2018年度广东省科学技术奖公示表
（自然科学奖）
项目名称新型高密度磁场调制型永磁机构的理论研究及应用
主要完成单位南方科技大学
香港大学
广州大学
中国科学院深圳先进技术研究院
主要完成人（职称、完成单位、工作单位）1.蹇林旎（职称：助理教授/副研究员；工作单位、完成单位：南方科技大学;主要贡献：I）项目总责任人，全面负责项目实施及管理；II)是核心理论“双向磁场调制效应”的提出者；III)是专著1的唯一著作者，及代表性论文1到9的通讯作者，是全部5项代表性授权发明专利的第一发明人）
2.陈清泉（职称：教授/中国工程院院士/英国皇家工程院院士；工作单位、完成单位：香港大学;主要贡献：I）项目总协调人，负责项目总体规划与指导及研究和应用资源的协调；II)是代表性论文1、2、3、5和7的合著者）
3.邵子韵（职称：讲师；工作单位、完成单位：广州大学;主要贡献：I）负责新型电磁装置及应用系统的建模、优化设计；II)新型磁场调制原理的理论分析与推导；III)是代表性论文1、3、4的合著者）
4.梁嘉宁（职称：副研究员；工作单位、完成单位：中国科学院深圳先进技术研究院;主要贡献：I）负责新型电磁装置的驱动控制设计；II)是代表性论文6、8、9的合著者，也是代表性授权发明专利4、5的共同发明人）
5.龚宇（职称：助理研究员；工作单位、完成单位：南方科技大学;主要贡献：I）负责新型电磁装置的有限元建模仿真研究；II)组织实施100千牛米级高密度自然冷却直驱电机试验样机的设计、加工及实验验证；II)是代表性论文5的合著者）
6.石玉君（职称：研究实习员；工作单位、完成单位：南方科技大学;主要贡献：I）是新型电磁装置的有限元建模仿真研究主要参与者；II）是代表性论文1的第一作者及代表性论文5的合著者，也是代表性授权发明专利1、2、3、4的共同发明人）
7.尉进（职称：研究实习员；工作单位、完成单位：南方科技大学;主要贡献：I）是100千牛米级高密度自然冷却直驱电机试验样机的设计、加工及实验验证的主要参与者；II）是代表性论文1的合著者，也是代表性授权发明专利1、2、3、4的共同发明人）
项目简介
本项目成果属于电气工程学—新型电磁能量转换技术领域研究成果。
能源危机和全球暖化是新世纪人类共同面临的重大挑战。深刻改变能源生产和消费方式将是实现可持续发展的重要途径。2014年6月13日，习近平总书记主持召开中央财经领导小组第六次会议并作重要讲话，吹响了积极推动我国能源生产和消费革命的号角。总书记的重要指示包含两个方面的深刻内涵：一是要大幅提高清洁、可再生能源在一次能源结构中的比重；二是要深刻改变能源消费方式，全面提高交通和工农业生产领域的电气化水平。前者是促进能源多样性、保障能源安全的主要途径，后者是提高能源利用效率、减少污染物排放的重要手段。当前，在可再生电能开发利用（如风力发电、海浪能发电）以及电气化推广应用（如电动汽车、高速铁路、全电驱舰船、工农业电传动）方面，用以实现机电能量转换和转矩传递的电磁装备技术属于核心共性技术，其中一个亟待突破的方面在于——研发高密度的新型电磁能量转换装置，以适应具体应用场合对设备体积和重量方面的限制。
在传统电机学理论中，通常采用空间基波电磁场相互作用来实现能量转换和转矩传递，而装置内部气隙工作面的尺寸决定了装置能够提供的最大转矩。在诸多应用场合，如风力发电、工业电传动、舰船全电推进等，通常需要电磁装置能够提供低速大转矩运行能力，同时对装置的尺寸提出了严苛的要求。常规解决方法是安装减速齿轮箱、皮带轮等中间传动机构来提升电磁装置的运行转速并降低其输出转矩，从而满足传统电机设计理论中的关于有效尺寸的限制。而齿轮箱、皮带轮等中间传动机构的引入又带来传动效率降低、需日常润滑维护等现实问题。
