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[ 來自:不詳  閱讀:   時間:2012.09.14 ]
工業電機:提升轉換效率尤為迫切

  導讀:電機涉及到方方面面,從發電,到用電。任何一點電機效率的提高對行業來講都特別重要。中國是世界上最大的電機生產國,但是中國電機的出口和整體水平,跟國外還有不少的差距,特別是效率和材料消耗方面。要想最大地降低損耗,最大效率利用能源,高效節能電機無疑是最好的選擇。但是由于成本較高,工業電機其市場普及率并不高。面對這個問題,來看專家如何回答。
  
  人類目前使用的絕大部分電能都是由發電機產生的,據統計,全世界工業用電動機消耗了總發電量的30%40%,在我國,超過60%的年發電量被各種各樣的電動機所消耗,轉換為機械動力。
  
  如何最大地降低這種自身損耗,最大效率利用能源,高效節能電機無疑是最好的選擇。但是由于成本較高,其市場普及率并不高。面對這個問題,在電機行業專心探求數十年的曲榮海教授用一句話來回答:降低研發成本,降低材料成本,降低自身能源損耗,提高輸出效率。而這,也正是這位務實專注的科學家一直在做的事情。
  
  心有多大,路有多遠。有些人的人生曲線,注定要與眾不同。
  
  從意氣風發的草原兒郎成為上世紀八十年代的清華驕子,從求學就職十多年的水木清華再到大洋彼岸的美國威斯康辛大學,從讓人夢寐以求的GE研發中心總部高級工程師到華中科技大學教授,他的腳步橫跨了半個地球,但是當你細細察看,每個腳印里都只有四個字:中國電機。
  
  他就是華中科技大學電氣與電子工程學院副院長、博士、博士生導師曲榮海教授,國家千人計劃特聘專家,強磁場工程與新技術國家重點實驗室副主任,IEEE高級會員,IEEE多個會議和期刊審稿人,SigmaXi會員,中國電工技術學會高級會員,擁有中國、美國、日本、歐盟等10個國家和地區的發明專利幾十項盡管有這一長串成就,他卻始終給人一種如沐春風的感覺。走近他,他的儒雅有致、條理分明使得交流都成為一種學習和享受,那枯燥辛苦的科學探求之路也讓他以淺顯風趣的語言娓娓道來
  
  遠渡重洋,漫漫電機探索路
  
  對曲榮海來說,當初深藏內心深厚的清華情緣遠赴美國,只是為了今天的厚重回歸。而這些年來的辛苦求學和科研工作,也都只有一個目標,那就是振興中國電機產業,讓中國有能力生產出世界頂級電機,徹底擺脫對于國外的技術依賴。
  
  在這個過程中,他的努力也為他帶來了一般人難以企及的成就。數十年來,曲榮海以高參數復雜電磁結構裝置與系統為研究對象,進行多種新型特種電機的設計與研發,先后提出了多種新原理和新方法,發明了多種新型電機拓撲,其研究成果處于國際領先水平,在電磁場耦合機電能量轉換理論研究、大型永磁風力發電機、新型大功率海底永磁電機、高電磁參數電磁裝置等領域均取得了標志性成果。
  
  而他在電機領域的探索亦早已顯露出了非凡的天份。早在2003年,曲榮海剛剛進入美國GE公司全球研發中心總部,就一鳴驚人地根據多電磁場耦合機電能量轉換原理,發明了新型高功率密度雙側(雙轉子或雙定子)電機拓撲,并形成了完整的理論和設計方法。與普通單側電機相比,該電機功率密度提高了80%以上,成功排除了大型直驅式電機向更高功率發展的障礙。該技術后來應用在了由美國能源部支持的3.5兆瓦永磁直驅風電機組的研制中,是世界范圍內首次將雙側電機技術應用于風電領域。憑借這項發明,他榮獲了GE全球研發中心技術成就獎,發表的相關學術論文獲得2002年IEEEIAS電機委員會頒發的最佳論文獎。
  
