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工业电机:提升转换效率尤为迫切

行业上下游中国仪表网2012年09月06日 09:30人气:25929

  导读:电机涉及到方方面面,从发电,到用电。任何一点电机效率的提高对行业来讲都特别重要。中国是世界上最大的电机生产国,但是中国电机的出口和整体水平,跟国外还有不少的差距,特别是效率和材料消耗方面。要想最大地降低损耗,最大效率利用能源,高效节能电机无疑是最好的选择。但是由于成本较高,其市场普及率并不高。面对这个问题,来看专家如何回答。
  
  人类目前使用的绝大部分电能都是由发电机产生的,据统计,全世界工业用电动机消耗了总发电量的30%—40%,在我国,超过60%的年发电量被各种各样的电动机所消耗,转换为机械动力。
  
  如何最大地降低这种自身损耗,最大效率利用能源,高效节能电机无疑是最好的选择。但是由于成本较高,其市场普及率并不高。面对这个问题,在电机行业专心探求数十年的曲荣海教授用一句话来回答:“降低研发成本,降低材料成本,降低自身能源损耗,提高输出效率”。而这,也正是这位务实专注的科学家一直在做的事情。
  
  “心有多大,路有多远。”有些人的人生曲线,注定要与众不同。
  
  从意气风发的草原儿郎成为上世纪八十年代的清华骄子,从求学就职十多年的水木清华再到大洋彼岸的美国威斯康辛大学,从让人梦寐以求的GE研发中心总部高级工程师到华中科技大学教授,他的脚步横跨了半个地球,但是当你细细察看,每个脚印里都只有四个字:中国电机。
  
  他就是华中科技大学电气与电子工程学院副院长、博士、博士生导师曲荣海教授,国家“千人计划”特聘专家,强磁场工程与新技术国家重点实验室副主任,IEEE高级会员,IEEE多个会议和期刊审稿人,SigmaXi会员,中国电工技术学会高级会员,拥有中国、美国、日本、欧盟等10个国家和地区的发明专利几十项……尽管有这一长串成就,他却始终给人一种如沐春风的感觉。走近他,他的儒雅有致、条理分明使得交流都成为一种学习和享受,那枯燥辛苦的科学探求之路也让他以浅显风趣的语言娓娓道来
  
  远渡重洋,漫漫电机探索路
  
  对曲荣海来说,当初深藏内心深厚的清华情缘远赴美国,只是为了今天的厚重回归。而这些年来的辛苦求学和科研工作,也都只有一个目标,那就是振兴中国电机产业,让中国有能力生产出世界顶级电机,彻底摆脱对于国外的技术依赖。
  
  在这个过程中,他的努力也为他带来了一般人难以企及的成就。数十年来,曲荣海以高参数复杂电磁结构装置与系统为研究对象,进行多种新型特种电机的设计与研发,先后提出了多种新原理和新方法,发明了多种新型电机拓扑,其研究成果处于国际领先水平,在电磁场耦合机电能量转换理论研究、大型永磁风力发电机、新型大功率海底永磁电机、高电磁参数电磁装置等领域均取得了标志性成果。
  
  而他在电机领域的探索亦早已显露出了非凡的天份。早在2003年,曲荣海刚刚进入美国GE公司全球研发中心总部,就一鸣惊人地根据多电磁场耦合机电能量转换原理,发明了新型高功率密度双侧(双转子或双定子)电机拓扑,并形成了完整的理论和设计方法。与普通单侧电机相比,该电机功率密度提高了80%以上,成功排除了大型直驱式电机向更高功率发展的障碍。该技术后来应用在了由美国能源部支持的3.5兆瓦永磁直驱风电机组的研制中,是世界范围内首次将双侧电机技术应用于风电领域。凭借这项发明,他荣获了GE全球研发中心技术成就奖,发表的相关学术论文获得2002年IEEEIAS电机委员会颁发的最佳论文奖。
  
