人類歷史上，科學研究已經歷四次重大范式轉變。從最初興起于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，并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數據為主導的大數據驅動科學，每一次范式的轉變，都推動著科學研究的變革。當前，在大數據的支撐下，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，并將智能化作為發展方向。

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，并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代碼和研究方向進行了系統梳理，共分13個二級學科代碼，進一步豐富了電工學科的研究內容。

當前，隨著智能化的發展，以人工智能、大數據、云計算、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，從人工智能與電工學科的融合發展、全電移動平臺對高性能電機研究的推動、多能源電力系統的發展，以及電磁能裝備的突破對傳統周期穩態/準穩態向極端條件下非周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，并詳細介紹了其背景需求和關鍵科學問題。

1 人工智能的興起孕育了電工學科新的發展方向

人工智能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、多應用的成功典范，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能感知與運行控制等問題。

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、傳感元件、硬件電路、監控軟件經連接件組合而成。隨著電力電子系統向多樣化、規模化、智能化發展，系統內的信息流和能量流互聯互通日趨復雜，不斷促進電力電子系統向高度集成化和模塊化發展。繁雜的互聯線纜嚴重制約了電力電子系統的智能制造、柔性擴展，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、多變量的電、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信息流電磁場相互交叉，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，端口對外能量輸運特性與端口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征的時空特性極為復雜，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后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征與平衡調控問題

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，傳統控制方法通過控制電壓或電流來表征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征。電力電子器件在開/關過程中，伴隨電路結構的轉換，其最本質的特征是電路中儲存的能量以及能量的流動過程。因此，需開展基于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、智能決策與高效控制問題

電力電子系統全域負載范圍內的高精度傳感、高性能運行與高可靠工作，是實現電磁能量高效轉換的基礎。而高集成的無纜化電力電子系統內部機理與外在表征呈現出比有纜系統更為復雜的時空響應特性，傳統狀態感知、故障診斷、電能調制及數字脈沖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信息流與能量流之間的復雜映射關系，探究無纜化電力電子系統的狀態管理、智能決策與高效控制方法。

3）高功率密度電力電子系統無纜化集成封裝過程中的絕緣、電磁兼容與散熱設計問題

電力電子系統的絕緣、電磁兼容與散熱設計，是決定其功率密度、可靠性與連續運行性能的重要因素。根據Poynting電磁場能量守恒定理，電磁能除了通過電流沿導線內部傳遞給負載以外，還會通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，如分布參數、熱效應、電磁感應與振動等，也直接決定著系統的絕緣性能、電磁兼容性與散熱性能。

1.2 艦船電機系統的智能感知與運行控制問題

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周期費用、優化艙室布局、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運行下，信息感知能力和運行控制手段決定平臺性能的發揮程度，需要不斷深化艦船電機系統狀態智能感知與運行控制理論，全面提升電機系統的自傳感、自診斷和優化控制能力，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

電機系統的智能感知與運行控制系統結構如圖3所示，由集成式智能傳感單元、健康狀態評估與故障預測單元、運行控制管理單元三部分組成，通過新型集成傳感、現代控制理論、最優化理論、數據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，并結合艦船實時工況需求，實現智能優化控制。

與傳統艦船電機系統的監控系統不同，智能感知與運行控制系統可充分挖掘并掌握電機系統狀態，對故障準確預測，在保證安全穩定運行前提下，根據不同工況和故障狀態進行優化調整與容錯控制，使其滿足高載荷、高動態復雜工況，并為能量管理分系統提供決策數據，支撐綜合電力系統作戰效能最大化，有望使電機系統在運行、維護效率和盡限運行能力等方面的性能大幅提升。

圖3 系統結構

1.2.2 關鍵科學問題

1）電機系統集成式智能感知

傳統艦船電機系統裝備的傳感器簡單、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-信號”本征多物理場耦合關系，需突破集成式多維度智能感知基礎理論，支撐電機系統健康狀態智能認知技術的發展。

一方面，通過深入研究電機系統中“電磁-機械-流體-信號”的多物理場耦合關系，揭示電機狀態與系統激勵、電機結構之間的相互作用機理，建立電機本征物理量與可觀測狀態量間的映射模型，從而基于現有傳感器實現復合傳感，間接獲取更多的電機關鍵狀態信息（見圖4）。

另一方面，對無法間接觀測的電機物理量，重點突破新型傳感器的集成應用技術，以盡可能少的新型傳感器，獲取必需的電機狀態信息。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信息的全面獲取。

