永磁同步电机——基础理论、共性问题与电磁设计

永磁同步电机结构简单紧凑，功率密度、转矩密度、效率和功率因数高，转速与供电频率成正比，控制性能好，在工农业生产、国防工业、航空航天、机器人、新能源、电动汽车等领域得到越来越广泛的应用。 本书是作者多年来从事永磁同步电机研究和产品开发的成果总结。本书首先介绍了永磁材料的特性、性能特点与防护，以及永磁同步电机的磁路计算方法；然后分析了永磁同步电机的轴电压、齿槽转矩、电磁振动、不可逆退磁等共性问题；*后介绍了异步起动永磁同步电机、变频调速永磁同步电机、圆筒型永磁同步直线电机、高速永磁同步电机等的结构特点、性能分析方法和电磁设计方法。 本书既可供从事永磁同步电机研究、产品研发的科研人员、工程技术人员使用，也可作为高等学校相关专业的研究生教材，以及继续教育的教材。

王秀和，博士，山东大学教授，享受国务院特殊津贴专家，山东省有突出贡献的中青年专家，教育部新世纪优秀人才。长期从事永磁电机基础理论、共性问题和关键技术研究，以及高性能永磁电机的研究开发。先后主持包括国家自然科学基金重点项目在内的科研项目四十余项，发表学术论文二百余篇，主编学术专著四部、规划教材一部，主译英文专著一部，获省部级科研奖励七项，为电机企业研发了十余个系列四百多个规格的永磁同步电机新产品，并大规模推广应用。