  2004年,曲荣海再创新高,发展了高电磁参数电磁装置的设计和运行理论,发明了多种超导电机拓扑结构。超导发电机是一种采用超导体替代常规导体制造的电机,由于超导材料中可以流过很大的电流,建立很强的励磁磁场,因此它能极大地提高发电机的功率密度,使发电机结构更加紧凑,体积和重量显著降低。值得一提的是,它在非额定负载情况下的效率也较高,这一点对于功率随风速随机波动的风力发电机尤为重要。同时,超导发电机还具有低振动、低噪声、电压波形正弦性好等优点。
  
  风力发电机的研发是提高风电机组技术水平和核心竞争力的关键。2003至2010年期间,曲荣海基于电磁结构与机械传动结构一体化设计原理,成功研发了多种大型永磁风力发电机,包括高速、中速和直驱式永磁发电机,同时发明了多种电机拓扑结构、磁钢保护方法、线圈绕制方法等,并应用于实际;在中速发电机中,曲荣海将变速箱和永磁发电机集成一体化,缩短了机组轴向长度,提高了机组效率,显著降低了机组的制造、运输和安装成本。该技术是目前世界上风力发电机领域最先进的技术之一,代表着中高速风电机组的重要发展方向。
  
  在航空及海底电机技术研究上,高可靠性对于航空电机、海底电机等至关重要,对此他提出了一套在恶劣工况下提高电磁装置可靠性的设计原理,并将其应用于新型高容错能力航空永磁发电机和一种新型大功率海底永磁电机的设计当中。
  
  ……
  
  在他看来,现有的成绩并非终点,而只是一种准备,一种为今日所做事业的必经过程。不同的是,过去他是一个人在努力,而现在,他正致力于使更多的人对这个学科更加了解、热爱,与他并肩而战。
  
  人才建设,引领技术创新潮
  
  “电机涉及到方方面面,从发电,到用电。任何一点电机效率的提高对行业来讲都特别重要。中国是世界上最大的电机生产国,但是中国电机的出口和整体水平,跟国外还有不少的差距,特别是效率和材料消耗方面。”
  
  整个采访过程中,他提到最多的是技术核心的原始创新:“我们要做就要做纯粹中国血统的,要做就做最好的,当然也是最适应中国市场的。这其中最为关键的,还是人才,我国这方面的人才太稀缺了,现在人才梯队建设刻不容缓。”
  
  为此,2010年8月中组部引进风电领域“千人计划”向他抛出橄榄枝时,他立即放下蒸蒸日上的事业,离开在美国的妻子和求学的孩子,孤身飞回祖国,全职加入华中科技大学电气与电子工程学院。作为领军人,曲荣海依托华中科技大学电气与电子工程学院,于2011年9月正式成立华中科技大学创新电机技术研究中心。该中心定位于基础和应用研究,立足国际科技前沿,以满足国家重大战略需求为出发点,力争在电机设计和驱动控制技术方面成为世界一流的科技创新研究平台。
  
  仅仅两年的时间,在学院支持和他的个人努力之下,中心的建设已经初具规模。在基础设施方面,搭建了三个特种电机测试平台,购置了一系列相关仪器设备,为今后的科研课题研究打下了必要的物质基础;在人才培养方面,他正在培养十位硕士、八位博士研究生和一位博士后,同时正在引进海外电机人才,包括一名国家“青年千人计划”专家、一名湖北省特聘专家等,并积极联合院系内二十多位教师、十多位教授参与课题研发;在教学方面,针对学生对电机设计知识的缺乏,计划开设一门电机设计全英语课程,以推动教学质量的全面提高;在学术交流方面,具有长期海外工作经历的他充分利用国际资源,开展了多次交流活动,包括邀请国外著名教授来访考察、参加顶尖国际会议、受邀至国外高校发表学术报告等。
  
  有梦想,才有可能成功!这些具体的工作,可谓繁重庞杂,但曲荣海却乐在其中,因为,他离自己的梦想更近了。
  
  “做最好的新型高效节能电机,争取早日实现中国从电机大国向电机强国的跨越!”,这看似口号的一句话却在曲海荣心中响了二十多年。对当年那个青涩的清华学子来说,这也许只是一个梦想,如今,却已然成为他的事业理想,也是他从未改变的方向。
  
  对话
  
  问:我国在电机研发方面,同国际先进技术相比有哪些方面的差距?对行业影响有多大?
  
