習(xí)近平總書記2018年5月28日在兩院院士大會上強調(diào)：“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。”只有實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，才能把創(chuàng)新主動權(quán)、發(fā)展主動權(quán)牢牢掌握在自己手中。作為推動創(chuàng)新創(chuàng)造的生力軍，企業(yè)應(yīng)堅持自主創(chuàng)新，提升核心技術(shù)創(chuàng)新能力，帶動新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)蓬勃發(fā)展，這不僅是我國進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必然要求，也是企業(yè)不斷發(fā)展壯大的必由之路。
近年來，北京始終以建設(shè)具有全球影響力的全國科技創(chuàng)新中心為引領(lǐng)，加快推進(jìn)科技創(chuàng)新成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，加快構(gòu)建產(chǎn)業(yè)新體系，增強經(jīng)濟核心競爭力。北京市科學(xué)技術(shù)委員會在《北京加強全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)重點任務(wù)2018年工作方案》中明確提出，要提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力，打造高精尖產(chǎn)業(yè)主陣地。
高新技術(shù)企業(yè)作為科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的“加速器”，為北京轉(zhuǎn)換發(fā)展動能，構(gòu)建現(xiàn)代化經(jīng)濟體系做出了重大貢獻(xiàn)。截至今年7月，北京市高新技術(shù)企業(yè)數(shù)量達(dá)到20163家。2017年，這兩萬多家的高新技術(shù)企業(yè)實現(xiàn)總收入2.5萬億元，實現(xiàn)利潤率11.5%，稅收總額1211.8億元，占北京整個稅收的34%。
北京市科學(xué)技術(shù)獎歷年獲獎項目分析顯示，高新技術(shù)企業(yè)逐步成為引領(lǐng)首都技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。2017年，在面向產(chǎn)業(yè)的獲獎成果中，高新技術(shù)企業(yè)參與度約占85%。今天我們帶來的兩個獲獎成果就是高新技術(shù)企業(yè)利用自身研發(fā)優(yōu)勢，通過自主創(chuàng)新，實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，促進(jìn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的典型代表。
國產(chǎn)金屬玻璃“芯” 助力節(jié)能減排
經(jīng)過一百多年的發(fā)展，電能的利用已經(jīng)深深地融入每個人的生活。隨著人們生活水平的不斷提高，用電量也在逐年遞增，不斷挑戰(zhàn)著電力系統(tǒng)的輸配電能力。
然而，在輸配電過程中有兩只“電老虎”——配電變壓器和電機，它們“吃掉”了部分電力，因此產(chǎn)生了電力的損耗。數(shù)據(jù)顯示，我國配電變壓器損耗約占全國發(fā)電總量的3.3%，2017年約達(dá)到2145億千瓦時，超過2個三峽工程2017年的發(fā)電量（976億千瓦時）。電機“食量”更大，實際能耗超過全社會總耗電量的50%。因此，降低變壓器與電機的損耗對節(jié)能減排、建設(shè)低碳經(jīng)濟至關(guān)重要。
無論是配電變壓器還是電機，最基本的原理都是電磁能量轉(zhuǎn)換，減少電磁能量轉(zhuǎn)換過程中的電力損失，就可以降低損耗。這其中最關(guān)鍵的就是降低鐵芯的損耗，非晶合金是目前公認(rèn)綜合性能最好的鐵芯材料之一。
以非晶合金為鐵芯材料制成的變壓器，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右。其應(yīng)用于高效電機，可使鐵芯損耗降低80%以上，在高頻時（400Hz以上）整機效率可提升2%-15%，節(jié)能潛力巨大。
北京科銳配電自動化股份有限公司等單位利用企業(yè)研發(fā)資源，針對國產(chǎn)非晶帶材的性能特點，在非晶配電變壓器和非晶電機制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化集成等方面集中攻關(guān)，取得了系列技術(shù)突破。該單位牽頭完成的“國產(chǎn)非晶帶材在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用開發(fā)及工程化”項目獲得2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎。
