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第1章 简介 1

1.1 功率变换器和电机 1

1.1.1 旋转功率变换器 1

1.1.2 静止功率变换器 2

1.1.3 电磁能量转换的作用 2

1.1.4 运行原理 2

1.1.5 磁路和电路 2

1.1.6 旋转电机 3

1.1.7 可逆电机 4

1.2 意义和典型应用 4

1.3 变量和旋转运动的关系 7

1.4 要掌握的知识和技能 10

1.4.1 电机的基本特点 10

1.4.2 等效电路 11

1.4.3 机械特性 11

1.4.4 电机中的暂态过程 11

1.4.5 数学模型 12

1.5 采用的方法和分析步骤 12

1.6 变流器供电的变速电机的注意事项 14

1.7 高效电机的评价 15

1.8 铁和铜的利用率的评价 15

第2章 机电能量转换 17

2.1 洛伦兹力 17

2.2 平行导体的相互作用 18

2.3 运动导体的电动势 19

2.4 发电模式 20

2.5 制动转矩 21

2.6 制动力 22

2.7 电场中导体所受到的力 23

2.8 介电常数的改变 23

2.9 压电效应 26

2.10 磁致伸缩 26

第3章 电磁耦合场 28

3.1 基于静电场的机电能量转换装置 28

3.1.1 电荷、电容和能量 29

3.1.2 电能、机械能和场能 29

3.1.3 电场力表达式 30

3.1.4 机电能量转换循环 32

3.1.5 电场和磁场的能量密度 33

3.1.6 耦合场和能量传递 33

3.2 基于磁耦合场的机电转换装置 34

3.2.1 直线运动的转换装置 35

3.2.2 旋转运动的转换装置 37

3.2.3 反电动势 38

第4章 磁路 41

4.1 磁路的分析 42

4.1.1 磁通守恒定律 42

4.1.2 安培环路定律 43

4.1.3 磁场强度H和磁感应强度B的基本关系 43

4.2 磁键矢量 44

4.3 铁磁材料的磁化特性 44

4.4 磁路中的磁阻 45

4.5 磁路中的能量 48

4.6 磁路的参考方向 49

4.7 磁路中的损耗 50

4.7.1 磁滞损耗 50

4.7.2 涡流损耗 51

4.7.3 磁路中的总损耗 53

4.7.4 减少铁耗的方法 53

4.7.5 叠片结构铁磁材料中的涡流 54

第5章 旋转电机 57

5.1 旋转电机中的磁路 57

5.2 机械端口 58

5.3 绕组 58

5.4 磁路中的槽 60

5.5 绕组轴线的位置和符号 62

5.6 转换损耗 63

5.7 气隙中的磁场 65

5.8 磁场能量、尺寸和转矩 66

第6章 电机建模 70

6.1 建模的准备 70

6.1.1 建模会遇到的问题 71

6.1.2 结论 72

6.2 忽略的现象 73

6.2.1 分布式能量和分布式参数 73

6.2.2 忽略寄生电容 74

6.2.3 忽略铁耗 74

6.2.4 忽略铁的非线性 74

6.3 电源功率 74

6.4 电动势 75

6.5 电压平衡方程 76

6.6 漏磁通 77

6.7 耦合磁场中的能量 79

6.8 机电能量转换中的功率 81

6.9 转矩表达式 82

6.10 机械子系统 84

6.11 机械子系统中的损耗 85

6.12 动能 85

6.13 机电子系统的建模 86

6.14 机电能量转化装置中的功率平衡 87

6.15 数学模型方程 89

第7章 单馈和双馈变换器 90

7.1 单馈变换器的分析 91

7.2 自感的变化 92

7.3 功率和转矩的表达式 93

7.4 双馈变换器的分析 94

7.5 互感的变化 95

7.6 转矩表达式 96

7.6.1 平均转矩 97

7.6.2 产生非零转矩的条件 97

7.7 磁极 98

7.8 直流电机和交流电机 99

7.9 矢量乘积形式的转矩表达式 100

7.10 旋转电机磁链矢量的位置 101

7.11 旋转磁场 104

7.12 电机的类型 106

7.12.1 直流电机 106

7.12.2 感应电机 106

7.12.3 同步电机 106

第8章 气隙中的磁场 108

8.1 具有分布式导体的定子绕组 109

8.2 正弦电流片 111

8.3 定子磁场分量 111

8.3.1 磁场的轴向分量 112

8.3.2 磁场的切向分量 114

8.3.3 磁场的径向分量 116

8.4 定子磁场回顾 119

8.5 用矢量表示的磁场 120

8.6 转子磁场分量 123

8.6.1 转子磁场的轴向分量 125

8.6.2 转子磁场的切向分量 125

8.6.3 转子磁场的径向分量 126

8.6.4 转子磁场各组成分量的总结 128

8.7 用矢量形式表示磁场的准则 128

第9章 磁能、磁通和转矩 130

9.1 定子磁场和转子磁场的相互作用 130

9.2 气隙磁场中的能量 132

9.3 电磁转矩 134

9.3.1 电磁转矩表达式 135

9.4 单匝线圈磁通和绕组磁通 136

9.4.1 定子单匝线圈中的磁通 137

9.4.2 转子单匝线圈中的磁通 138

9.4.3 绕组磁通 140

9.4.4 绕组磁通矢量 142

9.5 绕组轴线和磁通矢量 143

9.6 定子磁通矢量和转子磁通矢量的矢量积 144

