《微特電機》系統(tǒng)地介紹了各種微特電機運行原理、性能特點和設(shè)計方法等內(nèi)容。全書共分三篇:上篇介紹通用基礎(chǔ)理論,分別從電磁理論基礎(chǔ)、磁路分析與永磁磁路、交流繞組基礎(chǔ)、損耗與發(fā)熱、振動、噪聲與電磁兼容、電機常用分析方法等方面進行詳細講述;中篇介紹伺服與控制電機,從電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)的共性問題出發(fā),主要講述了永磁直流電動機、永磁交流伺服電動機、感應(yīng)伺服電動機、開關(guān)磁阻電機、步進電動機和傳感器等;下篇介紹驅(qū)動與特種電機,主要講述同步電機、單相電機、交直流兩用電動機、直線電機、磁滯電動機、超聲波電機等。
本書內(nèi)容新穎豐富,涵蓋面廣,水平較高,實用性強,對從事微特電機設(shè)計、研發(fā)、管理和銷售等相關(guān)人員在理論和實踐上都有一定指導(dǎo)作用,還可作為電氣工程師和相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員以及高等院校相關(guān)專業(yè)師生的參考書。
我國微特電機行業(yè)經(jīng)過五十多年的發(fā)展,其生產(chǎn)規(guī)模已躍居世界第一。和我國制造業(yè)一樣,微特電機行業(yè)也正經(jīng)歷著由大變強的轉(zhuǎn)變?梢灶A(yù)計,今后10~20年將是我國微特電機行業(yè)非常重要的發(fā)展變革時期,特別是《中國制造2025》的發(fā)布和實施,一定會激勵我國制造業(yè)大步前行。而作為高端裝備制造業(yè)中的核心零部件,微特電機在其中起著技術(shù)引領(lǐng)、支撐與保障作用;同時隨著家庭平均擁有微特電機數(shù)量的不斷增加,其性能、質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著人們的生活品質(zhì)。我們堅信,中國微特電機的盛世即將來臨。乙未仲夏,恰逢西安微電機研究所成立50周年。對西微所而言,可謂風(fēng)雨兼程半世紀(jì)。曾經(jīng)歷經(jīng)輝煌,也曾經(jīng)受磨礪,在風(fēng)浪中前行。作為西微所的一員,更作為微電機行業(yè)的老兵,不禁浮想聯(lián)翩,夜不能寐,總想為西微所、乃至為微特電機行業(yè)留下點紀(jì)念,于是便有了寫書的念頭,了卻一份情結(jié)!想好了便做,于是邊工作,邊構(gòu)思,歷經(jīng)數(shù)月,之后又拉了幾個同事一起,前后一年有余。中間也有過徘徊,然而這本《微特電機》終于還是與讀者見面了。
微特電機具有鮮明的技術(shù)特征,并非傳統(tǒng)意義上大、中、小電機向下的自然延伸,已經(jīng)成為電機技術(shù)領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿妥罨钴S的分支,它不僅廣泛使用于經(jīng)濟建設(shè)和人民生活的各個領(lǐng)域,而且已經(jīng)成為運控裝置和智能化裝備中的關(guān)鍵核心部件。本書堅持全面、實用和新穎的原則,比較系統(tǒng)地介紹了各類微特電機的原理和結(jié)構(gòu)、性能和參數(shù)、設(shè)計和制造以及控制方法和特點等,力求使讀者對微特電機有比較全面和詳細的了解。
全書分為上、中、下三篇。上篇為通用基礎(chǔ)理論,力求從新的視角,用新的思路對電機的基礎(chǔ)理論和常用技術(shù)進行簡明的分析討論,內(nèi)容涉及電磁理論基礎(chǔ)、磁路、繞組、損耗與發(fā)熱、振動與噪聲、電磁兼容以及常用的電機分析方法等。中篇討論的是伺服與控制電機,主要介紹永磁直流電動機、永磁交流伺服電動機、磁阻類伺服電動機以及伺服系統(tǒng)用傳感器等內(nèi)容,這部分是今后相當(dāng)長時間微特電機主要技術(shù)發(fā)展趨勢。下篇為驅(qū)動與特種電機,內(nèi)容包括永磁同步電機、單相電機、直線電機、串激電機、低速同步電機、磁滯電機和超聲波電機。除了超聲波電機是新品種、磁滯電動機較少應(yīng)用外,其他品種電機已獲得廣泛使用。對于某些微特電機如測速發(fā)電機等,現(xiàn)在已很少使用,但為了保證成書的完整性,仍然予以保留;而對于有些非電磁原理的特種電機,如磁滯伸縮驅(qū)動器、記憶合金電機及光熱電機等,因尚處于探索和實驗階段,則未收入本書中。
本書第1~7章、第9章和第10章由莫會成編寫;第8章、第14章、第17章、第19章和第22章由閔琳編寫;第11章由吳玉新和鄢家財編寫;第12章、第13章、第15章、第16章、第20章和第21章由李中軍編寫;第18章由黃大緒編寫。全書由莫會成統(tǒng)稿并審定;張樸和牒正文負責(zé)總校訂。西安交通大學(xué)拾以厚和西安科技大學(xué)莫為兩位研究生也參與了其中部分內(nèi)容的編寫工作。
