国际电气工程先进技术译丛 电机.pdf

国际电气工程先进技术译丛电 机塞尔维亚 斯洛博丹 N.乌克塞维克（Slobodan N.Vukosavic）著 余龙海 刘光军 廖育武 译机 械 工 业 出 版 社 本书基本覆盖了电机在它们的典型应用领域的功能，采用坐标变换是为了努力得到一个更直观、简洁和易于使用的模型本书尽量缩减了数学推导的篇幅，优先考虑培养电机的系统概念、解释电机的电端口和机械端口的使用和外部特性 本书覆盖了大多数与电机尺寸、转矩和功率相关的概念，解释了损耗和次生影响，勾勒了可以忽略次生影响的工况和条件尽管研究和使用电机的数学模型、等效电路和机械特性的目标贯穿于本书，机电转换过程的物理内涵才是本书始终关注的焦点 本书还包括了诸如槽型、永磁体位置以及它们对电机参数和性能的影响等内容本书适用于电气工程专业的本科生，可作为电机的入门课程 本书也推荐给准备做毕业论文的学生，他们需要考虑对电机理解、建模、电源控制和电机的具体说明 另外，本书也可作为电动机和发电机相关的工程人员的有益的参考书译者序电机学历来是电类专业的必修课，是电气工程专业的技术基础课程 电机发明至今，已有两百多年的历史 电机学科已经发展成为一个比较成熟的学科，电机工业也已成为近代社会的支柱产业之一，在工业文明的发展中起着关键、重要的作用Electrical Machines 一书是 2013 年在美国出版的电机学领域的最新著作 作者 Slobodan N.Vukosavic 是塞尔维亚贝尔格莱德大学电气工程专业的教授 SlobodanN.Vukosavic 教授多年来为电机技术的教学与普及工作做出了巨大的贡献本书详细介绍了电磁场基础理论、机电转换原理、旋转电机、直流电机模型及特性、感应电机模型及特性、变速感应电机、同步电机的数学模型、稳态及瞬态特性及变频同步电机等内容，涵盖了电机基础理论与电机特性及模型的整个体系本书深入浅出、详尽易懂，非常适合用作电气工程类专业本科生的教材，也可作为电气工程师的参考书前言本书是专为电气工程专业大学生而编写的，以作为他们在电机领域的第一门课程的教材 这本书也推荐给要准备毕业设计的同学，他们需要理解电机的原理、建模、供能、控制以及电机的分类；同时，本书也可以作为其他工科学生在涉及电动机和发电机的基本理论时的参考书 本书也推荐给那些有志于机电能量转换和需要处理电机驱动和发电系统的研究生和工程技术人员 不同于电机领域的其他书籍，读这本书时不需要高深的背景知识 本书的作者试图以工程学科的规范来指引学生、工程师等读者，而不是电气学科的规范本书提供了那些应该被未来工程师所掌握的基础知识 我们使用基础的工程理解来直观地介绍电磁能量转换的原则，这样可以很容易记忆和回顾 本书让读者理解电机的电气和机械关键特性，让读者分析电机的稳态和动态特征，让读者理解能量转换中损耗、效率和冷却的基本概念，理解如何去优化电机稳态和动态运行时的安全运行范围，理解电机的供电电源和静止功率转换器，理解直流电机、感应电机和同步电机的一些基本区别，了解电动机和发电机的一些典型运用场合大学二年级的工科类学生需要开拓电机领域的知识和掌握电机领域的必备技能 这本书种类齐全，它包含了问题、答案和在学习过程中需要综述时的问题解答过程 每一章都包含了一些合适的练习、问题和设计任务，这些内容是为了让读者回顾和使用相关的知识 在有需要的地方，本书中还提供了扩展提要，以及所需知识和前提的解释 本书中所使用方式和方法来自于作者在贝尔格莱德大学教授电机学 16 年来的经验读者：本书最适合二年级或者三年级的电气工程专业大学本科生，以作为他们在电机领域的第一门课程的教材 这本书也推荐给那些将电机驱动、可再生能源和其他一些包含机电能量转换领域作为自己研究方向的工科研究生，同时推荐给那些毕业设计中包含了电机和电磁装置驱动领域相关知识的同学们 本书也可以作为在其他工程规范中涉及了电动机和发电机的工程师们的参考书预备知识：学习本课程前所需要的背景知识包括数学、物理和在之前的学期中已经学习过的很多当代工科课程中的基础工程学 电机课程的学习和技能扩展过程最适合于工科二年级的学生 学习所需要的预备知识不包括空间导数和电磁场理论 本书对于读者而言是通俗易懂的，阅读它不需要电磁学、电路理论、数学和工程物理课程很强的背景知识 