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基础篇 3

第1章 总论 3

1.1　电动机技术与产业 3

目录 3

1.2　电动机开发的历史沿革 5

1.2.1　电动机基本构造的提案 10

1.2.2　电动机的开发初期 11

1.2.3　实用电动机的开发与研究 11

1.3　电动机的种类与特性 13

1.4　电动机技术开发的现状与课题 17

1.4.1　背景 17

1.4.2　现状 19

1.4.3　课题 22

1.5.1　电动机技术 24

1.5　电动机技术与外围技术 24

1.5.2　外围技术 26

第2章 电动机基础 31

2.1　直流电动机 31

2.1.1　基本原理 31

2.1.2　构造 32

2.1.3　感应电动势和电磁转矩 34

2.1.4　基本关系式和特性 35

2.1.5　电枢反应 39

2.1.6　整流现象 39

2.2　感应电动机 42

2.2.1　三相感应电动机 42

2.2.2　二相感应电动机 50

2.2.3　单相感应电动机 50

2.3.1　永磁同步电动机转子的结构和特征 52

2.3　永磁同步电动机 52

2.3.2　永磁电动机的分类和特征 54

2.3.3　基本特性关系式和等效电路 56

2.3.4　d、q轴等效电路和基本矢量 58

2.3.5　电流的矢量控制法 59

2.3.6　样机的实验特性 64

2.4　步进电动机 65

2.4.1　种类和构造 66

2.4.2　工作原理 68

2.4.3　特性和专业术语 72

2.5　磁阻电动机 76

2.5.1　开关磁阻电动机 76

2.5.2　同步磁阻电动机 81

2.5.3　磁阻电动机的比较和特征 84

2.6　直线型电动机 87

2.6.2　特征 88

2.6.1　原理 88

2.6.3　分类 90

2.6.4　各种直线型电动机的特征 92

2.6.5　直线驱动系统 96

2.7　其他电磁力电动机 98

2.7.1　通用电动机 98

2.7.2　无铁心电动机 100

2.7.3　磁滞电动机 101

2.7.4　直接驱动电动机 103

2.7.5　微型电动机 104

2.7.6　无轴承电动机 105

2.8　非电磁力电动机 107

2.8.1　超声波电动机 107

2.8.2　压电传动机构 111

2.8.3　磁伸缩传动机构 112

2.8.4　静电电动机 113

2.8.5　其他 114

第3章 电动机驱动技术 118

3.1　各种电动机的典型控制方法 118

3.1.1　直流电动机控制 118

3.1.2　坐标变换 124

3.1.3　无刷电动机的控制 133

3.1.4　矢量控制 141

3.1.5　磁阻电动机的控制 148

3.2　电动机驱动电源和器件 158

3.2.1　斩波器 158

3.2.2　逆变器 165

3.2.3　逆变器主电源电路器件 174

4.1.1　数字信号处理器 187

4.1　电动机的控制器件 187

第4章 电动机控制技术 187

4.1.2　微处理器 197

4.2　电机控制方式和特征 205

4.2.1　开环控制 205

4.2.2　闭环控制 214

4.2.3　无传感器控制 224

4.3　电动机控制中的传感器技术 254

4.3.1　电流传感器 254

4.3.2　速度传感器 257

4.3.3　位置传感器 259

4.4　电动机控制特性和评价 271

4.4.1　稳定运转状态的特性评价 271

4.4.2　用传递函数描述电动机控制特性的方法 273

4.4.3　用实际响应评价电动机控制特性的方法 274

4.5.1　现代控制理论在电动机控制中的应用 277

4.5　电动机控制理论与特征 277

4.5.2　用数字系统构成的控制系统 281

4.5.3　对于今后控制理论的展望 283

第5章 电动机特性测试技术和评价方法 285

5.1　特性测量概论 285

5.1.1　电动机的特性测量 285

5.1.2　输入、输出和功率损耗 286

5.1.3　特性测量的目的和测量方法 287

5.1.4　特性常数和特性评价 288

5.2　基本物理量的测量方法 291

5.2.1　输入特性量 291

5.2.2　输出特性量 295

5.2.3　状态量 298

5.2.4　关于性能试验方法的规定 303

5.3.1　负载特性的测量 306

5.3　电动机特性的测量方法 306

5.3.2　无励磁的损失转矩和固定损耗的测量 309

5.3.3　旋转角度转矩特性的测量 310

