300轨道交通永磁牵引系统关键技术研究与应用

2018年度国家技术发明奖提名项目公示轨道交通永磁牵引系统关键技术研究与应用一、 项目名称轨道交通永磁牵引系统关键技术研究与应用二、 提名者及提名意见提名者：湖南省科技厅提名意见：永磁牵引系统凭借绿色高效的优点，正引发全球高铁等轨道交通装备技术新变革，已成为世界各国争夺的制高点。该项目通过长期基础理论及应用技术创新性研究，攻克了轨道交通复杂非线性永磁牵引系统在轮轨蠕变无常条件下全速域稳定性、高速高反电势下柔性动力重构、低开关频率下无位置传感控制、永磁牵引电机全局高效等关键技术难题。该项目通过成果鉴定，鉴定结论“，具有多项原创性技术，整体技术居国际领先水平，使我国成为少数几个掌握该项核心技术的国家之一”，获授权发明专利62件、发表论文63篇，制定国际标准2项、国家标准1项。先后获湖南省技术发明一等奖1项，中国专利金奖2项，纽伦堡国际发明展金奖1项。该项目成果成功装载在国际首列350km/h速度等级的永磁高速列车，开启中国3.0版高铁动力时代，被两院院士评选为“2015年中国十大科技进展新闻”；国内首次实现了永磁牵引系统在城市轨道交通批量商业应用，并推广应用到全球首创的永磁高速直驱大型中央空调；该项目累计产值超 6亿元，极大提升了中国轨道交通的全球竞争力。提名该项目为国家技术发明奖二等奖三、 项目简介高铁、地铁等轨道交通装备作为中国制造的“名片”，已成为“一带一路”战略实施的排头兵。牵引系统是轨道交通装备的“心脏”，是表征一代列车技术特征的唯一标志。永磁牵引系统凭借绿色高效的优点，正引发全球牵引技术新变革，国外90年代率先开展研究并严密封锁技术。《高端装备制造业“十二五”发展规划》等国家行动计划将永磁牵引技术列为创新工程，促进原始创新。大功率低开关频率的复合励磁永磁牵引系统，存在幅频响应差、抗扰动能力弱、磁场静态规划与动态调整复杂等特性。为顺应宽速范围、供电间歇中断、轴驱轮径等速磨耗、轮轨蠕变无常等特定工况及需求，实现永磁牵引系统安全、可靠、绿色运行，亟需突破全速域鲁棒性、高速越行后控制重构、位置辨识收敛和全工作区高效等难题。本项目历时10余年，经多个国家、省部级项目支持，取得重大技术突破，主要发明点如下：发明点1：发明了融合永磁电机多模参数耦合模型、调制模式动态规划、磁链轨迹在线寻优的控制技术，首次提出了电压多维解析及交直轴电流预测的弱磁控制方法，在满足高精度转矩输出特性的基础上实现了低开关频率和轮轨蠕变约束下转矩的全速域高动态响应， 最大阶跃响应时间小于5.1ms,仅为国外学术研究成果的54%，奠定了永磁牵引系统轮轨驱动的根基。发明点2：发明了零电压矢量分时注入、相位自适应滤波的反电势实时观测方法,首创了基于重构电压幅相偏差校正模型的高反电势逆向穿越控制技术,构建了永磁牵引系统任意速度下供电间歇中断或惰行后动力柔性重构系统方案,转矩冲击小于2.8%,实现了永磁列车在世界最高运行速度下的动力重构。发明点3：发明了电感梯度变化率和直轴电流自学习、快速迭代寻优的辨识技术,构建了多模位置辨识方法,攻克低开关频率下低速辨识不收敛难题,实现零速满转矩启动、全速域位置准确辨识及高动态响应,稳态误差小于0.01rad,最大转矩阶跃下动态误差小于0.05rad,较国外学术研究成果大幅提升。发明点4：发明了负载概率的效率寻优、永磁体矩阵排列、非均匀气隙的电磁设计方法,构建了热-流-力匹配定向散热的全封闭冷却复合结构,实现了温度、应力的梯度管理和磁场正弦分布,电机额定效率 98.2%,高于异步牵引电机4%,在1.1kW/kg同等功率密度下高于国外1%。本项目获授权发明专利62件,发表论文63篇,制定国际标准2项、国家标准1项,成果经鉴定“具有多项原创性技术,整体技术居国际领先水平”。获湖南省技术发明一等奖1项,中国专利金奖2项,纽伦堡国际发明展金奖1项。