0 引言
人类历史上，科学研究已经历四次重大范式转变。从最初兴起于文艺复兴前期以观察和测量为主的试探性科学，到17 世纪开始建立理论，并对假设进行合理验证的理论科学，20 世纪50 年代以理论建模和模拟计算为主的计算科学，再到21 世纪初以超大规模系统和海量数据为主导的大数据驱动科学，每一次范式的转变，都推动着科学研究的变革。当前，在大数据的支撑下，科研创新已进入全新时代，其最大特点就是多行业、多领域、多学科的交叉融合以及在此基础上的组合创新，并将智能化作为发展方向。
电工学科具有悠久的历史和强大的生命力，从几百年前人们对磁现象的观察思考开始，到电学的诞生，再到电能的大规模应用，电工学科谱写了辉煌的工业历史，并成为世界经济发展战略的重要支撑。2018 年国家自然科学基金委对电工学科的代码和研究方向进行了系统梳理[1]，共分13 个二级学科代码，进一步丰富了电工学科的研究内容。当前，随着智能化的发展，以人工智能、大数据、云计算、区块链、数字孪生等为代表的新技术正推动着各学科领域的融合发展，改写产业发展模式、拓展创新领域。本文立足当前我国电工学科的发展需求，结合新一轮科技革命特点，从人工智能与电工学科的融合发展、全电移动平台对高性能电机研究的推动、多能源电力系统的发展，以及电磁能装备的突破对传统周期稳态/准稳态向极端条件下非周期瞬态工况拓展四个方面，对电工学科在多领域融合推动下的前沿发展问题进行了初步思考，并详细介绍了其背景需求和关键科学问题。
1 人工智能的兴起孕育了电工学科新的发展方向
人工智能是伴随计算机的发展而发展起来的一门新兴学科，近几年已成为跨领域、多学科、多应用的成功典范，其在电气工程学科的融合应用，必将掀起电气工程领域颠覆性的变化，孕育新的学科方向。例如，大规模电力电子系统无缆化和电机系统智能感知与运行控制等问题。
1.1 电力电子系统无缆化问题
1.1.1 需求分析
电力电子系统作为能量流转换的基本单元，通常由半导体器件、传感元件、硬件电路、监控软件经连接件组合而成。随着电力电子系统向多样化、规模化、智能化发展，系统内的信息流和能量流互联互通日趋复杂，不断促进电力电子系统向高度集成化和模块化发展。繁杂的互联线缆严重制约了电力电子系统的智能制造、柔性扩展，而现有的基础理论和设计理念难以支撑电力电子系统和这些新技术手段的深度融合。作为一个高阶、非线性、多变量的电、磁、固、热多物理场耦合系统，超大规模电力电子系统涉及能量流电磁场与信息流电磁场相互交叉，连续域模拟量与离散域数字量相互转换，能量流的传输与耗散路径不唯一，端口对外能量输运特性与端口对内多时间尺度能量转移扩散特性不一致（见图1），系统内部机理与外在表征的时空特性极为复杂，支撑电力电子系统无缆化设计理念的基础理论还不完备，需深刻剖析无缆化设计理念背后蕴含的关键科学问题。
图1 无缆化电力电子系统面临的问题分析
Fig.1 Analysis of problems faced by cordless power electronic system
1.1.2 关键科学问题
1）瞬态电磁能量精确表征与平衡调控问题
能量流的精确刻画是开展电力电子系统控制技术研究的关键，传统控制方法通过控制电压或电流来表征电力电子系统的动力学过程，而电压或电流均不能全面刻画电路的模型和特征。电力电子器件在开/关过程中，伴随电路结构的转换，其最本质的特征是电路中储存的能量以及能量的流动过程。因此，需开展基于瞬态电磁能量平衡的电力电子系统建模方法研究和以能量平衡为主要目标的电力电子系统控制技术研究。
2）状态管理、智能决策与高效控制问题
电力电子系统全域负载范围内的高精度传感、高性能运行与高可靠工作，是实现电磁能量高效转换的基础。而高集成的无缆化电力电子系统内部机理与外在表征呈现出比有缆系统更为复杂的时空响应特性，传统状态感知、故障诊断、电能调制及数字脉冲序列生成的普遍规律难以充分发挥无缆化系统的优势，不再适用。因此，需要考虑结合无缆化系统信息流与能量流之间的复杂映射关系，探究无缆化电力电子系统的状态管理、智能决策与高效控制方法。
3）高功率密度电力电子系统无缆化集成封装过程中的绝缘、电磁兼容与散热设计问题
电力电子系统的绝缘、电磁兼容与散热设计，是决定其功率密度、可靠性与连续运行性能的重要因素。根据Poynting 电磁场能量守恒定理[2]，电磁能除了通过电流沿导线内部传递给负载以外，还会通过空间电磁场的形式传播，系统不同材料、元件在中高频电磁场作用下的物理特性均与电磁能量转换息息相关，如分布参数、热效应、电磁感应与振动等，也直接决定着系统的绝缘性能、电磁兼容性与散热性能。
1.2 舰船电机系统的智能感知与运行控制问题
1.2.1 需求分析
