永磁电机设计与应用（原书第3版）

　　自第2版出版以来，永磁电机技术的重要性及其对机电驱动的影响呈指数级增长。永磁无刷电机市场的增长速度远远快于整个运动控制市场。这种快速增长促进电气、机电工程师和学生必须及时了解现代电机和驱动器的全新发展，包括其控制、仿真和计算机辅助设计。《永磁电机设计与应用（原书第3版）》展示了永磁电机的构造，并为电机设计和应用提供了现成的解决方案，反映了机电驱动用永磁电机的开发与创新。《永磁电机设计与应用（原书第3版）》为确定和评估系统性能、效率、可靠性和成本提供了基本方程和计算方法；探索了永磁电机现代计算机辅助设计，包括有限元方法，并阐述了如何依据电气驱动中的特定需求选择适当的永磁电机。每章都提供了大量案例、模型和图表，从而有助于读者清晰地理解电机的运行和特性。全球节能趋势的日益增长使得永磁电机驱动时代加速到来。《永磁电机设计与应用（原书第3版）》将为工程师、研究人员和研究生提供开发突破所需要的全面理解，并将这项激动人心的技术推向前沿。

　　Jacek F.Gieras拥有波兰波兹南技术大学电气工程（电机）工学博士和理学博士学位。他的研究领域包含电机、控制器、电磁学、电力系统、飞机电气系统和铁路工程。1987年，被提升为正教授。自1998年以来，一直任职于美国联合技术公司（UTC）。同时，他还是波兰比得哥什技术与生命科学大学的电气工程教授。他参与编写了12本著作，发表了250多篇论文，拥有70多项美国专利和20多项欧洲专利。他是IEEE会士，UTC航空航天系统会士（美国），国际电气工程学会的正式成员，以及众多国际会议的指导委员会成员。

译者序
原书前言
第1章 绪论1
1.1电励磁与永磁励磁的区别1
1.2永磁电机的驱动方式2
1.2.1永磁有刷直流电机驱动3
1.2.2永磁同步电机驱动5
1.2.3永磁无刷直流电机驱动7
1.2.4步进电机驱动8
1.3提高电机效率8
1.4永磁电机的分类11
1.5永磁电机及其驱动器的发展趋势13
1.6永磁电机的应用13
1.7机电一体化技术23
1.8电机的机械基础24
1.8.1转矩与功率24
1.8.2齿轮组25
1.8.3齿轮组的效率25
1.8.4等效转动惯量26
1.8.5转子动力学26
1.8.6机械特性28
1.9转矩平衡方程28
1.10永磁电机的成本评估28
案例30
第2章 永磁材料与磁路38
2.1退磁曲线与磁性参数38
2.2永磁材料的发展史42
2.3永磁材料的特性43
2.3.1铝镍钴永磁材料44
2.3.2铁氧体永磁材料44
2.3.3稀土永磁材料45
2.3.4腐蚀与化学反应49
2.3.5市场问题50
2.4退磁曲线与回复线的相似性51
2.5永磁体工作图51
2.5.1永磁体工作图的组成51
2.5.2空载工作点53
2.5.3负载工作点56
2.5.4不同退磁曲线下的永磁体57
2.6主磁导与漏磁导57
2.6.1基于磁通路的磁导计算57
2.6.2简单实体的磁导计算60
2.6.3开放空间中棱柱体和圆柱体的漏磁导计算63
2.7永磁体等效磁路的计算64
2.8Mallinson-Halbach永磁体阵列与Halbach圆柱65
案例66
第3章 有限元分析74
3.1梯度、散度与旋度74
3.2毕奥-萨伐尔定律、法拉第定律和高斯定律75
3.2.1毕奥-萨伐尔定律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麦克斯韦方程组77
3.5.1麦克斯韦第一方程77
3.5.2麦克斯韦第二方程78
3.5.3麦克斯韦第三方程78
3.5.4麦克斯韦第四方程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边界条件84
3.9.1迪利克雷边界条件84
3.9.2纽曼边界条件85
3.9.3互连边界条件85
3.10网格剖分85
3.11电磁场中的力和转矩86
3.11.1麦克斯韦张力张量法86
3.11.2磁共能法87
3.11.3洛伦兹力法87
3.12电感88
3.12.1定义88
3.12.2瞬态电感88
3.12.3稳态电感89
3.12.4同步电机的电抗89
3.12.5同步电抗89
3.12.6电枢反应电抗90
3.12.7漏电抗91
3.13交互式有限元计算过程91
3.13.1前处理器91
3.13.2求解器92
3.13.3后处理器92
案例92
第4章 永磁有刷直流电机98
4.1结构98
4.1.1转子开槽型永磁直流电机101
4.1.2转子无槽型永磁直流电机102
4.1.3动圈式圆柱形电机102
4.1.4盘式电机107
4.2基本方程107
4.2.1端电压107
4.2.2电枢绕组电动势108
4.2.3电磁转矩108
4.2.4电磁功率108
4.2.5转子与换向器线速度109
4.2.6输入与输出功率109
