永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用（原書(shū)第3版）

譯者序
原書(shū)前言
第1章 緒論1
1.1電勵(lì)磁與永磁勵(lì)磁的區(qū)別1
1.2永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式2
1.2.1永磁有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)3
1.2.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)5
1.2.3永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)7
1.2.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)8
1.3提高電機(jī)效率8
1.4永磁電機(jī)的分類(lèi)11
1.5永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)13
1.6永磁電機(jī)的應(yīng)用13
1.7機(jī)電一體化技術(shù)23
1.8電機(jī)的機(jī)械基礎(chǔ)24
1.8.1轉(zhuǎn)矩與功率24
1.8.2齒輪組25
1.8.3齒輪組的效率25
1.8.4等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量26
1.8.5轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)26
1.8.6機(jī)械特性28
1.9轉(zhuǎn)矩平衡方程28
1.10永磁電機(jī)的成本評(píng)估28
案例30
第2章 永磁材料與磁路38
2.1退磁曲線(xiàn)與磁性參數(shù)38
2.2永磁材料的發(fā)展史42
2.3永磁材料的特性43
2.3.1鋁鎳鈷永磁材料44
2.3.2鐵氧體永磁材料44
2.3.3稀土永磁材料45
2.3.4腐蝕與化學(xué)反應(yīng)49
2.3.5市場(chǎng)問(wèn)題50
2.4退磁曲線(xiàn)與回復(fù)線(xiàn)的相似性51
2.5永磁體工作圖51
2.5.1永磁體工作圖的組成51
2.5.2空載工作點(diǎn)53
2.5.3負(fù)載工作點(diǎn)56
2.5.4不同退磁曲線(xiàn)下的永磁體57
2.6主磁導(dǎo)與漏磁導(dǎo)57
2.6.1基于磁通路的磁導(dǎo)計(jì)算57
2.6.2簡(jiǎn)單實(shí)體的磁導(dǎo)計(jì)算60
2.6.3開(kāi)放空間中棱柱體和圓柱體的漏磁導(dǎo)計(jì)算63
2.7永磁體等效磁路的計(jì)算64
2.8Mallinson-Halbach永磁體陣列與Halbach圓柱65
案例66
第3章 有限元分析74
3.1梯度、散度與旋度74
3.2畢奧-薩伐爾定律、法拉第定律和高斯定律75
3.2.1畢奧-薩伐爾定律75
3.2.2法拉第定律75
3.2.3高斯定律76
3.3高斯定理76
3.4斯托克斯定理77
3.5麥克斯韋方程組77
3.5.1麥克斯韋第一方程77
3.5.2麥克斯韋第二方程78
3.5.3麥克斯韋第三方程78
3.5.4麥克斯韋第四方程79
3.6矢量磁位79
3.7能量泛函80
3.8有限元公式81
3.9邊界條件84
3.9.1迪利克雷邊界條件84
3.9.2紐曼邊界條件85
3.9.3互連邊界條件85
3.10網(wǎng)格剖分85
3.11電磁場(chǎng)中的力和轉(zhuǎn)矩86
3.11.1麥克斯韋張力張量法86
3.11.2磁共能法87
3.11.3洛倫茲力法87
3.12電感88
3.12.1定義88
3.12.2瞬態(tài)電感88
3.12.3穩(wěn)態(tài)電感89
3.12.4同步電機(jī)的電抗89
3.12.5同步電抗89
3.12.6電樞反應(yīng)電抗90
3.12.7漏電抗91
3.13交互式有限元計(jì)算過(guò)程91
3.13.1前處理器91
3.13.2求解器92
3.13.3后處理器92
案例92
第4章 永磁有刷直流電機(jī)98
4.1結(jié)構(gòu)98
4.1.1轉(zhuǎn)子開(kāi)槽型永磁直流電機(jī)101
4.1.2轉(zhuǎn)子無(wú)槽型永磁直流電機(jī)102
4.1.3動(dòng)圈式圓柱形電機(jī)102
4.1.4盤(pán)式電機(jī)107
4.2基本方程107
4.2.1端電壓107
4.2.2電樞繞組電動(dòng)勢(shì)108
4.2.3電磁轉(zhuǎn)矩108
4.2.4電磁功率108
4.2.5轉(zhuǎn)子與換向器線(xiàn)速度109
4.2.6輸入與輸出功率109
4.2.7損耗109
4.2.8極距110
4.2.9氣隙磁通密度111
4.2.10電樞線(xiàn)電流密度111
4.2.11電樞繞組電流密度111
4.2.12電樞繞組電阻111
4.2.13電樞繞組電感112
