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来源:党委宣传部

万博manbetx官网稀土永磁电机的研究始于20世纪70年代末,蒋宗荣、李钟明、刘卫国等一批献身我国稀土永磁电机事业的教授们,敢为人先,艰苦奋斗,为我国稀土永磁电机的发展做出了重大贡献。

我国航空稀土永磁电机的创始人——蒋宗荣

蒋宗荣教授开创了我国航空稀土永磁电机研究领域的先河,主持研制成功了我国第一台航空稀土永磁发电机,并在无人机上得到应用。他发明了自起动稀土永磁同步电动机,并实现产业化,先后荣获3项国家级奖。1994年他在全国科技大会上受到党和国家领导人的亲切接见。

1924年5月,蒋宗荣出生在浙江奉化。1949年毕业于上海大同大学电机系。在大同大学学习期间,年轻的蒋宗荣积极参加爱国学生运动,作为热血青年迎接了上海的解放。同年,他又进入华东人民革命大学学习(这是一所军事院校),参加了共产主义青年团,并担任组织委员、支部书记,走上了革命道路。

1950年,蒋宗荣在山东博山电厂从事火力发电工作。1953年4月,他加入中国共产党。1954年4月,被调入中国人民解放军军事工程学院(简称哈军工)空军工程系任教。1962年蒋宗荣被国防部任命为学院一系一〇七教研室副主任,曾授大尉军衔,从事航空电机学教育及教材编写工作。编著出版了全国第一本航空电机学教材,由国防出版社发行,是全国统编教材。同时还编著了航空特种电机学,由哈军工出版社出版。

1957年,帝国主义对新中国进行物资封锁,生产电机用的矽钢片十分紧缺,蒋宗荣就用普通铁皮代替。他带领学员在暑假期间生产了500台电动机,测试合格并投放市场,解决了国家急需。在国庆十周年的时候,北京军事博物馆成立,哈军工以蒋宗荣这个电机作为学生勤工俭学的代表作品展出,获得军委科技创新二等奖,并授予三等功奖励。

1958年,中央军委提出“建国十周年向党献礼”,要求研制达到2.5倍音速战斗机,技术条件要求极高。该飞机由哈军工承担设计,航空工业部门负责生产,型号为“东风113”。当时,哈军工决定空军工程系负责总体设计,特设专科(一系三科)负责电气设备的设计。蒋宗荣研制组承担了航空电机、自动驾驶仪及各种仪表设备的研究任务,时间紧迫且要保密。当时空军工程系决定一、二、三期学员全部停课,投入到设计任务中。经日夜赶制,到国庆前,完成草图三千余张,由蒋宗荣等带队奔赴212厂、115厂以及242厂等国防工厂进行研制。

在“东风113”任务攻关过程中,蒋宗荣研制组深刻了解到科研设计任务有多么艰巨。它不仅仅是纸上的设计,更重要的是生产出合格产品,要达到要求性能指标,才算完成任务。只有初步航空知识的人,要想设计出世界最先进的飞机是一种空想。带到工厂的三千多张图纸,经工厂设计人员及加工师傅审阅后,认为无法生产。因为没有工艺要求,以及材料性能说明,不能作为加工图纸,只能全部推倒重来。上级要求1959年元旦前完成合格图纸设计,五一前拿出样机。全体同志日以继夜、奋不顾身才完成部分合格图纸,开始投入生产。

“东风113”研制过程中,其艰苦程度无法言表。辟如设计任务要求飞行速度达到2.5倍音速,当时还没有这个概念,后来才知道它相当于子弹出枪口的速度。在这样的速度下机身表面与空气摩擦产生的温度达上千度,当时也根本没有制造这种飞机的材料,更不要说飞机发动机了。飞机电气设备用的绝缘材料更是无法满足要求,当时一般用的绝缘材料只能耐200℃以下的温度。为此,研制组请中科院研究制造出耐高温材料。

经中科院研究后回答:制造这种材料需要特种金属“镝”。哈军工当时无法解决这个问题,他们只有向陈赓院长提出。陈院长了解情况后说:“这只有找周总理解决”,同时要求蒋宗荣写一份报告,由他去找周总理。为了便于说明情况,空军工程系主任唐铎少将要求蒋宗荣一同去。决定在星期天早晨6点以前到达陈院长家,一起去中南海。到总理家走侧门进屋后,陈院长独自先进去向周总理请示。一会儿陈院长出来说:“总理批了”,大家都很高兴。在回来的路上,陈院长笑着说:“总理习惯晚上办公,星期天更是如此,所以星期天一大早去找他是最好时机。总理看了后说所要材料只能部分解决,批后就给我了。”听后大家都笑了,从此事大家也深受教育。蒋宗荣当时想:中央首长为国家大事以日夜操劳,这么一件小事还得亲自过问,而我们作为一名普通工作人员,还有什么事情不能做好的呢?还有什么事情可以抱怨的呢!