圖4 電機電壓電流物理場耦合圖

2）復雜工況下電機系統健康狀態監測與故障預測

艦船推進電機運行工況復雜，故障早期的信號特征極其微弱，容易被噪聲淹沒，強干擾環境下電機漸變故障微弱信號的建模與有效特征提取方法是實現復雜工況下電機系統性能參數退化預警的關鍵。因此，需研究多源多維信息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，強干擾下弱信號的提取方法和多源信息融合機制，探明電機參數與運行工況間的非線性函數關系、電機系統漸變故障與狀態信息及參數的關系，通過狀態觀測和參數辨識實現電機系統性能參數退化預警。

圖5

3）電機系統自適應運行優化與容錯控制

目前廣泛采用的分立控制架構嚴重依賴“人在回路”運行模式，限制了電機系統安全運行邊界和智能運行能力。建立多層次、多目標的電機系統智能運行優化機制，實現信息流驅動能量流的智能控制，是實現艦船電機系統智能控制、提高電機系統綜合運行品質和生命力的保障。自適應運行優化與容錯控制原理如圖6所示。

通過在線健康診斷技術獲得電機的故障狀態和類型，基于系統狀態估計和信息融合實現冗余/容錯控制，其核心是解決無擾動運行模式切換、主動容錯控制算法設計與參數優化等問題。

圖6 自適應運行優化與容錯控制原理

2 全電移動平臺的發展加速了高性能電機的研究需求?

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、高性能電機、高效電力傳動與智能控制等一系列技術的發展，尤其加速了高性能電機系統的發展。

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性能需求，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、多功能復用等，目前正逐漸推廣應用于全電艦船、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、運行工況復雜、使用環境多變等特點，其內部電磁、溫度、流體、應力等物理因素交互作用形成的耦合效應突出，如圖7所示，導致復雜多物理因素交互作用下的電磁兼容、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交互的角度出發，研究復雜多工況下高功率密度電機系統多物理因素映射規律與交互機制，探索材料盡限應用條件下電機多物理性能精確分析及協同優化設計方法，從而實現高功率密度電機系統的安全可靠運行。

圖7 電機系統多物理場耦合示意圖

2）電機功能復用與集成

傳統電機各部件物理功能明確、單一，造成了材料浪費，不利于功率密度的提高，需要探索研究部件功能復用或集成技術，減少系統體積和重量，優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，還應考慮系統級集成方案，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，實現部件級的功能復用，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集成，除提高系統功率密度外，還可通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，實現電機極數的在線調節。

水下無軸推進技術是典型的系統級集成案例（圖8c），將電機從艙室內移到艙外，并與推進器集成一體，取消了復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 電機功能復用與集成

3）新材料、新工藝及新拓撲的牽引與應用

電機性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性能成為可能。新型高導電材料，如碳導線復合材料等，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，如超薄硅鋼、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；高強度復合材料，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導電、導熱、導磁、機械強度、環境適應性等各種物理性能邊界，并結合電機應用需求，研究新材料系統下的電機優化設計方法。

新工藝有助于使電機實際性能更接近理想情況，并提高系統可靠性，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，可借鑒綜合集成的思想，在電機端部連接處采用復合母排結構，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集成空冷、定子槽內穿管、定子嵌套水冷板、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、絕緣及電磁性能劣化等系列問題。

另外，電機的發展總是伴隨著各類新原理新拓撲的不斷涌現，如磁場調制電機、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、間歇性等特征，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，給系統的運行調控帶來挑戰。

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運行與主動防御，多能源電力系統智能調度控制與優化運行，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運行，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并網接口，其本身慣量/阻尼低，常規以最大功率跟蹤模式運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，系統動力學行為復雜，運行過程中易出現奇異的、不規則的非線性振蕩現象，系統安全可靠運行面臨挑戰。

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，其基于定轉子繞組間的電磁感應定律，通過旋轉的轉子運動，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、光等新能源電源并網接口的電力電子裝備為靜止設備，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運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占比的提高，傳統同步機占比下降，將導致系統總的慣量、阻尼下降，調頻、調壓能力降低，給系統安全穩定運行帶來嚴峻挑戰。

虛擬同步機技術以電力電子裝備的強可控性為依托，在外加硬件的能量支撐下，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運行性能，是增強電力電子裝備組網性能的關鍵舉措。

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，厘清二者的數學等效/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運行性能具有重要意義。

