电工|中国工程院院士马伟明：关于电工学科前沿技术发展的若干思考( 四 )

2.2关键科学问题
1）材料尽限应用下的电机分析和设计
相比传统电机系统，高功率密度电机系统具有材料利用率趋近极限、运行工况复杂、使用环境多变等特点，其内部电磁、温度、流体、应力等物理因素交互作用形成的耦合效应突出，如图7所示，导致复杂多物理因素交互作用下的电磁兼容、散热冷却、机械强度、结构振动等问题凸显，电机由弱耦合、少约束、线性系统向强耦合、多约束、非线性系统演变，传统电机系统的分析设计技术难以适用。
因此，迫切需要从多物理因素交互的角度出发，研究复杂多工况下高功率密度电机系统多物理因素映射规律与交互机制，探索材料尽限应用条件下电机多物理性能精确分析及协同优化设计方法，从而实现高功率密度电机系统的安全可靠运行。

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2）电机功能复用与集成
传统电机各部件物理功能明确、单一，造成了材料浪费，不利于功率密度的提高，需要探索研究部件功能复用或集成技术，减少系统体积和重量，优化现有电机设计理念。在某些对体积、重量要求极高的应用场合，如全电飞机、跨介质飞行器、水下航行器、高速发电等，还应考虑系统级集成方案，进一步提高整个系统的功率密度。
例如，混合励磁发电机（图8a）可将转轴同时作为结构件及辅助励磁磁路，实现部件级的功能复用，提高电机功率密度。定子笼型电机（图8b）在定子每槽导体端部集成了独立的电力电子开关，实现了电机与变频器的部件级集成，除提高系统功率密度外，还可通过控制改变每槽导体电流相位，灵活实现定子“变极”，配合笼型转子，实现电机极数的在线调节。
水下无轴推进技术是典型的系统级集成案例（图8c），将电机从舱室内移到舱外，并与推进器集成一体，取消了复杂的推进轴系及相关配套辅件，形成新型的无轴推进器，在提高推进系统功率密度、节省舱室空间的同时，也解决了潜艇现有机械推进中“桨-轴-艇”耦合噪声、大潜深下动密封难题。

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3）新材料、新工艺及新拓扑的牵引与应用
电机性能的不断提升往往更多依赖新材料、新工艺以及新电机拓扑等技术的应用，牵引着整个电机行业更深层次的变革。为推动我国电机技术的跨越式发展，亟需跟进和探索各种新材料、新工艺和新拓扑等与电机学科相结合的工程应用问题。
新材料的出现，使进一步全方位提升电机性能成为可能。新型高导电材料，如碳导线复合材料等，可突破原有热负荷限制，大幅提高电流密度；新型高饱和软磁材料，如含钴软磁材料等，可大幅提高饱和磁通密度，增大电机磁负荷；低损耗软磁材料，如超薄硅钢、非晶材料等，可大幅降低电机铁耗；高强度永磁材料，如铁钴基永磁等，可在保证高磁能积的条件下，满足更高转速要求；高强度复合材料，可避免金属护套高频涡流损耗，同时实现更高的转子预紧力；高导热绝缘材料，可显著提升电机的散热能力。
但某一方面性能突出的新材料，可能在其他方面性能有所弱化，需全面摸清新材料的导电、导热、导磁、机械强度、环境适应性等各种物理性能边界，并结合电机应用需求，研究新材料系统下的电机优化设计方法。
新工艺有助于使电机实际性能更接近理想情况，并提高系统可靠性，但由此也可能带来新问题需深入研究。例如，针对某些电机端部过长的问题，可借鉴综合集成的思想，在电机端部连接处采用复合母排结构，大幅减少端部尺寸，但需解决由此带来的绝缘、散热及结构强度等系列问题；在冷却技术方面，近些年陆续出现了转子集成空冷、定子槽内穿管、定子嵌套水冷板、热管等新型冷却工艺，可大幅提高电机散热效率，但需解决由此带来的结构强度、绝缘及电磁性能劣化等系列问题。