本项目历经7年时间，在主要完成人的共同努力下，突破了传统电机学理论仅用“空间基波电磁场”实现能量转换和转矩传递的固有机理，提出并创建了基于“双向磁场调制原理”的高密度磁场调制型永磁机构的基础理论，研发了多种新型电磁装置，并在油田直驱抽油机系统中得到应用。具体情况如下：
1）提出了“双向磁场调制原理”，并在此基础上创立了一种具有定、转子双永磁激磁的电机新型态。通过在电机定、转子上均设置磁场调制齿和稀土永磁磁极，使转子永磁磁场受到定子调制齿的调制，同时，使定子永磁磁场受到转子调制齿的调制。由此产生一系列相互匹配的磁场谐波对。通过巧妙设计定、转子槽极配，两者调制出来的磁场谐波均能与电枢磁场相互作用，可使这些谐波对具有相同的空间极对数和同步的空间转速，因而可以相互耦合产生稳定的电磁转矩。“双向磁场调制原理”通过在气隙里引入多次磁场谐波，这些谐波与基波磁场一起共同产生转矩，气隙利用率大大提高。该原理多次利用了有限的气隙工作面，在不增加空间尺寸的前提下增加有效磁负荷，从而提高了永磁机构的转矩输出能力。经过为期两年的艰苦攻关，项目团队成功研制出世界首台10万牛米级自然冷却双永磁激磁直驱电机。该电机设计转速为6转每分钟，额定转矩为100千牛米。电机定子外径为1430毫米，有效轴向长度为670毫米。除机壳、转轴外的有效质量为 4314 kg。实测结果表明，电枢电流密度为1.98安培/平方毫米时，电机能够提供的输出转矩达到106千牛米，转矩密度为98.5千牛米每立方米。电机转速在6转每分钟稳定运行时的能量转换效率达到90.02%。电机在自然冷却状态下（即不采取任何额外冷却措施，仅依靠机体自身向外散热），连续运行三小时的绕组端部温升仅为11K。
2016年中，经广东省科学技术厅组织鉴定，专家组认为“100 kNm级高转矩密度自然冷却直驱电机技术理论研究”项目的总体理论水平达到国际先进水平，所研发的100kNm 级自然冷却直驱电机试验样机技术独特、创新性突出，并在转矩密度这个关键性能指标上达到了国际领先水平。
2）建立了一种适用于“宽槽及有限槽深”永磁机构的磁场解析计算方法。一直以来，人们希望能对电磁装置内部的磁场分布进行解析推理计算。与数值方法不同，解析法能够更为清楚地揭示事物表象背后蕴含的物理本质，并有望得到问题的完备解。对大多数功率型电磁装置而言，其内部电磁场属于稳态场或似稳场范畴，这给实施解析计算带来了一定的便利。首先，选取标量磁位或矢量磁位作为中间变量，列写表征电磁场分布规律的麦克斯韦方程组；然后，对不同场域的交界面进行规范，
得到边界条件；麦克斯韦方程组与边界条件共同构成定解问题，通过求解定解问题可得到场域内各点标/矢量磁位的分布情况；最后，对标/矢量磁位的分布进行后处理，便可得到机构内磁通密度的分布状况。其中，最大的困难在于如何对齿、槽等不规则边界进行处理。
经过多年潜心钻研，项目组建立了一种适于“宽槽及有限槽深”永磁机构的磁场解析计算方法：首先，建立机构的精确解析模型，完整地刻画磁场在齿部及槽隙间的分布情况，尤其考虑相邻槽隙之间的影响，以及永磁磁极与齿槽相对位置的影响；然后，建立不同材料区域交界面上的约束条件，采用局部、总体相结合的方式构建数量充足的定解方程。在对同轴磁性齿轮中孤立调磁铁心块进行考察时，巧妙地采用叠加原理对相互垂直的交界面进行处理；最后，采用傅里叶级数法和分离变量法对定解问题进行求解。该方法被成功地应用到对同轴磁性齿轮、磁场调制式永磁电机、表面嵌入式永磁电机等磁性装置的解析分析中，获得了很好的效果。
3）完善了同轴磁性齿轮的基础理论。2001年，英国学者Dr. K. Atallah 与 Prof.
