每一次科學研究正規化的重大轉變，必將推動科研創新的變革。當前，隨著智慧化技術的發展，以人工智慧、大資料、雲計算等為代表的新技術，正與各學科領域深度融合，推動產業模式的變革，拓展創新領域。

中國工程院院士、海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室馬偉明教授，在2021年第22期《電工技術學報》上撰文，立足電工學科發展需求，結合新一輪科技革命的特點，從人工智慧與電工學科的融合發展、全電移動平臺對高效能電機研究的推動、多能源電力系統的發展，以及電磁能裝備的突破對傳統週期穩態/準穩態向極端條件下非週期瞬態工況拓展四個方面，對電工學科在多領域融合推動下的前沿發展問題進行了初步思考，並詳細介紹了其背景需求和關鍵科學問題。希望能夠引發廣大同仁的探討，推動我國電工技術的創新發展。

人類歷史上，科學研究已經歷四次重大正規化轉變。從最初興起於文藝復興前期以觀察和測量為主的試探性科學，到17世紀開始建立理論，並對假設進行合理驗證的理論科學，20世紀50年代以理論建模和模擬計算為主的計算科學，再到21世紀初以超大規模系統和海量資料為主導的大資料驅動科學，每一次正規化的轉變，都推動著科學研究的變革。當前，在大資料的支撐下，科研創新已進入全新時代，其最大特點就是多行業、多領域、多學科的交叉融合以及在此基礎上的組合創新，並將智慧化作為發展方向。

電工學科具有悠久的歷史和強大的生命力，從幾百年前人們對磁現象的觀察思考開始，到電學的誕生，再到電能的大規模應用，電工學科譜寫了輝煌的工業歷史，併成為世界經濟發展戰略的重要支撐。2018年國家自然科學基金委對電工學科的程式碼和研究方向進行了系統梳理，共分13個二級學科程式碼，進一步豐富了電工學科的研究內容。

當前，隨著智慧化的發展，以人工智慧、大資料、雲計算、區塊鏈、數字孿生等為代表的新技術正推動著各學科領域的融合發展，改寫產業發展模式、拓展創新領域。

本文立足當前我國電工學科的發展需求，結合新一輪科技革命特點，從人工智慧與電工學科的融合發展、全電移動平臺對高效能電機研究的推動、多能源電力系統的發展，以及電磁能裝備的突破對傳統週期穩態/準穩態向極端條件下非週期瞬態工況拓展四個方面，對電工學科在多領域融合推動下的前沿發展問題進行了初步思考，並詳細介紹了其背景需求和關鍵科學問題。

1 人工智慧的興起孕育了電工學科新的發展方向

人工智慧是伴隨計算機的發展而發展起來的一門新興學科，近幾年已成為跨領域、多學科、多應用的成功典範，其在電氣工程學科的融合應用，必將掀起電氣工程領域顛覆性的變化，孕育新的學科方向。例如，大規模電力電子系統無纜化和電機系統智慧感知與執行控制等問題。

1.1 電力電子系統無纜化問題

1.1.1 需求分析

電力電子系統作為能量流轉換的基本單元，通常由半導體器件、感測元件、硬體電路、監控軟體經連線件組合而成。隨著電力電子系統向多樣化、規模化、智慧化發展，系統內的資訊流和能量流互聯互通日趨複雜，不斷促進電力電子系統向高度整合化和模組化發展。繁雜的互聯線纜嚴重製約了電力電子系統的智慧製造、柔性擴充套件，而現有的基礎理論和設計理念難以支撐電力電子系統和這些新技術手段的深度融合。

作為一個高階、非線性、多變數的電、磁、固、熱多物理場耦合系統，超大規模電力電子系統涉及能量流電磁場與資訊流電磁場相互交叉，連續域模擬量與離散域數字量相互轉換，能量流的傳輸與耗散路徑不唯一，埠對外能量輸運特性與埠對內多時間尺度能量轉移擴散特性不一致（見圖1），系統內部機理與外在表徵的時空特性極為複雜，支撐電力電子系統無纜化設計理念的基礎理論還不完備，需深刻剖析無纜化設計理念背後蘊含的關鍵科學問題。