  2004年,曲榮海再創新高,發展了高電磁參數電磁裝置的設計和運行理論,發明了多種超導電機拓撲結構。超導發電機是一種采用超導體替代常規導體制造的電機,由于超導材料中可以流過很大的電流,建立很強的勵磁磁場,因此它能極大地提高發電機的功率密度,使發電機結構更加緊湊,體積和重量顯著降低。值得一提的是,它在非額定負載情況下的效率也較高,這一點對于功率隨風速隨機波動的風力發電機尤為重要。同時,超導發電機還具有低振動、低噪聲、電壓波形正弦性好等優點。
  
  風力發電機的研發是提高風電機組技術水平和核心競爭力的關鍵。2003至2010年期間,曲榮?;陔姶沤Y構與機械傳動結構一體化設計原理,成功研發了多種大型永磁風力發電機,包括高速、中速和直驅式永磁發電機,同時發明了多種電機拓撲結構、磁鋼保護方法、線圈繞制方法等,并應用于實際;在中速發電機中,曲榮海將變速箱和永磁發電機集成一體化,縮短了機組軸向長度,提高了機組效率,顯著降低了機組的制造、運輸和安裝成本。該技術是目前世界上風力發電機領域最先進的技術之一,代表著中高速風電機組的重要發展方向。
  
  在航空及海底電機技術研究上,高可靠性對于航空電機、海底電機等至關重要,對此他提出了一套在惡劣工況下提高電磁裝置可靠性的設計原理,并將其應用于新型高容錯能力航空永磁發電機和一種新型大功率海底永磁電機的設計當中。
  
  
  
  在他看來,現有的成績并非終點,而只是一種準備,一種為今日所做事業的必經過程。不同的是,過去他是一個人在努力,而現在,他正致力于使更多的人對這個學科更加了解、熱愛,與他并肩而戰。
  
  人才建設,引領技術創新潮
  
  電機涉及到方方面面,從發電,到用電。任何一點電機效率的提高對行業來講都特別重要。中國是世界上最大的電機生產國,但是中國電機的出口和整體水平,跟國外還有不少的差距,特別是效率和材料消耗方面。
  
  整個采訪過程中,他提到最多的是技術核心的原始創新:我們要做就要做純粹中國血統的,要做就做最好的,當然也是最適應中國市場的。這其中最為關鍵的,還是人才,我國這方面的人才太稀缺了,現在人才梯隊建設刻不容緩。
  
  為此,2010年8月中組部引進風電領域千人計劃向他拋出橄欖枝時,他立即放下蒸蒸日上的事業,離開在美國的妻子和求學的孩子,孤身飛回祖國,全職加入華中科技大學電氣與電子工程學院。作為領軍人,曲榮海依托華中科技大學電氣與電子工程學院,于2011年9月正式成立華中科技大學創新電機技術研究中心。該中心定位于基礎和應用研究,立足國際科技前沿,以滿足國家重大戰略需求為出發點,力爭在電機設計和驅動控制技術方面成為世界一流的科技創新研究平臺。
  
  僅僅兩年的時間,在學院支持和他的個人努力之下,中心的建設已經初具規模。在基礎設施方面,搭建了三個特種電機測試平臺,購置了一系列相關儀器設備,為今后的科研課題研究打下了必要的物質基礎;在人才培養方面,他正在培養十位碩士、八位博士研究生和一位博士后,同時正在引進海外電機人才,包括一名國家青年千人計劃專家、一名湖北省特聘專家等,并積極聯合院系內二十多位教師、十多位教授參與課題研發;在教學方面,針對學生對電機設計知識的缺乏,計劃開設一門電機設計全英語課程,以推動教學質量的全面提高;在學術交流方面,具有長期海外工作經歷的他充分利用國際資源,開展了多次交流活動,包括邀請國外著名教授來訪考察、參加頂尖國際會議、受邀至國外高校發表學術報告等。
  
  有夢想,才有可能成功!這些具體的工作,可謂繁重龐雜,但曲榮海卻樂在其中,因為,他離自己的夢想更近了。
  
  做最好的新型高效節能電機,爭取早日實現中國從電機大國向電機強國的跨越!,這看似口號的一句話卻在曲海榮心中響了二十多年。對當年那個青澀的清華學子來說,這也許只是一個夢想,如今,卻已然成為他的事業理想,也是他從未改變的方向。
  
  對話
  
  問:我國在電機研發方面,同國際先進技術相比有哪些方面的差距?對行業影響有多大?
  