后来,拿到总理的批示,材料部的同志看了后说:“这种材料全国只有十几公斤,你们要二十公斤,全给你也不够啊!”蒋宗荣听后想:“我们这个方案还不够成熟,即便拿到材料也不一定研制成功,实在下不了手。”于是,他没有拿材料就转身回来了。随后大家仔细分析认为:既然耐高热材料难以解决,就从降温方面想办法。飞机一般飞行在高空同温层上,大气温度-50℃,将所有电气设备尽量放置在机舱内,不接触大气,就没有散热问题了。但航空发电机要与发动机对接,发动机周边温度很高,并且考虑到空气摩擦,所以对发电机的温度控制必须认真分析研究。后经大家讨论,打算采用短时间喷水冷却的方案。因为飞机2.5倍音速飞行只是在追敌机时的几分钟内用上,所以只要在飞机达二倍半音速前向电机喷几公斤水,就可以保证电机表面不会产生高温。这一方案,后来在超音速飞机上正式被采用,所谓水冷或双水内冷等冷却方式,都是起源于这个方案。

由于种种原因,“东风113”最终没有研制成功。但是局部设计成果对以后的设计产生了启迪作用。比如蒋宗荣研究组的喷水冷却航空发电机、无接触式陀螺马达、空心杯转子伺服电动机以及自整角机等,对后来的科研工作产生了重要的启示作用。经历这个项目,蒋宗荣研究组深深感受到,没有科学依据的空想是不可能成功的,这也是一个教训。但同时也表明哈军工为党和国家的需要勇于创新、不怕困难、勇往直前的精神,是值得发扬和传承的,这后来的教学和科研工作中也得到了充分的发挥。

1961年以后,蒋宗荣研究组都回到“哈军工”进行教学和科研工作。空军工程系也进一步加强了航空电机教研室建设,建立了航空特种电机实验室和计算机房,先后招收了7名研究生,并开设了航空电机学、航空特种电机学等课程。另外,蒋宗荣研究组还承担了一些国家重点科研项目,经过艰苦公关,通过了有关项目的技术鉴定。

1967年美国发现第一代稀土永磁钐钴永磁,引起了国内外磁学界和电机界的极大关注,但由于稀土钐钴永磁价格昂贵,研究开发重点主要是航空、航天用电机的高科技领域。自从发现了稀土永磁后,磁铁的磁能积提高了几倍,十几倍,甚至几十倍,利用稀土永磁生产电机成为可能。稀土永磁同步发电机与传统的电励磁电机相比,体积小、重量轻,不需要集电环和电刷装置,结构简单,减少了故障率。我国的稀土资源丰富,据当时报道,蕴藏量占全世界80%以上,自此蒋宗荣认为稀土永磁电机在我国具有得天独厚的优势,决心从事稀土永磁电机的研究,并把它作为个人终身的奋斗目标。

1969年3月“珍宝岛自卫反击战”后,中苏对立加剧、全国备战,哈尔滨已处于战争前线。因此,国务院、中央军委决定哈尔滨工程学院解散,电子工程系、导弹工程系及计算机工程系等主体部分南迁长沙,更名为长沙工学院,船舶工程系等独立成为学院,而航空工程系内迁西安,并入万博manbetx官网,此后,蒋宗荣成为西工大教师。

蒋宗荣教授大胆尝试用稀土钐钴永磁,成为国内最早研究航空稀土电机方面的专家,不仅提高了电机的各项性能指标,还有效地减少了电机的体积重量。美国在1975年研制出15KVA三相500Hz的稀土永磁航空发电机,1982年蒋宗荣教授课题组研制成功了3KVA三相400Hz的稀土永磁航空发电机,这是国内第一台航空稀土永磁发电机,获得了航空工业部“科技进步三等奖”。