圖1無纜化電力電子系統面臨的問題分析

1.1.2 關鍵科學問題

1）瞬態電磁能量精確表徵與平衡調控問題

能量流的精確刻畫是開展電力電子系統控制技術研究的關鍵，傳統控制方法透過控制電壓或電流來表徵電力電子系統的動力學過程，而電壓或電流均不能全面刻畫電路的模型和特徵。電力電子器件在開/關過程中，伴隨電路結構的轉換，其最本質的特徵是電路中儲存的能量以及能量的流動過程。因此，需開展基於瞬態電磁能量平衡的電力電子系統建模方法研究和以能量平衡為主要目標的電力電子系統控制技術研究。

2）狀態管理、智慧決策與高效控制問題

電力電子系統全域負載範圍內的高精度感測、高效能執行與高可靠工作，是實現電磁能量高效轉換的基礎。而高整合的無纜化電力電子系統內部機理與外在表徵呈現出比有纜系統更為複雜的時空響應特性，傳統狀態感知、故障診斷、電能調製及數字脈衝序列生成的普遍規律難以充分發揮無纜化系統的優勢，不再適用。因此，需要考慮結合無纜化系統資訊流與能量流之間的複雜對映關係，探究無纜化電力電子系統的狀態管理、智慧決策與高效控制方法。

3）高功率密度電力電子系統無纜化整合封裝過程中的絕緣、電磁相容與散熱設計問題

電力電子系統的絕緣、電磁相容與散熱設計，是決定其功率密度、可靠性與連續執行效能的重要因素。根據Poynting電磁場能量守恆定理，電磁能除了透過電流沿導線內部傳遞給負載以外，還會透過空間電磁場的形式傳播，系統不同材料、元件在中高頻電磁場作用下的物理特性均與電磁能量轉換息息相關，如分佈引數、熱效應、電磁感應與振動等，也直接決定著系統的絕緣效能、電磁相容性與散熱效能。

1.2 艦船電機系統的智慧感知與執行控制問題

1.2.1 需求分析

艦船綜合電力系統（Integrated Power System, IPS）如圖2所示，它是將發電、推進供電、高能武器發射供電、大功率探測供電、日常用電等綜合為一體的艦船電力系統，將傳統艦船相互獨立的動力和電力兩大系統合二為一，實現了全艦能量的綜合利用。

綜合電力系統不僅可大幅降低艦船全壽命週期費用、最佳化艙室佈局、提高艦船隱身性、生命力和機動性，更是高能武器上艦的唯一途徑，被譽為艦船動力的第三次革命。艦船電機系統長期大功率執行下，資訊感知能力和執行控制手段決定平臺效能的發揮程度，需要不斷深化艦船電機系統狀態智慧感知與執行控制理論，全面提升電機系統的自感測、自診斷和最佳化控制能力，為發展下一代綜合電力系統提供理論和技術支撐。

圖2 艦船綜合電力系統

電機系統的智慧感知與執行控制系統結構如圖3所示，由整合式智慧感測單元、健康狀態評估與故障預測單元、執行控制管理單元三部分組成，透過新型整合感測、現代控制理論、最最佳化理論、資料融合等理論和新技術，實現電機系統健康狀態的實時監測和故障預測，並結合艦船實時工況需求，實現智慧最佳化控制。

與傳統艦船電機系統的監控系統不同，智慧感知與執行控制系統可充分挖掘並掌握電機系統狀態，對故障準確預測，在保證安全穩定執行前提下，根據不同工況和故障狀態進行最佳化調整與容錯控制，使其滿足高載荷、高動態複雜工況，併為能量管理分系統提供決策資料，支撐綜合電力系統作戰效能最大化，有望使電機系統在執行、維護效率和盡限執行能力等方面的效能大幅提升。

圖3 系統結構

1.2.2 關鍵科學問題

1）電機系統整合式智慧感知

傳統艦船電機系統裝備的感測器簡單、分離，缺乏關鍵物理量的綜合、全面測量。考慮電機系統“電磁-機械-流體-訊號”本徵多物理場耦合關係，需突破整合式多維度智慧感知基礎理論，支撐電機系統健康狀態智慧認知技術的發展。