創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，國產(chǎn)非晶變壓器實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
非晶合金俗稱神奇的金屬玻璃，是通過先進(jìn)的急冷技術(shù)，將鋼液一次成型為厚度20-30微米的帶狀特種合金，其原子結(jié)構(gòu)處于一種長程無序的不規(guī)則排列的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使其具有高導(dǎo)磁性和低損耗特性，有利于減少鐵芯損耗。然而，非晶帶材厚度極薄，硬度高且對機械應(yīng)力非常敏感，導(dǎo)致其不易切割，且退火后極易破碎，給非晶帶材的設(shè)計和制造帶來了很多困難。
以往為了簡化加工工藝，三相非晶變壓器鐵芯均采用矩形截面的五柱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，但存在著線圈繞制工藝復(fù)雜、成本高，抗突發(fā)短路能力弱以及占地面積大、噪音大等問題，成為非晶變壓器領(lǐng)域亟待解決的難題之一。
項目團隊發(fā)明了截面近似圓形的變壓器鐵芯，通過精確的鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用不同寬度規(guī)格的非晶帶材和高精度模具、配合特殊的熱處理工藝，徹底解決了矩形截面非晶鐵芯存在的線圈繞制工藝復(fù)雜、成本高，抗突發(fā)短路能力弱兩大技術(shù)難題。
同時，提出了新型的三相三柱式結(jié)構(gòu)，不僅使非晶變壓器鐵芯的重量和橫向尺寸明顯降低，節(jié)省了材料、降低了成本，也減少了使用過程中非晶變壓器的占地面積；并采用環(huán)氧樹脂涂層降噪技術(shù)，大幅度降低了使用過程中的噪音。
為實現(xiàn)非晶變壓器的輕量小型化，采用新型絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，較大程度上減小了非晶變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)了整機減重，降低了產(chǎn)品成本。同時，采用新型裝配技術(shù)及可調(diào)式新型線圈生產(chǎn)模具，提高生產(chǎn)效率，模具用量減少了70%以上。以一臺低壓繞線機和兩臺高壓繞線機為一個單位，該技術(shù)創(chuàng)新可把繞線模具用量從每天18套降至5套以內(nèi)。
目前，已建成生產(chǎn)能力為4萬噸/年的國產(chǎn)非晶配電變壓器鐵芯生產(chǎn)線和生產(chǎn)能力為6萬臺/年非晶變壓器生產(chǎn)線。測試報告顯示，基于國產(chǎn)非晶帶材的非晶配電變壓器空載損耗和噪聲等性能指標(biāo)優(yōu)于國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。經(jīng)中國質(zhì)量認(rèn)證中心認(rèn)證，被評定為中國節(jié)能產(chǎn)品。
創(chuàng)新加工工藝，突破非晶電機定子鐵芯制造
非晶電機是用非晶帶材做成定子鐵芯的一種電機，與傳統(tǒng)硅鋼電機相比，損耗極低，可顯著提高電機效率。但非晶帶材的特性使其加工成環(huán)形、矩形等簡單形狀相對容易，加工成非晶定子鐵芯的齒槽結(jié)構(gòu)則非常困難。因此，高性能非晶電機定子鐵芯的制備技術(shù)是世界難題。
國際上具備制備技術(shù)的主要有美國萊特電氣有限公司（LE）和日本日立金屬，均采用樹脂鑄型后切割成型的加工方式，存在成品率低、加工應(yīng)力影響鐵芯性能等共性問題。
項目組在國際上率先發(fā)明了“表面涂覆-沖槽-同步卷繞”的全新工藝流程：首先對鐵基非晶寬帶進(jìn)行表面涂覆，然后在帶材上沖出矩形槽，最后同步卷繞成型，一步得到軸向磁場非晶定子鐵芯；也可在非晶帶材上沖出一系列的徑向齒槽的非晶片，再將其進(jìn)行軸向成型得到徑向磁場非晶定子鐵芯。
該技術(shù)徹底解決了美日技術(shù)中銑削、切割或拼接工藝存在的弊端，經(jīng)檢測該技術(shù)制造的非晶定子鐵芯損耗（P1000Hz，1.0T=7.07W/kg）遠(yuǎn)低于美國 LE 公司公布的非晶定子鐵芯損耗（P1000Hz，1.0T≤25W/kg），技術(shù)參數(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
針對非晶電機整機制造技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性地開發(fā)了“C型模塊式非晶電機定子鐵芯”的全新電機結(jié)構(gòu)，使非晶材料利用率從40%-50%提升至90%以上，同時省略掉了復(fù)雜齒槽結(jié)構(gòu)加工步驟，使生產(chǎn)效率提升10倍以上，成型效率提高5-10倍，成本降低了40%-50%。該新型非晶電機正在非晶伺服電機、非晶高性能離心風(fēng)機上推廣應(yīng)用。