4.2.7损耗109
4.2.8极距110
4.2.9气隙磁通密度111
4.2.10电枢线电流密度111
4.2.11电枢绕组电流密度111
4.2.12电枢绕组电阻111
4.2.13电枢绕组电感112
4.2.14机械时间常数112
4.3尺寸方程112
4.4电枢反应113
4.5换向器120
4.6起动122
4.7速度控制123
4.7.1电枢端电压速度控制123
4.7.2电枢变阻器速度控制124
4.7.3并励磁场控制124
4.7.4斩波器可变电压速度控制125
4.8伺服电机126
4.9磁路127
4.9.1每极磁动势127
4.9.2气隙磁导128
4.9.3漏磁导129
4.10应用130
4.10.1玩具130
4.10.2汽车起动机131
4.10.3水下航行器131
4.10.4直线作动器134
4.10.5轮椅134
4.10.6火星机器人车辆136
案例137
第5章 永磁同步电机142
5.1结构142
5.2基本关系144
5.2.1转速144
5.2.2气隙磁通密度144
5.2.3感应电压(电动势）144
5.2.4电枢线电流密度和电流密度145
5.2.5电磁功率145
5.2.6同步电抗146
5.2.7超瞬态同步电抗146
5.2.8瞬态同步电抗146
5.2.9电磁转矩147
5.2.10励磁磁场的波形系数148
5.2.11电枢反应的波形系数148
5.2.12反应系数148
5.2.13等效场的磁动势149
5.2.14电枢反应电抗149
5.3相量图150
5.4特性153
5.5起动155
5.5.1异步起动155
5.5.2辅助电机起动155
5.5.3变频起动156
5.6电抗157
5.6.1解析法158
5.6.2有限元法159
5.6.3实验法161
5.7转子结构162
5.7.1Merrill转子162
5.7.2嵌入式永磁电机162
5.7.3表贴式永磁电机163
5.7.4表面埋入式永磁电机163
5.7.5轮辐式永磁电机163
5.8同步电机和感应电机比较164
5.9尺寸选择步骤及主要尺寸165
5.10性能计算167
5.11永磁电机的动态模型168
5.12电磁噪声与振动170
5.12.1径向力170
5.12.2定子铁心的变形173
5.12.3定子的固有频率174
5.13应用175
5.13.1开环控制175
5.13.2高性能闭环控制175
5.13.3高性能自适应模糊控制176
案例176
第6章 永磁直流无刷电机187
6.1基本方程187
6.1.1端电压187
6.1.2瞬时电流188
6.1.3电动势188
6.1.4逆变器交流输出电压188
6.1.5可控整流器直流母线电压189
6.1.6电磁转矩189
6.1.7同步电机的电磁转矩189
6.1.8永磁无刷直流电机的电磁转矩189
6.1.9无刷电机的线速度和转速190
6.1.10集中型电枢绕组190
6.2永磁无刷电机的换向190
6.2.1单极性驱动190
6.2.2双极性驱动（两相导通）192
6.2.3双极性驱动（三相导通）193
6.3永磁无刷电机的感应电动势和转矩195
6.3.1同步电机195
6.3.2永磁无刷直流电机197
6.4转矩-转速特性199
6.5绕组损耗201
6.6转矩波动202
6.6.1转矩波动的来源203
6.6.2瞬时转矩的数值计算方法203
6.6.3瞬时转矩的解析计算方法203
6.6.4转矩波动的抑制213
6.7无刷直流电机转子位置检测215
6.7.1霍尔传感器215
6.7.2编码器216
6.7.3旋转变压器219
6.8无位置传感器电机220
6.9永磁无刷电机运动控制221
6.9.1变频器供电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通用无刷电机电磁驱动器227
6.11智能电机231
6.12应用233
6.12.1纯电动和混合动力电动汽车233
6.12.2变速冷却风扇235
6.12.3计算机硬盘驱动器236
6.12.4CD播放器237
6.12.5工业自动化239
6.12.6X-Y二维驱动台240
6.12.7太空任务工具241
案例243
第7章 轴向磁通电机252
7.1力和转矩252
7.2性能253
7.3内永磁盘式转子双边电机254
7.3.1定子铁心255
7.3.2主要尺寸256
7.4单定子双边电机257
7.5单边电机260
7.6无铁心双边电机262
7.7多盘电机265
7.8应用268
7.8.1电动汽车268
7.8.2无齿轮电梯曳引系统269
7.8.3无人潜艇推进270
7.8.4船舶对转推进系统271
案例271
第8章 高功率密度无刷电机283
8.1设计注意事项283
8.2要求284
8.3多相电机285
