永磁電機設計與套用（原書第3版）

《永磁電機設計與套用（原書第3版）》是2023年機械工業出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：永磁電機設計與套用（原書第3版）
• 出版時間：2023年2月1日
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111719151

內容簡介

自第2版出版以來，永磁電機技術的重要性及其對機電驅動的影響呈指數級增長。永磁無刷電機市場的增長速度遠遠快於整個運動控制市場。這種快速增長促進電氣、機電工程師和學生必須及時了解現代電機和驅動器的全新發展，包括其控制、仿真和計算機輔助設計。

《永磁電機設計與套用（原書第3版）》展示了永磁電機的構造，並為電機設計和套用提供了現成的解決方案，反映了機電驅動用永磁電機的開發與創新。《永磁電機設計與套用（原書第3版）》為確定和評估系統性能、效率、可靠性和成本提供了基本方程和計算方法；探索了永磁電機現代計算機輔助設計，包括有限元方法，並闡述了如何依據電氣驅動中的特定需求選擇適當的永磁電機。每章都提供了大量案例、模型和圖表，從而有助於讀者清晰地理解電機的運行和特性。

全球節能趨勢的日益增長使得永磁電機驅動時代加速到來。《永磁電機設計與套用（原書第3版）》將為工程師、研究人員和研究生提供開發突破所需要的全面理解，並將這項激動人心的技術推向前沿。