  曲榮海:就中小型異步電機來說,跟國外的比,我國一個同等性能的電機多用10%20%的材料,而中國的產量每年大約有1.3億千瓦,僅此一項每年就浪費了約10億多元??墒俏覀冑u的價格還相對低,這樣利潤就會降低很多。我國的中小型電機的效率平均大約89%,而高效電機的效率平均可達94%,我國因此每年多耗電530億多千瓦時。這還只是大眾產品,雖然成本很高但還能做出來,還有很多是做不出來的。比如說中國的高鐵很發達吧,高鐵里的牽引電機也是國產的,但原始技術卻是進口的。很多的基礎建設和大型設備,我們為什么不能進行原始設計原始創新,一定要從國外引進?特別是一些尖端技術,在國際上技術都是封鎖的,我們又該怎么辦?這個問題困惑了我很多年,也激勵了我很多年。
  
  好在現在我們國家已經意識到這個問題的嚴重性,前段時間我看到國務院一個文件就是加快改進,提高電機的轉換效率,這方面已經很迫切了。
  
  問:如果國內的所有電機技術能更新,每年能節約多少能源?
  
  曲榮海:如果都能提高一點,哪怕1%,那全國的整體效益非常大。很多人認為,電機就是個器械,我買了用就行,大家沒有在意,也許你的電機多花了15%,多花點錢,不在意。但大家沒意識到電機在中國的工業里無所不在,涉及面太廣。比如變頻空調技術,被評為國家級獎,為什么它能評獎呢,就是因為節能,那么多空調都提高5%,能節省多少?規模效益,但是空調這種的電機在所有電機里占的還是很小的一部分。我國中小型電機因為效率問題,每年多耗電530億多千瓦時,浪費相當驚人,任何運動的東西沒有不用到電機的,所以這個行業還有很多事情要做。我現在做的比如牽引電機、風電發電機、永磁電機和超導電機、伺服電機等,這幾個方向都是比較熱門的,也有很多的工作要做。
  
  我現在正在作一個調研報告,各種電機和國際標準差多少,然后材料浪費了多少,但這個想做詳細、準確了很難,需要很多方面的支持。我現在想做的就是把中國電機行業的整體水平調研出來。
  
  問:在目前的研發過程中,您最重視的是什么?您現在產業化方面開始進行了嗎?有什么想法?
  

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  曲榮海:優化。我經常說,你買國外設計,那是對他來說最好的產品,但對你來說不一定是最好的。產品是怎么設計的,要有很多優化。優化什么?優化的目標是什么?
  
  首先,在滿足功能的情況下,盡量降低重量和成本。比如說,我們設計一個電機,本來一個電機應該設計成直徑大一些,短一些,這樣設計是最優化的,產品最輕,用料最少。但是國外的高速公路只能運輸4米的長度,那運輸成本就漲上去了。對比一下,還不如設計成細一點長一點,運輸成本能降低很多,整體成本也會下降。在中國可能是4.2米,也可能是3.8米,這個結果是不同的。所以我們設計的時候要考慮到很精細的程度,這就是優化。
  
  功能做到了,還有很多東西要細化。比如具體到每一個尺寸,做到什么程度,是和生產加工工藝有關的。我們能加工到1毫米,那就設計1毫米。如果你設計的是1毫米,但你加工不了,那就是設計得不好,不實用,就是一種浪費。在這方面,我們一定要有做設計的精打細算,最簡單的理解就是最少投入和最大產出。
  
  產業化目前還沒有,因為我希望先做好技術,根據我國的特點設計出好產品,然后再產業化。好的東西做出來是不愁市場的。目前來講,需要項目出來了再去產業化,這樣才比較有意義。我們現在做的東西,不僅僅是一個發現,而是一個系統工程,這需要一個過程和時間。(工業電機:提升轉換效率尤為迫切)


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