5.3.4　步进电动机的转矩特性的测量 312

5.3.5　直线电动机推力特性的测量 316

5.4　测量装置 320

5.4.1　转矩仪 320

5.4.2　转速和旋转角度 324

5.4.3　功率计 327

5.4.4　振动计和噪声计 329

5.4.5　电动机的测试装置 331

5.5　数据处理技术 337

5.5.1　利用PC机测量和数据处理 337

5.5.2　高度的数据处理 342

5.6　通用电动机特性的现状 347

5.6.1　有刷直流电动机 347

5.6.3　无刷电动机 349

5.6.2　伺服电动机 349

5.6.4　步进电动机 350

第6章 电动机的特性分析技术 353

6.1　电动机的特性分析 353

6.2　等效电路法及其应用 355

6.2.1　等效电路法的基础知识 355

6.2.2　磁路等效电路的应用实例 357

6.2.3　磁导率的计算 358

6.3　有限元法及其应用 359

6.3.1　计算顺序的概要 360

6.3.2　边界条件 362

6.3.3　电压源的考虑 364

6.3.4　旋转的处理 365

6.3.5　速度项的处理 366

6.3.6　与最优化方法并用 367

6.4　转矩的计算方法和斜槽的考虑 370

6.4.1　转矩的计算方法 370

6.4.2　关于斜槽的考虑 373

6.5　铁心材料的模型化及铁损解析 376

6.5.1　磁特性的模型 376

6.5.2　磁化特性的模型 376

6.5.3　铁损的分析 378

6.6　永久磁铁的模型 384

6.6.1　永久磁铁的磁化特性和数值分析方法 384

6.6.2　形状的模型化 385

6.6.3　配向方向的考虑 386

6.6.4　充磁的分析 387

6.6.5　退磁的分析 389

6.7　复合问题及其分析 391

6.7.1　分析方法 391

6.7.2　考虑驱动回路和线圈端部的永磁电动机的特性分析举例 393

6.7.3　各向异性环型磁铁电动机的特性分析举例 395

6.7.4　齿极型步进电动机的分析举例 397

6.7.5　嵌入磁极式电动机的三维热传导分析 398

6.7.6　嵌入磁极式电动机的三维涡流分析 399

6.8　减低齿槽效应转矩的方法 402

6.8.1　减低齿槽效应转矩的方法概要 402

6.8.2　铁心槽和齿槽效应转矩 403

6.8.3　降低步进电动机的齿槽效应转矩的方法 405

第7章 电动机的构成材料 407

7.1　电动机构成要素的现状和发展动向 407

7.2　铁心材料 410

7.2.1　种类和性能要求 410

7.2.2　各种特性 411

7.2.3　电动机内铁心性能与铁心材料材质特性的关系 414

7.3　永磁材料 415

7.2.4　通过铁心材料的活用提高电动机的性能 415

7.3.1　永久磁铁概要 416

7.3.2　铁氧体磁铁 416

7.3.3　稀土类烧结磁铁 417

7.3.4　稀土类黏接磁铁 418

7.3.5　永久磁铁在使用上的注意事项 419

7.4　导电材料 421

7.4.1　漆包线的构成材料 421

7.4.2　漆包线的一般特性 424

7.4.3　基本设计中的注意事项 425

7.4.4　最近的技术动向 427

7.5　绝缘材料和注模材料 429

7.5.1　浸渍清漆 429

7.5.2　铸模材料 432

7.5.3　线槽内的绝缘材料 434

7.6.1　电动机的电刷材料 436

7.6　电刷材料 436

7.6.2　电刷材料的种类和特征及使用上的注意点 437

7.6.3　电刷的技术动向 438

7.6.4　整流子的材料及其结构 439

7.6.5　整流子的技术动向 440

提高篇 445

第1章 电动机的高效率技术 445

1.1　高效率技术的背景与动向 445

1.2　高效率设计技术 450

1.2.1　通用电动机 450

1.2.2　无刷直流电动机 459

1.3　磁阻转矩在电动机中的应用 466

1.3.1　置入式永磁同步电动机 466

1.3.2　开关磁阻电动机（SRM） 474

1.3.3　同步磁阻电动机（SynRM） 482

1.4.1　感应电动机 497

1.4　最大效率控制 497

1.4.2　PM同步电动机 505

第2章 电动机的高性能控制技术 513

2.1　高性能控制总论 513

2.1.1　高性能控制的概念 513

2.1.2　高性能控制时所要求的运动特性 513

2.1.3　反馈控制系统的构成 514

2.1.4　各种控制理论 514

2.1.5　经典控制理论 515

