由华中科技大学学术委员会主办的“2023年度华中科技大学重大学术进展”评选活动入选成果近日揭晓。我院曲荣海教授团队的“磁场调制型航空发动机高功率密度电机系统”项目入选此次重大学术进展。
重大学术进展评选活动自2023年5月启动，遵循公开、公平、公正以及宁缺毋滥原则，立足于宣传我校具有原创性、引领性的学术成果。参评成果通过各院系学术委员会或校学术委员会委员两个渠道推荐，先后经过校学术委员会各学科分委员会遴选和校学术委员会全体委员通讯评议，校学术委员会主任会议提名，校学术委员会全体会议答辩评审，校长办公会审议产生十项入选成果。
此次入选的十项成果体现了学校坚持以守正创新引领高质量创新发展，践行新时代“顶天立地，追求卓越”的办学理念，展现了我校学者胸怀祖国、服务人民、勇攀高峰、敢为人先的科学家精神。
1.项目简介
项目名称：磁场调制型航空发动机高功率密度电机系统
主要完成人：曲荣海、李大伟、孔武斌、方海洋、范兴纲、梁子漪
航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，是国家战略重器和国防科技战略核心，也是我国当前最受重视的、亟待突破的核心技术之一。电机系统在传统发动机应用中主要负责少量作动和飞机供电，以往并未受到重视。但自上世纪90年代以来，国外服役的发动机电功率倍增，超大功率供电赋能大型民航客机机载能源利用的高效清洁化，同时有利于多电化战机机动性和任务航时的提升。而对于传统发动机，其机械液压系统复杂，存在上千根管路，“跑冒滴漏”故障风险极大，次生故障重者导致机毁人亡，给维护和安全带来巨大挑战。
为解决上述问题，航空发动机电气化成为发动机的重大变革和发展方向；多电航空发动机技术也成为中国航发的战略攻关方向和我国“两机专项”重点布局方向。然而，航空发动机对电机的体积重量限制极为严苛，功率密度通常达到电动汽车驱动电机的5倍以上。同时，航空发动机电机的运行环境温度高，冷却条件恶劣，难以满足超高转矩密度电机的冷却需求，进而无法实现对机械液压伺服系统的原位替代。因此，航空发动机电机系统技术能否成功突破其功率密度上限对提升航空发动机的功重比、可靠性和续航里程具有重大意义。
2017年以来，华中科技大学电气学院曲荣海教授团队针对电机功率密度上限问题进行理论探索，从电磁理论创新出发，建立“多工作谐波磁场调制电机系统”这一自主的全新路线，如图1所示，打破传统电机单谐波工作的固有模式，实现了航空发动机伺服电机系统关键技术的突破（图2）：
（1）提出了多工作谐波共励下高功率密度拓扑定向构造技术，突破冷却受限、材料近限下，功率密度难以大幅提升的技术瓶颈。
（2）开发了抗干扰耐高温系统一体化技术，实现控制器深度结构融合与复用设计，形成高效隔热“微环境”，系统耐温提高40℃左右。
（3）研发了高性能驱动控制技术，提出控制参数在线整定和传动参数辨识算法，系统行程位置精度提高10倍以上。
基于上述关键技术突破，如图2所示，团队自2022年1月以来研发了系列高功率密度航空发动机电机系统产品，应用于国际首台磁性回中式电液伺服阀，将寿命从“次数”提升至“年数”，关键指标超过国外的同类产品，国际上首次实现无接触回中，大幅降低加工制造难度与维护成本，阀门使用寿命实现数量级提升，具有很好的工程应用价值，对于国产航空发动机核心零部件自主知识产权具有重要意义。研发我国首套电动燃油泵电机并装备于高超音速装备，功率密度是当前已公开资料中功率密度最高的电动燃油泵电机系统，超过国外品牌同类系列产品。2022年以来，研发了多型电机/控制器并装配发动机中，顺利实现验证目标，标志着我国多电分布式发动机控制系统从无到有跨越式发展取得阶段性突破”。
航空发动机此前是我校电气学科的空白领域，在没有相关研究基础和环境情况下，团队2017年开始研发第一个航空发动机电机系统。经过短短五年，团队与航发集团合作项目超过20项，大量是“少肉、啃骨头”项目，也使得团队短短几年时间突破多项关键核心技术，研制出十多款航发高参数电机系统，并在多款航空发动机中应用或完成高空台试验，包括百kW燃油系统，其电机功率密度为已公开资料中同功率等级中功率密度最高的电机，引领了我校乃至我国电机学科的发展。
