组项目开展期间，由于原进口牵引技术无法满足长大坡道持续高速运行的需求，而系统配置已固化，无法变更牵引变流器和牵引电机。冯江华和团队大胆提出新的控制策略，在自主控制器完成验证并替代原进口控制器的基础上，实现了在功率提升20%的同时温升降低25K，一举解决了全局高能效牵引行业难题。

革故鼎新，梦牵永磁

伟大的想法往往诞生于不经意间的灵光一闪。

妻子柯思勤介绍，冯江华经常前一秒还在话家常，后一秒就挥手喊停：“别出声，我在想一个问题。”就这样，冯江华抓住了出现在脑海里的无数个“灵光一闪”，并迅速付诸实践，通过深入的研究，将这“灵光”变成利国利民的科技成果。

永磁牵引系统是轨道交通下一代牵引系统的主流产品，平均节能率超过30%。相比交流异步牵引系统，其具有高功率密度、高效率、高功率因数和低噪音、轻量化等优势，可有效减少空间占比和能耗比。

将该系统应用于轨道交通车辆牵引，不仅可以提高牵引功率，还能减少能耗和维护量，降低全寿命周期成本，使列车在低速段明显降低噪音。

就前文提到的长沙地铁5号线来说，冯江华介绍：“全线采用永磁牵引系统，将大大降低长沙地铁5号线的运营成本，为中国城市轨道交通牵引系统升级换代起到示范引领作用。”

他还举例说明，1500V供电、最高速度每小时80千米的B型列车，每列车年运营里程数约为12万公里，每公里能耗为11度，每列车每年用电量约为132万度，若采用永磁牵引系统，按节电率30%进行核算，每列车每年可节约电量约40万度。

2000年，在一次国际学术会议上，冯江华偶然听到有关“永磁同步牵引技术”的演讲。他敏锐地察觉到，永磁牵引系统必将是新一代电机牵引系统的发展方向，灵光一闪后，随即陷入沉思。

那时，永磁牵引技术仍属于前瞻性核心技术，在全球尚处起步阶段，国外在这方面的研究也不多。

“在‘异步交流传动时代，我们是追赶者;在‘永磁时代，我们要做竞跑者，抓住机遇，抢占制高点。”冯江华的话语激起了团队成员自主创新的激情。

目标一确定，他们迅速行动起来。2003年初秋，冯江华从零起步，在中车株洲所组建了国内首个永磁牵引系统研发团队，我国第一次与国外公司站在同一起跑线上进行技术较量。

每一次重大核心技术的更新迭代，都会经历分娩新生命般的阵痛。

从交流异步牵引系统到永磁牵引系统，冯江华将创新深深镌刻进生命。

放眼国内外，完全没有标杆可寻。团队成员不但没接触过，甚至连即将开展研究的永磁牵引系统也只是一个概念而已。

“这是一个孤独的、漫长的求索、求证过程。”

终于，第一台功率5千瓦的永磁电机开发成功，100千瓦的永磁驱动系统也随之在实验室诞生。

循序渐进，冯江华团队又将目光对准技术难度更大、更复杂的地铁领域。永磁牵引系统开始应用于我国轨道交通系统，并取得一系列可喜的成绩。

历时8年，永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车，实现了永磁牵引系统在国内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。

5年后，长沙地铁1号线开通试运营，这是国内首次一整列装载永磁牵引系统的城轨列车。该线路完成永磁地铁15万公里载客运营考核后，中车株洲所又陆续在厦门、深圳、宁波、佛山和北京等地的部分地铁车辆中布局永磁牵引系统。

然而，“永磁高铁”才是冯江华心中魂牵梦萦的“制高点”。但要实现这个目标，必须先解决电机控温问题。在试验中，当电机温度过高，永磁体会发生失磁，系统将罢工。

在刚开始的高铁线路试验上，由于轨道坡度大，只能实行满手柄牵引和制动的“野蛮操作”，导致永磁电机温度升高更快，跑了几个回合，系统就扛不住了。

正值夏季，试验场宛如“桑拿房”，最高温度达40多摄氏度。冯江华带领团队日夜轮流蹲守，记录每一个数据、细节，进行无数次技术讨论。熬了三个月后，他们以自主研发出的冷却风道设计、轴承冷却设计、热管理技术等，解决了电机控温这一关键难题，并设计出最优方案重新装机。