2.1.6　现代控制理论 517

2.1.7　滑模控制 519

2.1.8　H∞控制 520

2.1.9　多自由度系统的高性能控制 520

2.1.10　后面各节以及高性能控制的发展 520

2.2.1　高精确度伺服控制所要求的技术 521

2.2　高精确度伺服控制 521

2.2.2　高精确度伺服控制时的伺服系统构成 523

2.2.3　高速并且快速响应的伺服控制 526

2.3　利用滚动导向的高精确度位置控制 529

2.3.1　系统的构成 529

2.3.2　力-位移特性 531

2.3.3　动态特性与区域迁移特性 532

2.3.4　位置控制 533

2.4　扰动抑制控制 537

2.4.1　电动机控制时的扰动 537

2.4.2　扰动转矩的推定 537

2.4.3　观测噪声与扰动抑制特性 540

2.4.4　向速度控制系统的扩展 542

2.5　振动抑制控制 543

2.5.1　机械共振系统的动特性 544

2.5.2　基于PID控制的振动抑制控制 545

2.5.3　基于扰动观测器的振动抑制 549

2.5.4　鲁棒控制（H∞控制） 550

2.6　含有摩擦的系统的控制 552

2.6.1　非线性摩擦补偿概述 552

2.6.2　工作台驱动装置与非线性摩擦动力学 553

2.6.3　基于扰动观测器的摩擦补偿 555

2.6.4　基于GMDH的摩擦自律建模及其补偿 558

2.7　参数整定与自动调试 561

2.7.1 电动机驱动时的自动调试 561

2.7.2　离线调试与在线调试 562

2.7.3　受控对象的模型与控制系统 563

2.7.4　自动调试时应用的技术 564

2.7.5　自动调试的应用 565

2.8.1　传统的数字再设计方法 570

2.8　数字再设计 570

2.8.2　采用N-Delay控制的数字再设计 573

2.8.3　应用举例 574

2.8.4　结论 577

2.9　抗卷绕控制 578

2.9.1　2自由度控制系统的抗卷绕控制 578

2.9.2　2自由度控制系统的设计 578

2.9.3　各控制器的抗卷绕化 578

2.9.4　控制系统的构成及其实现 580

2.9.5　实验结果 581

2.9.6　感应电动机速度控制系统的抗卷绕控制 581

2.9.7　考虑PI控制系统操作量饱和的方法 582

2.9.8　转差频率型矢量控制的电流控制系统 583

2.9.9　考虑q轴电流PI控制系统的操作量饱和 583

2.9.11　矢量控制型感应电动机的速度伺服系统的抗卷绕控制 584

2.9.10　考虑d轴电流PI控制系统的操作量饱和 584

2.10　含有间隙的系统的控制 587

2.10.1　间隙所存在的问题 588

2.10.2　有间隙的二惯性系统的模型建立 589

2.10.3　基于齿轮转矩补偿的有间隙二惯性系统的速度控制 591

2.11　采用多级采样控制的完全跟踪控制法 595

2.11.1　完全跟踪控制系统的设计 596

2.11.2　仿真与实验 599

2.11.3　结论 601

第3章　低振动、低噪声技术 603

3.1　振动、噪声产生的机理 603

3.1.1　电磁振动噪声 604

3.1.2　2f和2sf的振动与噪声 617

3.1.3　磁导齿谐波转矩引起的噪声 617

3.1.4　控制方式引起的噪声 618

3.1.5　机械振动噪声 620

3.1.6　通风噪声 622

3.1.7　基础安装引起的振动 623

3.2　振动与噪声的对策 624

3.2.1　内科的对策 625

3.2.2　外科的对策 626

3.2.3　神经科的对策 627

第4章　环境与电动机技术 628

4.1　电动机制造的环境问题 628

4.1.1　环境问题及其对策 628

4.1.2　废弃物的环境问题 630

4.1.3　电动机产业界的环境问题 633

4.1.4　环境经营 636

4.1.5　绿色采购法案 636

4.2.1　COP3、4、5、6的作用 637

4.2　国际协定及法规上的制约与电动机应用设备 637

4.2.2　节约能源法 640

4.3　节能型与省资源型电动机设计技术 644

4.3.1　节能型电动机设计技术 644

4.3.2　省资源型电动机设计技术 653

4.3.3　易于再循环的电动机设计 657

4.3.4　电动机的再循环技术 661

应用篇 677

第1章 电动机系统的构筑方法 677

1.1　电动机的选择 677

1.1.1　基本方法 677

1.1.2　电动机的规格、定额与容量选择 680

1.2　负载转矩及转动惯量的计算 682