一方面，透過深入研究電機系統中“電磁-機械-流體-訊號”的多物理場耦合關係，揭示電機狀態與系統激勵、電機結構之間的相互作用機理，建立電機本徵物理量與可觀測狀態量間的對映模型，從而基於現有感測器實現複合感測，間接獲取更多的電機關鍵狀態資訊（見圖4）。

另一方面，對無法間接觀測的電機物理量，重點突破新型感測器的整合應用技術，以儘可能少的新型感測器，獲取必需的電機狀態資訊。最終實現電機定轉子溫度、相對位移、轉子位置和速度、電機繞組絕緣狀態等關鍵狀態資訊的全面獲取。

圖4 電機電壓電流物理場耦合圖

2）複雜工況下電機系統健康狀態監測與故障預測

艦船推進電機執行工況複雜，故障早期的訊號特徵極其微弱，容易被噪聲淹沒，強幹擾環境下電機漸變故障微弱訊號的建模與有效特徵提取方法是實現複雜工況下電機系統效能引數退化預警的關鍵。因此，需研究多源多維資訊融合的狀態監測與故障診斷技術（見圖5），分析電機系統非線性、強耦合特性以及溫漂、擾動等非線性因素的作用機理，強幹擾下弱訊號的提取方法和多源資訊融合機制，探明電機引數與執行工況間的非線性函式關係、電機系統漸變故障與狀態資訊及引數的關係，透過狀態觀測和引數辨識實現電機系統效能引數退化預警。

圖5

3）電機系統自適應執行最佳化與容錯控制

目前廣泛採用的分立控制架構嚴重依賴“人在迴路”執行模式，限制了電機系統安全執行邊界和智慧執行能力。建立多層次、多目標的電機系統智慧執行最佳化機制，實現資訊流驅動能量流的智慧控制，是實現艦船電機系統智慧控制、提高電機系統綜合執行品質和生命力的保障。自適應執行最佳化與容錯控制原理如圖6所示。

透過線上健康診斷技術獲得電機的故障狀態和型別，基於系統狀態估計和資訊融合實現冗餘/容錯控制，其核心是解決無擾動執行模式切換、主動容錯控制演算法設計與引數最佳化等問題。

圖6 自適應執行最佳化與容錯控制原理

2 全電移動平臺的發展加速了高效能電機的研究需求​

20世紀80年代以來，電力電子和交流電機技術的發展推動了動力系統從機械化向電氣化的深刻變革，催生了全電移動平臺，加速了新型高效能源、高效能電機、高效電力傳動與智慧控制等一系列技術的發展，尤其加速了高效能電機系統的發展。

2.1 需求分析

全電移動平臺的核心動力裝置是發電、推進、儲能等電機系統，最大程度地實現了能量的高效利用和精確控制，對電機系統提出了更高的效能需求，總體而言可以概括為高功率密度、高適應性、高可靠性、高精度、低排放、多功能複用等，目前正逐漸推廣應用於全電艦船、全電車輛、全電推進飛行器等平臺。

2.2 關鍵科學問題

1）材料盡限應用下的電機分析和設計

相比傳統電機系統，高功率密度電機系統具有材料利用率趨近極限、執行工況複雜、使用環境多變等特點，其內部電磁、溫度、流體、應力等物理因素互動作用形成的耦合效應突出，如圖7所示，導致複雜多物理因素互動作用下的電磁相容、散熱冷卻、機械強度、結構振動等問題凸顯，電機由弱耦合、少約束、線性系統向強耦合、多約束、非線性系統演變，傳統電機系統的分析設計技術難以適用。

因此，迫切需要從多物理因素互動的角度出發，研究複雜多工況下高功率密度電機系統多物理因素對映規律與互動機制，探索材料盡限應用條件下電機多物理效能精確分析及協同最佳化設計方法，從而實現高功率密度電機系統的安全可靠執行。

圖7 電機系統多物理場耦合示意圖

2）電機功能複用與整合

傳統電機各部件物理功能明確、單一，造成了材料浪費，不利於功率密度的提高，需要探索研究部件功能複用或整合技術，減少系統體積和重量，最佳化現有電機設計理念。在某些對體積、重量要求極高的應用場合，如全電飛機、跨介質飛行器、水下航行器、高速發電等，還應考慮系統級整合方案，進一步提高整個系統的功率密度。