2014年11月，基于永磁电机控制的高速动车组成功下线，实现了我国首套高速动车组永磁牵引系统的研制、试验和装车。

2015年6月24日，永磁高铁在北京环铁试验基地进行首件鉴定，单台电机功率“690千瓦”。当数据被报送出来时，全场沸腾了！这标志着，我国成为全球少数几个掌握高铁永磁牵引技术的国家。中国工程院院士刘友梅称之为“花钱也买不到的核心技术”，两院院士将其评为当年“中国十大科技进展新闻”之一。

此后，一列空无一人、却载满货物的高速列车在成渝线上来回奔跑。这是国内首列采用永磁牵引系统的高铁，它要在成渝线上跑满30万公里，才能完成试验任务。

2018年，这列永磁高铁完成运营考核，各项技术指标完全满足需求，成为永磁高铁发展的一个里程碑。

由冯江华主持完成的“轨道交通永磁牵引系统关键技术研究与应用”项目，荣获当年国家技术发明奖二等奖。这一成果被视为开启了中国高铁时代3.0版，冯江华也被业内誉为我国研究高铁永磁牵引技术的第一人。

“永磁时代来了！我们必将赢得世界的仰望！”比起获奖，更让冯江华开心的是永磁技术必将成为世界发达国家寻求新突破的技术热点。

如今，永磁牵引技术已在高速列车、地铁车辆等批量应用。坐上永磁高铁，指日可待。

潮平岸阔，花开智轨

又是灵光一闪。

2009年，冯江华偶然听一位同事提起法国有一种新型单轨交通电车，他突发奇想，能不能根据我国的道路情况也做一款全新的无轨电车，解决交通拥堵等“城市病”。这就是智轨列车在他心中的雏形。

2013年，冯江华再次闯进全新的“无人区”——智能轨道快运列车领域，并组建了专门的研发团队。经过试制、试验、讨论，再试制、再试验、再讨论……2014年11月，18米“敞篷”验证车下线;2015年底，35米原理样车研发成功;2016年底，32米智轨电车工程样车研制成功。

2017年6月2日，一列“巨无霸”在株洲惊艳面世，迅速引发世界瞩目，它就是全球首款智轨电车。这辆奔跑在虚拟轨道上的新型轨道交通工具就是全球首款智轨电车。同年10月，在中国国际（湖南）轨交峰会期间，智轨电车再次亮相，3000余人次参与试乘，智轨电车也由此成了“网红车”。

智轨电车是一种全新的交通工具，最高设计时速为70公里，一般设三节车厢，长度在30米左右，宽度和高度都为3米，不需要依靠实际的轨道，只需在“画”出来的虚拟轨道上行驶即可。

这种列车不仅节约了建设轨道的费用，载客量还比普通公交车多出2-3倍。此外，它还具有轻轨、地铁等轨道列车零排放、无污染的优点，并支持多种供电方式，由于采用高铁柔性编组的模式，还可根据客流变化调节运力。这对于因城市体量、地质、建筑等问题而无法建设地铁的城市来说，无疑是解决市内交通拥堵问题的最佳选择。

2018年5月8日，全球首条智能轨道快运系统即智轨试验示范线在株洲开通试运行。在同年的“庆祝改革开放40周年大型展览”上，这一全新的中低运量轨道交通制式产品，成为最受观众欢迎的中国自主研发的“黑科技”之一。

2019年12月，全球首条智轨商业运行线在宜宾开通，宣告城市公共交通的“智轨时代”已经到来。目前广东韶关等多个城市也逐步引入了智轨这种交通形式。

永磁地铁、永磁高铁以及智轨列车等都是世界轨道交通装备创新的杰作，它们的出现，开启了交通装备的新制式，也开启了一个全新的交通时代。

31年孜孜以求，冯江华及其团队浇灌出了一朵朵璀璨的“科技之花”，批量应用在以“复兴号”为代表的高速动车组上，打造了完全自主知识产权、世界领先的牵引系统产品平台，为“复兴号”实现世界最高运营时速、最大单軸异步牵引动力等顶层指标发挥了核心作用，创造了与风竞速、“陆地飞行”的中国奇迹。

在外人看来，冯江华取得巨大成就都是因为“脑子灵光”。然而，科研不光靠灵感，更靠专精。“一点不能马虎，一点走不得神。”在充满未知的自主创新道路上，他耐住了所有寂寞，屏蔽了所有干扰，将所有注意力都集中到科学研究这个核心上，这是“灵光一闪”的升华，更是独辟蹊径的代价。正是这代价换来了中国交通的新未来！