1.2.1　必要转矩 682

1.2.2　负载转矩的计算 682

1.2.4　转动惯量的计算 684

1.2.3　加速转矩的计算 684

1.3　控制用电动机的选择 685

1.3.1　步进电动机 685

1.3.2　伺服电动机 689

1.4　电动机的技术标准 694

1.4.1　技术标准的分类及主要技术标准 694

1.4.2　JIS的部门分类及其代号 695

1.4.3　电子设备及电工机械部门（JIS C）的分类项目及其序号 695

1.4.4　绝缘等级、极限温度及绝缘材料举例 697

1.4.5　可供参考的其他标准 698

第2章　在FA机器中的应用 701

2.1　FA机器用电动机的技术动向 701

2.1.1　最近的动向 701

2.1.2　今后的动向 702

2.2.1　半导体制造设备用电动机 703

2.2　在半导体制造设备中的应用 703

2.2.2　半导体制造工艺 704

2.2.3　硅片制作 704

2.2.4　掩膜制作 705

2.2.5　硅片加工 705

2.2.6　半导体装配 707

2.2.7　电子器件制造与加工装置 709

2.2.8　电子器件装配装置 709

2.3　在工业机器人中的应用 710

2.3.1　工业机器人的构成 710

2.3.2　对工业机器人用电动机的性能要求 712

2.3.3　工业机器人用AC伺服电动机的结构 712

2.3.4　工业机器人用电动机技术 712

2.4.1　用于数控机床的电动机 716

2.4.2　进给轴用伺服电动机 716

2.4　在数控机床中的应用 716

2.4.4　主轴用电动机 720

2.4.5　主轴电动机的种类与特性 721

2.4.6　未来的数控机床与电动机 723

2.5　在注塑机械中的应用 724

2.5.1　注塑机的构成与运行特性 724

2.5.2　电动式注塑机的优缺点 726

2.5.3　电动式注塑机的大型化、高速化及其快速响应 728

2.6　直线电动机在FA机器中的应用 730

2.6.1　直线电动机驱动机构的设计方法 731

2.6.2　直线电动机驱动的应用举例 733

第3章　在OA装置与信息装置中的应用 737

3.1　数字复印机的感光鼓驱动 737

3.1.1　数字彩色复印机的特点 737

3.1.2　感光鼓驱动 740

3.1.3　转印鼓方式的鼓驱动 742

3.1.4　4鼓串联方式的鼓驱动 743

3.2　激光打印机用扫描电动机 747

3.2.1　激光扫描光学系统 747

3.2.2　对扫描电动机特性的要求 748

3.2.3　扫描电动机 748

3.2.4　扫描电动机的轴承 749

3.3　BJ打印机的驱动电动机 753

3.3.1　电动机技术在喷墨打印机中的应用 753

3.3.2　晶体管主电路的工作原理 755

3.3.3　电动机控制电路 758

3.3.4　打印机控制 758

3.4　照相机中的微型电动机 761

3.4.1　照相机中的微型电动机的作用与功能 761

3.5　在CD-ROM、CD-R/RW、DVD-ROM中的应用 768

3.5.1　概述 768

3.5.2　芯轴电动机的主要技术数据 769

3.5.3　芯轴电动机的结构与特性 771

3.5.4　成本的降低 774

3.5.5　芯轴电动机的有关课题及其解决对策 774

3.6　在移动电话机中的应用（来电话报知用振动电动机） 776

3.6.1　旋转型振子的形态 777

3.6.2　旋转振动力与振动的稳定性 778

3.6.3　扁平型振子的构成 780

3.6.4　振子电动机的主要技术要求 781

第4章 在AV装置中的应用 783

4.1　在CD/DVD中的应用 783

4.1.1　CD/DVD装置的概要与动向 783

4.1.2　装置的规格与电动机的作用 784

4.1.3　电动机的结构与特点 786

4.1.4　装置的种类与电动机使用类型 789

4.1.5　今后有关电动机的课题 790

4.2　在MD中的应用 791

4.2.1　MD概要及其发展动向 791

4.2.2　便携型MD中使用的电动机 792

4.2.3　主轴电动机所要求的性能与功能 792

4.2.4　螺纹电动机所要求的性能与功能 795

4.2.5　电动机特点及其应用实例 796

4.3　在VHS摄录机中的应用 797

4.3.1　VHS摄录机所用电动机的类型 797

4.3.2　VHS走带电动机所要求的性能与功能 797

4.3.3　VHS磁鼓电动机所要求的性能与功能 800