4.2.14機(jī)械時(shí)間常數(shù)112
4.3尺寸方程112
4.4電樞反應(yīng)113
4.5換向器120
4.6起動(dòng)122
4.7速度控制123
4.7.1電樞端電壓速度控制123
4.7.2電樞變阻器速度控制124
4.7.3并勵(lì)磁場(chǎng)控制124
4.7.4斬波器可變電壓速度控制125
4.8伺服電機(jī)126
4.9磁路127
4.9.1每極磁動(dòng)勢(shì)127
4.9.2氣隙磁導(dǎo)128
4.9.3漏磁導(dǎo)129
4.10應(yīng)用130
4.10.1玩具130
4.10.2汽車(chē)起動(dòng)機(jī)131
4.10.3水下航行器131
4.10.4直線(xiàn)作動(dòng)器134
4.10.5輪椅134
4.10.6火星機(jī)器人車(chē)輛136
案例137
第5章 永磁同步電機(jī)142
5.1結(jié)構(gòu)142
5.2基本關(guān)系144
5.2.1轉(zhuǎn)速144
5.2.2氣隙磁通密度144
5.2.3感應(yīng)電壓(電動(dòng)勢(shì)）144
5.2.4電樞線(xiàn)電流密度和電流密度145
5.2.5電磁功率145
5.2.6同步電抗146
5.2.7超瞬態(tài)同步電抗146
5.2.8瞬態(tài)同步電抗146
5.2.9電磁轉(zhuǎn)矩147
5.2.10勵(lì)磁磁場(chǎng)的波形系數(shù)148
5.2.11電樞反應(yīng)的波形系數(shù)148
5.2.12反應(yīng)系數(shù)148
5.2.13等效場(chǎng)的磁動(dòng)勢(shì)149
5.2.14電樞反應(yīng)電抗149
5.3相量圖150
5.4特性153
5.5起動(dòng)155
5.5.1異步起動(dòng)155
5.5.2輔助電機(jī)起動(dòng)155
5.5.3變頻起動(dòng)156
5.6電抗157
5.6.1解析法158
5.6.2有限元法159
5.6.3實(shí)驗(yàn)法161
5.7轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)162
5.7.1Merrill轉(zhuǎn)子162
5.7.2嵌入式永磁電機(jī)162
5.7.3表貼式永磁電機(jī)163
5.7.4表面埋入式永磁電機(jī)163
5.7.5輪輻式永磁電機(jī)163
5.8同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)比較164
5.9尺寸選擇步驟及主要尺寸165
5.10性能計(jì)算167
5.11永磁電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型168
5.12電磁噪聲與振動(dòng)170
5.12.1徑向力170
5.12.2定子鐵心的變形173
5.12.3定子的固有頻率174
5.13應(yīng)用175
5.13.1開(kāi)環(huán)控制175
5.13.2高性能閉環(huán)控制175
5.13.3高性能自適應(yīng)模糊控制176
案例176
第6章 永磁直流無(wú)刷電機(jī)187
6.1基本方程187
6.1.1端電壓187
6.1.2瞬時(shí)電流188
6.1.3電動(dòng)勢(shì)188
6.1.4逆變器交流輸出電壓188
6.1.5可控整流器直流母線(xiàn)電壓189
6.1.6電磁轉(zhuǎn)矩189
6.1.7同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩189
6.1.8永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩189
6.1.9無(wú)刷電機(jī)的線(xiàn)速度和轉(zhuǎn)速190
6.1.10集中型電樞繞組190
6.2永磁無(wú)刷電機(jī)的換向190
6.2.1單極性驅(qū)動(dòng)190
6.2.2雙極性驅(qū)動(dòng)（兩相導(dǎo)通）192
6.2.3雙極性驅(qū)動(dòng)（三相導(dǎo)通）193
6.3永磁無(wú)刷電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩195
6.3.1同步電機(jī)195
6.3.2永磁無(wú)刷直流電機(jī)197
6.4轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性199
6.5繞組損耗201
6.6轉(zhuǎn)矩波動(dòng)202
6.6.1轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的來(lái)源203
6.6.2瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計(jì)算方法203
6.6.3瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的解析計(jì)算方法203