圖書目錄

譯者序

原書前言

第1章 緒論1

1.1電勵磁與永磁勵磁的區別1

1.2永磁電機的驅動方式2

1.2.1永磁有刷直流電機驅動3

1.2.2永磁同步電機驅動5

1.2.3永磁無刷直流電機驅動7

1.2.4步進電機驅動8

1.3提高電機效率8

1.4永磁電機的分類11

1.5永磁電機及其驅動器的發展趨勢13

1.6永磁電機的套用13

1.7機電一體化技術23

1.8電機的機械基礎24

1.8.1轉矩與功率24

1.8.2齒輪組25

1.8.3齒輪組的效率25

1.8.4等效轉動慣量26

1.8.5轉子動力學26

1.8.6機械特性28

1.9轉矩平衡方程28

1.10永磁電機的成本評估28

案例30

第2章 永磁材料與磁路38

2.1退磁曲線與磁性參數38

2.2永磁材料的發展史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腐蝕與化學反應49

2.3.5市場問題50

2.4退磁曲線與回複線的相似性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53

2.5.3負載工作點56

2.5.4不同退磁曲線下的永磁體57

2.6主磁導與漏磁導57

2.6.1基於磁通路的磁導計算57

2.6.2簡單實體的磁導計算60

2.6.3開放空間中稜柱體和圓柱體的漏磁導計算63

2.7永磁體等效磁路的計算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格線剖分85

3.11電磁場中的力和轉矩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瞬態電感88

3.12.3穩態電感89

3.12.4同步電機的電抗89

3.12.5同步電抗89

3.12.6電樞反應電抗90

3.12.7漏電抗91

3.13互動式有限元計算過程91

3.13.1前處理器91

3.13.2求解器92

3.13.3後處理器92

案例92

第4章 永磁有刷直流電機98

4.1結構98

4.1.1轉子開槽型永磁直流電機101

4.1.2轉子無槽型永磁直流電機102

4.1.3動圈式圓柱形電機102

4.1.4盤式電機107

4.2基本方程107

4.2.1端電壓107

4.2.2電樞繞組電動勢108

4.2.3電磁轉矩108

4.2.4電磁功率108

4.2.5轉子與換向器線速度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機械時間常數112

4.3尺寸方程112

4.4電樞反應113

4.5換向器120

4.6起動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並勵磁場控制124

4.7.4斬波器可變電壓速度控制125

4.8伺服電機126

4.9磁路127

4.9.1每極磁動勢127

4.9.2氣隙磁導128

4.9.3漏磁導129

4.10套用130

4.10.1玩具130

4.10.2汽車起動機131

4.10.3水下航行器131

4.10.4直線作動器134

4.10.5輪椅134

4.10.6火星機器人車輛136

案例137

第5章 永磁同步電機142

5.1結構142

5.2基本關係144

5.2.1轉速144

5.2.2氣隙磁通密度144

5.2.3感應電壓（電動勢）144

5.2.4電樞線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超瞬態同步電抗146

5.2.8瞬態同步電抗146

5.2.9電磁轉矩147

5.2.10勵磁磁場的波形係數148

5.2.11電樞反應的波形係數148

5.2.12反應係數148

5.2.13等效場的磁動勢149

5.2.14電樞反應電抗149

5.3相量圖150

5.4特性153

5.5起動155

5.5.1異步起動155

5.5.2輔助電機起動155

5.5.3變頻起動156

5.6電抗157

5.6.1解析法158

5.6.2有限元法159

5.6.3實驗法161

5.7轉子結構162

5.7.1Merrill轉子162

5.7.2嵌入式永磁電機162

5.7.3表貼式永磁電機163

5.7.4表面埋入式永磁電機163

5.7.5輪輻式永磁電機163

5.8同步電機和感應電機比較164

5.9尺寸選擇步驟及主要尺寸165

5.10性能計算167

5.11永磁電機的動態模型168

5.12電磁噪聲與振動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套用175

5.13.1開環控制175

5.13.2高性能閉環控制175

5.13.3高性能自適應模糊控制176

案例176

第6章 永磁直流無刷電機187

6.1基本方程187

6.1.1端電壓187

6.1.2瞬時電流188

6.1.3電動勢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電壓189

6.1.6電磁轉矩189

6.1.7同步電機的電磁轉矩189

6.1.8永磁無刷直流電機的電磁轉矩189

6.1.9無刷電機的線速度和轉速190

6.1.10集中型電樞繞組190

6.2永磁無刷電機的換向190

6.2.1單極性驅動190

6.2.2雙極性驅動（兩相導通）192

6.2.3雙極性驅動（三相導通）193

6.3永磁無刷電機的感應電動勢和轉矩195

6.3.1同步電機195

6.3.2永磁無刷直流電機197

6.4轉矩-轉速特性199

6.5繞組損耗201

6.6轉矩波動202

6.6.1轉矩波動的來源203

6.6.2瞬時轉矩的數值計算方法203

6.6.3瞬時轉矩的解析計算方法203

6.6.4轉矩波動的抑制213

6.7無刷直流電機轉子位置檢測215

6.7.1霍爾感測器215

6.7.2編碼器216

6.7.3旋轉變壓器219

6.8無位置感測器電機220

