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上篇 通用基础理论 3

第1章 电磁理论基础 3

1.1 磁场中的几个基本物理量 3

1.1.1 磁感应强度 3

1.1.2 磁通量 3

1.1.3 磁导率 3

1.1.4 磁场强度 4

1.2 麦克斯韦方程组 4

1.3 电磁感应定律 5

1.3.1 电磁感应定律 5

1.3.2 正弦感应电动势 6

1.3.3 运动电动势 6

1.3.4 自感电动势与自感 7

1.3.5 互感电动势与互感 8

1.4 洛伦兹力与电磁转矩 8

第2章 磁路分析与永磁磁路 10

2.1 铁磁材料 10

2.1.1 铁磁材料的磁化 10

2.1.2 磁化曲线与磁滞曲线 10

2.1.3 铁磁材料 11

2.2 永磁材料 12

2.2.1 永磁材料的退磁曲线 12

2.2.2 永磁材料的主要性能参数 13

2.2.3 永磁材料的稳定性及稳定性处理 15

2.2.3.1 热稳定性 15

2.2.3.2 磁稳定性 16

2.2.3.3 化学稳定性 16

2.2.3.4 时间稳定性 16

2.2.3.5 稳定性处理方法 17

2.2.4 永磁材料的主要种类 17

2.2.4.1 铝镍钴永磁材料 17

2.2.4.2 铁氧体永磁材料 19

2.2.4.3 稀土钴永磁材料 20

2.2.4.4 钕铁硼永磁材料 21

2.2.4.5 粘结永磁材料 23

2.3 磁路基本定律 25

2.3.1 磁路的概念 25

2.3.2 全电流定律 25

2.3.3 磁路的欧姆定律 26

2.3.4 磁路的基尔霍夫第一定律 26

2.3.5 磁路的基尔霍夫第二定律 26

2.3.6 电路与磁路的比较 27

2.4 永磁磁路的分析与计算 28

2.4.1 永磁体的等效处理 28

2.4.2 外磁路的等效与合成磁路 29

2.4.3 漏磁系数和空载漏磁系数 30

2.4.4 等效磁路的解析法 30

2.4.4.1 标幺值 31

2.4.4.2 磁路的解析计算 32

2.4.5 等效磁路的图解法 33

2.4.6 永磁体的最佳工作点 34

2.4.6.1 最大磁能的永磁体最佳工作点 34

2.4.6.2 最大有效磁能的永磁体最佳工作点 34

第3章 交流绕组基础 36

3.1 交流绕组的分类、要求及基本术语 36

3.1.1 交流绕组的分类 36

3.1.2 交流绕组的构成原则 36

3.1.3 基本术语 36

3.2 几种常见的交流绕组 38

3.2.1 三相单层绕组 38

3.2.2 三相双层绕组 39

3.2.2.1 叠绕组 39

3.2.2.2 波绕组 40

3.2.2.3 分数槽绕组 41

3.3 正弦磁场下交流绕组的感应电动势 42

3.3.1 一根导体的感应电动势 42

3.3.2 线圈中的感应电动势和短距系数 43

3.3.2.1 整距线圈的感应电动势 43

3.3.2.2 短距线圈的感应电动势和短距系数 43

3.3.2.3 线圈组的感应电动势和分布系数 44

3.3.2.4 绕组的相电动势与线电动势 44

3.4 谐波电动势及其削弱方法 45

3.4.1 谐波电动势 45

3.4.2 削弱谐波电动势的方法 46

3.4.2.1 合理设计气隙磁场 46

3.4.2.2 绕组采用星形接法 46

3.4.2.3 利用电机绕组减小电动势中的谐波 46

3.4.2.4 齿谐波电动势及削弱方法 47

3.5 正弦电流时交流绕组的磁动势 48

3.5.1 单相绕组的脉振磁动势 48

3.5.1.1 整距线圈的磁动势 48

3.5.1.2 单层整距线圈组的磁动势 49

3.5.1.3 双层短距绕组磁动势和一相绕组磁动势 50

3.5.1.4 脉振磁动势的分解 51

3.5.2 三相绕组的旋转磁动势 52

3.5.2.1 三相绕组的基波合成磁动势 52

3.5.2.2 三相绕组的谐波合成磁动势 53

3.5.2.3 机械旋转磁动势 53

3.5.3 两相及多相绕组的旋转磁动势 54

3.5.3.1 两相对称绕组的圆形旋转磁动势 54

3.5.3.2 两相不对称绕组的椭圆形旋转磁动势 54

3.5.3.3 多相绕组的旋转磁动势 55

第4章 电机的损耗与发热 57

4.1 能量守恒原理 57

4.2 损耗分析 57

4.2.1 基本铁耗 58

4.2.1.1 磁滞损耗 58

4.2.1.2 涡流损耗 58

4.2.1.3 轭部（齿联轭）及齿部的基本铁耗 59

4.2.2 空载时铁心中的附加损耗 60

4.2.3 电气损耗 60

4.2.3.1 绕组中的电气损耗 61

4.2.3.2 电刷接触损耗 61

4.2.4 负载时的附加损耗 61

4.2.5 机械损耗 61

4.3 电力电子供电下损耗的修正 62

4.3.1 电气损耗的修正 62

4.3.2 铁心损耗的修正 62

4.3.3 附加损耗 63

4.3.4 电力电子供电下的电机效率 63

4.4 电机的发热 64

4.4.1 电机的温升和温升限值 64

4.4.2 传热的基本定律 65

4.4.2.1 热传导定律 65

4.4.2.2 热传导方程 67

4.4.2.3 对流散热与牛顿定律 68

4.4.2.4 辐射散热与斯忒藩-玻耳兹曼定律 70

4.4.3 电机稳定温升 72

4.4.3.1 热路法 72

4.4.3.2 简化计算法 72

4.4.3.3 网络法 73

4.4.4 不稳定温升与热时间常数 73

4.5 微特电机的冷却与工作制 75

4.5.1 冷却方式 75

4.5.1.1 小型封闭自冷式一般用途微特电机 75

4.5.1.2 全封闭驱动用微特电机 75

4.5.1.3 分装式微特电机 75

4.5.1.4 冷却用微特电机 75

4.5.1.5 微特电机组件及系统 75

4.5.1.6 高功率密度电机 76

4.5.2 工作制 76

第5章 电机的振动、噪声与电磁兼容 78

