工業(yè)電機：提升轉(zhuǎn)換效率尤為迫切
發(fā)布日期：2020/10/20點擊次數(shù)：1284
電機涉及到方方面面，從發(fā)電，到用電。任何一點電機效率的提高對行業(yè)來講都特別重要。中國是世界上****的電機生產(chǎn)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****地降低損耗，****效率利用能源，高效節(jié)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，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(fā)電機產(chǎn)生的，據(jù)統(tǒng)計，全世界工業(yè)用電動機消耗了總發(fā)電量的30%40%，在我國，超過60%的年發(fā)電量被各種各樣的電動機所消耗，轉(zhuǎn)換為機械動力。
如何****地降低這種自身損耗，****效率利用能源，高效節(jié)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(yè)專心探求數(shù)十年的曲榮海教授用一句話來回答：降低研發(fā)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(wù)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(fā)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(fā)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(dǎo)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(shù)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(shù)學會高級會員，擁有中國、美國、日本、歐盟等10個國家和地區(qū)的發(fā)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(nèi)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(chǎn)業(yè)，讓中國有能力生產(chǎn)出世界頂級電機，徹底擺脫對于國外的技術(shù)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(shù)十年來，曲榮海以高參數(shù)復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)裝置與系統(tǒng)為研究對象，進行多種新型特種電機的設(shè)計與研發(fā)，先后提出了多種新原理和新方法，發(fā)明了多種新型電機拓撲，其研究成果處于國際領(lǐng)先水平，在電磁場耦合機電能量轉(zhuǎn)換理論研究、大型永磁風力發(fā)電機、新型大功率海底永磁電機、高電磁參數(shù)電磁裝置等領(lǐng)域均取得了標志性成果。
而他在電機領(lǐng)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(fā)中心總部，就一鳴驚人地根據(jù)多電磁場耦合機電能量轉(zhuǎn)換原理，發(fā)明了新型高功率密度雙側(cè)(雙轉(zhuǎn)子或雙定子)電機拓撲，并形成了完整的理論和設(shè)計方法。與普通單側(cè)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(qū)式電機向更高功率發(fā)展的障礙。該技術(shù)后來應(yīng)用在了由美國能源部支持的3.5兆瓦永磁直驅(qū)風電機組的研制中，是世界范圍內(nèi)首次將雙側(cè)電機技術(shù)應(yīng)用于風電領(lǐng)域。憑借這項發(fā)明，他榮獲了GE全球研發(fā)中心技術(shù)成就獎，發(fā)表的相關(guān)學術(shù)論文獲得2002年IEEEIAS電機委員會頒發(fā)的****論文獎。
2004年，曲榮海再創(chuàng)新高，發(fā)展了高電磁參數(shù)電磁裝置的設(shè)計和運行理論，發(fā)明了多種超導(dǎo)電機拓撲結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)發(fā)電機是一種采用超導(dǎo)體替代常規(guī)導(dǎo)體制造的電機，由于超導(dǎo)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(fā)電機的功率密度，使發(fā)電機結(jié)構(gòu)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(fā)電機尤為重要。同時，超導(dǎo)發(fā)電機還具有低振動、低噪聲、電壓波形正弦性好等優(yōu)點。
風力發(fā)電機的研發(fā)是提高風電機組技術(shù)水平和核心競爭力的關(guān)鍵。2003至2010年期間，曲榮；陔姶沤Y(jié)構(gòu)與機械傳動結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計原理，成功研發(fā)了多種大型永磁風力發(fā)電機，包括高速、中速和直驅(qū)式永磁發(fā)電機，同時發(fā)明了多種電機拓撲結(jié)構(gòu)、磁鋼保護方法、線圈繞制方法等，并應(yīng)用于實際；在中速發(fā)電機中，曲榮海將變速箱和永磁發(fā)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(shù)是目前世界上風力發(fā)電機領(lǐng)域******的技術(shù)之一，代表著中高速風電機組的重要發(fā)展方向。
在航空及海底電機技術(shù)研究上，高可靠性對于航空電機、海底電機等至關(guān)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(shè)計原理，并將其應(yīng)用于新型高容錯能力航空永磁發(fā)電機和一種新型大功率海底永磁電機的設(shè)計當中。
在他看來，現(xiàn)有的成績并非終點，而只是一種準備，一種為今日所做事業(yè)的必經(jīng)過程。不同的是，過去他是一個人在努力，而現(xiàn)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(zhàn)。
人才建設(shè)，引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新潮