阅读本书所必需的背景知识包括基础电磁学和磁学、交流电路和直流电路以及包含有复数和矢量的基本计算能力 本书的作者试图以工程学科的规范来指引学生、工程师等读者，而不是电气学科的规范 在有需要的地方，这本书中还提供了扩展提要，以及所需知识和前提的解释 本书回顾和囊括了那些对于理解分析和扩展有帮助的基础知识目标：1）使用基础的工程理论来介绍机电能量转换的原则以及电机的基础种类和应用2）介绍了做为工程技术人员必须掌握的电机基础的知识和技能 包括电机中电气和机械的关键特性3）为工程师提供简易的通用参考文献4）培养分析电机稳态和动态特性的基本技能，了解电机能量转化损失、效率和散热的概念5）掌握几种主要类型电机的机械特性和稳态等效电路6）理解直流电机、感应电机和同步电机的基本不同点，学习和比较它们的稳态运行区域和暂态运行区域7）学习和理解工频电源供电和变频器供电的交流电机的特性，比较它们的特点并熟悉它们的典型应用8）理解电机电源的基本技术要求，学习几种常用的静止变频电源的基本拓扑结构和特点9）研究弱磁控制并分析直流电机和交流电机在恒定磁场区间和恒定功率区间的特点10）掌握计算功率转化时损耗、温升和冷却方法的技能 掌握热模型和间歇加载的知识11）介绍和解释电流、电压、磁链、转矩、功率和转速的额定值和标称值教学方法：1）重点是对系统的概观 解释电机的外部特征 其中电能和机械能的转换 设计和结构方面是第二重要的内容，也许超越了本书的范畴2）在需要的地方，讲解单元的介绍部分由那些通过解决问题所需要的背景知识组成3）数学推导部分被减小为尽可能地少 空间导数和麦克斯韦方程的微分形式是不需要掌握的4）本书始终坚持研究并使用电机数学模型、等效电路和机械特性的目标 同时，电磁转换过程的物理特点被关注 后者需要对于转换损耗的合适理解并掌握典型电机单位功率、单位转矩和每安培转矩比率的基本特点5）虽然电机设计超越了本书的范畴，一些关于估算电机尺寸、转矩、功率、惯性和损耗的最相关的概念和技能也被介绍和解释 本书也解释了一些次生的损耗前 言和效应，并指出了次生现象不能被忽略的情况和条件应用场合：本书给出了直流电机、感应电机和同步电机的等效电路、动态模型和机械特性，概述了电机结构的基本信息，包括磁路和绕组，虽然设计电机超越了本书的范畴 在本书中，电机的应用被分成了两组：恒压恒频供电的电机；由静止变换器供电的变压变频电机 一些设计恒频和变频运行电机的重要的设计细节被包含在本书之中 本书概述了直流电机和交流电机传动中使用到的静止功率变换器的拓扑结构 本书也提供了在额定值和标称值下，以及连续和间歇加载情况下的损耗、发热和冷却方法的基本信息 对于一些最常见的电机，本书提供了并解释了稳态运行区域和暂态运行区域，以及恒定磁场运行区域和弱磁磁场运行区间电 机致谢感激 Milo Petrovic教授、Dragutin Salamon 教授、Jozef Varga 教授和 Aleksandar Stank-ovic教授等通读本书的第一版并提出了改进的建议感谢那些提供了技术协助的年轻同事、助教、研究生、博士生同学和青年教授，他们帮助准备了一些问题和答案的解答，通读了本书的各个章节、评论并建立了索引词研究助理 Nikola Popov 和 Dragan Mihic 在准备本书的手稿、图、表时提供了大量的技术支持作者也希望感谢 Ivan Pejcic、Ljiljana peric，Nikota Vukosavic、Darko Marcetic，PetarMatic，Branko Blanusa，Dragomir Zivanovic，Mladen Terzic，Milos Stojadinovic，NikolaLepojevic，Aleksandar Latinovic 和 Milan Lukic 等人目录译者序前言致谢第 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目 录 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电 机 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