D. Howe（英国皇家工程院院士）首次提出了同轴磁性齿轮的概念。这是一种依靠永磁磁场相互作用进行无接触变速传动的新型磁性装置。该装置的转矩密度达到了与机械齿轮相当的水平，且具有无接触、免维护、过载自保护等显著优点，从而具备了在工业领域广泛应用的潜力。项目组在前人工作的基础上建立了完备的同轴磁性齿轮基础理论：系统地辨识了机构内各次磁场谐波产生的原因及作用；找出了影响同轴磁性齿轮工作转矩、脉动转矩的关键因素；明确指出同轴磁性齿轮能够提供较高转矩密度的本质原因在于“有限的气隙空间被多次磁场谐波所复用”，从而拓展了对传统电机设计理论中“有效尺寸”的理解和认识。提出了改善同轴磁性齿轮工作性能的方法：通过引入Halbach磁体阵列改善气隙磁场分布，可将工作转矩提高16%、脉动转矩减低64%；通过对调磁铁心形状进行优化，改善磁场调制性能，进一步提高工作转矩。建立了基于有限元法的同轴磁性齿轮分析及设计方法：总结了建立二维/三维有限元模型时应注意的细节问题；完善了稳态性能、瞬态性能的分析流程；建立了机构内涡流损耗、磁滞损耗、边端效应的分析方法。
4）提出了一种全新的无接触多端口能量集中/分配装置，可以实现能量的多路径高效流通，并开展了针对电动汽车、风力发电等应用场合的基础性研究。包括，探讨了多能流模式在电动汽车与智能电网能量交互领域的理论模型，并对能流调度模式进行实时在线优化。
该项目研究成果突破了传统电机学理论，为新型电磁装置的设计、制造提供了全新思路，在新能源直驱发电、电气化直驱传动等领域具有广阔的应用前景，将为推进能源生产和消费革命做出积极贡献。依托相关成果，出版学术专著1部，发表论文22篇，累计被引用>1000次（数据来源：Google Scholar），其中9篇代表论文SCI他引>150次，已获得授权专利16项（含2项PCT国际专利，并获美国专利授权）。
代表性论文专著目录论文1：Y. Shi, L. Jian*, J. Wei, Z. Shao, W. Li, and C. C. Chan, "A new perspective on the operating principle of flux-switching permanent-magnet machines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 3, pp. 1425-1437, 2016.
论文2：L. Jian*, Y. Zheng, X. Xiao, and C. C. Chan, "Optimal scheduling for vehicle-to-grid operation with stochastic connection of plug-in electric vehicles to smart grid," Applied Energy, vol. 146, pp. 150- 161, 2015.
论文3：L. Jian*, X. Zhu, Z. Shao, S. Niu, and C. C. Chan, "A scenario of vehicle-to-grid imple -mentation and its double-layer optimal charging strategy for minimizing load variance within regional smart grids," Energy Conversion and Management, vol. 78, pp. 508-517, 2014.
论文4：L. Jian*, H. Xue, G. Xu, X. Zhu, D. Zhao, and Z. Shao, "Regulated charging of plug-in hybrid electric vehicles for minimizing load variance in household smart micro grid," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 8, pp. 3218-3226, 2013.
论文5：L. Jian*, Y. Shi, C. Liu, G. Xu, Y. Gong, and C. C. Chan, "A novel dual-permanent-magnet -excited machine for low-speed large-torque applications," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 49, no. 5, pp. 2381-2384, 2013.