性能領(lǐng)先，決勝節(jié)能市場
經(jīng)過8年的科技攻關(guān)，國產(chǎn)非晶變壓器和電機在工藝和制備技術(shù)等方面取得多項突破，獲授權(quán)發(fā)明專利18項，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。
目前不同規(guī)格的非晶變壓器已在國家電網(wǎng)、各省電力公司等批量掛網(wǎng)運行20余萬臺，獲得了客戶的高度評價，“在掛網(wǎng)運行過程中運行狀態(tài)良好，噪音小、損耗低、節(jié)能效果顯著”。
更令人欣喜的是，配電變壓器產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入國際市場，包括加拿大、韓國、南非、菲律賓等國家和地區(qū)，提升了我國在非晶帶材及其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面的國際影響力和話語權(quán)。
國產(chǎn)非晶電機定子鐵芯已經(jīng)通過公開招標(biāo)，成功取代進(jìn)口產(chǎn)品成為湘電萊特電氣有限公司的非晶鐵芯供應(yīng)商，實現(xiàn)了非晶鐵芯成本下降40%，并且組裝的非晶電機出口到北美市場后得到了客戶的高度好評。
項目總負(fù)責(zé)人周少雄博士認(rèn)為，非晶變壓器和非晶電機的技術(shù)突破，不僅源自于項目團隊和參與企業(yè)的自主創(chuàng)新，更受益于整個產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合與發(fā)展。由項目參與企業(yè)聯(lián)合國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心、中科院物理所等57家單位組建的“非晶節(jié)能材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，涵蓋了該領(lǐng)域我國90%以上的優(yōu)勢單位，提升了非晶節(jié)能材料產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，打破了國外產(chǎn)品的壟斷地位，帶動了下游產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。
“隨著電力系統(tǒng)的升級改造，市場對非晶變壓器的需求將進(jìn)一步擴大。與此同時，非晶高頻電機在航空、軍事、新能源汽車等高端領(lǐng)域具有廣泛的需求。”周少雄博士對非晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，“預(yù)計到‘十三五’末，非晶變壓器、電抗器及非晶電機行業(yè)將超過300億元市場規(guī)模。”
近年來，北京始終以建設(shè)具有全球影響力的全國科技創(chuàng)新中心為引領(lǐng)，加快推進(jìn)科技創(chuàng)新成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，加快構(gòu)建產(chǎn)業(yè)新體系，增強經(jīng)濟核心競爭力。北京市科學(xué)技術(shù)委員會在《北京加強全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)重點任務(wù)2018年工作方案》中明確提出，要提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力，打造高精尖產(chǎn)業(yè)主陣地。
高新技術(shù)企業(yè)作為科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化的“加速器”，為北京轉(zhuǎn)換發(fā)展動能，構(gòu)建現(xiàn)代化經(jīng)濟體系做出了重大貢獻(xiàn)。截至今年7月，北京市高新技術(shù)企業(yè)數(shù)量達(dá)到20163家。2017年，這兩萬多家的高新技術(shù)企業(yè)實現(xiàn)總收入2.5萬億元，實現(xiàn)利潤率11.5%，稅收總額1211.8億元，占北京整個稅收的34%。
北京市科學(xué)技術(shù)獎歷年獲獎項目分析顯示，高新技術(shù)企業(yè)逐步成為引領(lǐng)首都技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。2017年，在面向產(chǎn)業(yè)的獲獎成果中，高新技術(shù)企業(yè)參與度約占85%。今天我們帶來的兩個獲獎成果就是高新技術(shù)企業(yè)利用自身研發(fā)優(yōu)勢，通過自主創(chuàng)新，實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，促進(jìn)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的典型代表。
