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