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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

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

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 具有分布式导体的定子绕组109

8.2 正弦电流片111

8.3 定子磁场分量111

8.3.1 磁场的轴向分量112

8.3.2 磁场的切向分量114

8.3.3 磁场的径向分量116

8.4 定子磁场回顾119

8.5 用矢量表示的磁场120

8.6 转子磁场分量123

8.6.1 转子磁场的轴向分量125

8.6.2 转子磁场的切向分量125

8.6.3 转子磁场的径向分量126

8.6.4 转子磁场各组成分量的总结128

8.7 用矢量形式表示磁场的准则128

第9章 磁能、磁通和转矩130

9.1 定子磁场和转子磁场的相互作用130

9.2 气隙磁场中的能量132

9.3 电磁转矩134

9.3.1 电磁转矩表达式135

9.4 单匝线圈磁通和绕组磁通136

9.4.1 定子单匝线圈中的磁通137

9.4.2 转子单匝线圈中的磁通138

9.4.3 绕组磁通140

9.4.4 绕组磁通矢量142

9.5 绕组轴线和磁通矢量143

9.6 定子磁通矢量和转子磁通矢量的矢量积144

9.7 电磁转矩产生的条件146

9.8 电磁转矩和电机尺寸之间的关系148

9.9 旋转磁场149

9.9.1 两相正交绕组系统150

9.9.2 三相绕组系统153

第10章 电动势156

10.1 变压器电动势和运动电动势156

10.2 单匝线圈中的电动势157

10.2.1 计算穿过单匝线圈的磁通的一阶导数157

10.2.2 各个导体产生电动势的总和158

10.2.3 单匝线圈中的电压平衡159

10.2.4 电动势波形159

10.2.5 电动势的均方根值（rms）160

10.3 绕组中的电动势161

10.3.1 集中绕组161

10.3.2 分布绕组161

10.3.3 短距系数162

10.3.4 分布系数166

10.3.5 相带中的谐波表达式167

10.4 复励绕组中的电动势170

10.5 谐波170

10.5.1 分布绕组中的电动势172

10.5.2 各种谐波176

10.5.3 绕组电动势的峰值和均方根值178

第11章 直流电机介绍181

11.1 结构和工作原理182

11.2 定子结构182

11.3 他励直流电机183

11.4 转子导体中的电流183

11.5 机械换向装置185

11.6 转子绕组185

11.7 换向189

11.8 换向过程191

11.9 转子绕组的制作192

11.10 换向问题196

11.11 转子磁场199

11.12 电路和磁路200

11.13 磁路200

11.14 电路201

11.15 直轴和交轴202

11.15.1 矢量表示203

11.15.2 定子总磁通203

11.15.3 电机中的总磁通203

11.16 电动势和电磁转矩204

11.16.1 电枢绕组中的电动势204

11.16.2 转矩的合成206

11.16.3 转矩和电动势的表达式207

11.16.4 电动势Ea的计算208

11.16.5 转矩的计算208

第12章 直流电机的建模与应用210

12.1 励磁绕组的电压平衡方程211

12.2 电枢绕组的电压平衡方程212

12.3 转子速度的变化213

12.4 数学模型214

12.5 永磁直流电机214

12.6 模型的框图215

12.7 转矩控制216

12.8 稳态等效电路217

12.9 机械特性218

12.10 机械特性的性能220

12.11 转速控制221

12.12 直流发电机223

12.13 直流电机供电的拓扑结构224

12.13.1 电枢功率供应要求225

12.13.2 7-Ω图和U-I图中的四个象限226

12.13.3 电源的四个象限227

12.13.4 脉冲宽度调节231

12.13.5 电流脉动234

12.13.6 功率变换器的拓扑结构237

第13章 直流电机的特性240

13.1 额定电压240

13.2 机械特性241

13.3 自然特性241

13.4 额定电流241

13.5 热模型和间歇工作242

13.6 额定磁通245

13.7 额定转速245

13.8 弱磁246

13.8.1 高速运行246

13.8.2 弱磁时的转矩和功率246

13.8.3 磁通变化248

13.8.4 电动势的改变248

13.8.5 电流变化248

13.8.6 转矩变化248

13.8.7 功率变化248

13.8.8 弱磁运行需要的条件248

13.9 暂态特性249

13.10 稳态运行区域250

13.11 功率损耗和功率平衡250

13.11.1 供电功率250

13.11.2 励磁绕组的功率损耗250

13.11.3 电枢绕组的功率损耗251

13.11.4 机电能量转换的功率251

13.11.5 铁耗（PFe）251

13.11.6 机械损耗（PF）251

13.11.7 旋转造成的损耗（PFe+PF）252

13.11.8 机械功率252

13.12 额定值和标称值252

13.13 铭牌值253

第14章 感应电机255

14.1 结构和运行规则255

14.2 磁体256

14.3 笼型转子与绕线式转子258

14.4 三相定子绕组259

14.5 旋转磁场261

14.6 转矩产生的原则262

14.7 转矩表达式263

第15章 感应电机的建模265