5.1 电机振动 78

5.1.1 产生振动的主要原因 78

5.1.2 电机振动的测试方法 78

5.1.3 振动强度的限值 80

5.2 电机噪声 80

5.2.1 电机的主要噪声源及产生机理 80

5.2.1.1 通风噪声 80

5.2.1.2 电磁噪声 80

5.2.1.3 机械噪声 82

5.2.2 电机噪声测定方法 82

5.2.2.1 声音的量度 82

5.2.2.2 电机噪声声压级的测量方法 83

5.2.2.3 对试验环境影响因素的校正 84

5.2.2.4 试验结果的确定方法 84

5.2.2.5 声源识别与频谱分析 85

5.2.3 微特电机的噪声限值 86

5.2.4 降低电机噪声的方法 87

5.2.4.1 降低电磁噪声的措施 87

5.2.4.2 降低机械噪声的措施 89

5.2.4.3 降低通风噪声的措施 89

5.3 电机的电磁兼容 89

5.3.1 电磁兼容的基本概念 89

5.3.1.1 电磁兼容认证的必要性 89

5.3.1.2 常用名词术语 90

5.3.2 电磁干扰三要素 90

5.3.2.1 干扰源 91

5.3.2.2 干扰传播的途径 97

5.3.2.3 敏感设备敏感度的度量 99

5.3.3 电磁兼容的标准与测量 100

5.3.3.1 电磁兼容标准 100

5.3.3.2 电磁兼容的测量方法 101

5.3.4 提高产品电磁兼容性EMC措施 102

5.3.4.1 接地 102

5.3.4.2 滤波 103

5.3.4.3 屏蔽 103

第6章 电机常用分析方法简述 104

6.1 电机分析的一般过程 104

6.1.1 动态与稳态分析 104

6.1.2 电机分析的步骤 104

6.1.3 电机分析时常用的基本假设条件 105

6.2 电机常用动态分析方法 106

6.2.1 叠加原理 106

6.2.2 拉普拉斯变换 106

6.2.3 状态方程及其解法 107

6.3 坐标变换 109

6.3.1 电流、电压和阻抗的变换规律 109

6.3.2 新、旧坐标系中功率的关系 111

6.4 常用的坐标系和坐标变换 112

6.4.1 常用坐标系 112

6.4.2 常用坐标变换 112

6.5 电机的电磁场 117

6.5.1 电机电磁场分析 117

6.5.1.1 电机电磁场概述 117

6.5.1.2 电机电磁场研究方法 118

6.5.2 磁场的边值问题 120

6.5.2.1 位函数满足的偏微分方程 120

6.5.2.2 边界条件 121

6.5.2.3 边值问题 122

6.5.3 有限元法的基本原理与步骤 122

6.5.3.1 条件变分问题 122

6.5.3.2 剖分插值 122

6.5.3.3 单元分析 123

6.5.3.4 总体合成与边界条件的处理 124

6.5.3.5 方程组求解 125

6.5.4 永磁体的等效 125

6.5.4.1 磁化矢量法 125

6.5.4.2 等效面电流法 126

6.5.4.3 瓦形磁极的等效 127

6.5.5 磁场与路结合分析法 127

6.6 电机中的物理“场”和电机中的多种“路” 128

6.6.1 电机中的物理“场” 128

6.6.2 电机中的“路” 129

6.6.3 电机中的“场”与“路” 130

中篇 伺服与控制电机 135

第7章 电气伺服系统概述 135

7.1 概念与分类 135

7.1.1 定义 135

7.1.2 发展历史 135

7.1.3 分类和特点 135

7.1.3.1 两相交流伺服电动机控制系统 136

7.1.3.2 直流电动机控制系统 136

7.1.3.3 永磁交流伺服电动机控制系统 136

7.1.3.4 感应电动机控制系统 137

7.1.3.5 步进电动机控制系统 137

7.1.3.6 开关磁阻电动机控制系统 137

7.1.4 基本要求和发展趋势 138

7.1.4.1 基本要求 138

7.1.4.2 伺服系统的发展趋势 138

7.2 基本特性参数 138

7.2.1 工作区 138

7.2.2 特征参数 139

7.2.2.1 反电动势常数和转矩常数 139

7.2.2.2 时间常数 139

7.2.3 稳态性能 142

7.2.3.1 转速调整率 142

7.2.3.2 调速比 142

7.2.3.3 静态刚度 142

7.2.3.4 定位精度和稳态跟踪误差 142

7.2.4 动态性能 142

7.2.4.1 转矩波动系数 142

7.2.4.2 频带宽度 142

7.2.4.3 超调量 142

7.2.4.4 阶跃输入的转速响应时间 143

7.2.4.5 转矩变化的时间响应 143

7.2.4.6 建立时间 143

7.3 交流伺服系统的PWM控制技术 143

7.3.1 PWM控制基本原理 143

7.3.2 正弦波PWM技术 145

7.3.3 电流跟踪PWM技术 147

7.3.4 电压空间矢量PWM控制技术 149

7.3.4.1 SVPWM的基本概念 149

7.3.4.2 基本电压空间矢量 150

7.3.4.3 磁链轨迹的控制 152

7.3.4.4 t1、t2和t0的计算 153

7.3.4.5 扇区号的确定 154

7.3.5 几种PWM控制技术比较 155

7.3.5.1 谐波分析 155

7.3.5.2 电压利用率与过调制 158

7.3.5.3 三种PWM控制技术小结 159

7.4 伺服电动机转矩波动 160

7.4.1 磁阻变化引起的转矩波动 160

7.4.2 制造精度及工艺 161

7.4.2.1 磁路不对称 161

7.4.2.2 定、转子不同轴 161

7.4.2.3 铁心扣片槽、焊接槽等工艺 162

7.4.2.4 转子旋转体不光滑 162

7.4.3 电机运行时电磁转矩的波动 162

7.4.3.1 方波驱动 163

7.4.3.2 正弦波驱动 163

