电机气隙磁场调制统一理论及应用(精)

本书系统地介绍了电机气隙磁场调制统一理论及应用方法, 是作者团队十多年研究成果的提炼和总结。 在揭示气隙磁场调制现象普遍性的基础上, 完整地阐述了电机气隙磁场调制统一理论, 结合实例介绍了如何利用磁场调制理论来分析计算电机性能, 给出了指导电机拓扑创新的一般性原则和方法, 并通过多个新型电机实例予以佐证。 本书首次将电机气隙磁场调制现象抽象化和理论化, 创立了电机气隙磁场调制理论, 为电机的分析和计算提供了全新的视角和方法, 丰富了电机学理论, 是一本难得的佳作。

程明，分别于1982年和1987年在南京工学院获学士和硕士学位，2001年于香港大学获博士学位；IEEE Fellow，IET Fellow，IEEE工业应用学会（IAS）杰出讲座学者。现任东南大学首席教授、博士生导师，东南大学风力发电研究中心主任，东南大学学术委员会委员，江苏省新能源汽车电机及驱动系统工程实验室主任。曾于2002~2009年任东南大学电气工程学院院长、2011年1~4月任美国威斯康星麦迪逊大学访问教授、2012年6~7月任丹麦澳尔堡大学访问教授、2016年7月~2019年6月任英国阿斯顿大学客座教授。兼任国家自然科学基金委员会第12、13届专家评审组成员，《Energy Conversion and Management》《IEEJ Journal of Industry Applications》《中国电机工程学报》《电工技术学报》等期刊编委，《Chinese Journal of Electrical Engineering》共同主编，《电气工程学报》主编，《IEEE Transactions on Industrial Electronics》客座主编和《IEEE Transactions on Energy Conversion》客座编辑，兼任IEEE工业应用学会（IAS）执委（2017~2018）和磁学学会（MS）执委（2017）。 主要主从事电机系统基础理论与关键技术研究，提出了电机气隙磁场调制统一理论，建立了电机系统一体化精确建模方法，发明了高可靠定子永磁电机设计技术等，承担国家自然科学基金重大项目、重点项目和重大国际（地区）合作研究项目，国家“973计划”课题，国家“863计划”项目等重要课题30余项；获授权中国发明专利130余件、PCT专利8件；发表期刊论文400余篇（SCI收录220余篇），著有《定子永磁无刷电机?理论、设计与控制》、《微特电机及系统》、《可再生能源发电技术》、《电动汽车的新型驱动技术》、《电机混沌驱动及其应用》等专著和教材，应邀担任《Encyclopedia of Automotive Engineering》（John Wiley & Sons）第三卷主编；论著被国内外学者大量引用，2014年以来连续入选爱思唯尔“中国高被引学者榜”。 以第一完成人获2016年国家技术发明奖二等奖、2019年江苏省科学技术奖一等奖、2015年中国机械工业科学技术奖一等奖、2013年教育部自然科学奖一等奖、2018年江苏省专利发明人奖、2018年中国产学研合作创新奖、2019年江苏省专利金奖等学术奖励，以及IET Achievement Award、SAE Environmental Excellence in Transportation Award、Delta Scholar（中达学者）等国际学术奖励；享受国务院政府特殊贡献津贴。 从教近40年来，共培养博士35人、硕士66人，其中获国家杰出青年基金和长江学者特聘教授3人，全国优博提名2人，IEEE IAS博士论文一等奖1人、三等奖2人，江苏省优博6人、优硕3人，IEEE IAS本科生设计竞赛一等奖2人、二等奖1人，江苏省毕业设计一等奖2人、二等奖1人等；获江苏省研究生教育改革成果一等奖，被评为东南大学首届“十佳我*喜爱的研究生导师”。

