学术研究

    父亲富有科学研究的创新精神，早在读大学二年级的时候就发明了材料力学计算梁变位的“二次及三次力矩法”，其论文后来发表在美国土木工程师协会的学报上。解放初期，父亲在中国科学院编的《中国科学》（1951，No.3）上发表论文《直流电路网络的图解法》。

    1978年，我国引进法国的6万千瓦水轮发电机组在运行中出现振动，影响发电机组的正常运行。为找出引起水轮发电机振动的原因，电力部、水利部联合召开会议，华东中四所的专家来了，没有找到原因后离开了。以父亲为代表的华中工学院专家提出了“很有可能是负序电流引起机组振动”的观点。当时在国内该观点比较前沿，国内专家都没有提出有效的论证方法。法国阿尔斯通公司的专家组来了，法国人固执地认为他们提供的产品没有问题，父亲就提出用实验来论证水轮发电机的问题所在。随着负序电流的增加，发电机的振动也明显增加，实验还没做到一半，发电机的振动已非常严重，法国人不敢做下去了，承认自己的产品有问题。父亲说的是正确的，水轮发电机的振动就是由负序电流引起的。这一事件当时在国内影响很大，许多媒体都报道了此事。1979年，父亲在《华中工学院学报》（第四期）上发表了他们对这一问题的研究成果：《水轮发电机由负序电流引起的振动》。该文从理论上分析由负序电流引起的定子铁心振动，推导了固有频率和振幅的计算公式。文中介绍了水电站试验实测的部分结果，将计算值与实测值相比较，固有频率的计算值比较接近实测值，可作为设计电机的依据；振幅的计算值，有一定的准确性，可供工程计算作参考。这在当时的电机理论界引起了很大的反响。

    在科研上，父亲长期从事电机基本理论研究，特别是绕组理论和新型电机的开创性研究，并取得突出成就，有多项重要发明。1981年，父亲针对有发展前途的多种极数的变极绕组，提出了既简易又准确的“对称轴线法”的单绕组变极新理论。这种理论解决了国际上90多年来专家学者们没有解决的单绕组变极的4个关键问题，达到了国际先进水平，是变极技术史上的一个重大突破。为详细论述该发明的原理和应用，父亲于1985年出版了专著《交流电机的绕组理论》。该专著获1987年国家教委科技进步一等奖，并作为建国以来我国基础研究成果百例之一，被选入1990年出版的中国科学院编的《中国基础研究百例》一书。在该专著中，父亲总结了多年来从事交流电机绕组理论研究的成果。对交流电机绕组的基本理论，特别在绕组磁势的谐波分析方面做了详细论述。对常用的单一极数的交流绕组，尤其在分数槽绕组方面做了详细分析。全书重点放在有发展前途的多种极数的变极绕组上。对单绕组变极，除了用新的观点和方法分析国内外广泛应用的安导调制法外，还提出既简易又准确的“对称轴线法”，为迅速求得任意极比的对称变极方案开辟了捷径。由于工业生产上需要变极调速的绕线式异步电动机，该著作对绕线式转子的单绕组变极作了系统深入的论述。对有发展前景的六相绕组、一般的m相绕组以及大型水轮发电机上采用的单层绕组也作了比较深入的分析。对如何使用电子计算机设计绕组和分析谐波做了详细的叙述，并提出了许多具体的计算程序。为了使当时广大读者都能有条件应用，该书采用小型计算机和各式微处理机的BASIC语言程序。

    在80年代的电机基本理论的研究中，父亲还发现了感应电动机的一个矛盾现象：感应电机的笼型电机类中，存在着“起动”和“运行”的矛盾，强调一方必然削弱另一方，二者不可兼顾。为了解决这一问题，人们又发明了绕线型感应电动机，虽在起动和运行上作了很大改进，却产生了新的矛盾：起动和运行的可靠性降低、应用范围缩小、成本高、寿命短、污染环境等。集电环与电刷是用来启动电机的，能否去掉它们，同时又能很好地解决电动机起动、运行和可靠性三者之间的矛盾？ 父亲下定决心要解决这一难题，决定走出一条与别人相反的道路。电机绕组是电机学领域中的传统研究方向，为了在理论上有所突破，他不顾年逾花甲、体弱多病的身体，每天下午带着手电筒上班，一直工作到晚上七八点钟才回家吃饭。晚上的正常睡觉时间是12点，可是为了加快进度，常常凌晨一两点才睡。就这样，早上6点起床，没有午睡，一天仅休息几个小时，在他的眼里没有寒暑假，也没有周末。经过艰辛的研究，父亲创造性地提出了“利用谐波磁场来起动、利用基波磁场来运行”的交流电机“谐波起动的理论与方法”，发明了“谐波起动方法及按该方法起动的电动机”。“谐波磁场起动、基波磁场运行”——父亲发明的谐波起动电动机，去掉了集电环和电刷等零部件，实现了转子电路上无触点，消除了各种副作用，提高了电机的起动转矩和运行指标，较好地解决了起动、运行和可靠性等方面的矛盾。为了实现产、学、研的结合，促使先进技术转化为先进生产力，父亲和他项目组的同仁们一道进行了应用研究。在大家的共同努力下，具有特殊优越性的世界上第一台能够在工业领域应用的谐波起动绕线型异步电动机于1978年3月诞生。这在当时虽已是世界领先水平，但为了进一步完善其性能，父亲并不满足现状，1985年又改进发明了谐波起动方法和谐波起动电动机，打破了绕线型感应电动机百年未变的传统结构，革掉了该种电机发生事故的主要根源——集电环和电刷，在世界上首次研制成功高起动特性、高运行性能和高可靠性的绕线型感应电动机。该成果于1986年获武汉黄鹤发明奖和第二届全国发明展览会银牌奖，于1988年获得中国和美国专利，1993年获国家发明二等奖和国家教委科技进步一等奖，并被科技部列入国家科技成果重点推广计划。1991年3月，新型电机2个系列80多种规格的新产品通过了国家鉴定，属国际独创，并向全国推广应用。

