电动机及其计算机仿真

　　本书首先对电动机的基本理论进行了简要介绍，为了能够准确分析和计算电动机内部的电磁场，基于Ansoft软件介绍了电动机的电磁场分析和计算的方法；其次采用MATLAB/Simulink仿真平台，对电动机的建模和控制技术进行了较为详细的仿真分析，特别对永磁电动机的齿槽转矩产生机理和仿真进行了一定的研究；最后通过一种较为复杂的特殊结构永磁电动机进行了建模和控制研究。通过本书的学习，读者可以举一反三，掌握电动机的基本理论和仿真研究的方法。本书特别适合在工程认证和新工科背景下电动机及其研究方法的教学和基础科研的展开，让读者较为快速地进入电动机的专业知识和研究领域。

　　刁统山，2013年12月毕业于山东大学电气工程学院，电机与电器专业，获工学博士学位，博士，讲师，中共党员。主要从事各种电机本体结构的设计，性能分析及控制等领域的应用研究工作。在国内外重要学术期刊及国际重要学术会议上共发表学术论文近10篇，其中EI收录6篇。作为主要成员参与过一项国家自然科学基金的研究。

目 录
第1章 绪论 1
1．1 电动机及电力传动 1
1．2 负载特性及系统运动方程 4
1．2．1 生产机械的负载特性 4
1．2．2 电力拖动系统方程 5
1．3 电动机控制基础 6
1．3．1 自动控制系统 6
1．3．2 电动机的控制技术 7
1．4 电动机仿真分析 8
1．4．1 电动机的有限元设计仿真 8
1．4．2 电动机控制的计算机数字仿真 9
第2章 电动机基本理论 10
2．1 磁路基本知识 10
2．2 变压器 11
2．2．1 变压器的基本工作原理 11
2．2．2 变压器的空载运行 13
2．2．3 变压器的基本参数 14
2．2．4 变压器的运行特性 15
2．2．5 损耗与效率 15
2．2．6 三相变压器 16
2．3 直流电机的基本工作原理 18
2．3．1 直流发电机的基本工作原理 18
2．3．2 直流电动机的基本工作原理 19
2．3．3 直流电动机的空载磁场 19
2．3．4 直流电动机的负载磁场 20
2．4 直流电动机方程 23
2．4．1 电动势与电磁转矩 23
2．4．2 电动势、功率和转矩平衡方程式 23
2．5 三相异步电动机的结构 25
2．6 电动机原理 27
2．7 三相异步电动机的机械特性 28
2．7．1 电磁转矩 28
2．7．2 电动机的机械特性 29
2．8 三相异步电动机的控制 29
2．8．1 三相异步电动机的启动 29
2．8．2 三相异步电动机的调速 30
2．8．3 三相异步电动机的反转 31
2．8．4 三相异步电动机的制动 31
2．9 常用低压电器 31
2．9．1 手动开关 32
2．9．2 按钮 33
2．9．3 交流接触器 33
2．9．4 继电器 34
2．9．5 熔断器 36
2．9．6 自动空气开关 37
2．10 笼型电动机的直接启动 37
2．10．1 笼型电动机的点动控制电路 38
2．10．2 笼型电动机的长动控制电路 39
2．10．3 笼型电动机的正反转 39
2．10．4 笼型电动机的联锁控制 40
2．10．5 行程（限位）控制 41
2．10．6 时间控制 42
第3章 三相同步电动机和永磁同步电动机 44
3．1 三相同步电动机 44
3．1．1 三相同步电动机的工作原理和结构 44
3．1．2 三相同步电动机的电磁关系 45
3．1．3 三相同步电动机的功率关系与矩角特性 49
3．1．4 三相同步电动机功率因数的调节 53
3．2 永磁同步电动机 55
3．2．1 永磁同步电动机的结构 55
3．2．2 永磁同步电动机的运行原理 57
3．2．3 永磁同步电动机振动机理及其分析方法研究 59
3．2．4 基于能量法的电动机齿槽转矩削弱原理 63
第4章 电动机的控制技术 65
4．1　三相异步电动机的动态数学模型 65
4．1．1　磁链方程 66
4．1．2　电压方程 67
4．1．3　转矩方程和运动方程 68
4．2　交流电动机的矢量控制技术 68
4．2．1　矢量控制的原理 68
4．2．2　坐标变换与矢量变换 70
4．2．3　矢量变换控制调速系统 72
4．2．4　数字化矢量控制系统设计 76
4．3　直接转矩控制（DTC） 78
4．3．1　异步电动机的直接转矩控制 78
4．3．2　直接转矩控制异步电动机的数学模型 81
第5章 电动机MATLAB和Ansoft仿真基础 83
5．1 MATLAB的系统开发环境 83
5．2 MATLAB常用命令 85
5．3 Simulink简介 85
5．3．1 Simulink概述 85
5．3．2 Simulink简单操作 86
5．3．3 SimPowerSystems工具箱 88
5．3．4 Simulink 运行 89
5．4 MATLAB简单仿真算例 91
5．5 电动机模型的绘制及仿真设置 94
5．5．1 Ansoft电动机仿真启动 94
5．5．2 具体建模过程 96
5．5．3 材料属性与管理 102
5．5．4 边界条件和激励源设置 105
5．5．5 网格剖分和求解 106
第6章 电动机Ansoft有限元仿真 109
6．1 三相感应电动机的仿真分析 109
6．1．1 电动机几何模型创建 109
6．1．2 电动机仿真参数设置 114
6．1．3 仿真结果及分析 116
6．2 永磁无刷直流电动机的仿真分析 117
6．2．1 电动机几何模型创建 117
6．2．2 电动机仿真参数设置 122
6．2．3 仿真结果及分析 123
6．3 永磁同步电动机齿槽转矩有限元仿真 125
6．3．1 永磁同步电动机本体构建 125
6．3．2 齿槽转矩仿真参数设置 129
6．3．3 仿真结果及分析 129
第7章　电动机MATLAB数值仿真 132
7．1　三绕组变压器仿真 132
7．1．1　三绕组变压器带负载模型的建立 132
7．1．2　模块参数设定 132
7．1．3　仿真结果及分析 134
7．2　启动仿真 135
7．2．1　串电阻启动建模 135
7．2．2　仿真模块参数设置 138
7．2．3　仿真结果及分析 140
7．3　交流电动机基于空间矢量PWM仿真 141
7．3．1　感应电动机空间矢量控制模型建立 141
7．3．2　仿真模块参数设置 142
7．3．3 仿真结果及分析 145
7．4　感应电动机磁场定向控制 147
7．4．1　感应电动机磁场定向控制模型建立 147
7．4．2　仿真模块参数设置 148
7．4．3　仿真结果及分析 151
第8章 特殊结构永磁电动机研究 153
8．1 特殊结构永磁电动机的结构和运行原理 153
8．2　电动机的建模 153
8．2．1　电动机有限元模型 153
8．2．2　在三相坐标系下的数学模型 154
8．2．3　在任意速坐标系下的数学模型 156
8．2．4 两相旋转坐标系数学模型 157
8．2．5　电动机仿真建模及控制分析 159
8．3　直接功率控制 163
8．3．1　瞬时功率理论 163
8．3．2　理想逆变器的数学模型和电压空间矢量 164
8．3．3　特殊结构永磁电动机直接功率控制原理分析 165
8．3．4 特殊结构永磁电动机的直接功率控制 170
参考文献 174