9.7 电磁转矩产生的条件 146

9.8 电磁转矩和电机尺寸之间的关系 148

9.9 旋转磁场 149

9.9.1 两相正交绕组系统 150

9.9.2 三相绕组系统 153

第10章 电动势 156

10.1 变压器电动势和运动电动势 156

10.2 单匝线圈中的电动势 157

10.2.1 计算穿过单匝线圈的磁通的一阶导数 157

10.2.2 各个导体产生电动势的总和 158

10.2.3 单匝线圈中的电压平衡 159

10.2.4 电动势波形 159

10.2.5 电动势的均方根值（rms） 160

10.3 绕组中的电动势 161

10.3.1 集中绕组 161

10.3.2 分布绕组 161

10.3.3 短距系数 162

10.3.4 分布系数 166

10.3.5 相带中的谐波表达式 167

10.4 复励绕组中的电动势 170

10.5 谐波 170

10.5.1 分布绕组中的电动势 172

10.5.2 各种谐波 176

10.5.3 绕组电动势的峰值和均方根值 178

第11章 直流电机介绍 181

11.1 结构和工作原理 182

11.2 定子结构 182

11.3 他励直流电机 183

11.4 转子导体中的电流 183

11.5 机械换向装置 185

11.6 转子绕组 185

11.7 换向 189

11.8 换向过程 191

11.9 转子绕组的制作 192

11.10 换向问题 196

11.11 转子磁场 199

11.12 电路和磁路 200

11.13 磁路 200

11.14 电路 201

11.15 直轴和交轴 202

11.15.1 矢量表示 203

11.15.2 定子总磁通 203

11.15.3 电机中的总磁通 203

11.16 电动势和电磁转矩 204

11.16.1 电枢绕组中的电动势 204

11.16.2 转矩的合成 206

11.16.3 转矩和电动势的表达式 207

11.16.4 电动势Ea的计算 208

11.16.5 转矩的计算 208

第12章 直流电机的建模与应用 210

12.1 励磁绕组的电压平衡方程 211

12.2 电枢绕组的电压平衡方程 212

12.3 转子速度的变化 213

12.4 数学模型 214

12.5 永磁直流电机 214

12.6 模型的框图 215

12.7 转矩控制 216

12.8 稳态等效电路 217

12.9 机械特性 218

12.10 机械特性的性能 220

12.11 转速控制 221

12.12 直流发电机 223

12.13 直流电机供电的拓扑结构 224

12.13.1 电枢功率供应要求 225

12.13.2 7-Ω图和U-I图中的四个象限 226

12.13.3 电源的四个象限 227

12.13.4 脉冲宽度调节 231

12.13.5 电流脉动 234

12.13.6 功率变换器的拓扑结构 237

第13章 直流电机的特性 240

13.1 额定电压 240

13.2 机械特性 241

13.3 自然特性 241

13.4 额定电流 241

13.5 热模型和间歇工作 242

13.6 额定磁通 245

13.7 额定转速 245

13.8 弱磁 246

13.8.1 高速运行 246

13.8.2 弱磁时的转矩和功率 246

13.8.3 磁通变化 248

13.8.4 电动势的改变 248

13.8.5 电流变化 248

13.8.6 转矩变化 248

13.8.7 功率变化 248

13.8.8 弱磁运行需要的条件 248

13.9 暂态特性 249

13.10 稳态运行区域 250

13.11 功率损耗和功率平衡 250

13.11.1 供电功率 250

13.11.2 励磁绕组的功率损耗 250

13.11.3 电枢绕组的功率损耗 251

13.11.4 机电能量转换的功率 251

13.11.5 铁耗（PFe） 251

13.11.6 机械损耗（PF） 251

13.11.7 旋转造成的损耗（PFe+PF） 252

13.11.8 机械功率 252

13.12 额定值和标称值 252

13.13 铭牌值 253

第14章 感应电机 255

14.1 结构和运行规则 255

14.2 磁体 256

14.3 笼型转子与绕线式转子 258

14.4 三相定子绕组 259

14.5 旋转磁场 261

14.6 转矩产生的原则 262

14.7 转矩表达式 263

第15章 感应电机的建模 265

15.1 稳态和暂态现象的建模 265

15.2 数学模型的结构 266

15.3 三相电机和两相电机 267

15.4 克拉克变换 270

15.5 两相等效电路 271

15.6 恒定式 273

15.6.1 K=1时的克拉克变换 276

15.6.2 K=？时的克拉克变换 276

15.6.3 K=2/3时的克拉克变换 277

15.7 两相等效绕组 277

15.8 定子绕组的模型 278

15.9 电压平衡方程 279

15.10 笼型转子的建模 279

15.11 转子绕组的电压平衡方程 282

15.12 电感矩阵 282

15.13 漏磁通与主磁通 283

15.14 磁耦合 284

15.15 L矩阵 285

15.16 转子侧变量向定子侧转化 285

15.17 数学模型 286

