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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）UMP289

10.5.3 动态（负载）UMP291

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gj390

13.4.5.3 相数q390

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Nph391

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IC448

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