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    程明教授團隊:定子永磁無刷電機20多年的研究成果結晶

    2020-08-10 點擊次數:

    電機是第一次工業革命的產物,誕生于19世紀30年代,至今已有180余年的歷史。與其同期出現的蒸汽機、電報機、白熾燈等,已被不斷涌現的新技術所取代而逐步退出歷史舞臺,而電機不僅呈現出頑強的生命力,成為近代工業革命的活化石,還不斷煥發新的生機,電機理論與技術的不斷完善、發展和創新從未止步。近年來,隨著電機材料技術、加工制造技術和控制技術的不斷發展,新原理、新結構電機層出不窮,應用也日益廣泛。定子永磁無刷電機便是眾多創新成果中的杰出代表之一。以程明教授為首的科研團隊是國際上最早開展定子永磁無刷電機研究的團隊之一,20多年來,為定子永磁無刷電機理論與技術的發展、豐富和不斷完善做出了卓越貢獻。中國工程院院士 英國皇家工程院院士2018 年10月

    程明,博士、東南大學電氣工程院教授、博士生導師,IEEE Fellow 和 IET Fellow。主要研究方向為微特電機及測控系統、新能源汽車驅動控制、風力發電技術、伺服電機及控制等。主持國家自然科學基金項目、國家973計劃課題、863計劃課題等各類項目60余項;獲授權中國發明專利130余件、PCT 專利3件;發表學術論文400余篇(SCI 收錄220余篇),出版《微特電機及系統》等多部專著。程明領銜的《強容錯寬調速永磁無刷電機關鍵技術及應用》項目獲2016年度國家技術發明二等獎。

    電機系統作為重要的能源動力裝備和重大基礎裝備的關鍵與核心,其性能直接決定了裝備的運行品質。特別是航空航天、電動汽車、軌道交通、機器人等戰略性新興產業的快速發展,對電機系統的功率密度、效率、可靠性、調速范圍等性能指標提出了更高要求。永磁無刷電機因效率高、功率密度高等優點而備受關注,應用日益廣泛。但傳統永磁無刷電機將永磁體置于轉子,常需要采取加固措施以克服高速旋轉的離心力,降低了可靠性,且磁場難以控制,調速范圍較窄。

    ▲ 典型的永磁無刷電機轉子拓撲

    20世紀90年代初,國際上出現了一類將永磁體置于定子的“定子永磁無刷電機”,其顯著特點是:電樞繞組和永磁體均位于定子,可方便地對電樞繞組和永磁體直接冷卻以控制其溫度,并易于通過“永磁+電勵磁”等措施實現無刷電機的寬范圍調速;凸極轉子上既無永磁體,也無繞組,結構簡單可靠。

    隨著以釹鐵硼為代表的新型稀土永磁材料的出現和功率電子學、計算機技術、控制理論的發展,自20世紀90年代以來,陸續出現了三種新型結構的定子永磁無刷電機及其驅動系統:

    雙凸極永磁電機(doubly-salient permanent magnet machine, DSPM 電機);磁通反向永磁電機(flux reversal permanent magnet machine, FRPM 電機);磁通切換永磁電機(flux-switching permanent magnet machine, FSPM 電機)。

    ▲ 新型定子永磁無刷電機

    作者團隊是國際上最早開展定子永磁無刷電機研究的團隊之一,并于1995年獲得該方向第一個國家自然科學基金項目的支持。20多年來,作者團隊深入研究了定子永磁無刷電機的拓撲結構、設計方法、電磁特性、參數計算、控制策略、應用規律等,發現并解決了多項關鍵科學問題,形成了一系列關鍵核心技術,取得了一系列理論與技術創新成果,在國際上最早提出了“定子永磁電機”的概念,得到國內外同行的廣泛認可。

