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(电能高效转换局部)
本领域的战略地位;
电是一种最便于传输、安排与把握,最易于实现与其他能量相互转换,最便于进展能量时空分布变换的一种能量。因此,在现代人类生产、生活和科研活动中一刻也离不开电。很多状况是先将初始能量转换成电能,然后再转换成所需要的其他能量形式,电已成为能量转换的枢纽。不仅如此,信息的处理和传输也要依靠电,计算机、通信网和无线电等无不以电作为信息的载体。现代高科技的进展也离不开电。
本领域的进展规律和争论特点;
电能的转换既包括其他形式的能源〔如化学能、阳太能、核能、风能等〕向电能的转换,也包括电能向其他形式能量的转换。90%以上的电能是经由发电机转换而来的,同时,一半以上的电能又是由电动机消耗掉的。因此,电机〔发电机与电动机的统称〕是实现电能转换的最根本装备。
近年来,电机系统及其把握技术的争论呈现出与其他学科之间互为动因和互为根底的进展特点。电力电子技术的应用,为电机系统把握技术供给了手段;材料〔如超导材料、永磁材料、绝缘材料、型功能材料等〕的不断涌现,为电机系统及其把握技术的进步供给了物质条件;电能转换的原理、技术、装置层出不穷,使电机系统的种类不断丰富且内涵不断扩大。
21世纪科学技术的进步对电机系统及把握技术提出了要求,不仅要提高电机系统的能量转换效率、质量和牢靠性,而且需要实现电机及其把握系统的集
成化和信息化,并争论基于原理、利用材料和承受构造的电机系统,进展原理与技术上的创。
近年来本领域的争论现状和争论动态〔包括人才队伍、资助现状、重要成果以及在推动学科进展和人才队伍建设、营造科研环境等方面的成绩与问题〕;
○1大容量超低速电机设计理论根底
大容量低速和超低速电机主要用于大型风力发电、船舶和舰艇推动系统的直接驱动等,以取消机械变速机构,提高系统效率和运行牢靠性,降低噪声。其设计理论与关键技术与常规电机和高速电机不同,需要深入争论。国外已生产5MW
的直驱式永磁风力发电机,转速仅8~13r/min。
○2高速微型电机的周密测控理论与技术
高速微型电机是很多应用领域必需解决的难题,包括电子产品、生物科技以及国防工程等领域。高速微型电机的性能往往取决于测控精度。目前国际上已经可以对速度为3万r/min的高速电机进展解析度为1nm的周密测试;在无位置
%稳定度的速度把握。
○3定子永磁型电机的分析设计理论与技术
与传统电机中将永磁体放置于转子不同,定子永磁型电机是将永磁体放置于定子,永磁体安装便利,温度易于把握,转子为简洁的凸极构造,牢靠性高。该类电机具体还可分为双凸极永磁电机,磁通切换型永磁电机和磁通反向电机等。用电励磁绕组取代永磁体便构成无刷电励磁电机;在定子上同时放置永磁体和励磁绕组,便构成无刷混合励磁电机。它们依靠转子的凸极效应使定子绕组匝链的磁通产生变化,实现机电能量转换,其工作原理、内部电磁关系以及把握策略与
传统电机不同,需要进展深入争论。定子永磁型电机已成为的争论热点。如何进一步提高定子永磁型电机的力能指标,降低转矩脉动和振动噪声等是需要连续深化的争论方向。
将来5~10年本领域的进展布局、优先领域以及与其他学科穿插的重点方向;
从电工学科的进展需求动身,本着有所为有所不为的原则,依据电能高效转换的学科特点和进展趋势,基于国内电能转换现有争论根底和进展需求,同时考虑到基金委在期间对本领域资助的力度,确定以下4个优先领域。
○1大容量风力发电系统关键根底科学问题
风力发电作为一种最具开发价值的可再生能源之一,近年来国际、国内进展特别迅猛。但风能具有的时变性和不行把握性以及特别的运行环境,使风力发电系统与传统火力发电、水力发电系统有很大区分,有很多关键根底科学问题有待深入争论。
大型双馈风力发电机优化设计。为了适应风机气动特性以及变速恒频风力发电机较宽的调速范围,争论大型双馈风力发电机优化设计理论与把握技术,提高发电机运行效率,实现其在不同风速条件下的高效节能运行。
无刷化风力发电机及其把握技术将针对目前双馈异步风力发电因电刷使系统牢靠性降低的缺乏,进展无刷化风电机组,争论型无刷双馈电机的设计理论与把握技术并使之有用化。
直驱式低速风力发电机将针对传统风电机组因承受增速齿轮箱而使风电能量转换效率低、存在机械振动和噪音、故障率高和需要定期维护等缺点,争论无