7.4.3.3 电流换向 164

7.4.3.4 电枢反应 164

7.4.4 控制器引起的转矩波动 164

7.5 伺服系统常用的控制策略 165

7.5.1 2自由度控制 165

7.5.2 含滞回单元的有限时间整定 166

7.5.3 H∞控制 167

7.5.4 自适应控制 168

7.5.5 滑模变结构控制 169

7.5.6 智能控制 169

7.5.6.1 模糊控制 169

7.5.6.2 专家系统 170

7.5.6.3 预测控制 170

7.5.6.4 学习控制 170

7.5.6.5 神经网络控制 170

第8章 永磁直流电动机 171

8.1 概述 171

8.2 工作原理和结构 171

8.2.1 工作原理 171

8.2.2 结构 172

8.2.2.1 磁极 172

8.2.2.2 电枢 174

8.2.2.3 换向器 176

8.2.2.4 电刷 177

8.3 基本方程和运行特性 178

8.3.1 基本方程 178

8.3.2 稳态工作特性 179

8.3.2.1 机械特性 179

8.3.2.2 调节特性 180

8.3.2.3 转速-电流特性 180

8.3.2.4 电流-转矩特性 180

8.3.2.5 效率特性 181

8.3.3 永磁直流伺服电动机的特性 181

8.3.3.1 转矩-转速特性曲线及工作区 181

8.3.3.2 动态特性 182

8.4 电枢反应 183

8.4.1 交轴电枢反应 183

8.4.2 直轴电枢反应 183

8.4.3 最大去磁工作点校核 183

8.5 调速及控制方法 184

8.5.1 调节主磁通调速 184

8.5.2 电枢回路串电阻调速 184

8.5.3 控制电枢电压调速 185

8.6 换向分析 186

8.6.1 换向的电磁理论 187

8.6.1.1 换向元件中的电动势 187

8.6.1.2 换向元件中的电流 188

8.6.2 电刷及其选择 190

8.6.3 换向火花 191

8.6.3.1 火花产生原因 191

8.6.3.2 火花等级及火花评定 192

8.6.4 改善换向的方法 192

8.6.4.1 移刷 192

8.6.4.2 换向极 192

8.6.4.3 补偿绕组 193

8.6.4.4 优选电刷并保持电刷与换向器滑动接触 193

8.7 设计概要 193

8.7.1 额定数据和指标体系 193

8.7.2 设计要点 194

8.7.2.1 主要尺寸的确定及参数的选取 194

8.7.2.2 磁极结构及极数选择 194

8.7.2.3 磁路设计及工作点确定 194

8.7.2.4 电枢冲片设计及绕组参数 196

8.7.2.5 换向性能设计 197

8.7.2.6 温升对永磁直流电动机性能的影响 199

8.8 永磁直流力矩电动机 199

8.8.1 结构特点 199

8.8.2 运行性能 200

8.8.2.1 性能特点 200

8.8.2.2 指标体系及参数 201

8.8.3 力矩波动的产生及其降低措施 202

8.8.4 设计特点 203

8.9 几种无铁心永磁直流伺服电动机 205

8.9.1 空心杯电枢永磁直流伺服电动机 205

8.9.1.1 定子磁路结构 205

8.9.1.2 空心杯电枢结构及绕组型式 205

8.9.1.3 换向器及电刷 206

8.9.1.4 特点及其应用 206

8.9.2 线绕盘式永磁直流电动机 207

8.9.2.1 结构特点 207

8.9.2.2 电枢结构及绕组型式 208

8.9.2.3 特点及其应用 208

8.9.3 印制绕组永磁直流电动机 208

第9章 永磁交流伺服电动机 210

9.1 电机基本结构 210

9.1.1 电机结构 210

9.1.2 电枢绕组型式 210

9.1.3 转子结构 211

9.1.3.1 表贴式转子结构 211

9.1.3.2 内置式转子结构 212

9.1.3.3 混合式转子结构 213

9.2 永磁无刷直流电动机 214

9.2.1 系统构成 214

9.2.2 工作原理 215

9.2.3 性能分析 218

9.2.3.1 参数与稳态特性 218

9.2.3.2 动态模型与动态模拟 220

9.2.3.3 电枢反应 221

9.2.4 转矩波动 222

9.2.4.1 定义与原因 222

9.2.4.2 换相与转矩脉动 223

9.2.5 无刷电机的运行模式 226

9.2.5.1 开环运行 227

9.2.5.2 转矩控制模式 227

9.2.5.3 速度控制模式 227

9.2.5.4 位置控制模式 228

9.2.5.5 常用无传感器位置检测方法简介 228

9.3 方波驱动与正弦波驱动比较 229

9.3.1 基本概念 229

9.3.2 转矩与反电动势常数 230

9.3.3 转矩密度与功率密度 232

9.3.4 转矩波动 233

9.4 永磁交流伺服电动机的动态模型 233

9.4.1 三相系统下的数学模型 233

9.4.1.1 电压与磁链方程 234

9.4.1.2 绕组电感参数 234

9.4.1.3 感应电动势 237

9.4.2 两相坐标系下的动态模型 237

9.4.2.1 αβ0坐标系中的动态模型 237

9.4.2.2 dq0坐标系中的动态模型 239

9.4.3 电磁功率和电磁转矩 241

9.4.3.1 输入电功率 241

9.4.3.2 电磁转矩 242

9.4.3.3 无功功率 243

9.5 永磁交流伺服电机的矢量控制 244

9.5.1 电压极限圆与电流极限圆 244

9.5.2 恒转矩轨迹与最大转矩／电流轨迹 245

9.5.3 id=0控制 246

9.5.4 cosψ=1控制 246

9.5.5 最大转矩／电流比控制 247

9.5.6 弱磁控制 248

9.5.7 不同控制策略下的机械特性 250

9.5.8 永磁交流伺服系统基本构成 250

