前沿研究向教育转化：以串联端绕组电机驱动为例探索工程教育新模式

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：From frontier research progress to education: Using series-end winding motor drives as example

本文针对如何将电力电子与电机驱动领域的前沿研究成果有效转化为教育资源这一挑战，以创新型串联端绕组电机驱动（SWMD）技术为主题，展示了通过学生科技竞赛平台将拓扑结构、控制算法及可靠性方面的最新突破应用于无人机、电动汽车和磁悬浮轴承等高性能驱动系统的成功案例。研究提出了一种衔接前沿科研与工程教育的方法论，显著提升了学生的研发能力与创新素养，为培养高水平工程人才提供了重要途径。

　　

在工程教育领域，顶尖学生始终渴望接触前沿科研机会，但将硬件研究成果转化为教学内容存在显著障碍。不同于软件算法类研究易于融入课程项目，大功率硬件技术的快速迭代与本科生课程之间存在明显脱耦。即使研究生课程能够传达基础概念，在课堂环境中实现和拓展这些成果仍极具挑战性。这种脱节使得许多具有潜力的学生错失了通过实践掌握尖端技术的机会。

为解决这一难题，华中科技大学团队在《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》发表研究，提出以科技竞赛为桥梁衔接科研与教育的新范式。研究以串联端绕组电机驱动（Series-end Winding Motor Drives, SWMD）这一创新技术为核心案例，系统展示了学生如何将最新研究成果转化为无人机、电动汽车和磁悬浮轴承等领域的实际应用。

在技术方法层面，作者团队重点运用了三大关键技术：一是通过拓扑结构创新，将传统开放式绕组电机驱动简化为N+1逆变器结构，在保持性能的同时显著减少功率器件数量；二是开发了基于零序电流控制的场定向控制（FOC）算法，实现宽转速范围内的效率优化；三是构建了针对功率器件开路/短路故障的容错控制策略，结合无传感器振动抑制技术提升系统可靠性。所有实验均基于实际无人机平台、电动汽车测试台架和工业级磁轴承系统开展验证。

研究结果部分通过三个典型案例系统呈现：

在无人机应用案例中，学生团队基于五相永磁同步电机开发了六桥臂SWMD控制器。

实验表明，该设计在单螺旋桨测试平台上实现了2kW功率输出，并通过Halbach结构优化提升了系统可靠性。

竞赛专家提出的瞬态响应优化建议，进一步推动了系统性能提升。

电动汽车应用案例展示了SWMD在高速工况下的显著优势。

转速-效率对比实验表明，在1500RPM以上高速区域，SWMD效率较传统半桥拓扑提升超10%。为解决低速效率损失问题，学生创新提出"电力电子智能变速箱"概念，

通过零序电流注入实现拓扑平滑切换，将工作转速范围扩展至3000RPM。该成果先后获得阳光电源创新大赛一等奖和"挑战杯"全国最高奖。

磁悬浮轴承案例体现了产学研深度融合的特色。

学生团队将SWMD拓扑应用于五自由度磁轴承驱动系统，

开发出器件数量减少近半的高可靠性控制器。创新设计的故障容错方案使系统在器件开路故障时仍能保持稳定悬浮，位置误差小于100μm。该成果在中国研究生电子设计竞赛和互联网+大赛中斩获佳绩，并成功应用于ORC发电机组等工业场景。

研究结论表明，以SWMD为代表的前沿科研成果通过竞赛平台有效转化为教育资源，形成了"教师科研-学生竞赛-产业转化"的良性循环。三个案例分别体现了技术迁移能力（无人机）、应用突破能力（电动汽车）和跨界创新能力（磁轴承）的培养成效。参与学生在国家级奖学金获取率和重要奖项获奖率方面表现突出，部分优秀毕业生已成为高校教师和创业公司联合创始人。这种教育模式不仅提升了学生的专业技术能力，更培养了其组织领导、团队协作和实际问题解决等综合素养，为工程教育改革提供了成功范本。

研究同时指出，该模式的成功依赖于科研深度与竞赛平台的有机结合。以谷歌小盒挑战赛（Google Little Box Challenge）为例，弗吉尼亚理工大学FEEC团队基于数十年高密度功率变换器研究积累，在竞赛中实现效率超99%的突破，印证了前沿科研成果对学生培养的支撑作用。中国特有的"挑战杯"等系列竞赛体系，则为这种教育模式提供了规模化实施的制度保障。