1983年,日本和美国成功研制出第三代稀土永磁磁钢钕铁硼,磁性能高于其它永磁材料,而价格只有钐钴永磁材料的三分之一,使得稀土永磁电机的应用和走向民品成为可能。那个时候,普通异步电机效率只有百分之七八十,而稀土永磁电机效率在百分之九十上,如果全国稀土电机,可以节约大量能源。

经过全面调查,蒋宗荣教授带领的科研组首先选定了纺织用布机电机,我国纺织行业使用的电机品种规格多、数量大,运行时间长,是耗电大户。于是蒋宗荣教授选择在纺织工业上应用最为广泛的织布机电机作为试点,进行研制。并于1985年组建了西工大“稀土永磁电机研究室”,这是国内最早成立的稀土永磁电机专门研究机构。

1989年,蒋宗荣教授领导的课题组在国际上首次解决了稀土永磁同步电动机的自起动问题,研制成功国内第一台可批量生产的800W稀土永磁高效节能纺织电机,开创了高效节能稀土电机研究的新领域,也奠定了国内在这一领域研究领先世界水平的基础。稀土永磁纺织电机取代了传统的异步纺织电机,具有高效节能、温升低、功率因数高等一系列优点。

经过三个月在全国五大纺织厂的测定稀土永磁纺织电机实测结果较原有异步电动机的布机电机效率提高了10%-15%,节电率提高了15%-20%。经国家技术鉴定通过,正式定型生产,投放市场。开始在北京京磁公司通县电机厂、河北石家庄衡水电机厂及福州闽东电机公司批量生产,年产值在5000万元以上。后经国家纺织工业部批准,在全国纺织厂应用。1993年,蒋宗荣蒋教授所研究的稀土永磁高效节能纺织电机荣获国家发明二等奖(当年评审没有一等奖,蒋宗荣教授团队获得了当年国家发明最高奖)。

在稀土永磁电机应用阶段,蒋宗荣教授已经60多岁了,他亲自带领研究生与实验员,在全国各大纺织厂进行试应用,取得节电率的实测数据及相关经验,先后在陕西国棉五厂、上海第一纺织厂、无锡第一棉纺厂、南通第一棉纺厂及福州第一棉纺厂进行实际考察试运行。纺织厂的环境较为恶劣,布机车间又噪又潮,车间内相互讲话基本听不见,24小时连续工作,出来后耳朵都发麻。但测试工作需要每天二十四小时不间断进行,针对两台电机(原有的异步电机和研制的稀土永磁同步电机)对比测试。测定电压、电流、耗电功率及织布长度等,求得每米布所消耗的电能、计算节电率,测试工作量大,十分辛苦。比如在南通第一棉纺厂测试时,正值严冬大雪,工厂宿舍条件差,睡觉盖三床被子都觉得冷。一天,测试工作结束后,已经凌晨两点多,出厂时积雪没过脚脖。大家踏雪回到宿舍,又冷又饿没法入睡,于是跑到对面一家小店买东西吃,敲门时大喊“救命”,老板以为遇到抢劫了,从门缝看到是个老头子才开门。蒋老师说:没吃上饭,又饿又冷,请他卖些吃的,这才买了几斤饼干,回来后大家分着吃。那天正好是腊八节,别人都在家吃暖暖的腊八粥,而蒋宗荣团队为了稀土电机而受冻挨饿,大家心里感受颇深。这一年,蒋宗荣教授66岁,本应该在家吃热饭、享清福,而此刻却在全国到处跑,真是个“疯老头”。经过三个多月测试工作,团队的每个人几乎都瘦了十几斤。

为了进一步稀土电机在工业上的应用,蒋宗荣教授团队又选定了石油工业部门。因为油田用的“磕头机”的电机终年连续工作,所以油井打成后,抽油的主要成本就是电动机抽油耗电,因此“磕头机”的生产效率直接影响产油成本。石油工业部门十分重视,全国有十几万口油井,每年更换几次电机,有十几家电机厂供货,竞争非常激烈。然而油田工作环境全为露天作业,终年风吹雨打,烈日冰霜。抽油电机从5.5kW到30kW,最大到100kW,容量范围宽,稀土电机能否满足以上条件,还需进一步验证。这次蒋宗荣教授团队同北京京磁公司及北京电机总厂合作,开始研制大功率稀土永磁电机。历时两年多,研制成功18.5kW稀土永磁电动机。经技术鉴定,效率达到94%,较异步电机提高了8-10%,功率因数达到0.95,提高了20-30%。鉴定后,拿到了专利证书,并在北京通县电机厂进行了小批量生产,在冀州油田试运行,获得有功节电20-25%,无功节电85-95%。随后得到大港油田批量订货,并参加了全国评比投标大会。当时参加评比的有20家单位,选定同一口油井,装上各自设备,进行实际抽油一整天测试。结果表明:稀土电机综合指标第一,获得有功节电15%-20%,无功节电80-96%的好成绩,投标成功。当时大港油田总工程师说:“凭蒋老师七十几岁高龄,还为稀土电机在油田上应用而奔波的精神,也应该得到中标……”。