電機涉及到方方面面，從發(fā)電，到用電。任何一點電機效率的提高對行業(yè)來講都特別重要。中國是世界上****的電機生產(chǎn)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(shù)核心的原始創(chuàng)新：我們要做就要做純粹中國血統(tǒng)的，要做就做最好的，當然也是最適應(yīng)中國市場的。這其中最為關(guān)鍵的，還是人才，我國這方面的人才太稀缺了，現(xiàn)在人才梯隊建設(shè)刻不容緩。
為此，2010年8月中組部引進風電領(lǐng)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(yè)，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(lǐng)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(chuàng)新電機技術(shù)研究中心。該中心定位于基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，立足國際科技前沿，以滿足國家重大戰(zhàn)略需求為出發(fā)點，力爭在電機設(shè)計和驅(qū)動控制技術(shù)方面成為世界一流的科技創(chuàng)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(shè)已經(jīng)初具規(guī)模。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，搭建了三個特種電機測試平臺，購置了一系列相關(guān)儀器設(shè)備，為今后的科研課題研究打下了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)；在人才培養(yǎng)方面，他正在培養(yǎng)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(lián)合院系內(nèi)二十多位教師、十多位教授參與課題研發(fā)；在教學方面，針對學生對電機設(shè)計知識的缺乏，計劃開設(shè)一門電機設(shè)計全英語課程，以推動教學質(zhì)量的全面提高；在學術(shù)交流方面，具有長期海外工作經(jīng)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(fā)表學術(shù)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(jié)能電機，爭取早日實現(xiàn)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(yè)理想，也是他從未改變的方向。
對話
問：我國在電機研發(fā)方面，同國際先進技術(shù)相比有哪些方面的差距？對行業(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)達吧，高鐵里的牽引電機也是國產(chǎn)的，但原始技術(shù)卻是進口的。很多的基礎(chǔ)建設(shè)和大型設(shè)備，我們?yōu)槭裁床荒苓M行原始設(shè)計原始創(chuàng)新，一定要從國外引進？特別是一些尖端技術(shù)，在國際上技術(shù)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(xiàn)在我們國家已經(jīng)意識到這個問題的嚴重性，前段時間我看到國務(wù)院一個文件就是加快改進，提高電機的轉(zhuǎn)換效率，這方面已經(jīng)很迫切了。
問：如果國內(nèi)的所有電機技術(shù)能更新，每年能節(jié)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(yè)里無所不在，涉及面太廣。比如變頻空調(diào)技術(shù)，被評為******獎，為什么它能評獎呢，就是因為節(jié)能，那么多空調(diào)都提高5%，能節(jié)省多少？規(guī)模效益，但是空調(diào)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(yè)還有很多事情要做。我現(xiàn)在做的比如牽引電機、風電發(fā)電機、永磁電機和超導(dǎo)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(xiàn)在正在作一個調(diào)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(xiàn)在想做的就是把中國電機行業(yè)的整體水平調(diào)研出來。
問：在目前的研發(fā)過程中，您最重視的是什么？您現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化方面開始進行了嗎？有什么想法？
曲榮海：優(yōu)化。我經(jīng)常說，你買國外設(shè)計，那是對他來說最好的產(chǎn)品，但對你來說不一定是最好的。產(chǎn)品是怎么設(shè)計的，要有很多優(yōu)化。優(yōu)化什么？優(yōu)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(shè)計一個電機，本來一個電機應(yīng)該設(shè)計成直徑大一些，短一些，這樣設(shè)計是最優(yōu)化的，產(chǎn)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(shè)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(jié)果是不同的。所以我們設(shè)計的時候要考慮到很精細的程度，這就是優(yōu)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(chǎn)加工工藝有關(guān)的。我們能加工到1毫米，那就設(shè)計1毫米。如果你設(shè)計的是1毫米，但你加工不了，那就是設(shè)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(shè)計的精打細算，最簡單的理解就是最少投入和****產(chǎn)出。
產(chǎn)業(yè)化目前還沒有，因為我希望先做好技術(shù)，根據(jù)我國的特點設(shè)計出好產(chǎn)品，然后再產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化，這樣才比較有意義。我們現(xiàn)在做的東西，不僅僅是一個發(fā)現(xiàn)，而是一個系統(tǒng)工程，這需要一個過程和時間。