例如，混合勵磁發電機（圖8a）可將轉軸同時作為結構件及輔助勵磁磁路，實現部件級的功能複用，提高電機功率密度。定子籠型電機（圖8b）在定子每槽導體端部集成了獨立的電力電子開關，實現了電機與變頻器的部件級整合，除提高系統功率密度外，還可透過控制改變每槽導體電流相位，靈活實現定子“變極”，配合籠型轉子，實現電機極數的線上調節。

水下無軸推進技術是典型的系統級整合案例（圖8c），將電機從艙室內移到艙外，並與推進器整合一體，取消了複雜的推進軸系及相關配套輔件，形成新型的無軸推進器，在提高推進系統功率密度、節省艙室空間的同時，也解決了潛艇現有機械推進中“槳-軸-艇”耦合噪聲、大潛深下動密封難題。

圖8 電機功能複用與整合

3）新材料、新工藝及新拓撲的牽引與應用

電機效能的不斷提升往往更多依賴新材料、新工藝以及新電機拓撲等技術的應用，牽引著整個電機行業更深層次的變革。為推動我國電機技術的跨越式發展，亟需跟進和探索各種新材料、新工藝和新拓撲等與電機學科相結合的工程應用問題。

新材料的出現，使進一步全方位提升電機效能成為可能。新型高導電材料，如碳導線複合材料等，可突破原有熱負荷限制，大幅提高電流密度；新型高飽和軟磁材料，如含鈷軟磁材料等，可大幅提高飽和磁通密度，增大電機磁負荷；低損耗軟磁材料，如超薄矽鋼、非晶材料等，可大幅降低電機鐵耗；高強度永磁材料，如鐵鈷基永磁等，可在保證高磁能積的條件下，滿足更高轉速要求；高強度複合材料，可避免金屬護套高頻渦流損耗，同時實現更高的轉子預緊力；高導熱絕緣材料，可顯著提升電機的散熱能力。

但某一方面效能突出的新材料，可能在其他方面效能有所弱化，需全面摸清新材料的導電、導熱、導磁、機械強度、環境適應性等各種物理效能邊界，並結合電機應用需求，研究新材料系統下的電機最佳化設計方法。

新工藝有助於使電機實際效能更接近理想情況，並提高系統可靠性，但由此也可能帶來新問題需要深入研究。例如，針對某些電機端部過長的問題，可借鑑綜合整合的思想，在電機端部連線處採用複合母排結構，大幅減少端部尺寸，但需解決由此帶來的絕緣、散熱及結構強度等系列問題；在冷卻技術方面，近些年陸續出現了轉子整合空冷、定子槽內穿管、定子巢狀水冷板、熱管等新型冷卻工藝，可大幅提高電機散熱效率，但需解決由此帶來的結構強度、絕緣及電磁效能劣化等系列問題。

另外，電機的發展總是伴隨著各類新原理新拓撲的不斷湧現，如磁場調製電機、混合勵磁電機、同步磁阻電機、環形繞組電機等，不僅豐富了現有電機理論，也為各類電機需求提供了更廣泛的選擇空間。這些新拓撲原理各不相同，也必然存在各自不同的適用場合，因此需從各類新拓撲電機機電轉換過程的物理機理出發，深入研究其在功率/轉矩密度、損耗密度、振動噪聲水平、成本等多維度下的適用邊界及優勢區間，從而牽引新拓撲電機實現更廣泛的工程化應用。

​3 雙碳目標推動了多能源電力系統的深化研究

隨著雙碳目標的實施，以風、光等為代表的新能源發電將迎來爆發式增長和高比例接入，為適應新能源發電的隨機性、波動性、間歇性等特徵，儲能也會大規模接入。

在此背景下，未來電力系統將呈現出多元能源結構體系、強電力電子化、非線性、柔性互聯等特點，給系統的執行調控帶來挑戰。

雙碳目標和構建以新能源為主體的新型電力系統將推動多能源電力系統的深化研究，主要涉及互聯耦合多能源電力系統虛擬同步特性及其控制，多能源電力系統源-網-荷-儲協同控制與調配，多能源電力系統安全可靠執行與主動防禦，多能源電力系統智慧排程控制與最佳化執行，多能源電力系統高效儲能等問題。多能源電力系統中，新能源電源將取代同步機成為系統主導電源。