6.6.4轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制213
6.7無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)215
6.7.1霍爾傳感器215
6.7.2編碼器216
6.7.3旋轉(zhuǎn)變壓器219
6.8無(wú)位置傳感器電機(jī)220
6.9永磁無(wú)刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制221
6.9.1變頻器供電221
6.9.2伺服放大器222
6.9.3微控制器223
6.9.4DSP控制226
6.10通用無(wú)刷電機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)器227
6.11智能電機(jī)231
6.12應(yīng)用233
6.12.1純電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)233
6.12.2變速冷卻風(fēng)扇235
6.12.3計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器236
6.12.4CD播放器237
6.12.5工業(yè)自動(dòng)化239
6.12.6X-Y二維驅(qū)動(dòng)臺(tái)240
6.12.7太空任務(wù)工具241
案例243
第7章 軸向磁通電機(jī)252
7.1力和轉(zhuǎn)矩252
7.2性能253
7.3內(nèi)永磁盤(pán)式轉(zhuǎn)子雙邊電機(jī)254
7.3.1定子鐵心255
7.3.2主要尺寸256
7.4單定子雙邊電機(jī)257
7.5單邊電機(jī)260
7.6無(wú)鐵心雙邊電機(jī)262
7.7多盤(pán)電機(jī)265
7.8應(yīng)用268
7.8.1電動(dòng)汽車(chē)268
7.8.2無(wú)齒輪電梯曳引系統(tǒng)269
7.8.3無(wú)人潛艇推進(jìn)270
7.8.4船舶對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)271
案例271
第8章 高功率密度無(wú)刷電機(jī)283
8.1設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)283
8.2要求284
8.3多相電機(jī)285
8.4容錯(cuò)永磁無(wú)刷電機(jī)287
8.5表貼式永磁轉(zhuǎn)子與凸極轉(zhuǎn)子288
8.6電磁效應(yīng)289
8.6.1電樞反應(yīng)289
8.6.2阻尼條290
8.6.3大型電機(jī)中的繞組損耗290
8.6.4降低損耗292
8.7冷卻293
8.8圓柱形轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)293
8.8.1電樞反應(yīng)降低的電機(jī)294
8.8.2具有模塊化定子的電機(jī)295
8.8.3不同轉(zhuǎn)子配置的大型永磁電機(jī)298
8.9盤(pán)式轉(zhuǎn)子的電機(jī)結(jié)構(gòu)300
8.10橫向磁通電機(jī)302
8.10.1工作原理302
8.10.2電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩304
8.10.3電樞繞組電阻306
8.10.4電樞反應(yīng)和漏電抗306
8.10.5磁路308
8.10.6優(yōu)缺點(diǎn)308
8.11應(yīng)用309
8.11.1船舶推進(jìn)309
8.11.2潛艇推進(jìn)311
8.11.3混合動(dòng)力電動(dòng)公交313
8.11.4輕軌系統(tǒng)315
案例318
第9章 高速電機(jī)333
9.1使用高速電機(jī)的原因333
9.2機(jī)械要求333
9.3高速永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)335
9.4高速永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)340
9.5超高速電機(jī)342
9.6應(yīng)用343
9.6.1高速航空航天驅(qū)動(dòng)器343
9.6.2高速電主軸驅(qū)動(dòng)器345
9.6.3飛輪儲(chǔ)能346
9.6.4牙科機(jī)頭349
9.6.5剪羊毛機(jī)頭352
案例353
第10章 特殊結(jié)構(gòu)的無(wú)刷電機(jī)360
10.1單相電機(jī)360
10.1.1非均勻氣隙的單相兩極電機(jī)360
10.1.2振蕩起動(dòng)的單相多極電機(jī)362
10.1.3單相高性?xún)r(jià)比的永磁無(wú)刷電機(jī)364