9.6 永磁交流伺服电机直接转矩控制 252

9.6.1 转矩生成与控制 252

9.6.2 电压矢量与磁链轨迹 253

9.6.3 滞环控制与系统 255

9.6.3.1 滞环比较器控制 255

9.6.3.2 控制系统 257

9.6.4 磁链和转矩估计 257

9.6.5 直接转矩控制与矢量控制 259

9.7 永磁交流伺服电机实践与设计特点 260

9.7.1 确定任务目标 260

9.7.2 方案与设计特点 261

9.7.2.1 方案选择 261

9.7.2.2 电机设计特点 262

第10章 分数槽集中绕组伺服电动机 266

10.1 概述 266

10.1.1 定义 266

10.1.2 分数槽电机的优点 266

10.2 分数槽电机的约束条件和极槽配合 267

10.2.1 分数槽电机极槽约束条件 267

10.2.2 分数槽电机极槽配合的选择 268

10.3 绕组系数和绕组磁动势分析 272

10.3.1 绕组系数分析 272

10.3.1.1 基波绕组系数 272

10.3.1.2 谐波绕组系数 272

10.3.2 绕组磁动势分析 276

10.3.2.1 单个线圈的磁动势 276

10.3.2.2 相绕组磁动势 277

10.3.2.3 三相绕组合成磁动势 278

10.3.3 绕组系数验证 281

10.4 齿槽转矩分析 282

10.4.1 齿槽转矩的性质及其产生规律 282

10.4.2 齿槽转矩分析及削弱方法 282

10.4.2.1 齿槽转矩分析 282

10.4.2.2 齿槽转矩的削弱方法 284

10.5 不平衡磁拉力分析 288

10.5.1 不平衡磁拉力产生的原因 288

10.5.2 静态（空载）UMP 289

10.5.3 动态（负载）UMP 291

10.5.4 产生UMP的规律 294

10.6 需要进一步分析讨论的问题 294

第11章 感应电动机伺服控制系统 296

11.1 伺服控制方法概述 296

11.1.1 控制方法简介 296

11.1.2 控制方法分析比较 297

11.2 标量控制技术 299

11.2.1 变压变频控制技术 299

11.2.1.1 控制原理 299

11.2.1.2 机械特性 300

11.2.1.3 基频以下补偿控制 301

11.2.2 转速开环恒压频比控制技术 302

11.2.3 转速闭环转差频率控制技术 304

11.2.3.1 基本原理及特点 304

11.2.3.2 转差频率控制的结构及性能 306

11.2.3.3 最大转差频率的计算方法 307

11.2.3.4 转差频率控制系统的优缺点 308

11.3 矢量控制技术 308

11.3.1 基本理论 308

11.3.1.1 空间矢量 308

11.3.1.2 坐标变换 314

11.3.1.3 任意同步旋转MT坐标下的矢量变换 316

11.3.1.4 MT坐标系下转子磁场定向矢量方程 318

11.3.2 转子磁场定向矢量控制技术 323

11.3.2.1 直接磁场定向与间接磁场定向控制 323

11.3.2.2 直接磁场定向控制技术 324

11.3.2.3 间接磁场定向控制技术 326

11.3.2.4 电压源型逆变器馈电控制技术 327

11.3.2.5 电流可控的馈电控制技术 330

11.3.2.6 影响转子磁场定向控制性能的因素 332

11.3.3 气隙磁场定向矢量控制技术 334

11.3.3.1 气隙磁场定向下的转矩方程 334

11.3.3.2 气隙磁场定向下的矢量方程 334

11.3.4 定子磁场定向矢量控制技术 335

11.3.4.1 定子磁场定向下的转矩方程 335

11.3.4.2 定子磁场定向下的矢量方程 336

11.4 直接转矩控制技术 336

11.4.1 特点、类型及原理 337

11.4.1.1 特点 337

11.4.1.2 类型 337

11.4.1.3 基本原理 337

11.4.2 圆形磁链轨迹DTC控制技术 338

11.4.3 六边形磁链轨迹DSC控制技术 340

11.4.3.1 DSC基本原理 340

11.4.3.2 DSC系统基本结构 343

11.4.3.3 DSC系统基本组成 344

11.4.3.4 DSC低速范围内的调节方案 345

11.4.4 直接转矩控制转矩脉动的解决方法 346

11.4.4.1 基于表查询方式 346

11.4.4.2 基于连续调制方式 346

11.4.4.3 基于现代控制理论 347

第12章 步进电动机及驱动系统 348

12.1 概述 348

12.1.1 分类 348

12.1.2 特点 348

12.1.3 应用与发展 348

12.2 基本工作原理、电磁转矩和结构 349

12.2.1 基本工作原理和电磁转矩 349

12.2.1.1 三相磁阻式步进电动机工作原理和电磁转矩 349

12.2.1.2 混合式步进电动机工作原理和电磁转矩 351

12.2.1.3 永磁式步进电动机工作原理 354

12.2.2 结构型式 354

12.2.2.1 磁阻式步进电动机 354

12.2.2.2 永磁式步进电动机 355

12.2.2.3 混合式步进电动机 356

12.2.2.4 单相步进电动机 356

12.3 特性 358

12.3.1 步进电动机的单步运行 358

12.3.2 步进电动机的连续脉冲运行及运行矩频特性 358

12.3.3 步进电动机的起动矩频特性和起动惯频特性 359

12.4 主要技术指标和参数 359

12.4.1 主要参数 359

12.4.2 主要性能指标 360

12.5 驱动与控制 361

12.5.1 基本原理 361

12.5.2 脉冲分配器 362

12.5.3 恒压驱动方式 363

12.5.4 高低压驱动方式 364

12.5.5 恒流斩波驱动方式 365

12.5.6 调频调压驱动方式 366

