時速400公裡等級「永磁高鐵」電機發布,助力中國高鐵新速度

中國高鐵，再次跑出「新速度」。9月下旬，中國中車株洲電機公司向世界發布了時速400公裡的高速動車組用TQ-800永磁同步牽引電機。

這標誌著我國高鐵動力首次搭建起時速400公裡速度等級的永磁牽引電機產品技術平臺，填補了國內技術空白，為我國軌道交通牽引傳動技術升級換代奠定了堅實基礎。這也是中國高鐵取得的又一項重大科研成果。

TQ-800永磁同步牽引電機，圖片來源：新華社

據中車株洲電機公司牽引電機研究所副所長李廣介紹，在經歷了「直流」「交流」後，世界軌道交通車輛牽引技術正在朝3.0版的「永磁」驅動技術發展。這款永磁同步牽引電機的各項性能指標達到國際先進水平，將用於驅動我國重點研發項目——時速400公裡跨國互聯互通高速列車。那麼，這臺時速400公裡永磁同步牽引電機究竟有何神奇之處？

永磁電動機，一種新型節能高效的電機

相比傳統的異步牽引電機，「永磁」電機不但功率密度更高、效率更高，而且環境適應能力更強、全壽命周期成本也更低，具有更廣闊的應用領域和市場前景。

一開始我國的高鐵列車用的電動機不是永磁電磁機，而是用通電線圈來替代「永磁」。其實無論是什麼類型的電動機，只要是電動機，其主要的工作原理都是一樣的，其原理都是所謂的安培力或者洛倫茲力。

簡單說，運動的電荷在磁場中會受到洛倫茲力的作用。對於任何一種電動機來說，都是需要供電的。供電以後時候會形成電流，電流在磁場中受到力的作用，這個力有一個專用的名稱，那就是安培力（其本質上也是洛倫茲力）。

安培力示意圖 圖片來源：文檔網

高鐵軌道上面安裝有電線，這些電線就是給高鐵的電動機供電的，有了電流以後，電動機才能工作。但光有電流是不夠的，因為根據安培力的原理，還需要有磁場。

磁場一般怎麼產生的呢？有兩種辦法，一種是用電流產生磁場，這樣的電動機不是永磁電動機（但也可以驅動高鐵列車前進）。還有一種辦法就是用永磁體來產生磁場，使用永磁體的電動機，就叫做永磁電動機。

常見的採用銅線繞阻方式電機解剖圖，圖源：網絡

對於高鐵列車來說，其電動機需要的產生的推力非常大，因此需要用到的磁場很強。在高鐵用的永磁電動機中，一般採用磁場很強的稀土永磁材料——比如釹鐵硼永磁體。

釹鐵硼永磁體電鍍工藝示意圖，圖源：網絡

稀土永磁材料是1983年左右由日本與美國的科學家發明的，這種材料在外界強磁場中充滿磁，當外界強磁場撤走後，其自身會被磁化，而且保留下很強的剩餘磁場，而且一般在300度以下的溫度不會失去磁性，所以具有很廣泛的應用前景。

轉子無需供電，能量利用效率更高

眾所周知，所有電動機一般都分為兩部分，分別叫做定子與轉子。定子是固定不動，定子與電動機外殼相連。而轉子則是會旋轉的，這種旋轉運動可以為外界提供動力。

永磁電動機結構分析圖，圖源：網絡

永磁電動機定子一般是鐵，叫做定子鐵芯，在定子鐵芯上需要緊緊捆綁一些帶絕緣皮的銅線，這些銅線是用來通大電流的——所以這相當於是一個電磁鐵，當交流電通過銅線的時候，也會產生一個交變的磁場，而且這個磁場的方向是時刻變化的。永磁電動機轉子安裝有永磁體，這些永磁體會產生強磁場。