舰船综合电力系统（Integrated Power System,IPS）如图2 所示，它是将发电、推进供电、高能武器发射供电、大功率探测供电、日常用电等综合为一体的舰船电力系统，将传统舰船相互独立的动力和电力两大系统合二为一，实现了全舰能量的综合利用[3]。综合电力系统不仅可大幅降低舰船全寿命周期费用、优化舱室布局、提高舰船隐身性、生命力和机动性，更是高能武器上舰的唯一途径，被誉为舰船动力的第三次革命。舰船电机系统长期大功率运行下，信息感知能力和运行控制手段决定平台性能的发挥程度，需要不断深化舰船电机系统状态智能感知与运行控制理论，全面提升电机系统的自传感、自诊断和优化控制能力，为发展下一代综合电力系统提供理论和技术支撑。
图2 舰船综合电力系统
Fig.2 Vessel integrated power system
电机系统的智能感知与运行控制系统结构如图3 所示，由集成式智能传感单元、健康状态评估与故障预测单元、运行控制管理单元三部分组成，通过新型集成传感、现代控制理论、最优化理论、数据融合等理论和新技术，实现电机系统健康状态的实时监测和故障预测，并结合舰船实时工况需求，实现智能优化控制。与传统舰船电机系统的监控系统不同，智能感知与运行控制系统可充分挖掘并掌握电机系统状态，对故障准确预测，在保证安全稳定运行前提下，根据不同工况和故障状态进行优化调整与容错控制，使其满足高载荷、高动态复杂工况，并为能量管理分系统提供决策数据，支撑综合电力系统作战效能最大化，有望使电机系统在运行、维护效率和尽限运行能力等方面的性能大幅提升。
图3 系统结构
Fig.3 System structure
1.2.2 关键科学问题
1）电机系统集成式智能感知
传统舰船电机系统装备的传感器简单、分离，缺乏关键物理量的综合、全面测量。考虑电机系统“电磁-机械-流体-信号”本征多物理场耦合关系，需突破集成式多维度智能感知基础理论，支撑电机系统健康状态智能认知技术的发展。一方面，通过深入研究电机系统中“电磁-机械-流体-信号”的多物理场耦合关系，揭示电机状态与系统激励、电机结构之间的相互作用机理，建立电机本征物理量与可观测状态量间的映射模型，从而基于现有传感器实现复合传感，间接获取更多的电机关键状态信息（见图4）。另一方面，对无法间接观测的电机物理量，重点突破新型传感器的集成应用技术，以尽可能少的新型传感器，获取必需的电机状态信息。最终实现电机定转子温度、相对位移、转子位置和速度、电机绕组绝缘状态等关键状态信息的全面获取。
图4 电机电压电流物理场耦合示意图
Fig.4 Schematic diagram of physical field coupling of motor voltage and current
2）复杂工况下电机系统健康状态监测与故障预测
舰船推进电机运行工况复杂，故障早期的信号特征极其微弱，易被噪声淹没，强干扰环境下电机渐变故障微弱信号的建模与有效特征提取方法是实现复杂工况下电机系统性能参数退化预警的关键。因此，需研究多源多维信息融合的状态监测与故障诊断技术（见图5），分析电机系统非线性、强耦合特性以及温漂、扰动等非线性因素的作用机理，强干扰下弱信号的提取方法和多源信息融合机制，探明电机参数与运行工况间的非线性函数关系、电机系统渐变故障与状态信息及参数的关系，通过状态观测和参数辨识实现电机系统性能参数退化预警。
图5 多源多维信息融合的状态监测与故障诊断原理
Fig.5 Principle of condition monitoring and fault diagnosis based on multi-source and multi-dimensional information fusion
3）电机系统自适应运行优化与容错控制
目前广泛采用的分立控制架构严重依赖“人在回路”运行模式，限制了电机系统安全运行边界和智能运行能力。建立多层次、多目标的电机系统智能运行优化机制，实现信息流驱动能量流的智能控制，是实现舰船电机系统智能控制，提高电机系统综合运行品质和生命力的保障。自适应运行优化与容错控制原理如图6 所示。通过在线健康诊断技术获得电机的故障状态和类型，基于系统状态估计和信息融合实现冗余/容错控制，其核心是解决无扰动运行模式切换、主动容错控制算法设计与参数优化等问题。
图6 自适应运行优化与容错控制原理
Fig.6 Principle of adaptive operation optimization and fault tolerant control
2 全电移动平台的发展加速了高性能电机的研究需求
20 世纪80 年代以来，电力电子和交流电机技术的发展推动了动力系统从机械化向电气化的深刻变革，催生了全电移动平台，加速了新型高效能源、高性能电机、高效电力传动与智能控制等一系列技术的发展，尤其加速了高性能电机系统的发展。