  曲荣海:就中小型异步电机来说,跟国外的比,我国一个同等性能的电机多用10%—20%的材料,而中国的产量每年大约有1.3亿千瓦,仅此一项每年就浪费了约10亿多元。可是我们卖的价格还相对低,这样利润就会降低很多。我国的中小型电机的效率平均大约89%,而高效电机的效率平均可达94%,我国因此每年多耗电530亿多千瓦时。这还只是大众产品,虽然成本很高但还能做出来,还有很多是做不出来的。比如说中国的高铁很发达吧,高铁里的牵引电机也是国产的,但原始技术却是进口的。很多的基础建设和大型设备,我们为什么不能进行原始设计原始创新,一定要从国外引进?特别是一些尖端技术,在国际上技术都是封锁的,我们又该怎么办?这个问题困惑了我很多年,也激励了我很多年。
  
  好在现在我们国家已经意识到这个问题的严重性,前段时间我看到国务院一个文件就是加快改进,提高电机的转换效率,这方面已经很迫切了。
  
  问:如果国内的所有电机技术能更新,每年能节约多少能源?
  
  曲荣海:如果都能提高一点,哪怕1%,那全国的整体效益非常大。很多人认为,电机就是个器械,我买了用就行,大家没有在意,也许你的电机多花了15%,多花点钱,不在意。但大家没意识到电机在中国的工业里无所不在,涉及面太广。比如变频空调技术,被评为国家级奖,为什么它能评奖呢,就是因为节能,那么多空调都提高5%,能节省多少?规模效益,但是空调这种的电机在所有电机里占的还是很小的一部分。我国中小型电机因为效率问题,每年多耗电530亿多千瓦时,浪费相当惊人,任何运动的东西没有不用到电机的,所以这个行业还有很多事情要做。我现在做的比如牵引电机、风电发电机、永磁电机和超导电机、伺服电机等,这几个方向都是比较热门的,也有很多的工作要做。
  
  我现在正在作一个调研报告,各种电机和国际标准差多少,然后材料浪费了多少,但这个想做详细、准确了很难,需要很多方面的支持。我现在想做的就是把中国电机行业的整体水平调研出来。
  
  问:在目前的研发过程中,您最重视的是什么?您现在产业化方面开始进行了吗?有什么想法?
  
  曲荣海:优化。我经常说,你买国外设计,那是对他来说最好的产品,但对你来说不一定是最好的。产品是怎么设计的,要有很多优化。优化什么?优化的目标是什么?
  
  首先,在满足功能的情况下,尽量降低重量和成本。比如说,我们设计一个电机,本来一个电机应该设计成直径大一些,短一些,这样设计是最优化的,产品最轻,用料最少。但是国外的高速公路只能运输4米的长度,那运输成本就涨上去了。对比一下,还不如设计成细一点长一点,运输成本能降低很多,整体成本也会下降。在中国可能是4.2米,也可能是3.8米,这个结果是不同的。所以我们设计的时候要考虑到很精细的程度,这就是优化。
  
  功能做到了,还有很多东西要细化。比如具体到每一个尺寸,做到什么程度,是和生产加工工艺有关的。我们能加工到1毫米,那就设计1毫米。如果你设计的是1毫米,但你加工不了,那就是设计得不好,不实用,就是一种浪费。在这方面,我们一定要有做设计的精打细算,最简单的理解就是最少投入和最大产出。
  
  产业化目前还没有,因为我希望先做好技术,根据我国的特点设计出好产品,然后再产业化。好的东西做出来是不愁市场的。目前来讲,需要项目出来了再去产业化,这样才比较有意义。我们现在做的东西,不仅仅是一个发现,而是一个系统工程,这需要一个过程和时间。
(本文来源:科技日报 转载请注明出处
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