6.9永磁無刷電機運動控制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通用無刷電機電磁驅動器227

6.11智慧型電機231

6.12套用233

6.12.1純電動和混合動力電動汽車233

6.12.2變速冷卻風扇235

6.12.3計算機硬碟驅動器236

6.12.4CD播放器237

6.12.5工業自動化239

6.12.6X-Y二維驅動台240

6.12.7太空任務工具241

案例243

第7章 軸向磁通電機252

7.1力和轉矩252

7.2性能253

7.3內永磁碟式轉子雙邊電機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257

7.5單邊電機260

7.6無鐵心雙邊電機262

7.7多盤電機265

7.8套用268

7.8.1電動汽車268

7.8.2無齒輪電梯曳引系統269

7.8.3無人潛艇推進270

7.8.4船舶對轉推進系統271

案例271

第8章 高功率密度無刷電機283

8.1設計注意事項283

8.2要求284

8.3多相電機285

8.4容錯永磁無刷電機287

8.5表貼式永磁轉子與凸極轉子288

8.6電磁效應289

8.6.1電樞反應289

8.6.2阻尼條290

8.6.3大型電機中的繞組損耗290

8.6.4降低損耗292

8.7冷卻293

8.8圓柱形轉子電機結構293

8.8.1電樞反應降低的電機294

8.8.2具有模組化定子的電機295

8.8.3不同轉子配置的大型永磁電機298

8.9盤式轉子的電機結構300

8.10橫向磁通電機302

8.10.1工作原理302

8.10.2電動勢和電磁轉矩304

8.10.3電樞繞組電阻306

8.10.4電樞反應和漏電抗306

8.10.5磁路308

8.10.6優缺點308

8.11套用309

8.11.1船舶推進309

8.11.2潛艇推進311

8.11.3混合動力電動公交313

8.11.4輕軌系統315

案例318

第9章 高速電機333

9.1使用高速電機的原因333

9.2機械要求333

9.3高速永磁無刷電機的結構335

9.4高速永磁無刷電機的設計340

9.5超高速電機342

9.6套用343

9.6.1高速航空航天驅動器343

9.6.2高速電主軸驅動器345

9.6.3飛輪儲能346

9.6.4牙科機頭349

9.6.5剪羊毛機頭352

案例353

第10章 特殊結構的無刷電機360

10.1單相電機360

10.1.1非均勻氣隙的單相兩極電機360

10.1.2振盪起動的單相多極電機362

10.1.3單相高性價比的永磁無刷電機364

10.2汽車套用的執行機構366

10.3集成起動發電機367

10.4大直徑電機368

10.5三軸力矩電機370

10.6無槽電機371

10.7尖端驅動風扇電機372

案例373

第11章 步進電機377

11.1步進電機的特點377

11.2基本方程378

11.2.1步進378

11.2.2穩態轉矩378

11.2.3大同步轉矩378

11.2.4轉子振盪頻率378

11.3永磁步進電機379

11.4磁阻步進電機381

11.5混合步進電機382

11.5.1全步進383

11.5.2半步進384

11.5.3微步進385

11.5.4實用混合步進電機385

11.5.5雙極和單極步進電機388

11.6步進電機運動方程388

11.7有轉子位置感測器的永磁步進電機389

11.8單相步進電機390

11.9電壓方程和電磁轉矩391

11.10特性392

11.10.1矩-角特性392

11.10.2轉矩-電流特性393

11.10.3轉矩-頻率特性393

11.11套用394

案例397

第12章 微電機401

12.1微電機的定義401

12.2永磁無刷微電機401

12.2.1圓柱形微電機402

12.2.2帶平面線圈磁性微電機的製造405

12.2.3盤式微電機407

12.3套用410

12.3.1電動導管410

12.3.2膠囊內窺鏡410

案例412

第13章 最佳化417

13.1最佳化問題的數學公式417

13.2非線性規劃方法418

13.2.1直接搜尋方法418

13.2.2隨機方法419

13.2.3梯度方法420

13.2.4約束最佳化方法420

13.3基於群體的增量學習方法421

13.4回響面方法422

13.4.1回響面設計423

13.4.2回響面擬合誤差估計423

13.5永磁電機現代最佳化方法424

13.5.1永磁有刷直流電機425

13.5.2永磁同步電機426

案例427

第14章 維護431

14.1電機基本要求431

14.2可靠性432

14.3電機故障435

14.4小型永磁無刷電機的可靠性計算438

14.5振動與噪聲439

14.5.1聲音的產生與輻射440

14.5.2機械模型442

14.5.3電磁振動與噪聲443

14.5.4機械振動與噪聲443

14.5.5空氣噪聲444

14.5.6有刷直流電機444

14.5.7永磁同步電機445

14.5.8噪聲抑制445

14.6狀態監測445

14.7保護447

14.8電磁和射頻干擾450

14.8.1有刷電機451

14.8.2電子換向無刷電機453

14.9潤滑454

14.9.1軸承454

14.9.2滾動軸承的潤滑454

14.9.3多孔金屬軸承的潤滑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460

A.2槽比漏磁導462

A.3端部繞組比漏磁導463

A.4諧波比漏磁導463

A.5齒頂比漏磁導464

A.6每相漏電抗464

附錄B 交流電機損耗465

B.1電樞繞組損耗465

B.2定子鐵損466

B.3轉子鐵損467

B.4鐵損的FEM模型467

B.5導電護套的損耗468

B.6無刷電機的永磁體損耗468

B.7旋轉損耗469

B.8高速電機中的風摩損耗470

B.9高次時間諧波造成的損耗47