8.4容错永磁无刷电机287
8.5表贴式永磁转子与凸极转子288
8.6电磁效应289
8.6.1电枢反应289
8.6.2阻尼条290
8.6.3大型电机中的绕组损耗290
8.6.4降低损耗292
8.7冷却293
8.8圆柱形转子电机结构293
8.8.1电枢反应降低的电机294
8.8.2具有模块化定子的电机295
8.8.3不同转子配置的大型永磁电机298
8.9盘式转子的电机结构300
8.10横向磁通电机302
8.10.1工作原理302
8.10.2电动势和电磁转矩304
8.10.3电枢绕组电阻306
8.10.4电枢反应和漏电抗306
8.10.5磁路308
8.10.6优缺点308
8.11应用309
8.11.1船舶推进309
8.11.2潜艇推进311
8.11.3混合动力电动公交313
8.11.4轻轨系统315
案例318
第9章 高速电机333
9.1使用高速电机的原因333
9.2机械要求333
9.3高速永磁无刷电机的结构335
9.4高速永磁无刷电机的设计340
9.5超高速电机342
9.6应用343
9.6.1高速航空航天驱动器343
9.6.2高速电主轴驱动器345
9.6.3飞轮储能346
9.6.4牙科机头349
9.6.5剪羊毛机头352
案例353
第10章 特殊结构的无刷电机360
10.1单相电机360
10.1.1非均匀气隙的单相两极电机360
10.1.2振荡起动的单相多极电机362
10.1.3单相高性价比的永磁无刷电机364
10.2汽车应用的执行机构366
10.3集成起动发电机367
10.4大直径电机368
10.5三轴力矩电机370
10.6无槽电机371
10.7尖端驱动风扇电机372
案例373
第11章 步进电机377
11.1步进电机的特点377
11.2基本方程378
11.2.1步进378
11.2.2稳态转矩378
11.2.3大同步转矩378
11.2.4转子振荡频率378
11.3永磁步进电机379
11.4磁阻步进电机381
11.5混合步进电机382
11.5.1全步进383
11.5.2半步进384
11.5.3微步进385
11.5.4实用混合步进电机385
11.5.5双极和单极步进电机388
11.6步进电机运动方程388
11.7有转子位置传感器的永磁步进电机389
11.8单相步进电机390
11.9电压方程和电磁转矩391
11.10特性392
11.10.1矩-角特性392
11.10.2转矩-电流特性393
11.10.3转矩-频率特性393
11.11应用394
案例397
第12章 微电机401
12.1微电机的定义401
12.2永磁无刷微电机401
12.2.1圆柱形微电机402
12.2.2带平面线圈磁性微电机的制造405
12.2.3盘式微电机407
12.3应用410
12.3.1电动导管410
12.3.2胶囊内窥镜410
案例412
第13章 优化417
13.1优化问题的数学公式417
13.2非线性规划方法418
13.2.1直接搜索方法418
13.2.2随机方法419
13.2.3梯度方法420
13.2.4约束优化方法420
13.3基于群体的增量学习方法421
13.4响应面方法422
13.4.1响应面设计423
13.4.2响应面拟合误差估计423
13.5永磁电机现代优化方法424
13.5.1永磁有刷直流电机425
13.5.2永磁同步电机426
案例427
第14章 维护431
14.1电机基本要求431
14.2可靠性432
14.3电机故障435
14.4小型永磁无刷电机的可靠性计算438
14.5振动与噪声439
14.5.1声音的产生与辐射440
14.5.2机械模型442
14.5.3电磁振动与噪声443
14.5.4机械振动与噪声443
14.5.5空气噪声444
14.5.6有刷直流电机444
14.5.7永磁同步电机445
14.5.8噪声抑制445
14.6状态监测445
14.7保护447
14.8电磁和射频干扰450
14.8.1有刷电机451
14.8.2电子换向无刷电机453
14.9润滑454
14.9.1轴承454
14.9.2滚动轴承的润滑454
14.9.3多孔金属轴承的润滑456
案例457
附录460
附录A 交流定子绕组漏电感460
A.1定子绕组因数460
A.2槽比漏磁导462
A.3端部绕组比漏磁导463
A.4谐波比漏磁导463
A.5齿顶比漏磁导464
A.6每相漏电抗464
附录B 交流电机损耗465
B.1电枢绕组损耗465
B.2定子铁损466
B.3转子铁损467
B.4铁损的FEM模型467
B.5导电护套的损耗468
B.6无刷电机的永磁体损耗468
B.7旋转损耗469
B.8高速电机中的风摩损耗470
B.9高次时间谐波造成的损耗47