增速机构直驱式低速风力发电机的构造型式、设计原则与方法和把握技术等。半直驱式低速风力发电系统针对双馈风力发电机的多级增速箱效率低、故障
率高等缺点以及直驱式永磁风力发电机体积大等不利因素,探讨承受一级增速箱传动的半直驱式风力发电机设计理论,在吸取两种类型风力发电机优点的同时弥补其固有缺陷。
无级变速风力发电机系统是承受电气或机械无级变速器取代传统固定速比的增速齿轮箱,在风轮轴转速随风速而变化时,保持输出轴的转速恒定在同步速,可承受传统的同步发电机输出恒压、恒频、正弦的电能,实现真正的变速恒频运行。争论无级变速器的设计与把握技术以及风电系统的把握规律。
风电机组的故障及保护把握将争论大型风电机组与电力系统的综合把握,特别是电网发生故障状况下风电机组的运行把握、保护策略和对电网恢复的作用,以适应风电机组的大容量化及其在系统中所占比重日益增加的需要。
最大风能转换效率把握将争论变桨距风力机与变速恒频发电机的协调与优化把握、微风发电技术以及风力发电与其他发电方式的互补运行技术等。
○2极端条件下高效机电能量转换的理论与技术
极端条件包括极端环境〔如超低温、高温、真空或高压强、充油、浸水、振动与冲击等〕与极端运行性能〔如极高速、极低速、大转矩、高精度、高效率等〕。随着科学与技术的进展,极端条件高效机电能量转换系统的需求不断增加。在极端条件下,材料的特性、损耗产生的关联因素、散热条件等发生了变化,能量转换过程中涉及的因素变得简洁,消灭了包括材料与器件、损耗与散热、综合物理场分析、平衡设计方法、牢靠性、轴承等的科学与技术问题,能量转换系统的设计理念、分析方法、测试与评价方法等与传统电机有很大的区分,甚至是根本
的区分,需要进展深入系统的争论。
○3多端口能量转换装置与系统
多端口电机突破传统电机仅在单定子和单转子之间实现机电能量转换的局限,实现了单定子和多转子之间、单转子与多定子之间以及转子与转子之间的电磁与机电能量转换。多端口电机在多动力源混合驱动系统、一体化起动/发电系统、电磁无级变速器等领域具有突出的优势。多端口电机在定转子构造、电磁耦合关系、系统模型、把握技术、温度分布与冷却方法以及应用等方面与传统电机
存在较大差异,有待深入争论。
○4电气载运系统电机驱动把握理论与技术
电气载运系统包括电动汽车、电动舰船、电气轨道交通、多电飞机等。电气载运系统的核心是电机驱动系统。不同于传统工业驱动,载运系统对电机驱动系统的要求是:低速大转矩、调速范围宽、高牢靠性等,不仅要求功率效率高,而且要求能量效率高。
争论电气载运系统专用电机的拓扑构造、设计理论与方法、把握策略;制动策略与能量回馈;起动/发电集成系统的统一设计与把握方法;混合动力功率安排系统;轨道交通直线电机驱动系统等。
将来5~10年本领域开展国际合作与沟通的需求分析和优先领域;
○1风力发电系统的设计与把握
我国风力发电近年来进展迅猛,但关键技术与装备主要依靠国外,人才也严峻缺乏。为了尽快把握风力发电系统的设计、制造、运行把握技术,缩小与国际先进水平的差距,迫切需要与欧洲、美国等风电先进国家开展深入而广泛的合作
与沟通。
○2电动汽车能量转换与治理
电动汽车被认为是解决石油短缺和环境污染的重要手段。电动汽车属于汽车工程、电气工程、机械工程、把握科学与工程等多学科穿插的领域。国际上日本、美国、欧洲等处于领先地位,日本丰田公司的Prius作为混合动力汽车的代表已在世界各国销售数万辆。我国在电动汽车争论与开发方面近年取得了长足的进步,但在核心技术如电动汽车的能量治理与把握、电机驱动系统的在线效率优化把握等方面与国际先进水平尚的较低大差距,需加大国际沟通与合作,提升我国电动汽车的技术水平。
将来5~10年本领域进展的保障措施〔侧重于根底争论、人才队伍、环境建设、国际合作等方面的政策〕
参考文献
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北京:科学出版社,2023.
ChengMing,HuaWei,-permanentmagnetbrushlessmachines:concepts,developmentsandapplications(invitedpaper).ProceedingsofICEMS2023,-20,2023,Wuhan,China:2802-2807.
赵文祥,程明,朱孝勇,张建忠,
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