12.5.7 微步驱动方式 367

12.5.8 控制与驱动芯片 369

12.5.9 步进电动机的控制 370

12.5.9.1 加减速控制 370

12.5.9.2 闭环控制 371

12.5.9.3 控制器 371

12.6 设计要点 372

12.6.1 基本结构 372

12.6.2 转子外径 372

12.6.3 定子主要数据和气隙长度 372

12.6.4 冲片设计 372

12.6.5 气隙磁导计算 373

12.6.6 磁通密度和磁动势 373

12.6.7 绕组设计 374

12.6.8 最大静转矩验算 374

12.6.8.1 磁阻式步进电动机最大静转矩 374

12.6.8.2 混合式步进电动机最大静转矩 374

12.7 选型 374

12.7.1 步距角的选择 374

12.7.2 系统的定位精度 374

12.7.3 转矩的选择 375

12.7.4 阻尼方法的选择 375

第13章 开关磁阻电机系统 377

13.1 概述 377

13.1.1 系统组成及原理 377

13.1.1.1 系统组成 377

13.1.1.2 系统基本工作原理 378

13.1.1.3 系统特点 378

13.1.2 研究现状与发展趋势 379

13.2 开关磁阻电机的基本结构和工作原理 381

13.2.1 基本结构 381

13.2.2 工作原理 381

13.2.3 相数与定、转子齿极数的关系 382

13.2.4 绕组连接方式与磁极分布 382

13.2.4.1 绕组连接方式 382

13.2.4.2 极性分布（以四相为例） 382

13.3 基本电磁关系与特性 383

13.3.1 基本电磁方程 383

13.3.2 相绕组电流 384

13.3.3 电磁转矩与能量转换 385

13.3.4 数学模型 386

13.3.5 机械特性 387

13.4 电磁设计基本原则 387

13.4.1 设计特点 387

13.4.2 主要技术参数 388

13.4.3 输出方程 388

13.4.4 电磁负荷 389

13.4.5 主要尺寸和主要参数选择 389

13.4.5.1 主要尺寸 389

13.4.5.2 第一气隙长度g和第二气隙长度gj 390

13.4.5.3 相数q 390

13.4.5.4 定子、转子极弧宽度 390

13.4.5.5 每相绕组串联匝数Nph 391

13.4.6 转矩计算 391

13.4.7 损耗计算 392

13.4.7.1 绕组铜损耗 392

13.4.7.2 铁心损耗 393

13.5 功率变换器 393

13.5.1 主电路设计 393

13.5.2 功率变换器的容量 394

13.5.3 开关器件的选择 394

13.5.4 辅助电路 395

13.5.4.1 驱动电路 395

13.5.4.2 缓冲（吸收）电路 395

13.6 控制系统 395

13.6.1 设计原则 396

13.6.2 控制原理 396

13.6.2.1 电流斩波控制（CCC） 396

13.6.2.2 角度位置控制（APC） 396

13.6.3 控制器设计概述 397

13.7 检测与反馈 398

13.7.1 位置检测 398

13.7.2 电流检测 398

13.7.3 转速检测 399

13.8 制动和发电运行 399

13.8.1 制动运行原理 399

13.8.2 发电运行 400

13.8.2.1 工作原理 400

13.8.2.2 发电运行时的控制 400

13.9 特种开关磁阻电机 401

13.9.1 全距绕组排列的开关磁阻电机 401

13.9.1.1 概述 401

13.9.1.2 全距绕组开关磁阻电机工作原理 401

13.9.1.3 全距绕组的开关磁阻电机自感、互感及电磁转矩分析 402

13.9.2 加辅助绕组的开关磁阻电机 402

13.10 单边双励磁的双凸极电动机 403

13.10.1 永磁式双凸极电动机 403

13.10.2 具有直流励磁的双凸极电动机 403

13.11 应用 404

第14章 伺服系统常用传感器装置 405

14.1 概述 405

14.2 旋转变压器 405

14.2.1 结构和分类 406

14.2.1.1 结构 406

14.2.1.2 分类 406

14.2.2 工作原理 407

14.2.2.1 正余弦旋转变压器工作原理 407

14.2.2.2 线性旋转变压器工作原理 407

14.2.2.3 比例式旋转变压器工作原理 408

14.2.2.4 无刷旋转变压器工作原理 408

14.2.2.5 单绕组线性旋转变压器工作原理 408

14.2.3 主要技术指标和参数 409

14.2.4 设计特点 410

14.2.4.1 正余弦旋转变压器设计特点 410

14.2.4.2 线性旋转变压器设计特点 411

14.2.4.3 无刷旋转变压器设计特点 411

14.2.5 多极和双通道旋转变压器 412

14.2.5.1 分类与结构 412

14.2.5.2 工作原理 413

14.2.5.3 多极旋变绕组特点 414

14.2.5.4 主要技术指标和参数 415

14.2.5.5 设计特点 416

14.2.6 磁阻式旋转变压器 417

14.2.6.1 结构及特点 417

14.2.6.2 工作原理 418

14.2.6.3 误差分析及补偿 418

14.2.6.4 设计特点 418

14.2.7 可变差动变压器（RVDT、LVDT） 420

14.2.7.1 旋转可变差动变压器（RVDT） 420

14.2.7.2 直线可变差动变压器（LVDT） 420

14.2.8 旋转变压器解码 420

14.2.8.1 采用专用解码芯片的解码器 420

14.2.8.2 软件解码 421

14.2.8.3 旋变解码电路的设计特点及旋变使用注意事项 423

14.3 自整角机 424

14.3.1 分类 425