论文6：L. Jian*, W. Gong, G. Xu, J. Liang, and W. Zhao, "Integrated magnetic-geared machine with sandwiched armature stator for low-speed large-torque applications," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 48, no. 11, pp. 4184-4187, 2012.
论文7：L. Jian*, G. Xu, C. Mi, K. Chau, and C. C. Chan, "Analytical method for magnetic field calculation in a low-speed permanent-magnet harmonic machine," IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 26, no. 3, pp. 862-870, 2011.
论文8：L. Jian*, G. Xu, Y. Gong, J. Song, J. Liang, and M. Chang, "Electromagnetic design and analysis of a novel magnetic gear integrated wind power generator using time-stepping finite element method, " Progress in Electromagnetics Research, vol. 113, no. 1, pp. 351-367, 2011.
论文9：L. Jian*, G. Xu, J. Song, H. Xue, D. Zhao, and J. Liang, "Optimum design for improving modulating-effect of coaxial magnetic gear using response surface methodology and genetic algorithm," Progress in Electromagnetics Research, vol. 116, no. 116, pp. 297-312, 2011.
专著1：蹇林旎著，“同轴磁性齿轮的原理及应用”，中国科学出版社，ISBN 978-7-03-145221-4，2015年10月.
知识产权名称专利1：L. Jian*, J. Wei, Y. Shi, "Flywheel energy storage device, wind power generation system and vehicle energy feedback brake system", PCT/CN2014/074031, US Patent, No. US 9, 837, 874 B2.（PCT 国际专利，同时获美国、中国发明专利授权）
专利2：L. Jian*, Y. Shi, J. Wei, "Magnetic transmission apparatus",PCT/CN2014/091670, US Patent, No. US 9, 985, 513 B2.（PCT国际专利，同时获美国、中国发明专利授权）
专利3：蹇林旎，尉进，邓正兴，石玉君，“一种永磁电机”，中国发明专利，授权专利号：ZL 2015 10992863.6.
专利4：蹇林旎，石玉君，梁嘉宁，徐国卿，“一种定转子双永磁体激励谐波电机”，中国发明专利，授权专利号：ZL 201310677474.5.
专利5：蹇林旎，徐国卿，武渊源，梁嘉宁，“变速装置”，中国发明专利，授权专利号：ZL 2011 10316236.2.
推广应用情况
项目组将所研发的高密度磁场调制型永磁机构技术应用到油田用直驱抽油电机系统，与苏州贝得科技有限公司合作研发出相关技术产品，并已在大庆油田进行试运行。具体情况如下：
（一）油田用直驱抽油电机系统：该系统采用高密度磁场调制型永磁机构技术，形成具备超低转速（6-8转每分钟）和超高体积密度（>90千牛米每立方米）的新型驱动电机，可以完全摆脱存在于传统抽油机电驱系统中的重载齿轮箱和皮带轮等中间机构，大幅提升了电传动效率（从原来的46.3%提升至85%以上），并实现长时期免维护运行。从而节省大量的物料成本（包括齿轮更替、皮带轮更替、齿轮润滑油）和现场维护人力开销。
（二）试运行经济社会效益：自2016年9月起，苏州贝得科技有限公司向大庆油田供应试运行用直驱抽油机系统13台套（包括53型10台，37型3台），合同金额达197.0万元。该批电机已在大庆油田现场试验运行达20个月，取得的社会效益包括：
1）累计节电17.28万千瓦时，相当于节省60.48吨标准煤，实现减排150.38吨二氧化碳、4.54吨二氧化硫、2.26吨氮氧化物和41.13吨碳粉尘；
2）累计节省皮带轮橡胶2253.40千克，实现减排硫化碳、四氯化碳、苯、酚等废气或废气颗粒约187.20千克；
3）累计节省减速箱润滑油247.23千克，减少向环境（包括土壤和大气）的废油气排放量约为120.10千克。