15.1 稳态和暂态现象的建模265

15.2 数学模型的结构266

15.3 三相电机和两相电机267

15.4 克拉克变换270

15.5 两相等效电路271

15.6 恒定式273

15.6.1 K=1时的克拉克变换276

15.6.2 K=？时的克拉克变换276

15.6.3 K=2/3时的克拉克变换277

15.7 两相等效绕组277

15.8 定子绕组的模型278

15.9 电压平衡方程279

15.10 笼型转子的建模279

15.11 转子绕组的电压平衡方程282

15.12 电感矩阵282

15.13 漏磁通与主磁通283

15.14 磁耦合284

15.15 L矩阵285

15.16 转子侧变量向定子侧转化285

15.17 数学模型286

15.18 缺点287

15.19 在同步坐标系中建模290

15.20 帕克变换290

15.21 变换矩阵291

15.22 转子变量变换292

15.23 向量和复数293

15.24 dq坐标系下的电感矩阵294

15.25 dq坐标系下的电压平衡方程296

15.26 电气子系统296

第16章 感应电机的稳态运行298

16.1 输入功率298

16.2 转矩表达式299

16.3 转差率299

16.4 机械功率与损耗300

16.5 稳态运行301

16.6 与变压器的类比303

16.7 转矩和电流的计算305

16.8 稳态转矩306

16.9 标幺值309

16.10 动态转矩的相对值311

16.11 稳态电路的参数313

16.12 机械特性分析319

16.13 小转差率下的电机运行321

16.14 大转差率下的电机运行322

16.15 并网的感应电机的起动323

16.16 极限转矩和极限转差323

16.17 克劳斯方程325

16.18 静态平衡和非静态平衡326

16.19 连续工作的稳定区间326

16.20 损耗和功率平衡328

16.21 铜耗、铁耗和机械损耗328

16.22 机械内功率328

16.23 电压和磁通的关系329

16.24 功率平衡330

第17章 异步电机变频调速332

17.1 电网供电电机的转速变化332

17.2 电压改变333

17.3 绕线转子电机334

17.4 变极对数337

17.5 多极电机的特性339

17.5.1 电网供电的多极电机340

17.5.2 由静态功率变换器供电的多极电机340

17.5.3 多极电机的缺点340

17.6 双速定子绕组342

17.7 相关符号343

17.8 变频电源供电344

17.9 变频电源344

17.10 电源转换器的拓扑结构345

17.11 脉冲宽度调制346

17.12 输出电压的平均值346

17.13 正弦输出电压347

17.14 PWM波形的频谱348

17.15 电流纹波348

17.16 频率控制350

17.17 弱磁352

17.18 稳态和瞬态运行区354

17.19 稳态运行的限制355

17.19.1 RI补偿356

17.19.2 临界转速356

17.20 感应电机的结构358

17.20.1 电网供电的电机358

17.20.2 变频感应电机361

第18章 同步电机363

18.1 运行原理363

18.2 定子绕组364

18.3 旋转磁场365

18.4 转矩的产生367

18.5 同步电机的结构369

18.6 定子磁路369

18.7 转子的结构370

18.8 励磁绕组的供电372

18.9 旋转变压器励磁372

18.10 永磁体励磁374

18.11 永磁体材料特性375

18.12 永磁体的磁路377

18.13 表贴式和内埋式磁体377

18.14 永磁电机的特性379

第19章 同步电机的数学模型381

19.1 同步电机的建模381

19.2 磁动势382

19.3 两相等效383

19.4 克拉克三相／两相变换384

19.5 电感矩阵和电压平衡方程386

19.6 帕克变换388

19.7 dq系中的电感矩阵389

19.8 用复数表示矢量390

19.9 电压平衡方程391

19.10 隐极电机（各向同性电机）的电气子系统392

19.11 隐极电机中的转矩393

19.12 凸极电机（各向异性电机）394

19.13 磁阻转矩395

19.14 磁阻电动机396

第20章 稳态运行399

20.1 稳态时的电压平衡方程399

20.2 等效电路400

20.3 电流、电压的峰值和有效值401

20.4 隐极电机的矢量图402

20.5 凸极电机的矢量图406

20.6 凸极电机的转矩407

20.7 随功角变化的转矩407

20.8 机械特性408

20.9 由刚性电网供电的同步电机409

20.10 同步发电机的运行409

20.10.1 涡轮机功率的增加410

20.10.2 频率的增加411

20.10.3 无功功率和电压变化412

20.10.4 功角变化412

第21章 同步电机瞬态运行415

21.1 机电时间常数415

21.2 同步电机的位置416

21.3 LC阻尼电路418

21.4 同步电机的阻尼420

21.5 阻尼绕组421

21.6 同步电机的短路422

21.6.1 直流分量423

21.6.2 ISC1的计算424

21.6.3 ISC2的计算425

21.6.4 ISC3的计算427

21.7 瞬态和次瞬态现象430

21.7.1 时间间隔1430

21.7.2 时间间隔2431

21.7.3 时间间隔3431

第22章 同步电机变频技术432

22.1 逆变器供电的同步电机432

22.2 转矩控制原理433

22.3 电流控制原理434

22.4 弱磁控制438

22.5 暂态和稳态运行区域440

参考文献442