電動機通電以後，外部的定子可以接入一個三相交流電，這最終會產生了一個以通電頻率為角速度旋轉的磁場！這個旋轉的磁場會排斥轉子上面的永磁體，使得轉子以相同的角速度旋轉，就這樣電動機就能工作起來（這裡面的工作原理就是老百姓熟悉的磁場的「同性相斥」）。因為永久磁鐵轉子隨電磁鐵產生的旋轉磁場同步旋轉，所以這樣的電動機被稱為同步電動機（對於高鐵用的永磁同步電動機，一般是每秒轉70轉）。

永磁電機示意圖，圖片來源：鵬芃設計

中車株洲電機公司開發的就是這種永磁同步電動機，相比傳統的異步牽引電機，永磁同步電動機只需要給定子供電，轉子不需要供電，所以能量利用效率更高。因為永磁體的雖然磁場強度比較強，但不像電磁鐵那樣會發熱，所以可以減少整個電動機製冷的設備，同等功率下可縮小電動機的體積與重量，這也就減輕了高鐵列車自身的重量，可以把運力騰出來多載乘客。

採用新型稀土永磁材料，有效解決永磁電機失磁難題

「永磁高鐵」電機的優點很多。它採用了全新的封閉風冷及關鍵部位定向冷卻技術，已確保電機內部清潔並有效平衡電機各部件的溫度；採用新型稀土永磁材料，有效解決永磁體失磁的難題；結合大功率機車和高鐵牽引電機絕緣結構的優點，具備更高的絕緣可靠性。

與傳統電機相比，永磁電動機結構更加簡潔，性能更穩定，圖源：網絡

永磁電動機優點這麼多，在研發過程會遇到哪些困難，它又是如何一步一步發展起來的？這主要得益於高磁場強度的永磁體的發展。像釹鐵硼永磁體表面的磁場強度可以達到1特斯拉左右，這是地球磁場的20000倍。如此高性能的永磁體是1982年後才開始慢慢發展出來的，在最近10年裡才開始用到電動機領域。

另外一方面，永磁體在高溫下是會消磁的，所以整個電動機的溫度要維持在200度以下，高鐵用的電動機，電磁鐵的電流強度可以達到100多安培，根據焦耳定律，如果線路的電阻是1歐姆，那麼其發熱功率是1萬瓦特，相當於同時打開了50個電烙鐵，其產生的熱量是驚人的，如果不降溫電動機馬上會燒毀。

因此，給整個電動機降溫也是一項關鍵技術。對於高鐵列車來說，單個永磁電動機的功率在700千瓦左右，如果降溫失敗，永磁鐵會消磁（當溫度高於居裡溫度就開始失去磁性），那麼車廂就會失去動力。所以，關鍵部位的定向冷卻技術非常關鍵，這些技術也不是一朝一夕就能攻克。

另外，既然是同步電機，轉子的旋轉頻率與交流電帶動電磁鐵的磁場變化頻率是同步的。這裡面就有一個從靜止開始啟動的問題。三相交流旋轉磁場的速度很快，但電動機剛啟動的時候，轉子不可能馬上就加速跟上磁場旋轉的速度，所以一開始如何加速到同步階段，對高鐵來說也需要有一套專門的技術。

最後，考慮到永磁電機的實際工作環境，設計整個電動機需要建立仿真平臺，這需要用專業軟體對電機進行系統仿真，最後才能優化整機的參數，使得整個電動機穩定可靠。而這些現代化的仿真軟體也是最近10多年才發展起來的。

TQ-800永磁同步牽引電機，圖片來源：新華社

因為永磁電機噪音比較小，永磁電機不但可以用到高鐵列車上，還可以用到海底潛艇中，這對提高我國的軍事實力也大有裨益。這項技術的突破，也只是中國現代工業大發展中的一個縮影。

據不完全統計，目前我國高鐵已達2.5萬公裡，佔世界高鐵運營裡程的2/3，至少50萬人口以上的大城市基本上全部通高鐵，約有3千多輛高鐵日日夜夜在路上來回跑。這臺時速400公裡等級的永磁高鐵電機研發成功，不僅填補了中國高鐵技術的空白，也加快了中國高鐵智能化、綠色化的發展進程，讓世界再次見證中國智造和中國速度。

（文章來自科普中國，由騰訊科普「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出）

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