    ▲ 作者團隊研制的五相磁通切換永磁電機

    20多年來,團隊在定子永磁無刷電機技術領域完成博士學位論文16篇、碩士學位論文25篇,共發表了200余篇期刊論文(包括100余篇國際期刊論文),獲授權發明專利80余件。相關成果獲2016年國家技術發明獎二等獎、2015年中國機械工業科學技術獎一等獎、2013年教育部自然科學獎一等獎、2019年江蘇省科學技術獎一等獎、2017年中國專利優秀獎、2017年江蘇省專利項目獎金獎,以及2009年、2014年IET Premium Award 等學術獎勵,并獲全國百篇優秀博士學位論文提名獎2篇、江蘇省優秀博士學位論文5篇。

    《定子永磁無刷電機:理論、設計與控制》(程明,花為著.北京:科學出版社,2021. 3)是作者團隊20多年研究成果的提煉和總結。相關研究工作得到30余項科研基金和項目的資助,包括:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題“高可靠性電機系統設計與容錯控制”(2013CB035603),國家自然科學基金重點項目“定子永磁型風力發電系統關鍵基礎問題”(51137001),國家自然科學基金海外及港澳學者合作研究基金項目“新型電機與特種電機”(50729702),國家自然科學基金優秀青年科學基金項目“新能源汽車用新型電機系統”(51322705),國家自然科學基金項目“雙凸極變速永磁電機及其控制系統之理論研究”(59507001)等。

    我與程明教授相識多年,見證了其科研團隊20多年的研究歷程,他們在定子永磁無刷電機的能量轉換機理、拓撲結構、數學模型、電磁設計、參數計算、磁場控制、損耗計算與溫度場分析、可靠性分析和容錯控制等關鍵技術與理論方面取得的豐富成果創新性強,推動了“定子永磁無刷電機”新分支的建立。該書是作者及其團隊多年研究成果的集中提煉和總結,系統闡述了定子永磁無刷電機的基礎理論,詳細介紹了定子永磁無刷電機設計與控制中的關鍵技術。內容涵蓋了電機原理、結構和性能分析,電磁和熱特性分析,電機本體和控制系統,旋轉型和直線型定子永磁電機等多個方面。書中所闡述的許多理論和方法,如等效磁網絡建模理論與方法、永磁電機損耗計算模型、溫度場-熱路直接耦合方法、容錯控制策略等,不僅適用于定子永磁電機,而且可推廣應用于傳統轉子永磁電機等多類電機。該書內容豐富,條理清晰,自成體系,特色鮮明,是電機領域一部難得的高水平學術著作。該書的出版對豐富和發展電機理論、促進我國裝備制造業的技術進步,具有重要的理論價值和現實指導意義。中國工程院院士 2018年11月

    本文摘編自《定子永磁無刷電機:理論、設計與控制》(程明,花為著.北京:科學出版社,2021. 3)一書“前言”“序”,有刪減,標題為編者所加。

    ISBN 978-7-03-063764-2

    責任編輯:裴 育 朱英彪 趙微微

    本書總結了作者團隊在定子永磁無刷電機方面20多年的研究成果,內容涉及定子永磁無刷電機系統的工作原理、數學模型、設計理論與方法、電磁特性與參數計算、控制策略等。全書共13章,第1章為緒論,第2章介紹定子永磁無刷電機的基本結構和工作原理,第3章介紹定子永磁無刷電機的數學模型,第4章介紹定子永磁無刷電機有限元分析,第5 章介紹定子永磁無刷電機磁網絡建模理論與方法,第6章介紹定子永磁無刷電機損耗分析與計算,第7章介紹定子永磁無刷電機熱分析,第8章介紹定子永磁無刷電機設計理論與方法,第9章介紹定子永磁無刷電機控制策略及其實現,第10章介紹定子永磁無刷電機轉矩脈動分析與抑制,第11章介紹定子永磁無刷電機可靠性分析與容錯控制,第12章介紹磁通可控型定子永磁無刷電機,第13章介紹初級永磁直線電機及控制。本書不僅有豐富的理論分析和仿真計算,還提供了大量實驗數據進行驗證,以加深讀者的理解。

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