24歲擔任主設計師,讓中國艦艇綜合電力系統領先世界的王東有多牛

2019-10-13     胖福的小木屋

前不久,海軍工程大學的王東教授被祖國授予2019年度軍隊一等功,這是繼2018年海軍工程大學肖飛教授被授予軍隊一等功之後,馬偉明院士科研創新團隊成員再度斬獲國家軍隊至高榮譽。

王東還成功入選中國工程院2019年院士增選候選人,現年41歲的他,是其中最年輕的那位。今天我們就來聊聊王東教授。

1978年出生的王東畢業於海軍工程大學,畢業後就直接留校工作,並且進入了馬偉明院士的團隊,2002年,馬偉明創新性地提出創新團隊承擔新型高速異步電機研製任務,年僅24歲的王東被委以重任,擔任主設計師。

異步電動機又稱感應電動機,是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩,從而實現機電能量轉換為機械能量的一種交流電機。而新型高速異步發電機系統具有功率密度高、供電品質好、運行可靠、機械強度好、維護簡單、調節方便等優點,是艦船綜合電力系統發電模塊發展方向之一。

而發展新型高速異步電機就是為了掌握艦船中壓直流綜合電力系統,目前世界上的艦船綜合電力系統已發展到第二代。朱姆沃爾特級、45型、伊莉莎白級等戰艦採用的是第一代綜合電力系統,實現了交流綜合電力系統的工程化應用。

而王東教授所在的馬偉明院士團隊創新性提出的艦船中壓直流綜合電力系統屬於第二代,具有更高的功率密度和運行靈活性,代表著艦船綜合電力系統的發展方向。一旦成功掌握,中國的艦船中壓直流綜合電力系統整整領先美國15年。

經過了10年的研究,王東在新型高速異步電機的研製中取得圓滿成功,據軍事觀察家推測,在其基礎上研發的高度集成化的帶蒸發冷卻的高速異步整流發電機,因其體積小巧,可直接與燃氣輪機,蒸汽輪機相連,單台發電量可高達5到10萬千瓦 ,為我軍全電艦的發展打下了堅實基礎。

要知道,傳統的艦船發電機組,多採用減速齒輪箱將高速原動機(汽輪機或燃氣輪機)與中低速發電機相連,其重量、體積龐大,且振動噪聲不符合隱身要求。因此,在未來艦船綜合電力系統中,高速交流整流型發電機已成為發電模塊的主要發展方向。

美國如今也在大力發展全電力艦艇,早在1986年,美海軍提出了「海上革命」計劃,以發展艦船綜合全電力推進系統。1988年啟動了綜合電力推進項目,意圖通過將艦船電力推進系統和日用電力系統進行整合來提高作戰艦艇的性能。

通過設備的通用性、筒易性、標準化來實現未來艦艇的高性能與低成本,這就是艦船綜合電力系統。艦船綜合電力系統由發電系統、儲能系統、變電系統、配電系統、推進電機、日用負載以及電力管理這7種模塊組成,通過對各種模塊的選用,滿足艦艇的電力推進和輔助用電的要求。

2017年,佛羅里達州立大學先進電力系統中心(CAPS)獲得美海軍研究局(ONR)3500萬美元的合同,用於激勵和促進研究人員對海軍全電力艦艇的研發工作。

美海軍已經建造了幾艘全電力艦,但多數艦艇仍然使用燃氣輪機的機械推進方式。目前,美海軍正在大力發展一型真正的全電力艦艇,即通過艦上一個電源來控制所有計算機系統、儲能系統、傳感器以及推進系統。

而王東如今是海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,電機與電器領域專家,國家級科技創新團隊帶頭人。

