日前，北京理工大学物理学院张向东教授课题组和信息与电子学院孙厚军教授课题组合作，在拓扑电路和高阶拓扑态研究方面取得重要进展。相关系列研究成果发表在近期的Phys.Rev.Lett.以及Phys.Rev.BRapidCommunications(Editor’sSuggestions)上，系列研究工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。

高速永磁电机无需借助维护困难、体积庞大的齿轮增速箱即可同轴连接至风机、压缩机、真空泵、透平膨胀机、燃气轮机等高速负载或原动机，提高了系统的可靠性、降低了维护成本，并可实现无油驱动。 东南大学电气工程学院课题组紧紧把握这一契机，在高速永磁电机的电磁设计、温升分析与冷却设计、转子结构分析等方面做了深入的研究工作。设计并应用了36000转/75kW, 24000转/140kW, 18000转/300kW工业鼓风机/空压机用高速永磁同步电机。

本技术基于脉冲充退磁的原理，提出了一种针对大型永磁电机进行整体充退磁的新方法，能够在磁极装配至转子表面后再对其进行充退磁，极大地提高了大型永磁电机的充退磁效率和容错率。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 因高功率密度等优势，永磁电机被广泛应用于风力发电、电动汽车、家用电器、工业驱动与控制等领域，且市场潜力巨大。譬如，永磁风力发电机的转子直径超过4.3米，高度达1.5米，共有84个永磁磁极，每个磁极由20多个磁钢块拼装而成，传统制造过程中通常需对单个磁钢块充退磁使其带磁性后再由人工组装到转子表面，这种方法不仅效率低，而且一旦有充退磁不完全的小磁钢被装配成磁极，便会影响整个发电机组的性能，这时若想重新进行充退磁，便只能将整个磁极拆卸后再次充退磁，操作繁琐且容错率低。 本技术基于脉冲充退磁的原理，提出了一种针对大型永磁电机进行整体充退磁的新方法，能够在磁极装配至转子表面后再对其进行充退磁，极大地提高了大型永磁电机的充退磁效率和容错率。

实验原理   巨磁电阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。   仪器概述 本实验主要内容包括对巨磁电阻GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及学习磁记录与磁读出的原理与过程。   仪器特点   独立的实验模块：A、巨磁电阻GMR基本特性测量模块；B、巨磁电阻GMR测量电流模块；C、巨磁电阻GMR梯度传感器测量齿轮的角位移模块；D、巨磁电阻GMR磁卡读写模块。   丰富的实验内容：（1）测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线。（2）测量GMR的磁阻特性曲线。（3）测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线。（4）测量通电螺线管的磁场分布曲线。（5）用GMR传感器测量导线电流。（6）用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理。（7）通过GMR传感器实现磁卡记录与读出的原理。 便捷的数据采集接口：实验电源配置4个模拟数据采集接口，可以连接电压传感器和PASCO数据采集软件，可以实时地采集大量的数据来分析测试结果，方便、快捷、高效地完成实验内容。   实验内容及典型数据 实验1：GMR模拟传感器的磁电转换特性测量   实验2：GMR磁阻特性的测量   实验3：GMR模拟传感器测量电流   部件清单 可调直流 (恒压恒流) 电源I，12V/1A   BEM-5055 直流电压电流表I，2V/20mA   BEM-5056    巨磁电阻基本特性测量模块   BEM-5717    巨磁电阻测量电流模块   BEM-5718    巨磁电阻角位移测量模块   BEM-5719    巨磁电阻磁卡读写模块   BEM-5720    连接导线，香蕉插头，0.8米，红   BC-105084   【4】 连接导线，香蕉插头，0.8米，黑   BC-105083   【4】 连接导线，mini 八针导线   BC-105243    电源线   BC-105075   【2】 用户手册   CD-M-BEX-8511B   

体-边对应关系是拓扑物态的一个基本特征。近期新发现的高阶拓扑物态由于呈现出新型的体-边对应关系而受到广泛关注。特别地，由于高阶拓扑超导体允许马约拉纳零模直接出现在二维和三维系统的边界上，这为寻找马约拉纳零模和实现拓扑量子计算提供了新的思路。近两年来，虽然已提出一系列实现高阶拓扑超导体的理论方案，但这些方案或要求超导转变前的正常态具有拓扑非平凡的性质，比如，拓扑绝缘体，或要求混合宇称的超导配对。如果正常态只是普通的金属，而超导配对只有奇宇称或偶宇称型的配对，是否能实现高阶拓扑超导体仍是一个重要的开放问题。

物理学研究的前沿之一是在凝聚态体系中寻找Dirac方程所描述的一些基本粒子。Dirac方程是具有狭义相对论协变性的波动方程，最早由英国物理学家Paul M. Dirac 于1928年构造，用于描述自旋为1/2的费米子，典型代表如电子。Dirac方程成功地预言了正电子的存在, 并于1932年被实验证实。Dirac方程有不同的等价表示，比如Dirac、Majorana和Weyl表示等，其对应的准粒子可以分别在不同的凝聚态体系中被实现，如石墨烯 (2010诺贝尔物理奖) 、拓扑绝缘体表面可以存在二维无质量的Dirac费米子和非常规超导体的边界可能存在Majorana费米子等。特别是，Dirac方程的三维无质量极限，对应Weyl费米子，可以在最新发现的拓扑半金属中被实现。 通过系统的计算和数据分析，证明了这个反常信号与Weyl费米子在强磁场下最低朗道能带打开能隙有关。在凝聚态物理中，能谱打开能隙和狄拉克型方程描述的准粒子获得质量是等价的，因而从理论上支持了Weyl费米子湮灭的结论。