成果应用于全球首列350km/h速度等级永磁高速列车，被两院院士评选为“2015年中国十大科技进展新闻”，并得到IEEE电机委员会副主席ChrisGerada等积极评价；同步应用于地铁、现代有轨电车、智轨列车等城轨装备和新能源领域，支撑世界首创的永磁高速直驱式大型中央空调；累计产值超6亿元。打造了中国轨道交通装备新的核心竞争力，开启3.0版高铁等高端装备动力新时代。四、 客观评价1、验收意见国家科技863计划“基于永磁电机的牵引变流器关键技术研究与装备研制”验收意见（主任委员：刘友梅院士）：“构建了基于永磁电机的牵引变流器可持续发展的研究平台、制造平台、试验平台及配套产业链；建立了基于永磁电机的牵引变流器技术体系”“建议课题成果进一步推广应用”2、鉴定意见“永磁同步传动系统关键技术研究”鉴定意见（主任委员：刘友梅院士，副主任委员：王耀南、吴铀铀）：“该项目成果具有多项原创性技术，整体技术居国际领先水平，使我国成为少数几个掌握该项核心技术的国家之一”“高速列车永磁电机牵引传动技术”鉴定意见（主任委员：顾国彪院士，副主任委员：臧克茂院士、夏长亮院士）：“本项目解决了高速列车永磁电机牵引传动的关键技术，在电机效率、功率密度、列车百公里人均能耗等方面均处国际领先水平，对于提升我国高速铁路的技术水平具有重大的意义 ”“复合供电超高效中央空调永磁变频技术研究及应用”鉴定意见（主任委员：刘友梅院士，副主任委员：罗安院士、张昌凡）：“该成果首创光伏直联复合供电永磁变频技术，整体技术达到国际领先水平”3、国内外重要奖励年湖南省技术发明一等奖：大功率高速永磁传动系统关键技术研究与应用年中国发明专利金奖：一种电机端盖和一种电机年中国发明专利金奖：一种三电平双模式空间矢量过调制方法及其系统2016年纽伦堡国际发明展金奖：一种永磁同步电机传动系统的直轴电流保护方法及装置2014年中国发明专利优秀奖：一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统4、同行评价2015年，“永磁高铁”获评由中国科学院、中国工程院主办的中国十大科技进展新闻，“该牵引系统包括永磁同步牵引电机、牵引变压器、变流器、控制器等核心部件,,采用宽域高效的控制策略，实现高速方波弱磁控制和高速平稳重投；整个牵引系统体现节能高效系统特性匹配,,其研制成功不仅拉开了我国高铁“永磁驱动时代”的序幕，也为我国高铁参与国际竞争赢得了先机”。IEEE电机委员会副主席ChrisGerada教授课题组在其多电飞机永磁电机设计论文中引用并评价本项目成果：“AcombinedmodelofusingdynamicreluctancemeshmodelandSimulinkhasbeenproposedforthedesignofhighspeedrailwaytractionmotor，Aprototypehasbeenmanufacturedandthetestingresultsconfirmedtheefficiencyhasbeenincreased4% ”。在新华网等多家知名媒体报道中,中国工程院刘友梅院士评价本项目成果：“中车株洲电力机车研究所成功自主开发了高速列车永磁同步牵引系统，使我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一,,永磁同步牵引系统成为了我国高速铁路技术升级的一个典范”。5、检测报告《长沙地铁1号线永磁同步牵引系统检测报告》，国家铁路产品质量监督检验中心出具，永磁同步牵引系统平均节能率33.9%（地面能馈系统全面开启）。《基于永磁电机的高速列车牵引系统检验报告》，铁道部产品质量监督检验中心出具，所检项目10项，检验结果为合格。《沈阳地铁二号线永磁同步电机牵引系统检验报告》，铁道部产品质量监督检验中心出具，所检项目10项，检验结果为合格。