序言 前言 第 1 章　 绪论 1 　1. 1　 电机发展历史回顾 1 　1. 2　 经典电机学理论的局限性 4 　 　1. 2. 1　 电机理论呈现碎片化 4 　 　1. 2. 2　 原理分析存在局限性 5 　 　1. 2. 3　 性能分析缺乏统一性 5 　1. 3　 磁场调制电机及其理论的发展概况 6 　1. 4　 本书的总体思路与框架 9 　 参考文献 10 第 2 章　 电机中的气隙磁场调制现象 16 　2. 1　 磁场调制式磁齿轮 16 　 　2. 1. 1　 基本结构与工作原理 17 　 　2. 1. 2　 磁场调制效应的定性分析 19 　 　2. 1. 3　 其他类型的磁齿轮 22 　2. 2　 外转子聚磁式同轴磁齿轮结构及静态特性 24 　 　2. 2. 1　 外转子聚磁式同轴磁齿轮结构 25 　 　2. 2. 2　 静态特性分析 25 　2. 3　 磁齿轮复合电机 30 　 　2. 3. 1　 磁齿轮复合电机拓扑结构 31 　 　2. 3. 2　 磁齿轮复合电机比较分析 32 　2. 4　 外转子聚磁式磁场调制永磁电机 37 　 　2. 4. 1　 FCFMPM 电机基本结构 37 　 　2. 4. 2　 FCFMPM 电机特性分析 38 　 　2. 4. 3　 FCFMPM 电机主要尺寸关系式 53 　 　2. 4. 4　 FCFMPM 样机设计与实验验证 55 　 　2. 4. 5　 与商业化小型风力发电机的比较 60 　2. 5　 初级永磁型游标直线电机 61 　 　2. 5. 1　 LPPMV 电机的基本结构及运行原理 61 　 　2. 5. 2　 LPPMV 电机有限元计算 66 　 　2. 5. 3　 LPPMV 电机实验验证 73 　2. 6　 磁通切换永磁电机 75 　 　2. 6. 1　 FSPM 电机磁场调制机理 75 　 　2. 6. 2　 FSPM 电机电枢反应磁场调制机理 77 　 　2. 6. 3　 FSPM 电机转矩产生机理 81 　2. 7　 双馈电机 82 　 　2. 7. 1　 双馈电机的分类及工作原理 82 　 　2. 7. 2　 级联式无刷双馈电机 84 　 　2. 7. 3　 调制式无刷双馈电机 85 　 　2. 7. 4　 现有无刷双馈电机的共性特点与个性差别 91 　2. 8　 电机原理的统一性 92 　 参考文献 94 第 3 章　 电机气隙磁场调制统一理论 99 　3. 1　 概述 99 　3. 2　 经典绕组函数法及其局限性 100 　 　3. 2. 1　 绕组磁动势分析 100 　 　3. 2. 2　 经典绕组函数法 102 　 　3. 2. 3　 经典绕组函数法的局限性 104 　3. 3　 电机三要素 107 　 　3. 3. 1　 励磁源 108 　 　3. 3. 2　 调制器 109 　 　3. 3. 3　 滤波器 110 　3. 4　 三要素的数学表征 110 ………………………………………………………… 　 　3. 4. 1　 源磁动势 110 ……………………………………………………………… 　 　3. 4. 2　 调制算子 114 ……………………………………………………………… 　 　3. 4. 3　 滤波器 122 ………………………………………………………………… 　 　3. 4. 4　 电机统一模型 124 ………………………………………………………… 　3. 5　 统一转矩分析 126 ……………………………………………………………… 　 　3. 5. 1　 统一转矩方程 126 ………………………………………………………… Ⅷ 　　　 　 　3. 5. 2　 绕线转子凸极同步电机 128 　 　3. 5. 3　 同步磁阻电机 130 　 　3. 5. 4　 笼型感应电机 131 　 　3. 5. 5　 无刷双馈磁阻电机 132 　 　3. 5. 6　 无刷双馈感应电机 133 　 　3. 5. 7　 磁通切换电机 134 　 　3. 5. 8　 聚磁式场调制永磁电机 (永磁游标电机) 143 　 参考文献 146 第 4 章　 磁场调制行为分析 149 　4. 1　 概述 149 　4. 2　 电机内的磁场调制行为与转矩成分 149 　 　4. 2. 1　 同步调制和异步调制行为 150 　 　4. 2. 2　 同步转矩和异步转矩分量 151 　4. 3　 磁场调制行为及转矩成分的关系 152 　 　4. 3. 1　 常见电机拓扑的磁场调制描述 152 　 　4. 3. 2　 常见电机结构转矩成分解析 159 　 　4. 3. 3　 实例分析———无刷双馈电机 161 　4. 