王東教授聯合軍內外眾多科研團隊,利用多相繞組設計、強迫式蒸發冷卻技術、諧波注入等創新思想,攻克了強非線性直流源和先進電力推進兩大技術瓶頸,成功研製出大容量高功率密度發電機與大容量高轉矩密度推進電機兩大核心裝備,大幅提升了國產大功率感應電機的轉矩密度( 100 千牛/平方米 ) ,同時實現電機效率>96.5%,該項研究成果可廣泛的推廣應用於大型水面艦艇( 如驅逐艦) 或潛艇上,具有重大的軍事意義,將其軍轉民後還可以推廣應用於民用船舶、汽車和電力機車等推進領域。而這個時候,王東才年僅30多歲。

王東可以說攻克了制約我國艦船綜合電力發展的瓶頸難題,讓我國艦艇綜合電力系統已經領先世界,在該領域成功實現了由「跟跑」向「領跑」的轉變,國產綜合電力系統已經成功運用到潛艇支援艦、三體軍輔船等國產水面艦艇,另外國產多型出口型水面艦艇也可以選擇國產綜合電力系統,從而提高艦艇作戰能力。

左一王東

大功率飛輪儲能系統是滿足飛機電磁彈射,高能武器上艦能源供給的關鍵技術,飛輪是指轉動慣量很大的盤形零件,其作用如同一個能量存儲器。

在馬偉明院士的指導下,王東教授等軍內外科研團隊經多年苦心研究,突破了高能量密度、長脈寬和長壽命的慣性儲能技術,創造性地提出了將拖動機、勵磁機、旋轉整流器及主發電機共軸集成,並將飛輪與轉子合二為一的儲能電機方案。

在2010年,王東教授團隊成功研製出50兆瓦/120兆焦的儲能樣機,但他並未就此止步又開展了復合材料大功率飛輪儲能模塊研究,研發出來了一種立式混合磁懸浮飛輪儲能系統。

高速永磁電機為充發一體式電機,輸入/輸出端連接矩陣變換器,配以可高速旋轉的飛輪本體,使系統具有儲能和放能雙向功能。採用永磁偏置軸、徑向混合磁軸承作為主支撐結構,機械滾動軸承提供系統失穩保護,降低了飛輪儲能系統的待機損耗,提高了能量轉換效率。

王東研發的立式混合磁懸浮飛輪儲能系統的金屬外殼較厚,形成真空腔,降低系統轉子風磨損耗,同時具有支撐和保護作用。基座較大,降低系統重心,提高系統穩定性。因此,具有大容量、高轉速、高功率密度、低待機損耗等特點,除了可以運用在艦艇之上,還可用於電網調峰、不間斷電源、混合動力機車等場合。

左一王東

近期,王東為了滿足儲能飛輪系統、衛星動量輪等對高空間利用率的需求,提出了一種異極式永磁偏置徑向磁軸承的拓撲結構.通過在槽口放置平行充磁的永磁體獲得緊湊的結構,同時永磁磁路和電勵磁磁路耦合距離較短,有利於獲取高解耦特。

同時王東教授還是稀土永磁電機系統集成和軸流式噴水推進器等項目的重要參與者,可以說是中國電力推進和獨立電源系統等方面的主要研發者。

目前的傳統電機,應用的是電磁鐵。電磁鐵是通電產生電磁的一種裝置,在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組,這種通有電流的線圈像磁鐵一樣具有磁性,通常製成條形或蹄形狀,以使鐵芯更加容易磁化。為了使電磁鐵斷電立即消磁,往往採用消磁較快的的軟鐵或矽鋼材料來製做。

右二王東

永磁推進電機採用永磁材料和變頻調速裝置,替代了傳統電機的勵磁、換向和調壓等裝置,這使得永磁推進電機具有效率高、體積小、重量輕、噪聲低、操作簡單和維護簡便等優點,有助於艦船性能的極大提升。永磁推進電機已成為艦船標誌性技術之一。

在馬偉明、王東、肖飛等人的努力下,中國在艦艇綜合電力系統方面已經領先了世界整整一代。配備了綜合電力系統的艦艇也在不斷下水,助力中國海軍走向深藍。而這背後都是一批科學家的默默奉獻。

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