研究人员通过低温量子输运实验揭示了狄拉克半金属表面态费米弧（Fermiarc）的自旋动量锁定特性，并通过控制栅压进一步调控费米弧自旋信号的有无，研制出了新型的场效应晶体管原型。该成果不仅对拓扑半金属的基础研究具有重要意义，而且对未来拓扑自旋电子学的实际应用也具有重要推动作用。 研究团队

物理学院丁卫强教授团队在光操控研究中取得重要突破，提出运用背景结构动量辅助实现高效光学牵引力新方法，相关成果以《连续域中束缚态实现模式对称性辅助的光牵引》（Mode-Symmetry-Assisted Optical Pulling by Bound States in the Continuum）为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。该研究成果为光力研究提供新思路，对发展先进光操控技术具有重要价值。 运用光力可精准操控微纳物体，但传统光学操控仅能实现对物体的定点捕获，而对物体的平动自由度操控效率很低，如何实现“逆光而上”的光学牵引是面临的难题。针对该难题，丁卫强教授团队突破现有研究思路和研究方案制约，提出运用背景结构动量辅助实现高效光学牵引力的新方法，将传统方案中物体和光场二者之间的动量传递，推广到了物体、光场和背景结构三者之间。通过周期背景结构中连续域中束缚态这一特殊光学模式，将周期背景晶格的动量通过光场模式对称性调控传递给物体，实现了极高效率的光学牵引力，即使在光场被全反射的情况下依然能实现光学牵引，该机制实现的光力比已有结果增强了近一个数量级，且对物体参数变化不敏感。 哈工大为论文第一署名单位。哈工大物理学院博士研究生李航为论文第一作者，物理学院丁卫强教授、曹永印副教授，新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。哈工大物理学院冯睿老师、博士研究生史博建、孙芳魁副教授，同济大学施宇智教授，中国科学技术大学陈杨教授，苏州大学高东梁教授，大连理工大学朱彤彤老师，东北林业大学汤冬华老师对论文发表作出重要贡献。 该研究获国家自然科学基金支持。 论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.253802 连续域中束缚态实现模式对称性辅助的光牵引

永磁电机的位置传感器增加的电机的成本，降低了电机的可靠性。在风机、水泵等领域应用的电机，可以通过控制的方法，去掉电机的位置传感器，减少成本并提高系统可靠性。本课题组针对高速电机无位置传感器控制中所存在的问题，在建立精确离散化的数学模型的基础上，设计了基于离散滑模理论、状态观测器等方法的转子位置观测器，实现了10kHz控制频率下的10万转高速电机的无位置传感器控制，以及快速正反转启动。

一、概述永磁电机因具有效率高、体积小、重量轻、噪音低和调速方便等诸多优点，近些年在国内外得到了迅速发展和越来越广泛的应用。我国稀土材料非常丰富，几十千瓦以下的永磁电机的设计和制造技术已十分成熟。在国民经济各方面被广泛使用，在家用电器及电动车辆和电动工具等许多应用领域都正在取代感应电机、有刷直流电机或燃油动力机械，显示出旺盛的发展趋势。号称是其他一切电机的替代品。 高性能永磁电机驱动控制技术及产品填补了多项国内空白达到国际领先水平。二、永磁电机及驱动控制电动机包括永磁同步电机( PMSM，正弦波驱动)和无刷直流电机( BLDC，梯形波驱动) 两大系列。是符合国家节能、环保基本国策和可持续发展战略的高新技术产品。现在国内永磁电机的设计和制造技术已很成熟。必须有合适的驱动器控制才能工作。驱动控制器的技术含量高、控制复杂，但产品的生产过程相对容易。三、所做的工作及取得的成果多年来，我们对永磁电机驱动控制技术进行了不断的研究和开发，取得了多项成果，填补了多项国内空白。在国内最先采用无位置传感器正弦波控制技术开发出了多种驱动控制器产品，主要指标达到或超过了国外同类产品的水平。根据用户或产品需要，可采用有/无三相霍尔位置传感器的正弦波或梯形波控制方案。（建议首选无位置传感器正弦控制方案）。独特的控制算法、高性价比的电路结构、优良可靠的控制性能及可为用户专门设计是本变频驱动控制技术的显著特色。四、已有的技术和产品变频家电（冰箱、空调、洗衣机等）的变频调速驱动控制技术及系列产品。电动工具和车辆船只等由蓄电池供电的变频调速驱动控制技术及系列产品。由市电供电的专用变频驱动控制器系列产品。机载、车载、船用等特种变频驱动控制器系列产品。能使移动或独立发电机组输出完美正弦电压的永磁同步发电机的控制和电能变换技术及系列产品。特殊用途的变频驱动控制技术及系列产品。五、若干的国内首创六、各种变频驱动控制器产品七、在电动车辆和船只上的应用八、在电动工具上的应用九、数码发电机及应用十、微型压缩机及应用十一、主要技术特点采用最新控制技术，特别是无位置传感器正弦控制技术，在国内外处于领先水平。一些产品的指标达到或超过了国外同类产品的水平。核心控制芯片选用低成本的通用单片机，不受专用芯片的各种限制。具有完全独立的自有知识产权。开发移植方便，周期短，很容易扩大应用领域和范围。可为各种电机和压缩机提供最佳的变频驱动控制。成本低，性价比高，通用性强，便于生产。