五、 推广应用情况本项目整体技术成功应用于新一代高速列车永磁同步牵引系统，目前基于永磁技术的新一代高速列车已完成整车下线及考核试验，标志我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家，后续可批量应用于高速和城际动车组，并有力支撑我国“一带一路”倡议。本项目技术成功应用于沈阳、长沙、北京、天津、厦门、宁波、昆明等多个城市城轨交通领域，在浦镇、资阳等形成空轨典型示范应用，并在韩城实现永磁电机空轨领域的首次批量应用，同步应用于地铁、现代有轨电车、智轨列车等城轨装备和新能源领域，支撑世界首创的永磁高速直驱式大型中央空调。本项目已累计销售收入逾6亿元。

六、 主要知识产权证明目录知识产权类别知识产权具体名称国家（地区）授权号授权日期证书编号权利人发明人发明专利有效状态发明专利一种永磁同步中国ZL2013120141ZL201南车株洲电冯江华；刘可有效专利力机车研究安；许峻峰；电机传动系统048794800131048所有限公司何亚屏；文宇的直轴电流保.X7948.良；尚敬；张护方法及装置X朝阳；刘雄发明专利一种三电平双中国ZL2012120141ZL201南车株洲电冯江华；甘韦有效专利模式空间矢量011643221021011力机车研究韦；刘可安；过调制方法及.X6432.所有限公司尚敬；杨大其系统X成；梅文庆发明专利一种用于控制中国ZL2013120141ZL201南车株洲电冯江华；凌岳有效专利永磁同步电机049472100131049力机车研究伦；王征宇；转矩变化率的.84721.所有限公司陈建明；陈慧方法及装置8民；杨洪波；发明专利永磁同步电机中国ZL2015120170ZL201南车株洲冯江华；尚有效专利静态电感参数022360263051022电力机车研敬;许峻峰；的测量方法及.83602.究所有限公肖磊；文宇系统8司良；何亚屏；张朝阳；刘雄发明专利一种干线高速中国ZL2010120150ZL201南车株洲电丁荣军；冯江有效专利车辆的永磁同018448121801018力机车研究华；刘可安；步牵引系统.84481.所有限公司许峻峰；张朝8阳；李益丰；符敏利发明专利永磁同步电机中国ZL2013120150ZL201南车株洲电冯江华；刘可有效专利带速重新投入051209521131051力机车研究安；许峻峰；的控制方法、.02095.所有限公司尚敬；文宇装置及系统0良；何亚屏；张朝阳；刘雄；南永辉；刘华东；肖

磊；郑汉锋发明专利一种永磁同步中国ZL2014120160ZL201南车株洲电冯江华;何亚有效专利电机的电感参082980740641082力机车研究屏；许峻峰；数获取方法及.69807.所有限公司文宇良；尚系统6敬；张朝阳；刘雄；肖磊；石敏发明专利基于永磁同步中国ZL2014120151ZL201南车株洲电冯江华；刘有效专利传动系统的转007866610441007力机车研究可安；尚敬；子位置获取方.98666.所有限公司许峻峰；肖法及装置9磊；张朝阳；文宇良；何亚屏；刘雄发明专利一种永磁体温中国ZZL20160ZZL南车株洲电冯江华；刘春有效专利度在线检测方201410321720141力机车研究秀；符敏利；法和装置07014.803070所有限公司李益丰；许峻14.8峰；陈致初；何思源；李伟业；史文波；辛本雨；罗英露发明专利一种径向式永中国ZL20140ZL浙江大学方攸同、马子有效专利磁同步电机转201210061120121魁、卢琴芬、子结构19622.X00196黄晓艳、马吉22.X恩、张建承、陈威七、 