目录 前言 第1章永磁材料1 1.1永磁材料的发展概述1 1.2材料磁性的产生机理3 1.3永磁材料的特性曲线6 1.4永磁材料的性能参数8 1.5常用永磁材料及其性能11 1.6永磁材料的磁性能稳定性17 1.7永磁材料的制备19 1.8永磁材料的失效与防护22 1.8.1稀土永磁材料的失效类型22 1.8.2稀土永磁材料的腐蚀形式22 1.8.3钕铁硼永磁的失效与防护23 1.8.4钐钴永磁的防护25 参考文献26 第2章永磁同步电机的磁路计算27 2.1永磁同步电机的磁路结构27 2.2永磁同步电机的等效磁路30 2.3永磁同步电机的外磁路计算32 2.3.1主磁路的计算32 2.3.2漏磁路的计算35 2.4永磁体工作点的确定方法37 2.4.1永磁体工作图法37 2.4.2解析法38 参考文献41 第3章永磁同步电机的轴电压42 3.1轴电压概述42 3.2永磁电机的轴电压及产生机理43 3.3永磁磁场固有轴电压的解析分析方法46 3.4极槽配合对永磁磁场固有轴电压的影响49 3.5抑制分数槽绕组永磁电机永磁磁场固有轴电压的极弧系数选择方法52 3.6抑制分数槽绕组永磁电机永磁磁场固有轴电压的转子分段斜极方法54 3.7转子偏心对永磁磁场固有轴电压的影响58 3.8三相对称电枢反应磁场固有轴电压的分析67 3.9三相不对称电枢反应磁场固有轴电压的分析73 3.10共模轴电压的计算78 3.11轴承的保护措施与保护方案86 参考文献88 第4章永磁同步电机的齿槽转矩89 4.1永磁同步电机齿槽转矩的统一解析分析方法89 4.1.1齿槽转矩的产生机理89 4.1.2齿槽转矩的解析分析方法90 4.1.3齿槽转矩的削弱方法94 4.1.4极槽配合、槽口宽度、斜极和斜槽对齿槽转矩的影响94 4.2基于分段斜极的齿槽转矩削弱方法95 4.3基于极弧系数选择的齿槽转矩削弱方法99 4.4基于不等槽口宽配合的齿槽转矩削弱方法104 4.5基于磁极偏移的齿槽转矩削弱方法108 4.6基于不等厚永磁磁极的齿槽转矩削弱方法112 4.7基于不同极弧系数组合的齿槽转矩削弱方法115 4.8基于开辅助槽的齿槽转矩削弱方法118 4.9基于不等极弧系数的齿槽转矩削弱方法121 4.10改变转子齿槽参数的齿槽转矩削弱方法124 4.10.1转子槽数对齿槽转矩的影响125 4.10.2改变转子齿槽参数削弱齿槽转矩的方法127 4.11基于不均匀气隙的内置式调速永磁同步电机齿槽转矩削弱方法131 4.12转子静态偏心对表面式永磁同步电机齿槽转矩的影响133 参考文献140 第5章永磁同步电机的电磁振动142 5.1概述142 5.2电磁力波的快速准确计算方法143 5.2.1电磁力波143 5.2.2空载电磁力波计算144 5.2.3负载电磁力波的计算154 5.3定子固有振动频率的计算160 5.3.1基于单环型机电类比法的定子固有振动频率计算160 5.3.2基于能量法的定子固有振动频率计算方法161 5.3.3计算实例167 5.3.4定子铁心结构参数对固有振动频率的影响170 5.4电磁振动的计算方法173 5.5电磁振动削弱方法176 5.6转子偏心时电磁力波的分析与电磁振动削弱191 参考文献197 第6章永磁同步电机的不可逆退磁198 6.1永磁体不可逆退磁的产生机理198 6.2不可逆退磁的影响因素199 6.3计及温度影响的永磁体内禀退磁曲线200 6.4不可逆退磁对电机性能的影响202 6.5异步起动永磁同步电机起动过程中的大退磁207 参考文献214 第7章永磁同步电动机稳态运行理论与电磁关系215 7.1永磁同步电动机的工作原理215 7.2空载磁场与空载感应电动势216 7.3电枢反应磁场与电枢反应电抗217 7.4内置式永磁同步电机电枢反应磁密波形系数的解析计算224 7.5永磁同步电动机的电压方程和相量图228 7.6永磁同步电动机的功率方程和功角特性230 7.7dq坐标系下调速永磁同步电动机的数学模型232 7.8调速永磁同步电动机的矢量控制234 7.8.1矢量控制原理234 7.8.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系234 7.8.3常用的矢量控制方法237 7.8.4调速永磁同步电动机矢量控制系统245 参考文献245 第8章异步起动永磁同步电动机246 8.1异步起动永磁同步电动机的结构与工作原理246 8.1.1结构246 8.1.2工作原理249 8.1.3优势与存在的问题250 8.2异步起动永磁同步电动机的转子磁路结构250 8.3异步起动永磁同步电动机的磁路计算254 8.3.1计算极弧系数的确定254 8.3.2空载漏磁系数的确定254 8.3.3大退磁时永磁体平均工作点的计算257 8.4异步起动永磁同步电动机起动过程的转矩分析257 8.4.1起动过程的转矩258 8.4.2改善转矩特性的方法259 8.5异步起动永磁同步电动机的数学模型与仿真计算261 8.6异步起动永磁同步电动机的运行特性264 8.7提高稳态性能的方法267 8.8笼型转子异步起动永磁同步电动机的电磁设计270 8.8.1异步起动永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标270 8.8.2定子冲片尺寸和气隙长度的确定270 8.8.3定子绕组的设计271 8.8.4转子设计272 8.9复合实心转子异步起动永磁同步电动机273 8.9.1复合实心转子永磁同步电动机的结构和工作原理273 8.9.2复合实心转子永磁同步电动机起动过程分析274 8.9.3复合实心转子永磁同步电动机转子涡流损耗削弱282 8.10变极起动永磁同步电动机289 参考文献294 第9章变频调速永磁同步电动机295 9.1变频调速永磁同步电动机的结构和性能特点295 9.1.1结构295 9.1.2性能特点298 9.2两种特殊电枢绕组299 9.2.1双层同心式不等匝绕组299 9.2.2分数槽绕组303 9.3表贴式结构与内置式结构的对比312 9.4气隙磁密波形优化315 9.5基于有限元法的交直轴电枢反应电感计算319 9.6计及变频器控制策略的电机性能计算方法322 9.7低速直驱永磁同步电机327 9.8电磁设计331 参考文献333 第10章圆筒型永磁同步直线电机334 10.1圆筒型永磁同步直线电机的结构、工作原理与分类334 10.2圆筒型永磁同步直线电机的电动势和推力计算339 10.3圆筒型永磁同步直线电机的极槽配合和绕组排布347 10.4圆筒型永磁同步直线电机推力波动与削弱方法353 10.4.1空载电动势谐波与推力波动削弱353 10.4.2齿槽力及其削弱365 10.4.3端部力及其削弱369 10.4.4总推力波动的削弱371 10.5圆筒型永磁同步直线电机的电磁设计373 参考文献375 第11章高速永磁同步电机376 11.1高速电机概述376 11.2高速电机的主要结构类型377 11.3高速电机的特殊问题381 11.4高速永磁电机系统的关键技术383 11.4.1高速电机的轴承383 11.4.2高速永磁电机的损耗计算384 11.4.3高损耗密度高速永磁电机的热分析389 11.4.4高速永磁同步电机的控制与功率变换技术390 11.5高速永磁电机的设计原则与方法391 11.5.1高速电机主要尺寸的确定方法391 11.5.2定子设计392 11.5.3转子设计395 11.5.4高速电机机械性能分析方法397 11.5.5高速电机的冷却系统设计402 11.6高速永磁电机的多物理场协同设计与仿真404 11.7基于代理模型的高速永磁电机多学科协同设计与优化方法408 参考文献413 第12章表贴式调速永磁同步电机的电磁计算程序和计算实例415 12.1额定数据和技术要求415 12.2主要尺寸416 12.3永磁体计算416 12.4定转子冲片417 12.5绕组计算418 12.6磁路计算419 12.7参数计算422 12.8工作特性计算425 附录427 附录A导线规格表427 附录B常用导磁材料的磁化曲线和损耗曲线图表428