14.3.1.1 力矩式自整角机 425

14.3.1.2 控制式自整角机 425

14.3.2 结构 425

14.3.3 工作原理 426

14.3.3.1 力矩式自整角机工作原理 426

14.3.3.2 控制式自整角机工作原理 426

14.3.4 主要技术指标和参数 427

14.4 测速发电机 430

14.4.1 分类与特点 430

14.4.2 永磁直流测速发电机 430

14.4.2.1 基本原理和结构 431

14.4.2.2 输出特性 431

14.4.2.3 主要技术指标及设计制造特点 431

14.4.3 交流异步测速发电机 432

14.4.3.1 基本原理和结构 432

14.4.3.2 输出特性 433

14.4.3.3 主要技术指标、误差及其补偿 433

14.4.4 其他测速发电机 433

14.4.4.1 低速永磁直流测速发电机 433

14.4.4.2 永磁直流直线测速发电机 433

14.4.4.3 无刷直流测速发电机 433

14.4.4.4 脉冲测速发电机 434

14.5 光电编码器 435

14.5.1 增量式光电编码器 435

14.5.1.1 原理及结构 435

14.5.1.2 编码器输出信号 436

14.5.1.3 主要技术指标及参数 436

14.5.1.4 测速方法 437

14.5.2 绝对式光电编码器 439

14.5.3 混合式光电编码器 440

14.6 磁编码器 440

14.6.1 磁电式编码器 441

14.6.2 磁阻式编码器 441

14.7 霍尔位置传感器 442

14.7.1 开关型霍尔传感器 442

14.7.2 线性型霍尔传感器 443

14.8 温度传感器 444

14.8.1 热敏电阻 444

14.8.2 热电阻传感器 445

14.8.3 热电偶传感器 445

14.9 电流传感器 445

14.9.1 霍尔电流传感器 445

14.9.1.1 直放式（开环）电流传感器 445

14.9.1.2 磁场平衡式电流传感器 446

14.9.2 利用分流电阻检测电流 448

14.9.3 电流检测IC 448

下篇 驱动与特种电机 451

第15章 永磁同步电动机 451

15.1 概述 451

15.2 结构 451

15.2.1 基本结构 451

15.2.2 转子磁极结构 451

15.2.2.1 表面式转子磁极结构 452

15.2.2.2 内置式转子磁极结构 453

15.2.2.3 爪极式转子磁极结构 455

15.2.3 转子隔磁措施 455

15.3 稳态运行性能 455

15.3.1 稳态运行方程和相量图 455

15.3.2 稳态运行性能 457

15.3.2.1 电磁转矩和矩角特性 457

15.3.2.2 工作特性曲线 457

15.4 磁路分析与计算 458

15.4.1 磁路计算特点 458

15.4.1.1 计算极弧系数 458

15.4.1.2 气隙磁场波形系数 460

15.4.1.3 磁位差计算 461

15.4.2 空载漏磁系数 461

15.4.3 永磁体工作点的设计与计算 462

15.4.3.1 空载和负载工作点的计算特点 463

15.4.3.2 最大去磁时永磁体工作点校核计算 463

15.5 主要参数计算和分析 464

15.5.1 空载反电动势 464

15.5.2 交、直轴电枢反应电抗 465

15.5.3 交、直轴电枢磁动势折算系数 467

15.6 异步起动永磁同步电动机 467

15.6.1 结构 467

15.6.2 起动过程 467

15.6.2.1 起动过程中的电磁转矩 467

15.6.2.2 起动过程中的定子电流 470

15.6.2.3 牵入同步过程 471

15.6.3 设计特点与原则 473

15.6.3.1 主要尺寸和气隙长度选择 473

15.6.3.2 定、转子槽数的选择 473

15.6.3.3 定、转子槽形的选择 473

15.6.3.4 转子磁极结构设计 473

15.6.3.5 永磁体设计 474

15.6.3.6 电枢绕组设计 475

15.6.3.7 提高功率密度和起动性能的措施 475

15.6.3.8 提高效率和功率因数的措施 475

15.7 盘式永磁同步电动机 476

15.7.1 概述 476

15.7.2 结构和特点 476

15.7.3 磁场分布和计算 477

15.7.3.1 主磁路结构 477

15.7.3.2 空载工作点确定 478

15.7.3.3 三维磁场分析 479

15.7.3.4 空载漏磁系数计算 480

15.7.3.5 气隙磁通密度分布系数 480

15.7.4 主要尺寸 480

15.7.5 磁极设计 482

15.8 横向磁通永磁同步电动机 482

15.8.1 原理与特点 482

15.8.2 基本类型及结构特点 483

15.8.3 磁场分布和计算 484

15.8.4 功率因数问题 485

15.8.5 工艺特点 485

15.9 爪极式永磁同步电动机 486

15.9.1 转子结构 486

15.9.2 定子结构 486

15.9.3 定向装置 488

第16章 永磁同步发电机 490

16.1 概述 490

16.2 转子磁极结构 490

16.2.1 切向式转子磁极结构 490

16.2.2 径向式转子磁极结构 491

16.2.3 混合式转子磁极结构 492

16.2.4 爪极式转子磁极结构 492

16.3 运行性能、参数和特性 494

16.3.1 励磁电动势和气隙合成电动势 494

16.3.2 交、直轴电枢反应和电枢反应电抗 495

16.3.3 固有电压调整率和降低措施 496

16.3.4 短路电流倍数计算 497

16.3.5 电动势波形 498

16.4 混合励磁同步发电机 498

16.4.1 结构和特点 498

16.4.2 设计特点 500

