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Chris Gerada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
2015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
2016年中国发明专利⾦奖：⼀种电机端盖和⼀种电机
2017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Chris Gerada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：“A combined model of using dynamic reluctance mesh model and Simulink has been proposed for the design of high speed railway traction motor，A prototype has been manufactured and the testing results confirmed the efficiency has been increased 4%”。
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
七、主要完成⼈情况
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
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