2.1 需求分析
全电移动平台的核心动力装置是发电、推进、储能等电机系统，最大程度地实现了能量的高效利用和精确控制，对电机系统提出了更高的性能需求，总体而言可以概括为高功率密度、高适应性、高可靠性、高精度、低排放、多功能复用[4]等，目前正逐渐推广应用于全电舰船、全电车辆、全电推进飞行器等平台。
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。
图7 电机系统多物理场耦合示意图
Fig.7 Schematic diagram of multi physical field coupling of motor system
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。
图8 电机功能复用与集成
Fig.8 Motor function reuse and integration
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。
另外，电机的发展总是伴随着各类新原理新拓扑的不断涌现，如磁场调制电机、混合励磁电机、同步磁阻电机、环形绕组电机等，不仅丰富了现有电机理论，也为各类电机需求提供了更广泛的选择空间。这些新拓扑原理各不相同，也必然存在各自不同的适用场合，因此需从各类新拓扑电机机电转换过程的物理机理出发，深入研究其在功率/转矩密度、损耗密度、振动噪声水平、成本等多维度下的适用边界及优势区间，从而牵引新拓扑电机实现更广泛的工程化应用。
3 双碳目标推动了多能源电力系统的深化研究
2021 年3 月，习主席在中央财经委员会第九次会议上指出：要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，实施可再生能源替代行动，构建以新能源为主体的新型电力系统。随着双碳目标的实施，以风、光等为代表的新能源发电将迎来爆发式增长和高比例接入，为适应新能源发电的随机性、波动性、间歇性等特征，储能也会大规模接入。在此背景下，未来电力系统将呈现出多元能源结构体系、强电力电子化、非线性、柔性互联等特点，给系统的运行调控带来挑战。双碳目标和构建以新能源为主体的新型电力系统将推动多能源电力系统的深化研究，主要涉及互联耦合多能源电力系统虚拟同步特性及其控制，多能源电力系统源-网-荷-储协同控制与调配，多能源电力系统安全可靠运行与主动防御，多能源电力系统智能调度控制与优化运行，多能源电力系统高效储能等问题。多能源电力系统中，新能源电源将取代同步机成为系统主导电源。同步机电源能够提供电压、频率动态支撑，对系统具有天然友好的优势，为使新能源电源具备和传统同步机相似的对系统主动支撑能力，实现多能源电力系统的构建与安全可靠运行，系统虚拟同步特性及其控制问题十分重要，因此，互联耦合多能源发电系统虚拟同步特性及其控制问题是基础。
3.1 需求分析
电力电子变换装备作为新能源电源的并网接口，其本身惯量/阻尼低，常规以最大功率跟踪模式运行的新能源发电机组对系统表现为功率源，不具备调频、调压特性，对系统主动支撑能力弱，系统电压、频率的稳定性面临挑战。互联耦合多能源电力系统如图9 所示。该系统不同开关频率、不同工作频率的多样化电力电子装备间非线性耦合强，系统动力学行为复杂，运行过程中易出现奇异的、不规则的非线性振荡现象，系统安全可靠运行面临挑战。
图9 互联耦合多能源发电系统
Fig.9 Interconnected coupled multi energy power generation system
3.2 关键科学问题
1）电力电子装备与同步机装备数学等效/物理等价能力边界分析
同步机装备作为传统电力系统的重要装备，其基于定转子绕组间的电磁感应定律，通过旋转的转子运动，实现能量变换，能够给电力系统提供惯量、阻尼、调频、调压等主动支撑功能，具有对电网天然友好的优势。与同步机装备不同，紧耦合多能源电力系统中，作为风、光等新能源电源并网接口的电力电子装备为静止设备，本身不具备惯量、阻尼等动力学行为特性，常规以最大功率跟踪模式运行的新能源发电机组对系统表现为功率源，也不具备调频、调压特性。随着紧耦合多能源电力系统中新能源电源占比的提高，传统同步机占比下降，将导致系统总的惯量、阻尼下降，调频、调压能力降低，给系统安全稳定运行带来严峻挑战。虚拟同步机技术以电力电子装备的强可控性为依托，在外加硬件的能量支撑下，实现虚拟同步机功能，具备给系统提供惯量、阻尼、调频、调压等主动支撑的能力，能够增强系统安全稳定运行性能，是增强电力电子装备组网性能的关键举措[5]。但是虚拟同步发电机的本体是电力电子装备，物理上与同步发电机相差较大，厘清二者的数学等效/物理等价性是虚拟同步机技术亟需攻克的关键所在。因此，研究虚拟同步机与真实同步机的物理等价性，探索虚拟同步发电机模拟真实同步发电机的能力边界，对虚拟同步机技术的工程应用、增强多能源电力系统运行性能具有重要意义。