國產(chǎn)金屬玻璃“芯” 助力節(jié)能減排
經(jīng)過一百多年的發(fā)展，電能的利用已經(jīng)深深地融入每個人的生活。隨著人們生活水平的不斷提高，用電量也在逐年遞增，不斷挑戰(zhàn)著電力系統(tǒng)的輸配電能力。
然而，在輸配電過程中有兩只“電老虎”——配電變壓器和電機，它們“吃掉”了部分電力，因此產(chǎn)生了電力的損耗。數(shù)據(jù)顯示，我國配電變壓器損耗約占全國發(fā)電總量的3.3%，2017年約達(dá)到2145億千瓦時，超過2個三峽工程2017年的發(fā)電量（976億千瓦時）。電機“食量”更大，實際能耗超過全社會總耗電量的50%。因此，降低變壓器與電機的損耗對節(jié)能減排、建設(shè)低碳經(jīng)濟至關(guān)重要。
無論是配電變壓器還是電機，最基本的原理都是電磁能量轉(zhuǎn)換，減少電磁能量轉(zhuǎn)換過程中的電力損失，就可以降低損耗。這其中最關(guān)鍵的就是降低鐵芯的損耗，非晶合金是目前公認(rèn)綜合性能最好的鐵芯材料之一。
以非晶合金為鐵芯材料制成的變壓器，其空載損耗與采用硅鋼片的傳統(tǒng)變壓器相比，減少了75%左右。其應(yīng)用于高效電機，可使鐵芯損耗降低80%以上，在高頻時（400Hz以上）整機效率可提升2%-15%，節(jié)能潛力巨大。
北京科銳配電自動化股份有限公司等單位利用企業(yè)研發(fā)資源，針對國產(chǎn)非晶帶材的性能特點，在非晶配電變壓器和非晶電機制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化集成等方面集中攻關(guān)，取得了系列技術(shù)突破。該單位牽頭完成的“國產(chǎn)非晶帶材在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用開發(fā)及工程化”項目獲得2017年度北京市科學(xué)技術(shù)獎一等獎。
創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，國產(chǎn)非晶變壓器實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
非晶合金俗稱神奇的金屬玻璃，是通過先進(jìn)的急冷技術(shù)，將鋼液一次成型為厚度20-30微米的帶狀特種合金，其原子結(jié)構(gòu)處于一種長程無序的不規(guī)則排列的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使其具有高導(dǎo)磁性和低損耗特性，有利于減少鐵芯損耗。然而，非晶帶材厚度極薄，硬度高且對機械應(yīng)力非常敏感，導(dǎo)致其不易切割，且退火后極易破碎，給非晶帶材的設(shè)計和制造帶來了很多困難。
以往為了簡化加工工藝，三相非晶變壓器鐵芯均采用矩形截面的五柱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，但存在著線圈繞制工藝復(fù)雜、成本高，抗突發(fā)短路能力弱以及占地面積大、噪音大等問題，成為非晶變壓器領(lǐng)域亟待解決的難題之一。
項目團隊發(fā)明了截面近似圓形的變壓器鐵芯，通過精確的鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用不同寬度規(guī)格的非晶帶材和高精度模具、配合特殊的熱處理工藝，徹底解決了矩形截面非晶鐵芯存在的線圈繞制工藝復(fù)雜、成本高，抗突發(fā)短路能力弱兩大技術(shù)難題。
同時，提出了新型的三相三柱式結(jié)構(gòu)，不僅使非晶變壓器鐵芯的重量和橫向尺寸明顯降低，節(jié)省了材料、降低了成本，也減少了使用過程中非晶變壓器的占地面積；并采用環(huán)氧樹脂涂層降噪技術(shù)，大幅度降低了使用過程中的噪音。
為實現(xiàn)非晶變壓器的輕量小型化，采用新型絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，較大程度上減小了非晶變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)了整機減重，降低了產(chǎn)品成本。同時，采用新型裝配技術(shù)及可調(diào)式新型線圈生產(chǎn)模具，提高生產(chǎn)效率，模具用量減少了70%以上。以一臺低壓繞線機和兩臺高壓繞線機為一個單位，該技術(shù)創(chuàng)新可把繞線模具用量從每天18套降至5套以內(nèi)。
目前，已建成生產(chǎn)能力為4萬噸/年的國產(chǎn)非晶配電變壓器鐵芯生產(chǎn)線和生產(chǎn)能力為6萬臺/年非晶變壓器生產(chǎn)線。測試報告顯示，基于國產(chǎn)非晶帶材的非晶配電變壓器空載損耗和噪聲等性能指標(biāo)優(yōu)于國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。經(jīng)中國質(zhì)量認(rèn)證中心認(rèn)證，被評定為中國節(jié)能產(chǎn)品。
