[科普中国]-时速400公里等级“永磁高铁”电机发布，助力中国高铁新速度

中国高铁，再次跑出“新速度”。据新华社报道，2019年9月17日，中国中车株洲电机公司发布了时速400公里的高速动车组用TQ-800永磁同步牵引电机。这标志着我国高铁动力首次搭建起时速400公里速度等级的永磁牵引电机产品技术平台，填补了国内技术空白，为我国轨道交通牵引传动技术升级换代奠定了坚实基础。这也是中国高铁取得的又一项重大科研成果。据中车株洲电机公司牵引电机研究所副所长李广介绍，在经历了“直流”“交流”后，世界轨道交通车辆牵引技术正在朝3.0版的“永磁”驱动技术发展。这款永磁同步牵引电机的各项性能指标达到国际先进水平，将用于驱动我国重点研发项目——时速400公里跨国互联互通高速列车。那么，这台时速400公里永磁同步牵引电机究竟有何神奇之处？永磁电动机，一种新型节能高效的电机相比传统的异步牵引电机，“永磁”电机不但功率密度更高、效率更高，而且环境适应能力更强、全寿命周期成本也更低，具有更广阔的应用领域和市场前景。一开始我国的高铁列车用的电动机不是永磁电磁机，而是用通电线圈来替代“永磁”。其实无论是什么类型的电动机，只要是电动机，其主要的工作原理都是一样的，其原理都是所谓的安培力或者洛伦兹力。简单说，运动的电荷在磁场中会受到洛伦兹力的作用。对于任何一种电动机来说，都是需要供电的。供电以后时候会形成电流，电流在磁场中受到力的作用，这个力有一个专用的名称，那就是安培力（其本质上也是洛伦兹力）。高铁轨道上面安装有电线，这些电线就是给高铁的电动机供电的，有了电流以后，电动机才能工作。但光有电流是不够的，因为根据安培力的原理，还需要有磁场。磁场一般怎么产生的呢？有两种办法，一种是用电流产生磁场，这样的电动机不是永磁电动机（但也可以驱动高铁列车前进）。还有一种办法就是用永磁体来产生磁场，使用永磁体的电动机，就叫做永磁电动机。对于高铁列车来说，其电动机需要的产生的推力非常大，因此需要用到的磁场很强。在高铁用的永磁电动机中，一般采用磁场很强的稀土永磁材料——比如钕铁硼永磁体。稀土永磁材料是1983年左右由日本与美国的科学家发明的，这种材料在外界强磁场中充满磁，当外界强磁场撤走后，其自身会被磁化，而且保留下很强的剩余磁场，而且一般在300度以下的温度不会失去磁性，所以具有很广泛的应用前景。转子无需供电，能量利用效率更高众所周知，所有电动机一般都分为两部分，分别叫做定子与转子。定子是固定不动，定子与电动机外壳相连。而转子则是会旋转的，这种旋转运动可以为外界提供动力。永磁电动机定子一般是铁，叫做定子铁芯，在定子铁芯上需要紧紧捆绑一些带绝缘皮的铜线，这些铜线是用来通大电流的——所以这相当于是一个电磁铁，当交流电通过铜线的时候，也会产生一个交变的磁场，而且这个磁场的方向是时刻变化的。永磁电动机转子安装有永磁体，这些永磁体会产生强磁场。电动机通电以后，外部的定子可以接入一个三相交流电，这最终会产生了一个以通电频率为角速度旋转的磁场！这个旋转的磁场会排斥转子上面的永磁体，使得转子以相同的角速度旋转，就这样电动机就能工作起来（这里面的工作原理就是老百姓熟悉的磁场的“同性相斥”）。因为永久磁铁转子随电磁铁产生的旋转磁场同步旋转，所以这样的电动机被称为同步电动机（对于高铁用的永磁同步电动机，一般是每秒转70转）。中车株洲电机公司开发的就是这种永磁同步电动机，相比传统的异步牵引电机，永磁同步电动机只需要给定子供电，转子不需要供电，所以能量利用效率更高。因为永磁体的虽然磁场强度比较强，但不像电磁铁那样会发热，所以可以减少整个电动机制冷的设备，同等功率下可缩小电动机的体积与重量，这也就减轻了高铁列车自身的重量，可以把运力腾出来多载乘客。采用新型稀土永磁材料，有效解决永磁电机失磁难题“永磁高铁”电机的优点很多。它采用了全新的封闭风冷及关键部位定向冷却技术，已确保电机内部清洁并有效平衡电机各部件的温度；采用新型稀土永磁材料，有效解决永磁体失磁的难题；结合大功率机车和高铁牵引电机绝缘结构的优点，具备更高的绝缘可靠性。永磁电动机优点这么多，在研发过程会遇到哪些困难，它又是如何一步一步发展起来的？这主要得益于高磁场强度的永磁体的发展。像钕铁硼永磁体表面的磁场强度可以达到1特斯拉左右，这是地球磁场的20000倍。如此高性能的永磁体是1982年后才开始慢慢发展出来的，在最近10年里才开始用到电动机领域。另外一方面，永磁体在高温下是会消磁的，所以整个电动机的温度要维持在200度以下，高铁用的电动机，电磁铁的电流强度可以达到100多安培，根据焦耳定律，如果线路的电阻是1欧姆，那么其发热功率是1万瓦特，相当于同时打开了50个电烙铁，其产生的热量是惊人的，如果不降温电动机马上会烧毁。因此，给整个电动机降温也是一项关键技术。对于高铁列车来说，单个永磁电动机的功率在700千瓦左右，如果降温失败，永磁铁会消磁（当温度高于居里温度就开始失去磁性），那么车厢就会失去动力。所以，关键部位的定向冷却技术非常关键，这些技术也不是一朝一夕就能攻克。另外，既然是同步电机，转子的旋转频率与交流电带动电磁铁的磁场变化频率是同步的。这里面就有一个从静止开始启动的问题。三相交流旋转磁场的速度很快，但电动机刚启动的时候，转子不可能马上就加速跟上磁场旋转的速度，所以一开始如何加速到同步阶段，对高铁来说也需要有一套专门的技术。最后，考虑到永磁电机的实际工作环境，设计整个电动机需要建立仿真平台，这需要用专业软件对电机进行系统仿真，最后才能优化整机的参数，使得整个电动机稳定可靠。而这些现代化的仿真软件也是最近10多年才发展起来的。因为永磁电机噪音比较小，永磁电机不但可以用到高铁列车上，还可以用到海底潜艇中，这对提高我国的军事实力也大有裨益。这项技术的突破，也只是中国现代工业大发展中的一个缩影。据不完全统计，目前我国高铁已达2.5万公里，占世界高铁运营里程的2/3，至少50万人口以上的大城市基本上全部通高铁，约有3千多辆高铁日日夜夜在路上来回跑。 这台时速400公里等级的永磁高铁电机研发成功，不仅填补了中国高铁技术的空白，也加快了中国高铁智能化、绿色化的发展进程，让世界再次见证中国智造和中国速度。撰文：张华 北京师范大学物理系硕士审核：赵峥 北京师范大学物理系教授编辑：Bob文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国