工業(yè)電機(jī)：提升轉(zhuǎn)換效率尤為迫切

　　電機(jī)涉及到方方面面，從發(fā)電，到用電。任何一點(diǎn)電機(jī)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(jī)生產(chǎn)國，但是中國電機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)產(chǎn)生的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界工業(yè)用電動機(jī)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(jī)所消耗，轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jī)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(gè)問題，在電機(jī)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(shí)專注的科學(xué)家一直在做的事情。
　　心有多大，路有多遠(yuǎn)。有些人的人生曲線，注定要與眾不同。
　　從意氣風(fēng)發(fā)的草原兒郎成為上世紀(jì)八十年代的清華驕子，從求學(xué)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(xué)，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(xué)教授，他的腳步橫跨了半個(gè)地球，但是當(dāng)你細(xì)細(xì)察看，每個(gè)腳印里都只有四個(gè)字：中國電機(jī)。
　　他就是華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副院長、博士、博士生導(dǎo)師曲榮海教授，國家千人計(jì)劃特聘專家，強(qiáng)磁場工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，IEEE高級會員，IEEE多個(gè)會議和期刊審稿人，SigmaXi會員，中國電工技術(shù)學(xué)會高級會員，擁有中國、美國、日本、歐盟等10個(gè)國家和地區(qū)的發(fā)明專利幾十項(xiàng)盡管有這一長串成就，他卻始終給人一種如沐春風(fēng)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(xué)習(xí)和享受，那枯燥辛苦的科學(xué)探求之路也讓他以淺顯風(fēng)趣的語言娓娓道來
　　遠(yuǎn)渡重洋，漫漫電機(jī)探索路
　　對曲榮海來說，當(dāng)初深藏內(nèi)心深厚的清華情緣遠(yuǎn)赴美國，只是為了今天的厚重回歸。而這些年來的辛苦求學(xué)和科研工作，也都只有一個(gè)目標(biāo)，那就是振興中國電機(jī)產(chǎn)業(yè)，讓中國有能力生產(chǎn)出世界頂級電機(jī)，徹底擺脫對于國外的技術(shù)依賴。
　　在這個(gè)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(jìn)行多種新型特種電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)拓?fù)?，其研究成果處于國際領(lǐng)先水平，在電磁場耦合機(jī)電能量轉(zhuǎn)換理論研究、大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、新型大功率海底永磁電機(jī)、高電磁參數(shù)電磁裝置等領(lǐng)域均取得了標(biāo)志性成果。
　　而他在電機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)拓?fù)?，并形成了完整的理論和設(shè)計(jì)方法。與普通單側(cè)電機(jī)相比，該電機(jī)功率密度提高了80%以上，成功排除了大型直驅(qū)式電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的研制中，是世界范圍內(nèi)首次將雙側(cè)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。憑借這項(xiàng)發(fā)明，他榮獲了GE全球研發(fā)中心技術(shù)成就獎(jiǎng)，發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文獲得2002年IEEEIAS電機(jī)委員會頒發(fā)的****論文獎(jiǎng)。
　　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(jì)和運(yùn)行理論，發(fā)明了多種超導(dǎo)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)是一種采用超導(dǎo)體替代常規(guī)導(dǎo)體制造的電機(jī)，由于超導(dǎo)材料中可以流過很大的電流，建立很強(qiáng)的勵(lì)磁磁場，因此它能極大地提高發(fā)電機(jī)的功率密度，使發(fā)電機(jī)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(fù)載情況下的效率也較高，這一點(diǎn)對于功率隨風(fēng)速隨機(jī)波動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為重要。同時(shí)，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)還具有低振動、低噪聲、電壓波形正弦性好等優(yōu)點(diǎn)。
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研發(fā)是提高風(fēng)電機(jī)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(jī)械傳動結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)原理，成功研發(fā)了多種大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括高速、中速和直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，同時(shí)發(fā)明了多種電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、磁鋼保護(hù)方法、線圈繞制方法等，并應(yīng)用于實(shí)際；在中速發(fā)電機(jī)中，曲榮海將變速箱和永磁發(fā)電機(jī)集成一體化，縮短了機(jī)組軸向長度，提高了機(jī)組效率，顯著降低了機(jī)組的制造、運(yùn)輸和安裝成本。該技術(shù)是目前世界上風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域******的技術(shù)之一，代表著中高速風(fēng)電機(jī)組的重要發(fā)展方向。
　　在航空及海底電機(jī)技術(shù)研究上，高可靠性對于航空電機(jī)、海底電機(jī)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(jì)原理，并將其應(yīng)用于新型高容錯(cuò)能力航空永磁發(fā)電機(jī)和一種新型大功率海底永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。
　　