同步機電源能夠提供電壓、頻率動態支撐，對系統具有天然友好的優勢，為使新能源電源具備和傳統同步機相似的對系統主動支撐能力，實現多能源電力系統的構建與安全可靠執行，系統虛擬同步特性及其控制問題十分重要，因此，互聯耦合多能源發電系統虛擬同步特性及其控制問題是基礎。

3.1 需求分析

電力電子變換裝備作為新能源電源的併網介面，其本身慣量/阻尼低，常規以最大功率跟蹤模式執行的新能源發電機組對系統表現為功率源，不具備調頻、調壓特性，對系統主動支撐能力弱，系統電壓、頻率的穩定性面臨挑戰。互聯耦合多能源電力系統如圖9所示。

該系統不同開關頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備間非線性耦合強，系統動力學行為複雜，執行過程中易出現奇異的、不規則的非線性振盪現象，系統安全可靠執行面臨挑戰。

圖9 互聯耦合多能源發電系統

3.2 關鍵科學問題

1）電力電子裝備與同步機裝備數學等效/物理等價能力邊界分析

同步機裝備作為傳統電力系統的重要裝備，其基於定轉子繞組間的電磁感應定律，透過旋轉的轉子運動，實現能量變換，能夠給電力系統提供慣量、阻尼、調頻、調壓等主動支撐功能，具有對電網天然友好的優勢。

與同步機裝備不同，緊耦合多能源電力系統中，作為風、光等新能源電源併網介面的電力電子裝備為靜止裝置，本身不具備慣量、阻尼等動力學行為特性，常規以最大功率跟蹤模式執行的新能源發電機組對系統表現為功率源，也不具備調頻、調壓特性。隨著緊耦合多能源電力系統中新能源電源佔比的提高，傳統同步機佔比下降，將導致系統總的慣量、阻尼下降，調頻、調壓能力降低，給系統安全穩定執行帶來嚴峻挑戰。

虛擬同步機技術以電力電子裝備的強可控性為依託，在外加硬體的能量支撐下，實現虛擬同步機功能，具備給系統提供慣量、阻尼、調頻、調壓等主動支撐的能力，能夠增強系統安全穩定執行效能，是增強電力電子裝備組網效能的關鍵舉措。

但是虛擬同步發電機的本體是電力電子裝備，物理上與同步發電機相差較大，釐清二者的數學等效/物理等價性是虛擬同步機技術亟需攻克的關鍵所在。因此，研究虛擬同步機與真實同步機的物理等價性，探索虛擬同步發電機模擬真實同步發電機的能力邊界，對虛擬同步機技術的工程應用、增強多能源電力系統執行效能具有重要意義。

2）多樣化電力電子裝備非線性耦合機理與奇異振盪特性分析

高比例電力電子裝備接入是緊耦合多能源電力系統區別於傳統電力系統的主要特徵之一。為滿足不同使用者的不同電制需求，緊耦合多能源電力系統中存在不同開關頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備。基於不同的電路拓撲，透過複雜控制驅動電力電子開關器件的高頻開關動作，實現所需的電能變換，其動態特性由其自身複雜的控制和電路動態所主導，具有多時間尺度、強非線性特徵。

電力電子裝備的動態響應特性還與其埠激勵特性密切相關，多樣化電力電子裝備接入同一緊耦合多能源電力網路，透過交直流電網呈現強耦合，使得緊耦合多能源電壓系統中，不同開關頻率、不同工作頻率的多樣化電力電子裝備間呈現多尺度、非線性耦合特徵，耦合機制複雜，機理不清，系統動力學行為多樣。

已有大量事故案例表明，由於多樣化電力電子裝備間的強複雜非線性相互作用，緊耦合多能源電力系統執行過程中會出現一些奇異的、不規則的非線性振盪現象（見圖10），振盪頻率不再表現為單一模態，具有寬頻振盪特徵，振盪頻率不再固定，呈現時變特徵，振盪能量傳播機制不再清晰，呈現複雜時空演變規律特徵，傳統分析手段已難以揭示該複雜非線性振盪現象。