15.18 缺点 287

15.19 在同步坐标系中建模 290

15.20 帕克变换 290

15.21 变换矩阵 291

15.22 转子变量变换 292

15.23 向量和复数 293

15.24 dq坐标系下的电感矩阵 294

15.25 dq坐标系下的电压平衡方程 296

15.26 电气子系统 296

第16章 感应电机的稳态运行 298

16.1 输入功率 298

16.2 转矩表达式 299

16.3 转差率 299

16.4 机械功率与损耗 300

16.5 稳态运行 301

16.6 与变压器的类比 303

16.7 转矩和电流的计算 305

16.8 稳态转矩 306

16.9 标幺值 309

16.10 动态转矩的相对值 311

16.11 稳态电路的参数 313

16.12 机械特性分析 319

16.13 小转差率下的电机运行 321

16.14 大转差率下的电机运行 322

16.15 并网的感应电机的起动 323

16.16 极限转矩和极限转差 323

16.17 克劳斯方程 325

16.18 静态平衡和非静态平衡 326

16.19 连续工作的稳定区间 326

16.20 损耗和功率平衡 328

16.21 铜耗、铁耗和机械损耗 328

16.22 机械内功率 328

16.23 电压和磁通的关系 329

16.24 功率平衡 330

第17章 异步电机变频调速 332

17.1 电网供电电机的转速变化 332

17.2 电压改变 333

17.3 绕线转子电机 334

17.4 变极对数 337

17.5 多极电机的特性 339

17.5.1 电网供电的多极电机 340

17.5.2 由静态功率变换器供电的多极电机 340

17.5.3 多极电机的缺点 340

17.6 双速定子绕组 342

17.7 相关符号 343

17.8 变频电源供电 344

17.9 变频电源 344

17.10 电源转换器的拓扑结构 345

17.11 脉冲宽度调制 346

17.12 输出电压的平均值 346

17.13 正弦输出电压 347

17.14 PWM波形的频谱 348

17.15 电流纹波 348

17.16 频率控制 350

17.17 弱磁 352

17.18 稳态和瞬态运行区 354

17.19 稳态运行的限制 355

17.19.1 RI补偿 356

17.19.2 临界转速 356

17.20 感应电机的结构 358

17.20.1 电网供电的电机 358

17.20.2 变频感应电机 361

第18章 同步电机 363

18.1 运行原理 363

18.2 定子绕组 364

18.3 旋转磁场 365

18.4 转矩的产生 367

18.5 同步电机的结构 369

18.6 定子磁路 369

18.7 转子的结构 370

18.8 励磁绕组的供电 372

18.9 旋转变压器励磁 372

18.10 永磁体励磁 374

18.11 永磁体材料特性 375

18.12 永磁体的磁路 377

18.13 表贴式和内埋式磁体 377

18.14 永磁电机的特性 379

第19章 同步电机的数学模型 381

19.1 同步电机的建模 381

19.2 磁动势 382

19.3 两相等效 383

19.4 克拉克三相／两相变换 384

19.5 电感矩阵和电压平衡方程 386

19.6 帕克变换 388

19.7 dq系中的电感矩阵 389

19.8 用复数表示矢量 390

19.9 电压平衡方程 391

19.10 隐极电机（各向同性电机）的电气子系统 392

19.11 隐极电机中的转矩 393

19.12 凸极电机（各向异性电机） 394

19.13 磁阻转矩 395

19.14 磁阻电动机 396

第20章 稳态运行 399

20.1 稳态时的电压平衡方程 399

20.2 等效电路 400

20.3 电流、电压的峰值和有效值 401

20.4 隐极电机的矢量图 402

20.5 凸极电机的矢量图 406

20.6 凸极电机的转矩 407

20.7 随功角变化的转矩 407

20.8 机械特性 408

20.9 由刚性电网供电的同步电机 409

20.10 同步发电机的运行 409

20.10.1 涡轮机功率的增加 410

20.10.2 频率的增加 411

20.10.3 无功功率和电压变化 412

20.10.4 功角变化 412

第21章 同步电机瞬态运行 415

21.1 机电时间常数 415

21.2 同步电机的位置 416

21.3 LC阻尼电路 418

21.4 同步电机的阻尼 420

21.5 阻尼绕组 421

21.6 同步电机的短路 422

21.6.1 直流分量 423

21.6.2 ISC1的计算 424

21.6.3 ISC2的计算 425

21.6.4 ISC3的计算 427

21.7 瞬态和次瞬态现象 430

21.7.1 时间间隔1 430

21.7.2 时间间隔2 431

21.7.3 时间间隔3 431

第22章 同步电机变频技术 432

22.1 逆变器供电的同步电机 432

22.2 转矩控制原理 433

22.3 电流控制原理 434

22.4 弱磁控制 438

22.5 暂态和稳态运行区域 440

参考文献 442