2022年我校与航发动控所的联合技术中心成为中国航发集团首批（十家）集团级联合中心之一，使得我校在下一代多电航空发动机研究方面拥有领先科研平台。2023年8月中国航发产学研融通创新大会，我校作为少数民口高效之一受邀参会；成功中标中国航发混动型商用发动机兆瓦级电机系统，我校助力商发与国际航空巨头同台竞技研发国产兆瓦级混合动力系统；上述成果成为我校与614所联合申报国家重点实验室的基础，使得我校作为国家战略科技力量，在航空发动机研究方面打开新的局面。
2.团队简介-创新电机技术研究中心
创新电机技术研究中心依托华中科技大学电气与电子工程学院、强电磁工程全国重点实验室和新型电机技术国家地方共建联合工程研究中心，由电气学院曲荣海教授创立于2011年9月，以满足国家和地方电机企业技术需求为目标，以雄厚的科研实力和先进的研发理念为手段，围绕高端电机设计、分析、驱动、控制及电力电子系统开展工作，从拓扑结构和理论方面开拓创新。研究领域包括：磁场调制永磁电机系统、航空电机系统、大型永磁风力发电机、超导电机、牵引及伺服电机、以及电力电子系统等。成立至今已发展成为我国电机领域综合实力和创新成果突出的团队，并在国际领域享有一定的知名度。
团队注重人才汇聚和培养，拥有一支充满活力、具有海内外科研背景的研究团队，现有专任教师11人，包括IEEE Fellow、IET Fellow、中国电工技术学会会士、国家海外高层次人才、国家海外高层次青年人才、国家自然科学基金优青、国家青年拔尖人才项目获得者等，同时拥有中国工程院院士和美国工程院院士作为顾问。此外，还有博士后、科研助理、硕博士研究生共计100余人。团队历年毕业研究生近百人，培养的研究生获湖北省优秀硕士/博士学位论文奖、中国科协“青年人才托举工程”资助、“博士后创新人才支持计划”资助、中国研究生电子设计竞赛技术竞赛团队全国一等奖、湖北省博士后创新创业大赛特等奖等，数十人进入国内大学任教或赴美国、德国、英国、日本等知名高校继续深造。
中心重视先进成果转化，致力发展成为世界一流的电机及系统研究中心，推进我国电机技术进步和产品升级。团队承担国家科技支撑计划、科技重大专项、863计划、工信部强基工程项目、国家自然科学基金重大重点及国际合作等国家和省部级等重大科研项目或课题，并于与多家企业开展高性能电机及驱动系统的科研合作。团队承担的项目获湖北省科技进步一等奖1项，日内瓦国际发明展金奖和罗马尼亚科学技术学会颁发的特别奖1项、特别嘉许金奖1项，中国电工技术学会技术发明一等奖、二等奖各1项，中国产学研合作创新成果奖1项。相关研究成果不断应用于风力发电、电动汽车、船舶动力、航空推进、高档数控机床、高铁牵引、石油和天然气等行业。团队成员获国际永守赏（Nagamori Awards）学术奖、中国发明协会发明创业奖人物奖、湖北省百名专利发明领军人才、“电工行业-正泰科技奖”科技成就奖、IEEE工业应用协会杰出讲师和杰出会员奖等。
中心立足国际科技前沿，积极组织和参与国际学术交流活动。团队成员在国内外高水平期刊发表SCI、EI核心收录论文600余篇，其中IEEE最佳论文奖12篇，高被引论文5篇，授权发明专利130余项。团队主办/承办国内外重大会议十余次，包括IEEE第26届国际电机与系统大会（ICEMS 2023），IEEE第四届国际电气与能源大会（CIEEC 2021），2021年国家自然科学基金委员会电气科学与工程学科项目交流会，第一届和第三届中国电气工程国际青年会议（CIYCEE 2020&2022），IEEE IAS、IES、PES和PELS武汉分会联合学术年会、IEEE IAS武汉分会与华中科技大学学生分会成立大会，“电网适应型风电技术”中韩双边学术研讨会（China-Korea Joint Sympo-sium on WeGAT 2016）等。团队组织设立了IEEE工业应用协会武汉分会、IEEE工业应用协会华中科技大学学生分会、IEEE中国超导专业委员会和中国电工技术学会磁场调制电机专业委员会，致力于促进学科和产业的发展，增强学术和技术交流，为我国高端制造业贡献力量。
