李国坤:终生创新磁机电科技


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这是一位著名的发明家,他先后拥有包括美国专利在内的47项专利,转让给27家企业并成功实现产业化。这是个具有很深爱国爱民情怀的科学家。为了国家及人民的利益,他可以对有些扩大再生产有困难的企业让步,以很低的价格转让技术。这是一个典型的创新先锋,他不是风能等方面的专家,但他的理论、技术与产品却应用到包括风能发电在内的十多个领域,取得巨大的社会效益与经济效益。他就是我国著名的发明家、物理学家李国坤教授。

他以兢兢业业,不断探索的一生来向社会诠释什么是创新人才,科技创新应该怎么来做。

李国坤1935年2月出生于四川西充县,1958年天津南开大学物理系毕业后,主动要求到艰苦的兰州工作,被分配到中科院兰州近代物理所,1962年调入航天部510所。1988年离开510所自办创新型企业并转让其技术给企业实现产业化。至今为止,李国坤已在科研一线奋斗了52年,在永磁力学的理论、技术、专利产品研发及产业化方面做了系统的、系列的创新。他曾担任中国稀土学会理事等四个学术职务和西北工业大学兼职教授,现任兰州环优磁机电科技有限责任公司董事长,中科恒源科技股份有限公司首席科学家;先后拥有7项在国内外领先的理论与技术创新,曾在国际会议文集上发表重要论文7篇,创新出十多种产品。更令人感动的是,他的主要创新成果均已成功实现了产业化,给社会带来了几千人的就业机会,转让的企业产值几十亿元,年产量近十万台,有的专利成果已应用25年,效果良好。至今已创造经济效益十多亿元,而且给环保及高科技产业发展作出贡献。

本着好奇,笔者于2010年11月下旬拜访了李国坤,在李国坤夫妇的娓娓道来中探究他的创新足迹。发现他专心于磁机电科技研究的这一生可以为有志科技创新事业的年轻人提供教科书式的范本。

我国是有着丰富资源的稀土大国。看着自已祖国的资源优势没有变成经济优势,李国坤的责任感与使命感油然而生。这些年来,他一方面大力开展稀土永磁应用理论、应用器件的研究,另一方面到处宣传稀土永磁的优越性,推荐应用稀土永磁。作为稀土高端产品的研究者和推广者,李国坤多次倡议不要再出口稀土精矿和混合稀土等资源性初级产品,而是开发、推广应用第四个环节的稀土永磁器件产品,并加大这类产品的出口力度。

敢于创新建奇功

1958年,刚大学毕业的李国坤参与了单位分配下来的研制几十吨的大电磁铁的任务。当时,众多权威专家推荐的纱布包铜管通水冷却方案受限于环境、资金、位置等条件,行不通。敢于创新的李国坤为了解决项目研究的关健瓶颈进行持续的研究,创新出一直处于国内外领先的节能节水型大电磁铁,大获成功。

他首先花了5个月时间认真学习电磁铁温升、发热、散热、冷却的知识,找到了适用的公式。接着又深刻分析公式,找出了创新方案。

该方案实现了两个方面的创新。一方面,他提出累计使用寿命超过1000小时以上时,就不应该采用传统方法;而应采用小几倍的电流密度,多用铜少用电,使费用低几十倍,而且节电节水。另一方面则是将线圈做成4层从而使散热面积S增大至4倍。这两项创新使温升降低至原来的1/10,于是采用空气自然冷却取代水冷方案,每年节电3兆瓦,节水几千吨。

李国坤合理的计算和推理方案得到了众多专家的支持。后来实践证明温升比允许值还低,而磁场等十几个参数均超过要求。完成此项目时,他由于恶劣的生活条件与废寝忘食的工作已三度浮肿。付出总有回报!李国坤也因该项目中的巨大创新而被评为中国科学院驻兰各所的“百日红”突击手,1962年被金建中院士(原称学部委员)称为“年轻的电磁铁专家”。

后来,李国坤做过多节能型大电磁铁。在相同情况下,每台能耗均在国外进口大电磁铁的1/2至1/5以下。1994年10月22日,世界著名物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中参观他给山东招远永磁生产线做的几台大电磁铁的生产线后,甚为称赞,并提词称赞该生产线达到“世界级标准和成就”。

李氏拉推磁路

1977年,李国坤得知稀土永磁后,就下定决心研究其终端高科技产品。他深知没有扎实的基础研究,就不可能有高精尖的成果问世,因此他先研究稀土磁路,并提出基本理论“静磁能论”,认为磁力由是磁系统的静磁能变化所产生。

1979年,在航天部510所“通讯卫星消旋轴承试验工作”面临机械密封技术完不成任务的难题时,李国坤教授迎难而上,承担起用磁传动密封取代机械密封的研制工作。经过不懈的努力,他终于研制出适用的产品并在验证实验中得以确认。但这项创新由于没有足够的理论支撑而整个课题又意义重大,因此经所里研究,要求李国坤在三天内提供理论依据,否则停掉课题。两天后,他便提出了在国内外稀土永磁学界引起很大反响的李氏拉推理论。

