电机及其传动系统

本书靠前章和第2章讲述了电机的基本结构和基本电磁学定律，第3章讲述了直流电机的基本工作原理和调速方法，第4～7章讲述了交流电机的基本工作原理和调速方法，第8章简要地介绍了本书涉及的电力电子技术，第9章介绍了一种新颖的基于仿真技术的电机传动系统设计方法。

Shaahin Filizadeh博士，分别于1996年和1998年，在伊朗获得谢里夫理工大学电气工程专业的学士和硕士学位。于2004年获得曼尼托巴大学的博士学位。目前，他为该校的副教授。
Filizadeh博士的研究方向为电力电子、电力系统仿真、电气传动、混合动力机车驱动及优化技术，是多个IEEE工作组的研究团队成员，担任感应电机建模研究团队的负责人，同时为曼尼托巴省的一名专业注册工程师。

译者序
前言
致谢
作者简介
第1章电机的物理基础
1.1引言
1.2感应和相互作用定律：定性讨论
1.3感应和相互作用定律：深入讨论
1.3.1线圈中的感应电压
1.3.2感应电流和相互作用定律
1.3.3一个简单的电动机：运动中的相互作用定律
1.3.4感应定律和相互作用定律的共同作用
1.4电机系统的能量转换
1.4.1利用相互作用定律计算转矩
1.4.2基于能量守恒原理的能量转换分析
1.4.3线性系统的能量转换
1.5磁路的非线性现象
1.5.1线性铁心的解
1.5.2非线性铁心的解
1.5.3考虑磁滞因素
1.6结束语
习题
参考文献
第2章交流电机原理
2.1引言
2.2交流电机绕组的布置
2.2.1集中绕组
2.2.2短距绕组
2.2.3分布式绕组
2.2.4正弦分布式绕组
2.3多相电机的绕组
2.3.1三相集中绕组
2.3.2三相正弦分布式绕组
2.4增加极数
2.4.1单相多极绕组
2.4.2三相绕组布置
2.4.3多极电机的旋转磁场
2.5绕组布置实例
2.6绕组的电感
2.6.1简单圆形转子电机的自感和互感
2.6.2凸极转子电机的自感和互感
2.6.3分布式绕组的电机互感
2.6.4交流电机的分析方法
习题
第3章直流电机原理
3.1引言
3.2简单的直流电机
3.2.1直流电机的感应电压及其整流
3.2.2换向过程及要求
3.3直流电机中主磁场和电枢的相互作用
3.4他励直流电机的动态模型
3.5稳态性质及其传动系统的原理
3.5.1稳态运行
3.5.2传动系统
3.6直流电机的闭环速度控制
3.6.1基本调压速度控制环
3.6.2带有电流内环的调速系统
3.7调速系统的变流器电路
3.8结束语
习题
参考文献
第4章感应电机模型
4.1引言
4.2在abc坐标系上的电机方程
4.3电机方程的坐标变换
4.3.1坐标变换的原理
4.3.2磁链方程和电压方程的变换
4.3.3电机转矩方程的变换
4.4稳态模型的推导
4.5等效电路参数的确定及处理
4.6结束语
习题
参考文献
第5章感应电机的稳态控制方法
5.1引言
5.2稳态模型分析
5.3控制方法简介
5.4定子电压控制
5.5定子频率控制
5.6恒V/f控制
5.7定子电流控制
5.8结束语
习题
参考文献
第6章感应电机的高性能控制方法
6.1引言
6.2磁场定向（矢量）控制
6.2.1其他实现方法
6.2.2其他类型的磁场定向控制
6.3直接转矩控制
6.3.1直接转矩控制的原理
6.3.2定子磁链和转矩估计器
6.4结束语
习题
参考文献
第7章同步电机的高性能控制方法
7.1引言
7.2三相永磁同步电机模型
7.2.1在ABC三相坐标系中的电机模型
7.2.2转矩方程推导
7.2.3转子参考坐标系中的电机方程
7.2.4稳态模型
7.3PMSM的转矩控制
7.3.1转矩和速度控制原理
7.3.2实际问题
7.4结束语
习题
参考文献
第8章电机驱动用电力电子电路
8.1引言
8.2交流电源变换
8.2.1三相AC-DC整流器
8.2.2AC-AC变换：三相交-交变流器
8.3直流电源的变换
8.3.1两电平VSC开关单元
8.3.2可控直流电压
8.3.3可控交流电压
8.3.4可控交流电流
8.3.5AC-DC-AC变流器
8.4电力电子电路的实际问题
8.4.1转矩波动
8.4.2开关损耗
8.4.3噪声和电磁辐射
8.5结束语
习题
参考文献
第9章基于仿真技术的电机传动系统设计
9.1引言
9.2基于仿真技术的优化设计方法
9.2.1目标函数的设计
9.2.2非线性优化算法的必要条件
9.3电机传动系统的优化设计实例
9.3.1间接矢量控制系统的优化设计
9.3.2多目标优化
9.3.3多最优解
9.4结束语
参考文献
附录A：动态系统的数字仿真
A.1引言
A.2动态系统的状态空间表示法
A.3Euler数字积分法
A.4结束语
习题
参考文献
附录B：功率半导体器件
B.1引言
B.2不控型开关器件
B.3半控型开关器件
B.4全控型开关器件
B.5结束语
参考文献
附录C：三角恒等式
C.1基本运算
C.2和差与乘积
C.3组合公式