4　 不同调制器的磁场调制行为分析对比 168 　 　4. 4. 1　 凸极磁阻调制器磁场调制行为 168 　 　4. 4. 2　 多层磁障调制器磁场调制行为 177 　 　4. 4. 3　 短路线圈调制器磁场调制行为 181 　4. 5　 不同调制器的等效性及互换性 192 　 　4. 5. 1　 不同调制器等效性和互换性分析 192 　 　4. 5. 2　 不同调制器互换及组合实例分析 195 　 　4. 5. 3　 不同调制器互换的性能对比 196 　 参考文献 203 第 5 章　 基于磁场调制理论的电机性能分析与计算 204 　5. 1　 概述 204 　5. 2　 无刷双馈电机 204 　 　5. 2. 1　 无刷双馈电机的定子绕组 205 　 　5. 2. 2　 无刷双馈电机的气隙磁场分布及电感特性 207 　 　5. 2. 3　4/ 2 对极无刷双馈磁阻电机的定量分析 217 　5. 3　6/ 8 极磁通反向永磁电机 231 　 　5. 3. 1　 结构参数对磁场调制效果的影响 233 Ⅸ 　　　 　 　5. 3. 2　 磁场调制行为 235 　 　5. 3. 3　 实验验证 238 　5. 4　 笼型感应电机及电励磁凸极同步电机的统一分析 241 　 　5. 4. 1　 磁场调制行为 242 　 　5. 4. 2　 电磁特性分析 246 　 　5. 4. 3　 实验验证 250 　 参考文献 252 第 6 章　 电机拓扑结构创新 255 　6. 1　 创新方法 255 　 　6. 1. 1　 改变励磁源 256 　 　6. 1. 2　 改变调制器 257 　 　6. 1. 3　 改变滤波器 257 　 　6. 1. 4　 改变三要素的相对位置 257 　 　6. 1. 5　 改变三要素的相对运动状态 258 　6. 2　 Π 型铁心双凸极永磁电机 259 　 　6. 2. 1　 电机结构与运行原理 259 　 　6. 2. 2　 性能分析与比较 266 　 　6. 2. 3　 样机与实验结果 268 　6. 3　 定子永磁型旋转变压器 270 　 　6. 3. 1　 基本结构与工作原理 270 　 　6. 3. 2　 奇数极的问题与磁场调制解决方法 274 　6. 4　 磁通反向永磁电机 278 　 　6. 4. 1　 基于磁场调制理论的空载感应电动势分析278 　 　6. 4. 2　 空载感应电动势及其谐波分布 285 　6. 5　 整距绕组磁通切换永磁电机 287 　 　6. 5. 1　 电机结构与运行原理 287 　 　6. 5. 2　 关键尺寸参数设计 289 　 　6. 5. 3　 比较分析 292 　6. 6　 转子永磁型磁通切换电机 292 　 　6. 6. 1　 电机结构及基本电磁特性 293 　 　6. 6. 2　 转子永磁型磁通切换电机转矩产生机理 305 　6. 7　 双转子磁齿轮功率分配电机 313 　 　6. 7. 1　 MGPSM 电机的基本结构与工作原理 313 　 　6. 7. 2　 MGPSM 电机的工作模式 315 　 　6. 7. 3　 MGPSM 电机磁路不对称现象及影响 317 　　　 　 　6. 7. 4　 互补式 MGPSM 电机的原理与实验验证 321 　6. 8　 定子超导励磁磁场调制电机 331 　 　6. 8. 1　 定子超导励磁磁通切换电机 332 　 　6. 8. 2　 双定子磁场调制超导励磁电机 334 　 　6. 8. 3　 磁场调制超导电机的技术难点与展望 337 　 参考文献 338 第 7 章　 磁场调制理论的其他应用 343 　7. 1　 概述 343 　7. 2　 无刷双馈电机的径向力分析 344 　 　7. 2. 1　 电机内的电磁振动和噪声 344 　 　7. 2. 2　 电机内的径向力分析 344 　 　7. 2. 3　 电机内的径向力计算 345 　 　7. 2. 4　 无不平衡磁拉力的极对数组合 357 　7. 3　 无轴承单极和交替极永磁交流电机的悬浮绕组设计 357 　 　7. 3. 1　 绕组变极设计原理 358 　 　7. 3. 2　 方案 1: 跨距 y= 4 359 　 　7. 3. 3　 方案 2: 跨距 y= 5 362 　 参考文献 365