創(chuàng)新加工工藝，突破非晶電機定子鐵芯制造
非晶電機是用非晶帶材做成定子鐵芯的一種電機，與傳統(tǒng)硅鋼電機相比，損耗極低，可顯著提高電機效率。但非晶帶材的特性使其加工成環(huán)形、矩形等簡單形狀相對容易，加工成非晶定子鐵芯的齒槽結(jié)構(gòu)則非常困難。因此，高性能非晶電機定子鐵芯的制備技術(shù)是世界難題。
國際上具備制備技術(shù)的主要有美國萊特電氣有限公司（LE）和日本日立金屬，均采用樹脂鑄型后切割成型的加工方式，存在成品率低、加工應(yīng)力影響鐵芯性能等共性問題。
項目組在國際上率先發(fā)明了“表面涂覆-沖槽-同步卷繞”的全新工藝流程：首先對鐵基非晶寬帶進(jìn)行表面涂覆，然后在帶材上沖出矩形槽，最后同步卷繞成型，一步得到軸向磁場非晶定子鐵芯；也可在非晶帶材上沖出一系列的徑向齒槽的非晶片，再將其進(jìn)行軸向成型得到徑向磁場非晶定子鐵芯。
該技術(shù)徹底解決了美日技術(shù)中銑削、切割或拼接工藝存在的弊端，經(jīng)檢測該技術(shù)制造的非晶定子鐵芯損耗（P1000Hz，1.0T=7.07W/kg）遠(yuǎn)低于美國 LE 公司公布的非晶定子鐵芯損耗（P1000Hz，1.0T≤25W/kg），技術(shù)參數(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
針對非晶電機整機制造技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性地開發(fā)了“C型模塊式非晶電機定子鐵芯”的全新電機結(jié)構(gòu)，使非晶材料利用率從40%-50%提升至90%以上，同時省略掉了復(fù)雜齒槽結(jié)構(gòu)加工步驟，使生產(chǎn)效率提升10倍以上，成型效率提高5-10倍，成本降低了40%-50%。該新型非晶電機正在非晶伺服電機、非晶高性能離心風(fēng)機上推廣應(yīng)用。
性能領(lǐng)先，決勝節(jié)能市場
經(jīng)過8年的科技攻關(guān)，國產(chǎn)非晶變壓器和電機在工藝和制備技術(shù)等方面取得多項突破，獲授權(quán)發(fā)明專利18項，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。
目前不同規(guī)格的非晶變壓器已在國家電網(wǎng)、各省電力公司等批量掛網(wǎng)運行20余萬臺，獲得了客戶的高度評價，“在掛網(wǎng)運行過程中運行狀態(tài)良好，噪音小、損耗低、節(jié)能效果顯著”。
更令人欣喜的是，配電變壓器產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入國際市場，包括加拿大、韓國、南非、菲律賓等國家和地區(qū)，提升了我國在非晶帶材及其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面的國際影響力和話語權(quán)。
國產(chǎn)非晶電機定子鐵芯已經(jīng)通過公開招標(biāo)，成功取代進(jìn)口產(chǎn)品成為湘電萊特電氣有限公司的非晶鐵芯供應(yīng)商，實現(xiàn)了非晶鐵芯成本下降40%，并且組裝的非晶電機出口到北美市場后得到了客戶的高度好評。
項目總負(fù)責(zé)人周少雄博士認(rèn)為，非晶變壓器和非晶電機的技術(shù)突破，不僅源自于項目團隊和參與企業(yè)的自主創(chuàng)新，更受益于整個產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合與發(fā)展。由項目參與企業(yè)聯(lián)合國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心、中科院物理所等57家單位組建的“非晶節(jié)能材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，涵蓋了該領(lǐng)域我國90%以上的優(yōu)勢單位，提升了非晶節(jié)能材料產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新能力和核心競爭力，打破了國外產(chǎn)品的壟斷地位，帶動了下游產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。
“隨著電力系統(tǒng)的升級改造，市場對非晶變壓器的需求將進(jìn)一步擴大。與此同時，非晶高頻電機在航空、軍事、新能源汽車等高端領(lǐng)域具有廣泛的需求。”周少雄博士對非晶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，“預(yù)計到‘十三五’末，非晶變壓器、電抗器及非晶電機行業(yè)將超過300億元市場規(guī)模。”