4.4　在8mm摄录机及DVC（Digital Video Cassette，数字视频盒式）摄像机中的应用 804

4.4.1　视频一体型摄像机用电动机概要及其发展动向 804

4.4.2　摄录机用电动机的作用与结构 804

4.4.3　对摄录机用电动机所要求的性能及其实现方法 807

4.4.4　电动机设计上和使用上的注意点 809

4.5　在数码相机中的应用 810

4.5.1　PM型步进电动机概要 811

4.5.2　DSC用电动机 812

第5章　在汽车中的应用 819

5.1　对形势的认识及电动机的技术动向 819

5.1.1　电动机用途的扩大 819

5.1.2　电动机的种类 819

5.1.3　最新电动机技术 820

5.1.4　今后的课题 820

5.2　在电子节流装置中的应用 821

5.2.1　电子节流化的背景 821

5.2.2　电子节流概要 821

5.2.3　电子节流系统的构成 821

5.2.4　基于无传感器无刷直流电动机的节流控制方法 822

5.3.1　EPS的特点 827

5.2.5　今后的发展动向 827

5.3　在辅助动力驾驶中的应用 827

5.3.2　EPS的种类 828

5.3.3　EPS的系统构成 829

5.3.4　EPS电动机的使用方法 829

5.3.5　对EPS电动机的性能要求 831

5.3.6　EPS电动机的安全性 832

5.3.7　EPS电动机的特点 833

5.4　在汽车起动机中的应用 834

5.4.1　起动机用电动机的特点 834

5.4.2　起动机的输出特性 835

5.4.3　起动机的结构 836

第6章　在电动汽车中的应用 841

6.1　总论 841

6.1.1 电动汽车的发展动向 841

6.1.2 电动汽车用各种电动机的特性比较 845

6.1.3　变速驱动系统与控制技术 846

6.1.4　具有电动汽车特色的控制技术 850

6.2　电动汽车用电动机及其特性 853

6.2.1　电动汽车中使用的电动机 853

6.2.2　感应电动机 854

6.2.3　PM电动机 858

6.3　感应电动机在电动汽车中的应用 865

6.3.1 电动机最高转速与质量的关系 865

6.3.2　感应电动机与PM电动机的效率比较 866

6.3.3　混合型汽车用感应电动机 867

6.3.4　电动车辆用感应电动机 868

6.3.5　感应电动机用变频器 869

6.4　PM电动机在电动汽车中的应用 870

6.4.1　纯电动汽车及其所用PM电动机的开发举例 870

6.4.2　混合型电动汽车及其所用PM电动机的开发举例 874

第7章　在家用电器中的应用 879

7.1　家电用电动机的动向 879

7.2　空调器用电动机 881

7.3　电冰箱用电动机 890

7.4　洗衣机用电动机 899

7.5　与家用电器再循环法相适应 905

第8章　在输送、搬运设备中的应用 909

8.1　在铁路中的应用 909

8.1.1　高速列车用旋转电机 909

8.1.2　常电导直线电动机车辆 912

8.1.3　超电导直线电动机车辆 914

8.2　在工厂用搬运机械中的应用 917

8.2.1　AGV用电动机 917

8.2.2　直线电动机搬运 919

8.2.3　物流分类装置 921

8.2.4　单轨式搬运机 926

8.3　在实验室等特殊环境中的应用 928

8.3.1　直线电动机方式的半导体搬运装置 928

8.3.2　DD电动机在自律无人车中的应用 931

8.3.3　医院用传送装置 933

8.4　在其他运输机械中的应用 935

8.4.1　轮内型电动机 935

第9章　在特殊环境中的应用 940

9.1　在宇宙、航空中的应用 940

9.1.1　卫星与电动机 940

9.2　在核能设施中的应用 948

9.2.1　核反应堆堆芯部分的保护装置 949

9.2.2　水中目视检查机器人 951

9.2.3　BWR再循环系统内循环泵 953

9.3.1　概要 956

9.3　在医疗器械（X射线管驱动）中的应用 956

9.3.2　原理与结构 957

9.3.3　要求的性能与特性 959

9.3.4　特点 960

9.3.5　今后的动向 961

第10章　机械传动与支承机构 962

10.1　机械传动机构 962

10.1.1　齿轮减速机 962

10.1.2　滚珠螺旋机构 972

10.1.3　其他传动机构 982

10.2　轴承支承机构 987

10.2.1　滚动轴承（球轴承） 987

10.2.2　直线导向机构 997

10.2.3　其他类型轴承 1002

索引 1009