2）多样化电力电子装备非线性耦合机理与奇异振荡特性分析
高比例电力电子装备接入是紧耦合多能源电力系统区别于传统电力系统的主要特征之一。为满足不同用户的不同电制需求，紧耦合多能源电力系统中存在不同开关频率、不同工作频率的多样化电力电子装备。基于不同的电路拓扑，通过复杂控制驱动电力电子开关器件的高频开关动作，实现所需的电能变换，其动态特性由其自身复杂的控制和电路动态所主导，具有多时间尺度、强非线性特征。电力电子装备的动态响应特性还与其端口激励特性密切相关，多样化电力电子装备接入同一紧耦合多能源电力网络，通过交直流电网呈现强耦合，使得紧耦合多能源电压系统中，不同开关频率、不同工作频率的多样化电力电子装备间呈现多尺度、非线性耦合特征，耦合机制复杂，机理不清，系统动力学行为多样。已有大量事故案例表明[6-7]，由于多样化电力电子装备间的强复杂非线性相互作用，紧耦合多能源电力系统运行过程中会出现一些奇异的、不规则的非线性振荡现象（见图10），振荡频率不再表现为单一模态，具有宽频振荡特征，振荡频率不再固定，呈现时变特征，振荡能量传播机制不再清晰，呈现复杂时空演变规律特征，传统分析手段已难以揭示该复杂非线性振荡现象。在这种振荡现象下，系统电压、电流易发生大幅波动，造成电力电子装备保护动作脱网，给系统安全稳定运行带来严峻挑战。因此，在紧耦合多能源电力系统中，多样化电力电子装备非线性耦合机理不明，系统奇异振荡特性不清，传统振荡特性分析与抑制手段不再适用，亟需突破多样化电力电子装备非线性耦合机理与奇异振荡特性分析技术，保障系统安全可靠运行。
图10 电力电子装备非线性耦合机理与奇异振荡特性
Fig.10 Nonlinear coupling mechanism and singular oscillation characteristic of diversified power electronic equipment
3）紧耦合多能源电力系统动态特性优化与主动支撑控制技术
紧耦合多能源电力系统中，电力电子装备占比升高，同步机装备占比相对下降，电力电子装备将主导系统动态行为，其激励响应特性对系统动态有较大影响。由电力电子装备运行原理可知其激励响应特性与装备本身控制动态密切相关，依托电力电子装备的强可控性，在外加硬件的辅助能量支撑下，电力电子装备输出动态灵活可调，具备对系统主动支撑能力，可实现多能源电力系统动态特性优化，并增强系统运行性能。如含高比例电力电子装备的紧耦合多能源电力系统中，电力电子装备本身惯量、阻尼低，传统控制设计下，其对系统不具备主动调频、调压支撑能力，使得系统频率、电压稳定面临挑战。为增强紧耦合多能源电力系统运行性能，电力电子装备可采用虚拟同步控制技术，通过控制策略的设计，在储能等的能量支撑下，使得电力电子装备获取和同步机相似的运行特性，具备给系统提供惯量、阻尼、调频、调压等主动支撑的能力。而且该惯量、阻尼、调频、调压性能通过控制参数优化可灵活调节，可根据系统不同工况需求，进行变参数设置，增强运行性能。因此，基于电力电子装备输出动态灵活可调特性，亟需开展紧耦合多能源电力系统动态特性优化与主动支撑控制技术研究（如图11），增强系统安全可靠运行性能。
图11 紧耦合多能源电力系统动态特性优化与主动支撑控制技术
Fig.11 Dynamic characteristic optimization and active support control technology of tightly coupled multi energy power system
4 电磁能装备的突破拓展了极端条件下非周期瞬态工况研究
电磁能装备可在较短时间内通过能量的存储、功率放大和调控，将电能变换为瞬时动能（如电磁炮）、热能（如固体激光器）或辐射能（如高功率微波)等（见图12）。其在运行速度、转化效率、可控性和全寿期成本等方面具有传统方式无可比拟的优势，是继机械能、化学能以来的又一次能量运用革命，在军民领域均有颠覆现有格局的重大战略意义。
图12 电磁能装备分类
Fig.12 Classification of electromagnetic energy equipment
4.1 需求说明
