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程明教授团队:定子永磁无刷电机20多年的研究成果结晶

2020-08-10 点击次数:

电机是第一次工业革命的产物,诞生于19世纪30年代,至今已有180余年的历史。与其同期出现的蒸汽机、电报机、白炽灯等,已被不断涌现的新技术所取代而逐步退出历史舞台,而电机不仅呈现出顽强的生命力,成为近代工业革命的活化石,还不断焕发新的生机,电机理论与技术的不断完善、发展和创新从未止步。近年来,随着电机材料技术、加工制造技术和控制技术的不断发展,新原理、新结构电机层出不穷,应用也日益广泛。定子永磁无刷电机便是众多创新成果中的杰出代表之一。以程明教授为首的科研团队是国际上最早开展定子永磁无刷电机研究的团队之一,20多年来,为定子永磁无刷电机理论与技术的发展、丰富和不断完善做出了卓越贡献。中国工程院院士 英国皇家工程院院士2018 年10月

程明,博士、东南大学电气工程院教授、博士生导师,IEEE Fellow 和 IET Fellow。主要研究方向为微特电机及测控系统、新能源汽车驱动控制、风力发电技术、伺服电机及控制等。主持国家自然科学基金项目、国家973计划课题、863计划课题等各类项目60余项;获授权中国发明专利130余件、PCT 专利3件;发表学术论文400余篇(SCI 收录220余篇),出版《微特电机及系统》等多部专著。程明领衔的《强容错宽调速永磁无刷电机关键技术及应用》项目获2016年度国家技术发明二等奖。

电机系统作为重要的能源动力装备和重大基础装备的关键与核心,其性能直接决定了装备的运行品质。特别是航空航天、电动汽车、轨道交通、机器人等战略性新兴产业的快速发展,对电机系统的功率密度、效率、可靠性、调速范围等性能指标提出了更高要求。永磁无刷电机因效率高、功率密度高等优点而备受关注,应用日益广泛。但传统永磁无刷电机将永磁体置于转子,常需要采取加固措施以克服高速旋转的离心力,降低了可靠性,且磁场难以控制,调速范围较窄。

▲ 典型的永磁无刷电机转子拓扑

20世纪90年代初,国际上出现了一类将永磁体置于定子的“定子永磁无刷电机”,其显著特点是:电枢绕组和永磁体均位于定子,可方便地对电枢绕组和永磁体直接冷却以控制其温度,并易于通过“永磁+电励磁”等措施实现无刷电机的宽范围调速;凸极转子上既无永磁体,也无绕组,结构简单可靠。

随着以钕铁硼为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、计算机技术、控制理论的发展,自20世纪90年代以来,陆续出现了三种新型结构的定子永磁无刷电机及其驱动系统:

双凸极永磁电机(doubly-salient permanent magnet machine, DSPM 电机);磁通反向永磁电机(flux reversal permanent magnet machine, FRPM 电机);磁通切换永磁电机(flux-switching permanent magnet machine, FSPM 电机)。

▲ 新型定子永磁无刷电机

作者团队是国际上最早开展定子永磁无刷电机研究的团队之一,并于1995年获得该方向第一个国家自然科学基金项目的支持。20多年来,作者团队深入研究了定子永磁无刷电机的拓扑结构、设计方法、电磁特性、参数计算、控制策略、应用规律等,发现并解决了多项关键科学问题,形成了一系列关键核心技术,取得了一系列理论与技术创新成果,在国际上最早提出了“定子永磁电机”的概念,得到国内外同行的广泛认可。

▲ 作者团队研制的五相磁通切换永磁电机

20多年来,团队在定子永磁无刷电机技术领域完成博士学位论文16篇、硕士学位论文25篇,共发表了200余篇期刊论文(包括100余篇国际期刊论文),获授权发明专利80余件。相关成果获2016年国家技术发明奖二等奖、2015年中国机械工业科学技术奖一等奖、2013年教育部自然科学奖一等奖、2019年江苏省科学技术奖一等奖、2017年中国专利优秀奖、2017年江苏省专利项目奖金奖,以及2009年、2014年IET Premium Award 等学术奖励,并获全国百篇优秀博士学位论文提名奖2篇、江苏省优秀博士学位论文5篇。

《定子永磁无刷电机:理论、设计与控制》(程明,花为著.北京:科学出版社,2021. 3)是作者团队20多年研究成果的提炼和总结。相关研究工作得到30余项科研基金和项目的资助,包括:国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“高可靠性电机系统设计与容错控制”(2013CB035603),国家自然科学基金重点项目“定子永磁型风力发电系统关键基础问题”(51137001),国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金项目“新型电机与特种电机”(50729702),国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“新能源汽车用新型电机系统”(51322705),国家自然科学基金项目“双凸极变速永磁电机及其控制系统之理论研究”(59507001)等。

我与程明教授相识多年,见证了其科研团队20多年的研究历程,他们在定子永磁无刷电机的能量转换机理、拓扑结构、数学模型、电磁设计、参数计算、磁场控制、损耗计算与温度场分析、可靠性分析和容错控制等关键技术与理论方面取得的丰富成果创新性强,推动了“定子永磁无刷电机”新分支的建立。该书是作者及其团队多年研究成果的集中提炼和总结,系统阐述了定子永磁无刷电机的基础理论,详细介绍了定子永磁无刷电机设计与控制中的关键技术。内容涵盖了电机原理、结构和性能分析,电磁和热特性分析,电机本体和控制系统,旋转型和直线型定子永磁电机等多个方面。书中所阐述的许多理论和方法,如等效磁网络建模理论与方法、永磁电机损耗计算模型、温度场-热路直接耦合方法、容错控制策略等,不仅适用于定子永磁电机,而且可推广应用于传统转子永磁电机等多类电机。该书内容丰富,条理清晰,自成体系,特色鲜明,是电机领域一部难得的高水平学术著作。该书的出版对丰富和发展电机理论、促进我国装备制造业的技术进步,具有重要的理论价值和现实指导意义。中国工程院院士 2018年11月

本文摘编自《定子永磁无刷电机:理论、设计与控制》(程明,花为著.北京:科学出版社,2021. 3)一书“前言”“序”,有删减,标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-063764-2

责任编辑:裴 育 朱英彪 赵微微

本书总结了作者团队在定子永磁无刷电机方面20多年的研究成果,内容涉及定子永磁无刷电机系统的工作原理、数学模型、设计理论与方法、电磁特性与参数计算、控制策略等。全书共13章,第1章为绪论,第2章介绍定子永磁无刷电机的基本结构和工作原理,第3章介绍定子永磁无刷电机的数学模型,第4章介绍定子永磁无刷电机有限元分析,第5 章介绍定子永磁无刷电机磁网络建模理论与方法,第6章介绍定子永磁无刷电机损耗分析与计算,第7章介绍定子永磁无刷电机热分析,第8章介绍定子永磁无刷电机设计理论与方法,第9章介绍定子永磁无刷电机控制策略及其实现,第10章介绍定子永磁无刷电机转矩脉动分析与抑制,第11章介绍定子永磁无刷电机可靠性分析与容错控制,第12章介绍磁通可控型定子永磁无刷电机,第13章介绍初级永磁直线电机及控制。本书不仅有丰富的理论分析和仿真计算,还提供了大量实验数据进行验证,以加深读者的理解。

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