东南大学程明教授团队：矢量磁路理论的原创探索

程明，博士、东南大学首席教授、博士生导师，IEEE Fellow 和 IET Fellow。主要研究方向：微特电机、电动车驱动控制、新能源发电技术、伺服电机系统等。主持国家自然科学基金重大项目、原创探索计划项目及其延续资助、重点项目和重大国际(地区)合作研究项目，以及国家973计划、863计划等各类项目60余项；获授权中国发明专利160余件、美国发明专利6件、欧洲发明专利1件；发表学术期刊论文500余篇(SCI 收录350余篇)，出版《微特电机及系统》、《可再生能源发电技术》、《电机气隙磁场调制统一理论及应用》、《定子永磁无刷电机——理论、设计与控制》等专著、教材。以第一完成人获国家技术发明奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖、江苏省专利发明人奖、IET Achievement Award 等；享受国务院政府特殊贡献津贴。

磁路理论作为电磁设备的重要分析工具，自焦耳首次发现磁阻现象以来，历经了一个半世纪的发展与完善，为变压器、电机等电磁设备的设计与分析提供了重要的理论支撑，为推动电气工程学科的发展做出了重要贡献。然而，随着电气工程领域向高频、高效、轻量化方向持续发展，传统磁路理论的局限性日益显现。传统理论主要依赖单一的磁阻元件/参数来构造与表征磁路特性，难以全面涵盖现代复杂电磁设备中多维特性和动态行为。

《矢量磁路理论》一书是程明教授团队近年所取得的相关成果的提炼和总结，是对磁路理论的丰富和发展。通过定义新的磁路元件，创新性地提出了一种很有创意的磁路理论，不仅为电磁设备的磁路设计增添了新的自由度，而且能够同时表征磁通的幅值和相位特性，实现了对涡流、磁滞等电磁现象的定量描述，为解决长期以来电磁设备设计与分析中的诸多难题提供了一种新的思路，也为磁路理论的进一步发展开辟了崭新的研究方向。

中国科学院院士

2024年12月

磁路理论是一门研究磁路元件特性及磁路拓扑的科学，是电机、变压器等电磁设备的理论基础，是解决复杂电磁问题和优化电磁设备性能的重要分析工具。与电磁场理论相比，磁路理论概念清晰、模型简洁、易于参数化、计算速度快，因此在电机等电磁设备的分析设计中得到了广泛的应用。然而，与电路理论中包含电阻、电感和电容三个无源元件/参数不同，自1840 年焦耳发现对磁通具有阻碍作用的磁阻以来，传统磁路理论仅有单一磁阻元件/参数，因此难以定量描述和阐释磁路中交变磁通的相位、涡流与磁滞效应及其引起的损耗等电磁现象，制约了其进一步发展和应用。

▲ 矢量磁路理论

近年来，程明教授团队在研究电机气隙磁场调制统一理论的过程中，发现短路线圈不仅会影响磁通的幅值，而且会改变磁通的相位，由此发现了影响交变磁通的新因素，并将其定义为“磁感”(magductance)，实现了对磁通相位的定量表征，并为电磁设备中磁通幅值和相位的调控提供了新途径。由于铁磁材料中的涡流可以等效为闭合线圈，磁感可用于定量表征涡流效应。沿着这一思路，程明教授团队进一步发现了磁滞效应对磁通的影响规律，并将其定义为“磁容”(hysteretance)。在此基础上，建立了磁电功率定律，提出了涡流损耗和磁滞损耗的解析模型，结束了长期以来铁心损耗计算仅依赖斯坦梅茨(Steinmetz)和贝尔托蒂(Bertotti)等经验公式的历史。

▲ 磁通集肤效应现象

为区别于传统的仅有单一磁阻元件/参数的标量磁路理论，将包含磁阻、磁感、磁容三个无源元件/参数，既可表征磁通幅值也可表征磁通相位的磁路理论称为“矢量磁路理论”。为了较为系统全面地呈现矢量磁路理论及其应用方法，特将相关研究成果整理成书，希望抛砖引玉，吸引更多同行学者的关注和参与，共同促进磁路理论的发展，丰富电磁学理论，推动电机等电磁设备的创新发展。

▲ 可呼吸式磁芯

《矢量磁路理论》是作者团队近年研究成果的提炼和总结。全书共9章，内容涉及新型磁路元件——磁感和磁容的定义、磁通相位的定量表征、磁电功率定律、磁通集肤效应、铁磁材料参数计算、时变磁感的电磁感应，以及矢量磁路理论在电机等电磁设备分析、控制中的应用等。书中定义了磁感和磁容，实现了铁磁材料涡流效应和磁滞效应的定量表征，为电磁设备的分析、设计、控制及拓扑创新提供了全新的视角和方法。

本书适合电气工程等相关领域的科研人员和研究生阅读，也可供从事电磁设备研究开发等技术领域的研究人员、工程师与工程管理人员参考。

《矢量磁路理论》

ISBN 978-7-03-080442-6

程明, 秦伟, 王政著

责任编辑：朱英彪 纪四稳

电机、变压器是重要的能源动力装备，是电气化的基石。电路理论与磁路理论一起作为重要的分析工具，为电机、变压器等电磁设备的设计、性能评估与优化提供了重要的理论支撑。然而，与电路理论中包括电阻、电感和电容三种元件/参数不同，传统磁路理论仅有单一磁阻元件，不仅导致磁路设计中调控手段单一，而且无法定量表征铁心涡流与磁滞效应及其产生的损耗，更难以描述磁路变量的相位关系等。在一个多世纪的磁路理论发展史上，曾有多位学者进行过有益的探索与尝试，但一直未能取得突破性进展，仅有单一磁阻元件的传统磁路理论一直延用至今，已成为现代高速、高频化电磁设备发展的理论瓶颈。

程明教授团队在前人工作基础上，从全新的视角揭示了影响交变磁通幅值和相位的新因素，定义了磁路新元件，不仅为电机、变压器等电磁设备的磁路设计与调控提供了新手段，而且实现了对铁磁材料涡流与磁滞效应等电磁物理现象的参数化定量表征。在此基础上，进一步提出了铁心损耗的解析模型，结束了长期以来铁心损耗计算仅依赖斯坦梅茨方程等经验公式的历史。该书的出版对于丰富和发展磁路理论，促进电磁装备的创新发展与技术进步，具有重要的科学意义和工程指导价值。

教育部高等学校电气类教学指导委员会主任

2024年12月

本文整理自《矢量磁路理论》（程明, 秦伟, 王政著. 北京 : 科学出版社, 2024. 12）一书。

（本文编辑：刘四旦）

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