不同于传统机电能量转换装备，电磁能装备受极高功率（数万兆瓦）、极短时间（数毫秒）、极大电流（数兆安）、极高速度（数千米每秒），以及上述物理量极高变化率等极端条件的共同耦合作用，其电磁、温度、应力等物理量的变化率与峰值极大，产生极端的电磁热力冲击环境，在材料上形成巨大的磁场梯度、温度梯度和应力梯度，以及多种高度非线性的瞬时耦合物理效应，这使得在传统周期稳态或准稳态工况下建立的材料模型与性能表征、设计理论、测量技术等无法适用于这种极端的冲击态物理环境[8]。同时，国内外在冲击条件下材料物性参数演变规律和机理研究尚为空白，传统材料手册上的性能参数均无法表征材料的冲击响应。可以说，电磁能装备的发展面临设计理论空白、分析方法受限、材料器件脉冲工作状态性能不明、制造工艺薄弱、试验验证、测量手段匮乏等难题。亟需开展传统周期稳态/准稳态工况向极端条件下非周期瞬态工况拓展及电磁能与材料相互作用时空演化机理方面的研究。
4.2 关键科学问题
1）极端条件下器件失效机理与尽限应用
工作于非周期瞬态的电磁武器装备受到极端环境和工况的约束，采用现有理论方法进行分析和设计，很难满足其对功率密度和能量密度的苛刻要求。因此，在多物理场瞬态建模方面需要突破电热力多场耦合建模及其高效仿真（见图13），尤其是极端条件下瞬态特性的精确表征；失效机理方面需要突破现有定性或半定量失效分析方法，结合芯片与封装材料物理特性来实现器件可靠性安全边界的量化评估；尽限应用方面需要综合考虑器件建模、失效量化评估、多平台多速率仿真等，探索器件应用极限能力的边界。
图13 器件多物理场瞬态建模与仿真
Fig.13 Transient modeling and Simulation of multi physical field of device
2）极端条件电磁能材料动态响应表征原理
目前，电磁热力多场耦合极端条件下电磁能材料动态响应表征方面的研究是“无人区”，缺乏电磁能材料在极端条件作用下的测试理论和测试方法。传统测试手段一般采用稳态热环境或缓慢热加载，应变率范围窄，难以考虑纯电致塑性效应和温度冲击效应。而电磁能装备的电磁、温度、应力冲击速率大，多个物理场耦合冲击作用，例如，冲击条件下的电流密度、温升速率和应变率分别是现有测试手段的10 000 倍、100 倍和10 000 倍。因此，开展多场耦合极端冲击材料物性在线测试和原位观测方法研究，获得电磁热力多场耦合冲击下的材料动态响应表征原理，是电磁能材料性能调控和优化电磁能装备应用性能的关键。
3）极端条件电磁能材料的非线性构效关系
极端条件多场耦合冲击作用下，电磁能材料的构效关系呈“强非线性”特征，国内外在此领域的研究均为空白，电磁能材料的构效关系不完备、性能结果不完善，导致设计理论难突破，严重制约着电磁能装备新材料的研发和装备性能的提升。开展多场耦合极端冲击材料的非线性构效关系研究，明晰材料成分、组织与极端冲击性能关系，是认知电磁能与材料相互作用机理和提升电磁能装备性能的基础。
4）极端条件电磁能装备稳定性与失效机制
电磁能装备工作于电磁热力多场耦合作用的极端工况，与传统机电转换系统不同，其每次运行都伴随着材料性能的明显劣化，直至达到使用寿命进而失效。由于电磁能装备设计面临诊断依据匮乏的难题，无法实现设备状态的实时评估，严重制约了电磁能装备极端工况长期服役的稳定性。因此，以电磁能材料为基础，以极端冲击材料动态响应为输入，建立电磁能装备的数理模型，掌握电磁能装备状态评估和寿命预测方法，开发电磁能装备设计软件，是查明极端条件电磁能装备失效机制、实现电磁能装备服役稳定性的重要保障。
通过以上四类关键科学问题的研究，最终目的是为了建立起非周期瞬态工况下电磁能装备的设计、分析、测量及实验理论体系，为电磁能装备的发展与优化设计奠定完备的理论基础。
5 结论
本文针对当前行业发展的实际需求，结合自己的研究经验，对电工学科发展的若干前沿问题进行了思考，主要涉及四个方面的内容：
1）人工智能与电工学科的融合发展方面，重点介绍了大规模电力电子系统无缆化问题和舰船电机系统智能感知与运行控制等问题，并详细分析了各自涉及的关键科学问题。
2）全电移动平台对高性能电机需求的推动方面，重点介绍了材料极限应用、功能复用与集成和新材料、新工艺及新拓扑的对高性能电机的牵引与应用等相关科学问题。
3）多能源电力系统方面介绍了相关的五个研究方向，并重点分析了互联耦合多能源发电系统虚拟同步特性及其控制问题。
4）电磁能装备对非周期瞬态工况和相关材料学科的推动方面，重点分析了传统周期稳态/准稳态工况向极端条件下非周期瞬态工况拓展及电磁能与材料相互作用时空演化机理方面的内容。