在现代生活中，电机具有重要的作用，但是又经常不为人们所察觉。对于我们的生活，电能已经不可或缺，而电能就是利用电机产生的，许多设备也是由各种各样的电机驱动的。很难想象，如果没有电机，我们的世界会成为什么样子；也很难评估，电机给我们的生活带来了多么大的便利。
很长一段时间内，关于电机的研究是电气工程领域的主要研究内容。然而，在过去的二三十年间，电机领域的研究有减弱的趋势。而关于数字和计算机系统方面的研究成为了许多大学的主要研究内容。
在最近一段时间，电机技术被应用到了许多新生的和飞速发展的大功率场合，例如，可再生能源发电项目、电动汽车和混合动力汽车等。在电力电子领域和控制系统领域出现了很多的新技术，也给电机的发展注入了新的活力。本书的目的在于通过对电机的物理原理和传动系统的运行原理的学习，激发出学生对电机及传动系统的兴趣。
章节概述
本书共包含9章和3个附录。第1章和第2章讲述电机的基本物理原理，介绍了电磁感应定律和相互作用定律，通过大量的例子阐明了这些原理在电机学中的重要作用。第3章讲述了直流电机的相关内容。首先，讲述直流电机的运行原理。然后，讲述了一个简单的动态模型，在此基础上介绍了速度和转矩的控制方法。第4~6章讲述了感应电机的相关内容。在介绍了感应电机物理原理的同时，还讲述了感应电机建模、基于稳态的传动系统和高性能传动系统等方面的内容。第7章介绍了永磁同步电机的建模和高性能控制等问题。第8章讲述了在电机传动系统中用到的电力电子技术。在研究现代电机及其传动系统时，计算机仿真技术是不可或缺的。该技术是对传统分析方法强有力的发展，另外，在电机设计中，计算机工具也应用得越来越广泛。第9章讲述了基于仿真技术的电机传动系统的优化设计方法。
附录A对动力系统的数值仿真技术进行了介绍，这部分内容是非常重要的。在这部分内容的基础上，学生可以编写自己的仿真代码，利用自己建立的计算机模型，进行相关仿真实验。
附录B对功率半导体器件进行了介绍。
附录C列出了三角函数的基本公式。
计算机工具和技术
在本书中，使用了许多计算机工具和技术，主要包括以下三种：
1对于简单的问题，利用在附录A中介绍的相关技术进行数字仿真，使用的计算机工具为MATLAB。
2利用Mathcad进行绕组波形、电感波形的分析和相关计算。
3基于PSCAD/EMTDC软件，对电力电子电路驱动的电机系统进行瞬态仿真。PSCAD/EMTDC具有强大的建模和仿真能力，尤其适用于对大功率电力传动系统进行仿真，是一种被广泛应用的商业软件。
可以通过出版商获得这些仿真程序。可以在WWWPSCADCOM网站免费下载学生版的PSCAD/EMTDC软件。还可以根据相关说明，通过出版商获得本书的幻灯片和习题答案。
前言教学方法
对本书内容进行少量改动，即可作为高年级本科生和研究生的一个学期的教学内容。根据学生的学习背景和是否学过电力电子技术，教师可对第8章内容进行取舍，还可以适当补充相关材料（例如，DC-DC变流器）。教师根据教学大纲的特殊要求，可以对第9章的内容进行取舍。
需要特别注意本书中的仿真内容，可以把仿真实例作为进一步仿真的基础，还能通过布置仿真作业和仿真项目对其进行完善。
在每章的习题部分，提供了大量的学习材料，通过这些习题，可以对每章的知识点进行复习和深化，利用这部分内容还引入了一些额外知识。