    先进技术的发明直接带来了生产力和经济效益的提高。1992年，广东某发电厂遇到了一个大难题：输煤传送带系统的驱动电动机，因无法满载起动，导致输送系统的输送能力大大降低，严重影响了系统的正常生产。电厂采取了种种措施仍无法解决。无可奈何之下，电厂决定采用“大马拉小车”的办法，改用更大功率的电动机。单是这项改造，电厂就需要投资210万元，还有由此增加的数量可观的耗电量及电费。此时，有人了解到父亲等人发明的“谐波起动绕线型感应电动机”，建议采用该新型电动机。电厂抱着尝试的态度，用一台同等功率的谐波起动绕线型感应电动机代替了原来的电动机。问题迎刃而解了。谐波起动绕线型电动机驱动的输煤带上满载着负荷，非常顺利地起动、正常地运行，而且消除了老电机产生的碳粉、火花、噪声等污染。此外，大大减少了电机的维护工作量。电厂当即决定把剩余的电机全部换成新型电机。这不仅解决了生产问题，而且还带来了重大的经济和社会效益。

    广东某水泥厂以55千瓦的新型电机替代原用的75千瓦的电机，应用于生料锤式破碎机上，实验数据表明：每年增加破石产量10500吨，在当时平均节约电费7万元，节省修理费7500元。原先的电机每三个月烧坏一台，新型电机常年使用正常。武汉某耐火材料厂用同规格的新型电机拖动筒磨机，实测表明，每台新型电机比原电机节电20%，每年节电近10万千瓦时。

    1989年父亲又发明了能自起动的抽水蓄能电站用双速同步发电——电动机，阐述该发明的论文发表于《中国电机工程学报》（1994，No.1）上，并被选入中国科学院和工程院联合主编的《中国科学技术文库》一书中。

    为了更好地将已有的发明能够更广泛地应用于生产领域，他继续了艰苦的科研攻关，终于在1996年再次取得突破性成就，研制成功新一代的谐波起动电动机，即三波起动电动机，对水泥行业和矿山机械所需电动机是重大变革。

    1999年，投资11亿元新建的武汉钢铁公司第四烧结厂作为武钢的效益工程，整条生产线的关键设备全部由日本引进。自投产以来，其中的关键设备——价值50万美元的单辊破碎机经常“罢工”，有时一小时故障停机达十几次，作业率仅7.3% ，每天损失数百万元。情急之下，他们请来了华中理工大学的专家们。父亲和他的学生于克训、王雪帆等经多次测试，分析发现问题的根源在于系统所选用的驱动电动机的过载能力及起动力矩不能满足负载机械的要求。他们专门研制了一台新型谐波起动电动机（三波起动电动机），使厂方只需对原设备的控制系统作相应调整，整条生产线就能正常运转。有了这台特种电机，作业率由7.3% 提高到93% ，超过了当时国内同类设备的最好水平。仅半年时间，该厂就节约生产成本3000万元。为感谢华工的专家们，该厂将一面绣有“厂校结合，攻无不克”的锦旗送给他们。武汉晚报也刊登了专题报道：《一面价值3000万的锦旗》。

    教学上，父亲为本科生讲授过《电机学》、《电机设计》等课程，并为研究生开设《电机绕组理论》课程。他主编的《电机学》教材（机械工业出版社1980年第1版，1988年第2版）根据从特殊到一般的认识规律，首先逐一论述直流电机、变压器、感应电机和同步电机四种典型电机的工作原理、基本结构、电磁过程、理论分析方法、运行特性和参数，而于最后总结各种电机在电、磁、力各方面的共同特点，使读者在掌握各电机个性的基础上，了解它们的共性，对各种电机的内在联系和机电能量转换的实质有一个完整的认识。该书自1980年出版以来，深受读者欢迎，为大多数高等院校所采用，是当时国内使用最广、影响最大的电机学教材。该书于1987年被评为全国高校机电兵工类专业优秀教材，1995年出版的第3版被选为全国普通高等教育机电类规划教材。