当然在油田稀土永磁电机过程中,也遇到了许多艰辛,甚至危险。有一次在大港油田天津采油区,测试地处海边,四周几十公里没有人家。一天,还在井台上作试验时,突然狂风大作,蒋宗荣被刮倒在地,抱住了井架才免于被风吹走。一个多小时后,被救下来,全身泥沙浸泡,棉大衣成盔甲,脱不下来,只好用剪刀剪开,半天才缓过来。凡此种种,所经历的艰辛一言难尽。

在蒋宗荣教授团队不懈努力和各单位支持下,后来稀土永磁电机在石油行业全面铺开。后经石油总公司批准,稀土永磁电动机成为油田专用电机之一。到1993年,稀土永磁电机年产值也到达五千万元。蒋宗荣教授成为全国稀土永磁电机创始人之一,享受了国家特殊津贴。

稀土永磁电机由于高效、节能,在国内诸多行业开始使用。蒋宗荣教授认为稀土永磁电机目前虽然取得了显著成果,但还有许多内容要深入研究。考虑到自己年事已高,已经没有足够的精力去做具体的事情了,是应该把积累的经验传授给年轻人了,要把稀土电机的科研工作一代代传承下去。蒋宗荣教授希望建立一个“稀土永磁电机基金会”,并招收研究生,使更多的年轻人加入稀土永磁电机的研究和事业中。

世界上任何一件新生事物的产生,总是要经过各种各样的磨难。人们只有克服这些磨难,才能得到新生。这不仅需要智慧、才能,更需要勇气与不屈不挠的精神,这种精神来自于坚定的信仰,没有坚定信仰的人是坚持不下来的。孔子说,人生“三十而立”,蒋宗荣教授认为,当今社会的年轻人应当“二十而立”,从二十岁开始,就立志做对国家、人民有用的人。

蒋宗荣教授先后主编出版了《微特电机学》、《航空电机学》、《中国航空词典》,其中《航空电机学》这本书由国防出版社出版,全国统编,是我国第一本航空电机学教材。蒋宗荣一再强调,工程类大学生论文一定要有实验结果;强调理论联系实际,敢于超前思维,自主创新。他正是这样潜心育人,为我国航空电气事业培养了一大批优秀的青年才俊。

蒋宗荣教授一生为我国稀土电机事业做出了卓越贡献,在蒋教授的家中,挂有一副条幅,那是他的学生孙朝正、陈大栖夫妇送给他80寿诞的贺礼,上书:“稀土马达宗匠为民开巨力,满天桃李园丁敬业树人荣”,这也是对蒋宗荣教授一生的诠释。

忘我拼搏的奉献者——李钟明教授

蒋宗荣教授退休后,李钟明教授承担起继续发展壮大西工大稀土永磁电机研究的历史使命,1991年,在“稀土永磁电机研究室”的基础上,成立了“稀土永磁电机及控制技术研究所”,并担任第一任所长。

李钟明教授是浙江诸暨人,1962年毕业于原南京航空学院航空电气工程专业。1962年至1978年在原航空部618研究所工作,1978年3月调入万博manbetx官网工作。

李钟明教授主持了多项航空预研、型号研制和国家计划委员会“八五”重点攻关项目,为西工大多种型号的无人机成功研制出配套的稀土永磁同步发电机。为xx工程研制的稀土永磁直流电动机,创新性地采取了单机双绕组的设计,实现了单机双速工作模式,将原先采用两台电机工作的方案简化为一台,有效地减轻了系统重量,该样机的试飞成功和生产定型使李钟明教授两次荣立航空部个人一等功。李钟明教授勇于突破,为xx工程空中制氧系统成功研制了稀土永磁无刷直流电动机。该电机是国内第一个装备飞机型号的稀土永磁无刷直流电动机。