2）多樣化電力電子裝備非線性耦合機理與奇異振蕩特性分析

高比例電力電子裝備接入是緊耦合多能源電力系統區別于傳統電力系統的主要特征之一。為滿足不同用戶的不同電制需求，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。基于不同的電路拓撲，通過復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復雜的控制和電路動態所主導，具有多時間尺度、強非線性特征。

電力電子裝備的動態響應特性還與其端口激勵特性密切相關，多樣化電力電子裝備接入同一緊耦合多能源電力網絡，通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、非線性耦合特征，耦合機制復雜，機理不清，系統動力學行為多樣。

已有大量事故案例表明，由于多樣化電力電子裝備間的強復雜非線性相互作用，緊耦合多能源電力系統運行過程中會出現一些奇異的、不規則的非線性振蕩現象（見圖10），振蕩頻率不再表現為單一模態，具有寬頻振蕩特征，振蕩頻率不再固定，呈現時變特征，振蕩能量傳播機制不再清晰，呈現復雜時空演變規律特征，傳統分析手段已難以揭示該復雜非線性振蕩現象。

在這種振蕩現象下，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，給系統安全穩定運行帶來嚴峻挑戰。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，系統奇異振蕩特性不清，傳統振蕩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蕩特性分析技術，保障系統安全可靠運行。

圖10

3）緊耦合多能源電力系統動態特性優化與主動支撐控制技術

緊耦合多能源電力系統中，電力電子裝備占比升高，同步機裝備占比相對下降，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。由電力電子裝備運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，依托電力電子裝備的強可控性，在外加硬件的輔助能量支撐下，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優化，并增強系統運行性能。

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運行性能，電力電子裝備可采用虛擬同步控制技術，通過控制策略的設計，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運行特性，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、調壓性能通過控制參數優化可靈活調節，可根據系統不同工況需求，進行變參數設置，增強運行性能。因此，基于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優化與主動支撐控制技術研究（如圖11），增強系統安全可靠運行性能。

圖11

?4 電磁能裝備的突破拓展了極端條件下非周期瞬態工況研究

電磁能裝備可在較短時間內通過能量的存儲、功率放大和調控，將電能變換為瞬時動能（如電磁炮）、熱能（如固體激光器）或輻射能（如高功率微波)等（見圖12）。其在運行速度、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

不同于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沖擊環境，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，這使得在傳統周期穩態或準穩態工況下建立的材料模型與性能表征、設計理論、測量技術等無法適用于這種極端的沖擊態物理環境。

同時，國內外在沖擊條件下材料物性參數演變規律和機理研究尚為空白，傳統材料手冊上的性能參數均無法表征材料的沖擊響應。

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、材料器件脈沖工作狀態性能不明、制造工藝薄弱、試驗驗證、測量手段匱乏等難題。亟需開展傳統周期穩態/準穩態工況向極端條件下非周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

工作于非周期瞬態的電磁武器裝備受到極端環境和工況的約束，采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仿真（見圖13），尤其是極端條件下瞬態特性的精確表征；失效機理方面需要突破現有定性或半定量失效分析方法，結合芯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、多平臺多速率仿真等，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仿真

2）極端條件電磁能材料動態響應表征原理

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征方面的研究是“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。傳統測試手段一般采用穩態熱環境或緩慢熱加載，應變率范圍窄，難以考慮純電致塑性效應和溫度沖擊效應。

而電磁能裝備的電磁、溫度、應力沖擊速率大，多個物理場耦合沖擊作用，例如，沖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，開展多場耦合極端沖擊材料物性在線測試和原位觀測方法研究，獲得電磁熱力多場耦合沖擊下的材料動態響應表征原理，是電磁能材料性能調控和優化電磁能裝備應用性能的關鍵。

3）極端條件電磁能材料的非線性構效關系

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

4）極端條件電磁能裝備穩定性與失效機制

電磁能裝備工作于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，其每次運行都伴隨著材料性能的明顯劣化，直至達到使用壽命進而失效。由于電磁能裝備設計面臨診斷依據匱乏的難題，無法實現設備狀態的實時評估，嚴重制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，以極端沖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件，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。

通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周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優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）人工智能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能感知與運行控制等問題，并詳細分析了各自涉及的關鍵科學問題。

2）全電移動平臺對高性能電機需求的推動方面，重點介紹了材料極限應用、功能復用與集成和新材料、新工藝及新拓撲的對高性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，并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）電磁能裝備對非周期瞬態工況和相關材料學科的推動方面，重點分析了傳統周期穩態/準穩態工況向極端條件下非周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“關于電工學科前沿技術發展的若干思考”，作者為馬偉明。