16.4.2.1 空载永磁电动势的确定 500

16.4.2.2 磁极形状的优化设计 500

16.4.2.3 电励磁绕组槽尺寸确定 501

16.5 永磁风力发电机设计特点 501

16.5.1 电磁负荷选择 501

16.5.2 定子齿槽的确定 501

16.5.3 最大起动阻力矩的计算及减小措施 501

第17章 单相感应电动机 503

17.1 概述 503

17.2 单相感应电动机工作原理 504

17.2.1 单绕组单相感应电动机 504

17.2.2 两相绕组单相感应电动机 505

17.2.3 罩极式单相感应电动机 505

17.3 单相感应电动机的主要类型及用途 506

17.3.1 主要类型 506

17.3.1.1 单相电阻起动感应电动机 506

17.3.1.2 单相电容起动感应电动机 507

17.3.1.3 单相电容运转感应电动机 508

17.3.1.4 单相电容起动与运转感应电动机 508

17.3.1.5 单相罩极式感应电动机 509

17.3.2 基本系列功率等级和机座号 509

17.3.3 特征及典型用途 510

17.4 单相感应电动机的气隙磁场 511

17.4.1 基波磁动势 511

17.4.1.1 单相绕组的脉振磁动势 511

17.4.1.2 两相绕组的椭圆形磁动势 512

17.4.2 谐波磁动势 513

17.4.2.1 整距线圈和短距线圈的谐波磁动势 513

17.4.2.2 同心式绕组（包括正弦绕组）的谐波磁动势 514

17.4.3 气隙磁场 516

17.5 单相感应电动机的绕组 517

17.5.1 单层同心式绕组 517

17.5.2 双层链式绕组 517

17.5.3 单相正弦绕组 518

17.6 单相感应电动机运行分析 521

17.6.1 单相单绕组感应电动机运行分析 521

17.6.2 相轴正交的双绕组单相感应电动机运行分析 524

17.6.3 相轴非正交的双绕组单相感应电动机运行分析 528

17.6.4 Y接法三绕组的单相电容运转感应电动机运行分析 530

17.6.5 抽头调速的单相电容运转感应电动机运行分析 531

17.6.5.1 主、副相绕组双抽头，L型接法 532

17.6.5.2 副相绕组抽头、T型接法 534

17.6.6 单相感应电动机的普遍性结论及运行分析步骤 536

17.7 单相感应电动机设计要点 536

17.7.1 单相感应电动机设计的基本要点 536

17.7.2 罩极电动机设计要点 537

17.7.3 电磁负荷的选择 537

17.7.4 主要尺寸的确定 539

17.7.4.1 气隙δ的选择 539

17.7.4.2 定子铁心外径与内径的选择 539

17.7.4.3 定子铁心长度的确定 539

17.7.5 定子绕组的设计 540

17.7.6 转子导条截面积及导条材料的选择 540

17.8 单相感应电动机调速方法 540

17.8.1 L型接法调速和T型接法调速 540

17.8.1.1 L型接法调速 540

17.8.1.2 T型接法调速 541

17.8.1.3 扩大调速范围的措施 542

17.8.2 并联电容调速 542

17.8.3 变极调速 543

17.8.4 串电抗器调速及晶闸管调压调速 543

第18章 单相串激电动机 544

18.1 概述 544

18.2 运行原理与基本结构 544

18.2.1 运行原理 544

18.2.2 电机结构 545

18.2.3 工作特性和主要技术数据 546

18.3 基本电磁关系 547

18.3.1 电压平衡方程式和矢量图 547

18.3.2 电磁转矩 549

18.3.3 损耗及能量流程图 550

18.4 设计特点 551

18.4.1 一般要求 551

18.4.2 设计特点 551

18.4.3 主要参数 551

18.4.4 安全防护 552

18.5 电磁兼容性（EMC）与噪声 553

18.5.1 电磁兼容特性 553

18.5.2 噪声 553

18.6 改善换向的措施 554

第19章 直线电机 556

19.1 概述 556

19.1.1 直线电机的分类 556

19.1.2 功能与特点 556

19.1.2.1 力电机 556

19.1.2.2 功电机 556

19.1.2.3 能电机 556

19.1.2.4 直线电机的特点 557

19.2 直线电机的基本结构和工作原理 557

19.2.1 基本结构 557

19.2.2 工作原理 559

19.2.3 边端效应 560

19.3 主要指标和参数及设计、工艺特点 561

19.3.1 主要指标和参数 561

19.3.2 设计准则 561

19.3.3 设计要点 562

19.3.4 优化设计 562

19.3.5 工艺特点 563

19.4 驱动与控制 563

19.4.1 非伺服驱动控制系统 563

19.4.2 伺服驱动控制系统 563

19.4.2.1 直线伺服电机 563

19.4.2.2 直线伺服电机的控制 564

19.5 直线电机的应用与选用原则 565

19.5.1 直线电机的应用与发展 565

19.5.2 应用基础与选用原则 566

19.5.2.1 应用基础 566

19.5.2.2 选用原则 566

19.6 直线感应电动机 567

19.6.1 原理、结构与特性 567

19.6.1.1 原理与结构 567

19.6.1.2 基本特性 567

19.6.1.3 等效电路 569

19.6.1.4 次级及其影响 569

19.6.2 直线感应电动机的矢量控制 570

19.6.3 直线感应电动机的应用实例 572

19.7 直线直流电动机 572

19.7.1 基本原理、结构与特性 572

19.7.1.1 原理与结构 572

19.7.1.2 永磁式直线直流电动机 573

19.7.1.3 电磁式直线直流电动机 574