10.2汽車(chē)應(yīng)用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)366
10.3集成起動(dòng)發(fā)電機(jī)367
10.4大直徑電機(jī)368
10.5三軸力矩電機(jī)370
10.6無(wú)槽電機(jī)371
10.7尖端驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)372
案例373
第11章 步進(jìn)電機(jī)377
11.1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)377
11.2基本方程378
11.2.1步進(jìn)378
11.2.2穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩378
11.2.3大同步轉(zhuǎn)矩378
11.2.4轉(zhuǎn)子振蕩頻率378
11.3永磁步進(jìn)電機(jī)379
11.4磁阻步進(jìn)電機(jī)381
11.5混合步進(jìn)電機(jī)382
11.5.1全步進(jìn)383
11.5.2半步進(jìn)384
11.5.3微步進(jìn)385
11.5.4實(shí)用混合步進(jìn)電機(jī)385
11.5.5雙極和單極步進(jìn)電機(jī)388
11.6步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程388
11.7有轉(zhuǎn)子位置傳感器的永磁步進(jìn)電機(jī)389
11.8單相步進(jìn)電機(jī)390
11.9電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩391
11.10特性392
11.10.1矩-角特性392
11.10.2轉(zhuǎn)矩-電流特性393
11.10.3轉(zhuǎn)矩-頻率特性393
11.11應(yīng)用394
案例397
第12章 微電機(jī)401
12.1微電機(jī)的定義401
12.2永磁無(wú)刷微電機(jī)401
12.2.1圓柱形微電機(jī)402
12.2.2帶平面線(xiàn)圈磁性微電機(jī)的制造405
12.2.3盤(pán)式微電機(jī)407
12.3應(yīng)用410
12.3.1電動(dòng)導(dǎo)管410
12.3.2膠囊內(nèi)窺鏡410
案例412
第13章 優(yōu)化417
13.1優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)公式417
13.2非線(xiàn)性規(guī)劃方法418
13.2.1直接搜索方法418
13.2.2隨機(jī)方法419
13.2.3梯度方法420
13.2.4約束優(yōu)化方法420
13.3基于群體的增量學(xué)習(xí)方法421
13.4響應(yīng)面方法422
13.4.1響應(yīng)面設(shè)計(jì)423
13.4.2響應(yīng)面擬合誤差估計(jì)423
13.5永磁電機(jī)現(xiàn)代優(yōu)化方法424
13.5.1永磁有刷直流電機(jī)425
13.5.2永磁同步電機(jī)426
案例427
第14章 維護(hù)431
14.1電機(jī)基本要求431
14.2可靠性432
14.3電機(jī)故障435
14.4小型永磁無(wú)刷電機(jī)的可靠性計(jì)算438
14.5振動(dòng)與噪聲439
14.5.1聲音的產(chǎn)生與輻射440
14.5.2機(jī)械模型442
14.5.3電磁振動(dòng)與噪聲443
14.5.4機(jī)械振動(dòng)與噪聲443
14.5.5空氣噪聲444
14.5.6有刷直流電機(jī)444
14.5.7永磁同步電機(jī)445
14.5.8噪聲抑制445
14.6狀態(tài)監(jiān)測(cè)445
14.7保護(hù)447
14.8電磁和射頻干擾450
14.8.1有刷電機(jī)451
14.8.2電子換向無(wú)刷電機(jī)453
14.9潤(rùn)滑454
14.9.1軸承454
14.9.2滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑454
14.9.3多孔金屬軸承的潤(rùn)滑456
案例457
附錄460
附錄A 交流定子繞組漏電感460
A.1定子繞組因數(shù)460
A.2槽比漏磁導(dǎo)462
A.3端部繞組比漏磁導(dǎo)463
A.4諧波比漏磁導(dǎo)463
A.5齒頂比漏磁導(dǎo)464
A.6每相漏電抗464
附錄B 交流電機(jī)損耗465
B.1電樞繞組損耗465
B.2定子鐵損466
B.3轉(zhuǎn)子鐵損467
B.4鐵損的FEM模型467
B.5導(dǎo)電護(hù)套的損耗468
B.6無(wú)刷電機(jī)的永磁體損耗468
B.7旋轉(zhuǎn)損耗469
B.8高速電機(jī)中的風(fēng)摩損耗470
B.9高次時(shí)間諧波造成的損耗47