[1] 关永刚, 罗安. 国家自然科学基金电气科学与工程学科研究方向与关键词修订[J]. 中国电机工程学报,2019, 39(1): 126-129.Guan Yonggang, Luo An. Research direction and keyword revision of electrical science and engineering discipline of national natural science foundation of China[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(1): 126-129.
[2] Pelosi G, Selleri S. Energy in electromagnetism: the Poynting vector[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2017, 59(6): 148-153.
[3] 马伟明. 舰船综合电力系统中的机电能量转换技术[J]. 电气工程学报, 2015, 10(4): 3-10.Ma Weiming. Electromechanical power conversion technologies in vessel integrated power system[J].Journal of Electrical Engineering, 2015, 10(4):3-10.
[4] 马伟明, 王东, 程思为, 等. 高性能电机系统的共性基础科学问题与技术发展前沿[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(8): 2025-2035.Ma Weiming, Wang Dong, Cheng Siwei, et al.Common basic scientific problems and development of leading-edge technology of high performance motor system[J]. Proceedings of the CSEE, 2016,36(8): 2025-2035.
[5] 吕志鹏, 盛万兴, 刘海涛. 虚拟同步机技术在电力系统中的应用与挑战[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(2): 349-360.Lü Zhipeng, Sheng Wanxing, Liu Haitao, et al.Application and challenge of virtual synchronous machine technology in power system[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(2): 349-360.
[6] 李明节, 于钊, 许涛, 等. 新能源并网系统引发的复杂振荡问题及其对策研究[J]. 电网技术, 2017,41(4): 1035-1042.Li Mingjie, Yu Zhao, Xu Tao, et al. Study of complex oscillation caused by renewable energy integration and its solution[J]. Power System Technology, 2017,41(4): 1035-1042.
[7] 马宁宁, 谢小荣, 贺静波, 等. 高比例新能源和电力电子设备电力系统的宽频振荡研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(15): 4720-4731.Ma Ningning, Xie Xiaorong, He Jingbo, et al. Review of wide-band oscillation in renewable and power electronics highly integrated power systems[J].Proceedings of the CSEE, 2020, 40(15): 4720-4731.
[8] 马伟明, 肖飞, 聂世雄. 电磁发射系统中电力电子技术的应用于发展[J]. 电工技术学报, 2016, 31(19):1-10.Ma Weiming, Xiao Fei, Nie Shixiong. Application and development of power electronics in electromagnetic launch system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(19): 1-10.