夏长亮

夏长亮,1968年4月出生于天津市;1986年毕业于天津大学自动化系电机专业,获学士学位;1993年和1995年分别在浙江大学电机工程系电机专业获硕士、博士学位。现任天津大学电气与自动化工程学院教授,博士生导师。他是电机系统及其控制领域长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、973计划项目首席科学家、中青年科技创新领军人才、新世纪百千万人才工程国家级人选、“光华工程科技奖”和“中国青年科技奖”获得者。

夏长亮长期致力于高效能电机系统技术与工程应用研究,作为负责人承担了973计划、国家科技支撑计划等科研和工程项目30余项,在高效能电机系统智能化设计与控制方面取得了具有创造性的研究成果,突破了电机系统效能提升的技术瓶颈,工程应用与产业化成效显著;获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、教育部和天津市科技一等奖4项(均为第一完成人);授权发明专利28项(第一发明人);在科学出版社出版专著2部,其中1部由John Wiley出版社发行了英文版。

主要学术成绩及贡献如下:

一、创新性地构建了电机智能化综合设计理论体系

电机是支撑国民经济发展的主要动力基础,对国民经济和国防建设具有重要意义。目前,节能降耗尤其是面向国家支柱产业的高效能电机优化设计已成为国家重大需求,国家发布的《节能中长期专项规划》将其列为“十大重点节能工程”之一,在该领域开展深入研究具有重要意义。

针对复杂约束下高效能电机智能化综合设计方法与技术开展了系统深入的研究,构建了电机电磁场、温度场、应力场、流体场多场分析模型,提出了多场耦合效应的分析方法;提出了多目标粒子群和专家系统相结合的电机优化设计非劣解集求解方法,解决了复杂约束下优化解准确性和多样性的统筹难题,提高了求解精度和收敛速度;提出了基于博弈策略从非劣解集中甄别最佳方案的方法,建立了评价和排序非劣解的指标体系,提高了方案甄别的灵活性和选型效率,降低了设计方案选型难度;提出了基于稳健设计和灵敏度分析的高效能电机产品质量控制策略,确立了产品加工与装配过程中各参数的优先级,解决了高效能电机产品质量一致性难以控制的难题;提出了基于运行状态监测和模糊小生境遗传算法的电机循环设计方法,在设计中引入产品运行反馈信息,通过嵌入模型更新策略及复杂约束修正算法,缩短了产品升级周期;在此基础上,提出了一套具有自主知识产权的高效能电机智能化综合设计技术,解决了电机效能提升的关键技术难题。

研究成果被推广到全球最大的家用电器压缩机制造公司—意大利ACC集团,大幅提高了压缩机制冷系数和能效水平,帮助企业长期保持技术领先优势并引领欧洲能耗标准,在十余年内连续攀登欧洲A、A+、A++、A+++能耗标准4个台阶,使企业一直保持同行业内的国际领先地位。开发的多个系列产品为海尔集团、美的集团、德国Siemens、美国GE、韩国Samsung等企业配套。

二、发明了复杂工况下电机系统高效能运行与控制关键技术

随着我国装备制造业向高端化发展,电机系统面临着日益复杂的应用工况及不断提升的技术需求,对电机系统的转矩稳定性、转速稳定性和系统鲁棒性提出了严峻挑战。

针对电机系统在负载连续突变及剧烈冲击下的转矩波动抑制难题,发明了基于相差控制的中点电位漂移抑制方法,构建了基于多电平功率变换技术的转矩控制体系,实现了电机系统的高转矩稳定性运行。针对电机系统在电网电压频繁波动下的低速域平滑调速难题,提出了级联方式切换型多重化变结构策略,构建了基于多重化控制技术的转速控制体系,实现了电机系统在低速域的高转速稳定性运行。针对电机系统在电网故障及三相电压不平衡等复杂扰动下的稳定控制难题,提出了瞬时功率离散化预测模型及前馈补偿策略,发明了基于价值函数的直接功率控制方法,构建了基于直接功率控制技术的预测控制体系,实现了电机系统在复杂扰动下的强鲁棒性运行。

研究成果已在冶金化工、材料加工、矿井提升、石油开采等领域得到了广泛应用。开发的产品为三峡工程、南水北调、西气东输、北京地铁、上海高铁等国家重点工程提供配套,并在英国Heathrow机场、俄罗斯Vnukovo机场、德国Allianz Arena球场等国外重点工程中成功应用,取得了显著的经济效益和社会效益。

三、提出了高效能电机系统集成设计与协同优化技术

电机系统的综合性能不仅取决于电机本体,与电机本体耦合的负载、变流器、控制器等共同决定着电机系统的运行特性。因此,电机系统综合性能的提升需要对电机系统进行集成设计与协同优化。

针对高效能电机系统的结构特点与运行特性,构建了由电机结构参数、变流器参数、控制参数与性能指标之间的非线性映射,揭示了电机电磁结构、变流器调制方式与控制策略的影响机制与交互作用途径;提出了电机系统谐波磁场电磁特性分析方法,解决了非正弦供电条件下电机系统综合性能指标分析难题;发明了Halbach阵列电机系统磁场优化技术,大幅增强了气隙磁通密度,拓展了电机系统电磁负荷的调节范围;开发了基于工程逆问题的电机系统集成设计技术,实现了电机系统参数的优化匹配;在此基础上,提出了高效能电机系统集成设计与协同优化技术,对电机、变流器和控制器的参数进行了优化匹配和协同设计。

该技术突破了电机、变流器、控制器独立设计难以有效提升系统综合性能的瓶颈,基于电机、变流器和控制器的协同效应进行系统设计。开发的产品被推广至美国OTIS、日本FUJITEC等企业,有效降低了电机系统故障率,显著提升了运行平稳性,推动了行业技术进步与创新。

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