在這種振盪現象下，系統電壓、電流易發生大幅波動，造成電力電子裝備保護動作脫網，給系統安全穩定執行帶來嚴峻挑戰。因此，在緊耦合多能源電力系統中，多樣化電力電子裝備非線性耦合機理不明，系統奇異振盪特性不清，傳統振盪特性分析與抑制手段不再適用，亟需突破多樣化電力電子裝備非線性耦合機理與奇異振盪特性分析技術，保障系統安全可靠執行。

圖10

3）緊耦合多能源電力系統動態特性最佳化與主動支撐控制技術

緊耦合多能源電力系統中，電力電子裝備佔比升高，同步機裝備佔比相對下降，電力電子裝備將主導系統動態行為，其激勵響應特性對系統動態有較大影響。由電力電子裝備執行原理可知其激勵響應特性與裝備本身控制動態密切相關，依託電力電子裝備的強可控性，在外加硬體的輔助能量支撐下，電力電子裝備輸出動態靈活可調，具備對系統主動支撐能力，可實現多能源電力系統動態特性最佳化，並增強系統執行效能。

如含高比例電力電子裝備的緊耦合多能源電力系統中，電力電子裝備本身慣量、阻尼低，傳統控制設計下，其對系統不具備主動調頻、調壓支撐能力，使得系統頻率、電壓穩定面臨挑戰。

為增強緊耦合多能源電力系統執行效能，電力電子裝備可採用虛擬同步控制技術，透過控制策略的設計，在儲能等的能量支撐下，使得電力電子裝備獲取和同步機相似的執行特性，具備給系統提供慣量、阻尼、調頻、調壓等主動支撐的能力。

而且該慣量、阻尼、調頻、調壓效能透過控制引數最佳化可靈活調節，可根據系統不同工況需求，進行變引數設定，增強執行效能。因此，基於電力電子裝備輸出動態靈活可調特性，亟需開展緊耦合多能源電力系統動態特性最佳化與主動支撐控制技術研究（如圖11），增強系統安全可靠執行效能。

圖11

​4 電磁能裝備的突破拓展了極端條件下非週期瞬態工況研究

電磁能裝備可在較短時間內透過能量的儲存、功率放大和調控，將電能變換為瞬時動能（如電磁炮）、熱能（如固體鐳射器）或輻射能（如高功率微波)等（見圖12）。其在執行速度、轉化效率、可控性和全壽期成本等方面具有傳統方式無可比擬的優勢，是繼機械能、化學能以來的又一次能量運用革命，在軍民領域均有顛覆現有格局的重大戰略意義。

圖12 電磁能裝備分類

4.1 需求說明

不同於傳統機電能量轉換裝備，電磁能裝備受極高功率（數萬兆瓦）、極短時間（數毫秒）、極大電流（數兆安）、極高速度（數千米每秒），以及上述物理量極高變化率等極端條件的共同耦合作用，其電磁、溫度、應力等物理量的變化率與峰值極大，產生極端的電磁熱力衝擊環境，在材料上形成巨大的磁場梯度、溫度梯度和應力梯度，以及多種高度非線性的瞬時耦合物理效應，這使得在傳統週期穩態或準穩態工況下建立的材料模型與效能表徵、設計理論、測量技術等無法適用於這種極端的衝擊態物理環境。

同時，國內外在衝擊條件下材料物性引數演變規律和機理研究尚為空白，傳統材料手冊上的效能引數均無法表徵材料的衝擊響應。

可以說，電磁能裝備的發展面臨設計理論空白、分析方法受限、材料器件脈衝工作狀態效能不明、製造工藝薄弱、試驗驗證、測量手段匱乏等難題。亟需開展傳統週期穩態/準穩態工況向極端條件下非週期瞬態工況拓展及電磁能與材料相互作用時空演化機理方面的研究。