李钟明教授在稀土永磁电机的科研中不断探索创新,成果显著。1991年被评为航空高校先进科技工作者,1992年被评为陕西省劳动模范,1992年获国家政府特殊津贴。在航空预研及型号研究中获得国家科技进步三等奖1项,国家发明四等奖1项,国防科工委光华科技二等奖1项,省部级二、三等奖7项,先后荣立航空部个人一等功2次,二等功1次,三等功2次。李钟明教授作为西工大稀土永磁电机及控制技术研究所的早期创建者之一,为万博manbetx官网稀土永磁电机及控制技术的研究和发展做出了重要贡献。

李钟明、刘卫国等教授主编出版的专著《稀土永磁电机》汇集了西工大在稀土永磁电机理论及设计方面的研究成果,是国内第一部有关稀土永磁电机的专著,为国内稀土永磁电机发展提供了很好的理论参考,成为了稀土永磁电机研究人员必备的参考书。李钟明教授为人师表、教书育人,先后两次被评为西工大优秀教师、一次校级优秀共产党员和一次陕西省优秀共产党员。

继往开来的创新团队

蒋宗荣教授和李钟明教授培养了一批励志献身稀土永磁电机事业的学生,如刘卫国、窦满峰、刘景林、林辉、齐蓉等现在都是万博manbetx官网电气工程学科的骨干教授。其中刘卫国教授于1996年担任“稀土永磁电机及控制技术研究所”第二任所长至今。

目前稀土永磁电机及控制技术研究所已形成具有16名教师、6名博导、4名海外博士、100余名博士和硕士研究生的团队,是一个具有国内外广泛影响力的、团结协作勇于拚搏的研究团队。在学科建设、万博manbetx官网、工程应用、产业化等各方面均取得显著成绩。2008年获得工信部“航空航天电机系统”国防科技创新团队。

在科技平台建设方面,以该研究所为依托,2001年获得陕西省“稀土永磁电机及控制技术”工程技术研究中心,2007年获得教育部“航空航天电机系统技术”工程研究中心建设立项,2008年获得陕西省“微特电机及驱动技术”重点实验室。“十一五”期间“稀土永磁电机及控制工程中心”科技创新平台是国家“985工程”二期建设项目,获得建设资金1000万元。2006年,“稀土永磁电机的设计、开发、生产和服务”通过国军标GB/TI9001-2000质量管理体系认证。

在学科建设方面,2003年以该研究所在稀土电机方面的成绩为重要支撑,成功争取到西工大强电专业第一个博士点——电机与电器,2009年获得“电气工程”博士后科研流动站,2010年获得电气工程博士学位授权一级学科点。

在成果转化方面,10余种型号的卫星电机在航天五院、八院等单位,在北斗1代和2代卫星,鑫诺3号、尼星、委星、风云系列等20余颗卫星上应用,共配套100多台;BLDCM-10稀土永磁无刷直流电机在xx型号飞机上应用,共生产800余台;ZYS-10双余度稀土永磁有刷直流电机成功应用于风云三号卫星上的太阳能帆板、微波成像仪的展开;SF-20双余度电机在飞机自动驾驶仪上配套近200台;22个规格的油田抽油机用稀土永磁同步电动机,在在长庆、大庆、克拉玛依油田广泛应用,形成产值5000多万元。

坚持以人为本、团结协作、诚信待人,研究所的全体教师形成了一个有机整体,大家分工协作、团结奋斗、忘我拚搏。良好的人文氛围创造了良好的科研环境,使研究所在承接国家级重大项目、科研获奖、成果专利、科研经费等方面连年取得显著进步,并不断取得重大科研成果,在国内航空、航天领域和国内外同行中已产生了广泛影响。在长期的科研和成果转化中,先后获国家级科技奖励4项、省部级科技奖励27项,荣获航空型号工程个人立功16人次。研究所所长刘卫国教授先后获得原国防科工委“511人才”学术技术带头人、教育部跨世纪优秀人才、原国防科工委优秀教师等称号。他还是德国慕尼黑联邦军事大学的客座教授,同时担任全国稀土永磁电机协作网副理事长、中国电工技术学会永磁电机专业委员会主任委员等。

目前,该创新团队正瞄准国家、国防和地方的重大科技需求,不断跟踪国际先进技术,为市场提供具有独立知识产权的稀土电机系统技术,迎接当前世界稀土电机科技和应用领域快速发展的新挑战。

(刘卫国、窦满峰、解恩、黄迪民)