“李氏拉推理论”认为:传统永磁在相靠时既侧面漏磁,又产生退磁。而稀土永磁的特殊优越性,既不退磁,也不漏磁。当紧靠排列则拉力与推力叠加,有用力增至二倍,而产生的轴向涡流磁场则相消,不利部分大为减少。当单位面积的力增加一倍,而作用面积也增加一倍,李氏拉推磁路磁传动在同体积时的力矩为英国HMD公司1947年发明的分散型磁路力矩的4倍。

第三天,即1979年5月19日,他的上述推论在100多人观看的肇庆高跃真空设备厂实验现场得到证实。后来这一理论相继得到510所所长、航天部总工金建中,五院院长孙家栋,航天部副部长任新民的支持。

有关专家指出:李氏拉推理论的问世对磁传动在国内外的普及和应用作出了重大贡献,李国坤科研理论让中国的磁传动从1979年5月19日起,一直处于国际领先水平。

拉推磁路大应用

成功总是属于不断求索的人。在“李氏拉推理论”的基础上,李国坤很快就发明出原始创新的器件周向轴向磁力传动器,并用在分子束外延设备上,使当时的设备提高了5倍的功效。这项成果被列为航天部重要民品,逐步广泛地推广应用开来,为我国高科技领域作出了重大贡献。通讯卫星消旋轴承试验系统连续运行12年,是要求寿命的48倍,于1984年荣立航天部一等功。至此拉推磁路已完成的周向磁传动、轴向磁传动、周向轴向磁传动、磁阻尼器等的理论、技术、产品及产业化的创新,均处于国内外领先地位。

1980年李国坤将拉、推磁路磁力传动器拿到包头去向在包头召开稀土会议的方毅副总理演示、汇报,这是我国较早向国家领导人汇报稀土永磁在高科技上的应用。同年,负责研制分子束外延的机械总设计,510所机械专家李希宁来电报说,已研制两年多的直线传动器无法运转,李国坤立刻写信让他在轴向作拉推型传动,按这种做法半月内即获成功。

重大理论发现总会衍生出一系列应用技术。李国坤又研究出多种国际领先的李氏拉推磁路、拉推磁路磁传动技术、拉推磁路磁力泵、磁力釜。这些理论技术应用于航天工业等多个高科技领域,对于提升传统产业收效明显,因而发展出多个高科技的磁力泵等企业,如丹东克隆集团、杭州大路实业有限公司、深圳科捷磁力机械有限公司以及与中科恒源(曾为广州、湖南中科恒源)科技股份有限公司合作研制的绿色产品-----全永磁悬浮风力发电机。

据了解,由于所研制的磁力泵、磁力釜有很好的密封性,广泛应用于石油、化工、低温、科研、环保等行业。享受创新乐趣的人总是不会停止前进的。而后,他从利国利民的角度出发,又主动承担起大功率、低温升、高扬程磁力泵的研制……1990年,李国坤的磁力泵即达到75kw,现最大功率为250KW,最高承压达18Mpa,远远超过南方磁力泵集团引进日本技术达到22KW的功率水平。

李国坤采用先进的李氏拉推磁路理论,使同体积力矩增大至4倍,介质损耗大为减少。他当时认为应进一步减小涡流。经过深入探讨推导出拉推磁传动的涡流公式,他得出增大隔套材料的电阻率和许用应力而减小厚度可减小涡流的方法,用TC4钛合金将涡流减至原来的1/4左右,很快地研制出磁力泵世界三大难题中的两个:于1990年及1997年先后完成低温升、含铁粉的兰州炼油厂的75KW丙烷增压泵和胜利油田的18MPa,131KW高压注水泵。前述75KW泵每年节能和增长效益一千多万元,已用二十多年。

这两个成果的问世,使我国的磁力泵技术遥遥领先。当时世界王牌磁力泵公司德国克劳斯公司也采用拉推磁路。李国坤还以“同行应是亲家”的态度帮助南方磁力泵公司的首席专家叶子兆等人采用李氏拉推磁路,使拉推磁路得以在上百家生产厂应用。

全永磁悬浮风力发电

2004年10月起,中科恒源认为李国坤是国内最合适完成全永磁悬浮(全永磁准悬浮简称)的专家,多次邀请参加全永磁悬浮风力发电机的研发。但由于不懂风力发电,李教授几经斟酌,最终,为我国节能、减排、环保、低碳事业做贡献的想法还是占了上风。第二年4月份,他来到广州中科恒源,告诉了项目筹备的同志自已的顾虑,但中科院广东分院陈勇院长与谢丹平、曾智勇、卢建之等的大力支持,使李国坤放下包袱,轻装上阵。