4.2 關鍵科學問題

1）極端條件下器件失效機理與盡限應用

工作於非週期瞬態的電磁武器裝備受到極端環境和工況的約束，採用現有理論方法進行分析和設計，很難滿足其對功率密度和能量密度的苛刻要求。因此，在多物理場瞬態建模方面需要突破電熱力多場耦合建模及其高效模擬（見圖13），尤其是極端條件下瞬態特性的精確表徵；失效機理方面需要突破現有定性或半定量失效分析方法，結合晶片與封裝材料物理特性來實現器件可靠性安全邊界的量化評估；盡限應用方面需要綜合考慮器件建模、失效量化評估、多平臺多速率模擬等，探索器件應用極限能力的邊界。

圖13 器件多物理場瞬態建模與模擬

2）極端條件電磁能材料動態響應表徵原理

目前，電磁熱力多場耦合極端條件下電磁能材料動態響應表徵方面的研究是“無人區”，缺乏電磁能材料在極端條件作用下的測試理論和測試方法。傳統測試手段一般採用穩態熱環境或緩慢熱載入，應變率範圍窄，難以考慮純電致塑性效應和溫度衝擊效應。

而電磁能裝備的電磁、溫度、應力衝擊速率大，多個物理場耦合衝擊作用，例如，衝擊條件下的電流密度、溫升速率和應變率分別是現有測試手段的10000倍、100倍和10000倍。因此，開展多場耦合極端衝擊材料物性線上測試和原位觀測方法研究，獲得電磁熱力多場耦合衝擊下的材料動態響應表徵原理，是電磁能材料效能調控和最佳化電磁能裝備應用效能的關鍵。

3）極端條件電磁能材料的非線性構效關係

極端條件多場耦合衝擊作用下，電磁能材料的構效關係呈“強非線性”特徵，國內外在此領域的研究均為空白，電磁能材料的構效關係不完備、效能結果不完善，導致設計理論難突破，嚴重製約著電磁能裝備新材料的研發和裝備效能的提升。開展多場耦合極端衝擊材料的非線性構效關係研究，明晰材料成分、組織與極端衝擊性能關係，是認知電磁能與材料相互作用機理和提升電磁能裝備效能的基礎。

4）極端條件電磁能裝備穩定性與失效機制

電磁能裝備工作於電磁熱力多場耦合作用的極端工況，與傳統機電轉換系統不同，其每次執行都伴隨著材料效能的明顯劣化，直至達到使用壽命進而失效。由於電磁能裝備設計面臨診斷依據匱乏的難題，無法實現裝置狀態的實時評估，嚴重製約了電磁能裝備極端工況長期服役的穩定性。

因此，以電磁能材料為基礎，以極端衝擊材料動態響應為輸入，建立電磁能裝備的數理模型，掌握電磁能裝備狀態評估和壽命預測方法，開發電磁能裝備設計軟體，是查明極端條件電磁能裝備失效機制、實現電磁能裝備服役穩定性的重要保障。

透過以上四類關鍵科學問題的研究，最終目的是為了建立起非週期瞬態工況下電磁能裝備的設計、分析、測量及實驗理論體系，為電磁能裝備的發展與最佳化設計奠定完備的理論基礎。

​5 結論

本文針對當前行業發展的實際需求，結合自己的研究經驗，對電工學科發展的若干前沿問題進行了思考，主要涉及四個方面的內容：

1）人工智慧與電工學科的融合發展方面，重點介紹了大規模電力電子系統無纜化問題和艦船電機系統智慧感知與執行控制等問題，並詳細分析了各自涉及的關鍵科學問題。

2）全電移動平臺對高效能電機需求的推動方面，重點介紹了材料極限應用、功能複用與整合和新材料、新工藝及新拓撲的對高效能電機的牽引與應用等相關科學問題。

3）多能源電力系統方面介紹了相關的五個研究方向，並重點分析了互聯耦合多能源發電系統虛擬同步特性及其控制問題。

4）電磁能裝備對非週期瞬態工況和相關材料學科的推動方面，重點分析了傳統週期穩態/準穩態工況向極端條件下非週期瞬態工況拓展及電磁能與材料相互作用時空演化機理方面的內容。

以上研究成果發表在2021年第22期《電工技術學報》，論文標題為“關於電工學科前沿技術發展的若干思考”，作者為馬偉明。