主要完成人情况姓名排名行政职务技术职称工作单位完成单位主要贝献冯江华1总工程师教授级高级工程师中车株洲电力机车研究所有限公司中车株洲电力机车研究所有限公司项目总负责人，制疋总体技术路线和技术方案方攸同2副院长教授浙江大学浙江大学永磁牵引电机结构和电磁方案、永磁牵引系统控制技术许峻峰3主任教授级高级工程师中车株洲电力机车研究所有限公司中车株洲电力机车研究所有限公司永磁牵引系统咼精度电机控制、带速重投技术、无位置控制技术晏才松4所长高级工程师中车株洲电机有限公司中车株洲电机有限公司大功率永磁牵引电机和变压器技术方案黄晓艳5电机系副主任教授浙江大学浙江大学永磁牵引系统咼精度控制、牵引电机电磁方案设计李益丰6首席技术专家教授级高级工程师中车株洲电力机车研究所有限公司中车株洲电力机车研究所有限公司永磁牵引电机磁路结构优化设计、永磁系统方案设计完成人合作关系说明本项目由冯江华、方攸同、许峻峰、晏才松、黄晓艳、李益丰共同完成，其中冯江华、许峻峰、李益丰完成单位为中车株洲电力机车研究所有限公司；方攸同、黄晓艳完成单位是浙江大学；晏才松完成单位为中车株洲电机有限公司。作为国内轨道交通牵引传动控制系统等列车核心装备的主要研发单位，中车株洲电力机车研究所有限公司及其下属株洲中车时代电气股份有限公司长期致力于牵引传动与控制技术的自主创新研发。2003年启动永磁电机及其控制算法基础研究；2004年立项“新能源汽车永磁驱动系统研究”并于2007年应用验证；2006年立项“永磁电传动系统技术研究” 并于2011〜2013年完成技术验证和地铁装车应用；2011年与浙江大学共同参与中车青岛四方机车车辆股份有限公司牵头的国家863计划课题“基于永磁电机的高速列车牵引传动系统”，其中中车青岛四方机车车辆股份有限公司负责列车集成、研制与整车试验评估，浙江大学联合中车株洲电机有限公司完成永磁电机研发与综合试验平台建设并参与永磁牵引系统方案设计，株洲中车时代电气股份有限公司负责牵引变流器研发和牵引系统设计、工程化与工程验证平台建设。2014年高速列车永磁牵引传动系统由株洲中车时代电气股份有限公司、浙江大学和中车株洲电机有限公司联合完成研发，继而在中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的基于永磁电机牵引系统的高速列车上完成列装并通过整车综合试验与性能评估与线路试验考核，2017年该系统通过成果鉴定。本项目完成人均参与该863课题，前五完成人列于成果鉴定项目组名单（附件9.3）；2013年承担湖南省重大科技专项“轨道交通永磁同步牵引系统研制及产业化”和铁路总公司科研开发计划“机车车辆前瞻性技术研究高速动车组永磁同步牵引系统研究”。在本项目承担期间，各完成人分工明确，通力协作。本人作为第一完成人主持永磁牵引系统技术研究，负责制定总体技术路线和技术方案，并组织完成系统装车试验考核；第二完成人方攸同承担永磁牵引电机的结构和电磁方案，参与永磁牵引系统控制技术研究，配合完成高铁装车试验考核；第三完成人许峻峰承担永磁牵引系统高精度电机控制、带速重投技术、无位置控制技术等，配合完成高铁、地铁装车试验考核；第四完成人晏才松承担大功率永磁牵引电机技术方案，参与永磁牵引系统设计，配合完成高铁牵引电机地面组合试验和装车考核；第五完成人黄晓艳承担永磁牵引系统高精度控制，参与永磁电机电磁方案设计，配合完成高铁装车试验考核；第六完成人李益丰承担永磁牵引电机磁路结构优化设计，参与永磁牵引系统方案设计，配合开展地铁永磁电机地面试验和装车考核。本项目承担期间，完成人之间共同立项、共同知识产权、共同应用和共同获奖情况见《完成人合作关系情况汇总表》。承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。第一完成人签名：

完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者合作时间合作成果证明材料备注1.共同立项冯江华（1）、方攸同（2）、许峻峰（3）、晏才松（4）、黄晓艳（5）2011年2月基于永磁电机的高速列车牵引传动系统附件9.3鉴定证书2.共同知识产权冯江