19.7.1.4 无刷直线直流电动机 574

19.7.2 应用实例 575

19.8 直线同步电动机 575

19.8.1 原理、结构与特性 575

19.8.1.1 原理 575

19.8.1.2 分类 575

19.8.1.3 结构 575

19.8.1.4 特性 576

19.8.2 永磁直线同步电动机 576

19.8.2.1 基本结构 576

19.8.2.2 基本工作原理 577

19.8.2.3 分类 577

19.8.2.4 d、q轴数学模型 581

19.8.3 直线同步电动机应用实例 582

19.9 直线步进电动机 582

19.9.1 工作原理 583

19.9.1.1 磁阻式直线步进电动机 583

19.9.1.2 混合式直线步进电动机 583

19.9.2 直线步进电动机的结构与特性 585

19.9.2.1 单轴向直线步进电动机 585

19.9.2.2 双轴向和三轴向直线步进电动机 586

19.9.3 直线步进电动机应用实例 586

19.10 其他直线电机 587

19.10.1 直线振荡电动机 587

19.10.1.1 直线感应振荡电动机 587

19.10.1.2 直线同步振荡电动机 587

19.10.2 直线-旋转混合型电动机 589

19.10.3 直线发电机 589

19.10.4 非电磁类直线驱动器 589

第20章 低速同步电动机 590

20.1 概述 590

20.1.1 分类 590

20.1.2 功能和特点 590

20.1.3 发展概况 591

20.2 基本工作原理和结构 591

20.2.1 工作原理 591

20.2.1.1 反应式低速同步电动机工作原理 591

20.2.1.2 励磁式低速同步电动机工作原理 593

20.2.2 结构 595

20.2.2.1 反应式低速同步电动机结构 595

20.2.2.2 励磁式低速同步电动机结构 595

20.3 基本理论分析 596

20.3.1 气隙比磁导波 596

20.3.2 气隙磁场 598

20.3.2.1 反应式低速同步电动机气隙磁场 598

20.3.2.2 轴向励磁低速同步电动机气隙磁场 598

20.3.3 基本参数、方程式及电磁转矩 599

20.3.3.1 反应式低速同步电动机的基本参数、方程式和电磁转矩 599

20.3.3.2 永磁式低速同步电动机的基本参数、方程式及电磁转矩 602

20.4 永磁低速同步电动机的电磁设计 603

20.4.1 主要尺寸的确定 603

20.4.1.1 转子永磁体尺寸 603

20.4.1.2 转子磁轭尺寸 604

20.4.1.3 定子铁心尺寸 605

20.4.1.4 定子绕组 607

20.4.2 电磁计算 608

20.4.2.1 气隙比磁导计算 608

20.4.2.2 磁路计算 609

20.4.2.3 定子绕组参数计算 609

20.4.2.4 性能计算 610

第21章 磁滞电动机 612

21.1 概述 612

21.1.1 分类 612

21.1.2 特点 612

21.2 基本结构和工作原理 613

21.2.1 结构 613

21.2.2 基本工作原理 614

21.3 特性 615

21.3.1 起动特性 615

21.3.2 运行特性 616

21.3.3 过励状态 617

21.3.4 关键技术 618

21.4 主要技术参数 620

21.5 设计要点 621

21.5.1 定子冲片 621

21.5.2 转子材料及结构 622

21.5.3 电磁负荷的选择 622

21.5.4 极数的选择 622

21.6 应用与发展 622

21.6.1 选型应用原则 622

21.6.2 应用与发展 622

第22章 超声波电机 624

22.1 概述 624

22.1.1 超声波电机的分类 624

22.1.2 超声波电机的特点 626

22.1.2.1 超声波电机与传统电磁感应电机的比较 626

22.1.2.2 特点 626

22.1.2.3 超声波电机及其驱动控制存在的不足 627

22.2 压电陶瓷和压电振子 628

22.2.1 压电效应及压电陶瓷 628

22.2.2 压电方程 628

22.2.3 压电材料的重要参数 631

22.2.4 压电振子的等效电路 631

22.3 机械摩擦及超声波电机的摩擦材料 633

22.3.1 机械摩擦 633

22.3.2 摩擦材料 633

22.3.3 摩擦材料对超声波电机性能的影响 634

22.4 行波超声波电机 635

22.4.1 行波超声波电机的运动机理 635

22.4.1.1 基本结构 635

22.4.1.2 工作原理 636

22.4.1.3 定子行波的产生及表面质点的椭圆运动轨迹 636

22.4.1.4 定、转子间的接触机理 638

22.4.1.5 等效电路分析 641

22.4.2 行波超声波电机的设计要点 641

22.4.2.1 定子设计 641

22.4.2.2 转子设计 643

22.4.2.3 主要材料选择 644

22.4.2.4 压电陶瓷元件设计和极化分区 644

22.4.3 行波超声波电机的驱动与控制 645

22.4.3.1 调速机理 646

22.4.3.2 驱动电路 647

22.4.3.3 控制技术 648

22.4.4 行波超声波电机的制造技术 652

22.4.4.1 制造工艺流程 652

22.4.4.2 工艺要求 652

22.4.4.3 粘结 653

22.4.4.4 预压力 653

22.4.4.5 引接线 654

22.4.4.6 装配及考机 654

22.5 其他超声波电机 654

22.5.1 步进超声波电机的运行机理 654

22.5.2 圆柱定子弯曲振动超声波电机 655

22.5.3 圆柱定子纵、扭复合振动超声波电机 655

22.5.4 球转子多自由度超声波电机 656

参考文献 658