　　在他看來，現(xiàn)有的成績并非終點(diǎn)，而只是一種準(zhǔn)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(gè)人在努力，而現(xiàn)在，他正致力于使更多的人對這個(gè)學(xué)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(jī)涉及到方方面面，從發(fā)電，到用電。任何一點(diǎn)電機(jī)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(jī)生產(chǎn)國，但是中國電機(jī)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(gè)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(dāng)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(duì)建設(shè)刻不容緩。
　　為此，2010年8月中組部引進(jìn)風(fēng)電領(lǐng)域千人計(jì)劃向他拋出橄欖枝時(shí)，他立即放下蒸蒸日上的事業(yè)，離開在美國的妻子和求學(xué)的孩子，孤身飛回祖國，全職加入華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院。作為領(lǐng)軍人，曲榮海依托華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，于2011年9月正式成立華中科技大學(xué)創(chuàng)新電機(jī)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(diǎn)，力爭在電機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)間，在學(xué)院支持和他的個(gè)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(gè)特種電機(jī)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(shí)正在引進(jìn)海外電機(jī)人才，包括一名國家青年千人計(jì)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(xué)方面，針對學(xué)生對電機(jī)設(shè)計(jì)知識的缺乏，計(jì)劃開設(shè)一門電機(jī)設(shè)計(jì)全英語課程，以推動教學(xué)質(zhì)量的全面提高；在學(xué)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(xué)術(shù)報(bào)告等?！　?br /> 　　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?yàn)?，他離自己的夢想更近了。
　　做最好的新型高效節(jié)能電機(jī)，爭取早日實(shí)現(xiàn)中國從電機(jī)大國向電機(jī)強(qiáng)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(dāng)年那個(gè)青澀的清華學(xué)子來說，這也許只是一個(gè)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(jī)研發(fā)方面，同國際先進(jìn)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(jī)來說，跟國外的比，我國一個(gè)同等性能的電機(jī)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(xiàng)每年就浪費(fèi)了約10億多元?？墒俏覀冑u的價(jià)格還相對低，這樣利潤就會降低很多。我國的中小型電機(jī)的效率平均大約89%，而高效電機(jī)的效率平均可達(dá)94%，我國因此每年多耗電530億多千瓦時(shí)。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(dá)吧，高鐵里的牽引電機(jī)也是國產(chǎn)的，但原始技術(shù)卻是進(jìn)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(jìn)行原始設(shè)計(jì)原始創(chuàng)新，一定要從國外引進(jìn)？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(gè)問題困惑了我很多年，也激勵(lì)了我很多年。
　　好在現(xiàn)在我們國家已經(jīng)意識到這個(gè)問題的嚴(yán)重性，前段時(shí)間我看到國務(wù)院一個(gè)文件就是加快改進(jìn)，提高電機(jī)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(jī)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(diǎn)，哪怕1%，那全國的整體效益非常大。很多人認(rèn)為，電機(jī)就是個(gè)器械，我買了用就行，大家沒有在意，也許你的電機(jī)多花了15%，多花點(diǎn)錢，不在意。但大家沒意識到電機(jī)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(jiǎng)，為什么它能評獎(jiǎng)呢，就是因?yàn)楣?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(jī)在所有電機(jī)里占的還是很小的一部分。我國中小型電機(jī)因?yàn)樾蕟栴}，每年多耗電530億多千瓦時(shí)，浪費(fèi)相當(dāng)驚人，任何運(yùn)動的東西沒有不用到電機(jī)的，所以這個(gè)行業(yè)還有很多事情要做。我現(xiàn)在做的比如牽引電機(jī)、風(fēng)電發(fā)電機(jī)、永磁電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)、伺服電機(jī)等，這幾個(gè)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(gè)調(diào)研報(bào)告，各種電機(jī)和國際標(biāo)準(zhǔn)差多少，然后材料浪費(fèi)了多少，但這個(gè)想做詳細(xì)、準(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(jì)，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(jì)的，要有很多優(yōu)化。優(yōu)化什么？優(yōu)化的目標(biāo)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(jì)一個(gè)電機(jī)，本來一個(gè)電機(jī)應(yīng)該設(shè)計(jì)成直徑大一些，短一些，這樣設(shè)計(jì)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(yùn)輸4米的長度，那運(yùn)輸成本就漲上去了。對比一下，還不如設(shè)計(jì)成細(xì)一點(diǎn)長一點(diǎn)，運(yùn)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(gè)結(jié)果是不同的。所以我們設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到很精細(xì)的程度，這就是優(yōu)化。
　　功能做到了，還有很多東西要細(xì)化。比如具體到每一個(gè)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(jì)1毫米。如果你設(shè)計(jì)的是1毫米，但你加工不了，那就是設(shè)計(jì)得不好，不實(shí)用，就是一種浪費(fèi)。在這方面，我們一定要有做設(shè)計(jì)的精打細(xì)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?yàn)槲蚁Ｍ茸龊眉夹g(shù)，根據(jù)我國的特點(diǎn)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(gè)發(fā)現(xiàn)，而是一個(gè)系統(tǒng)工程，這需要一個(gè)過程和時(shí)間。