从2005年5月起,他与十多个同志用三个多月的时间,以静磁能论和李氏拉推磁路理论作指导,降低磁阻力矩使启动风速从3.5米/秒降至1.8米/秒。将机械轴承的承受力用75%的磁力悬浮,又将启动风速降低到1.5/秒,即降低磁阻力矩、降低总阻力矩中的85%之后,又用全永磁悬浮降低总阻力矩中的15%的比例。2005年8月做了第一台样机带到广东中科院广州能源所,向视察该所的路甬祥院长汇报,得到“100分”的鼓励与赞赏。

在2005年国庆期间,李教授又用“静磁能论”阐述永磁电机的制动转矩(即磁阻力矩)并将启动阻力矩大幅度降低,又经降摩擦力矩使启动阻力矩为国家规定值的1/12,启动风速从3.5米/秒降至1.5米/秒。经中国科学技术信息研究所查新,将全永磁悬浮技术用于风力发电机上在国内外均属于首创,而这项原始创新却在短短5个月内就得以实现。

这项成果于2005年底完成鉴定,2006年5月31日完成投产。2006年9月,成为中国唯一一项入选“世界十大绿色发明”的成果。2007年获“第35届日内瓦国际发明博览会”最高奖特别金奖;2009年获得联合国工业发展组织等8个组织共同主办评出的全球可再生能源领域最具投资价值的十大领先技术“蓝天奖”。2010年12月12日中科恒源获中国十佳色责任企业奖。

经过2009年初南方雪灾及多次台风,系统保持稳定运行。产品十分畅销,得到用户的好评每年的产值及利润快速增长,从开始预计的零经济效益变为高经济效益。到目前为止,产品已销往30多个国家及地区,已成为全世界小型风机的领先技术,小型风机产能世界第一。

2010年3月2日,在中央电视台新闻联播中,做了“海南三亚,建设低碳生活,打造生态高地”的报道,高度评价了中科恒源风光互补路灯在低碳节能中的作用,后分别在中国新闻朝闻天下、午间新闻等多个节目中做了多方面报道。在海南三亚海棠湾的2000盏风光互补路灯成为向众多国内外游客展示中国低碳经济形象的亮丽风景线。

致力稀土永磁推广

1982年前稀土永磁的推广受到很大阻力,这对于作为稀土大国的中国来说,无异是很不对的。面对层层的阻力,李国坤以让稀土升值与推广应用为己任,在一些专家的建议下作了“稀土永磁应用评价”的报告,引起了学术界的普遍认同。

李国坤还总结出“成本/磁性器件单位性能”的评价机制,对很多磁性器件作比较,在当时就提出我国应减少混合稀土出口,大力开发稀土永磁器件,这种观点对推广稀土永磁作出了重要贡献。

他发明的直线传动周向轴向磁传动,稀土永磁磁传动获1983年“第七届国际稀土永磁及其应用会议”高度评价,使得外国认为中国不会用稀土而压价的想法未能如愿。

创新科技工作者的标杆

“想知道什么人适合搞创新,那就去找李国坤吧。”了解李教授的人会知道,这绝对不是一句戏言。

一组这样的数据让大家一目了然:李国坤为社会提供了一流的人品、一流的技术、一流的产品、一流的服务。技术成果转让费两千多万元,扶持成功了27家企业,而自己却是贫民科学家。他兰州家里唯一家电是个价值70元的电饭锅。多年来,他们常常十几个人窝在他50多平米的房子里面搞研究。为了工作,因太忙他半数以上天数采用不利健康的一日一餐制,每天工作14至17小时。

安贫乐道是李国坤的良好品质。他不吸烟、不喝酒,为了科研事业,不计付出。1994年家里多人生病,但他仍坚持完成航天部组织的75KW丙烷增压泵的鉴定会。该成果达到国际领先水平,并获得航天部科技进步二等奖。这位不计辛劳,执着创新的专家为这份成功付出了多少,大家可想而知。

李国坤反复强调自己不想成为公众人物,只想隐姓埋名的搞科研。1994年,早在鉴定会的前几个月,甘肃省科委和兰州市科委的有关领导多次表示他们要推荐李国坤为首届工程院院士候选人,但他却推脱说自已的条件不够,而未报材料。他表示要作出像院士那样的贡献,但自己不够资格当院士。

成功男人背后总是存在无名英雄的。李国坤的夫人闻淑英是1993年评上的研究员,更是他事业坚定的支持者。她不仅将几百万元的养老费投入作为李教授的科研经费,更是从家务到工作给予全面的支持,让李国坤没有后顾之忧的全身心投入创新事业。他们两口子平时物质生活艰苦,省吃俭用,但在创新投入上却不惜余力。

莫道夕阳晚,红霞映满天。李国坤认为现在最大的幸福就是利用晚年多作贡献。他为了利国利民的永磁悬浮(全永磁全悬浮的简称)争取成功或给出结论,已投入两千多万元,研制了33年之久,从百分之百的悬浮来讲,已失败几百次。李国坤表示,现在虽未成功,但他会坚定的走下去,目前已是悬浮98%,从应用来讲完全可以应用于几十个行业。