書中部分內(nèi)容體現(xiàn)了作者多年來的研究成果和西微所同事們的經(jīng)驗體會,在編寫過程中參閱了大量技術(shù)文獻,其主要部分已列在參考文獻目錄中。這里謹對參加本書編寫的作者表示誠摯感謝,同時對家人以及所有參與、關(guān)心和支持編寫工作的同事和朋友們深表謝意。
本書對從事微特電機設(shè)計、研發(fā)、管理和銷售等相關(guān)人員在理論和實踐上都有一定指導(dǎo)作用,還可作為電氣工程師和相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員以及高等院校相關(guān)專業(yè)師生的參考書。
盡管目標(biāo)明確,愿望良好,但由于作者能力和水平所限,內(nèi)容仍有諸多不如意之處,敬請讀者見諒。加之時間匆忙,成稿倉促,錯疏之處懇請讀者指正。
莫會成
乙未年仲夏于長安
前言
上篇 通用基礎(chǔ)理論
第1章 電磁理論基礎(chǔ) 3
1.1 磁場中的幾個基本物理量 3
1.2 麥克斯韋方程組 4
1.3 電磁感應(yīng)定律 5
1.4 洛倫茲力與電磁轉(zhuǎn)矩 8
第2章 磁路分析與永磁磁路 10
2.1 鐵磁材料 10
2.2 永磁材料 12
2.3 磁路基本定律 25
2.4 永磁磁路的分析與計算 28
第3章 交流繞組基礎(chǔ) 36
3.2 幾種常見的交流繞組 38
3.3 正弦磁場下交流繞組的感應(yīng)電動勢 42
3.4 諧波電動勢及其削弱方法 45
3.5 正弦電流時交流繞組的磁動勢 48
第4章 電機的損耗與發(fā)熱 57
4.1 能量守恒原理 57
4.2 損耗分析 57
4.3 電力電子供電下?lián)p耗的修正 62
4.4 電機的發(fā)熱 64
4.5 微特電機的冷卻與工作制 75
第5章 電機的振動、噪聲與電磁兼容 78
5.1 電機振動 78
5.2 電機噪聲 80
5.3 電機的電磁兼容 89
第6章 電機常用分析方法簡述 104
6.1 電機分析的一般過程 104
6.2 電機常用動態(tài)分析方法 106
6.3 坐標(biāo)變換 109
6.4 常用的坐標(biāo)系和坐標(biāo)變換 112
6.5 電機的電磁場 117
6.6 電機中的物理“場”和電機中的多種“路” 128
中篇 伺服與控制電機
第7章 電氣伺服系統(tǒng)概述 135
7.1 概念與分類 135
7.2 基本特性參數(shù) 138
7.3 交流伺服系統(tǒng)的PWM 控制技術(shù) 143
7.4 伺服電動機轉(zhuǎn)矩波動 160
7.5 伺服系統(tǒng)常用的控制策略 165
第8章 永磁直流電動機 171
8.1 概述 171
8.2 工作原理和結(jié)構(gòu) 171
8.3 基本方程和運行特性 178
8.4 電樞反應(yīng) 183
8.5 調(diào)速及控制方法 184
8.6 換向分析 186
8.7 設(shè)計概要 193
8.7.1 額定數(shù)據(jù)和指標(biāo)體系 193
8.7.2 設(shè)計要點 194
8.8 永磁直流力矩電動機 199
8.9 幾種無鐵心永磁直流伺服電動機 205
第9章 永磁交流伺服電動機 210
9.1 電機基本結(jié)構(gòu) 210
9.1.1 電機結(jié)構(gòu) 210
9.1.2 電樞繞組型式 210
9.1.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 211
9.1.3.1 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 211
9.1.3.2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 212
9.1.3.3 混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 213
9.2 永磁無刷直流電動機 214
9.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 214
9.2.2 工作原理 215
9.2.3 性能分析 218
9.2.3.1 參數(shù)與穩(wěn)態(tài)特性 218
9.2.3.2 動態(tài)模型與動態(tài)模擬 220
9.2.3.3 電樞反應(yīng) 221
9.2.4 轉(zhuǎn)矩波動 222
9.2.4.1 定義與原因 222
9.2.4.2 換相與轉(zhuǎn)矩脈動 223
9.2.5 無刷電機的運行模式 226
9.2.5.1 開環(huán)運行 227
9.2.5.2 轉(zhuǎn)矩控制模式 227
9.2.5.3 速度控制模式 227
9.2.5.4 位置控制模式 228
5
9.2.5.5 常用無傳感器位置檢測方法簡介 228
9.3 方波驅(qū)動與正弦波驅(qū)動比較 229
9.3.1 基本概念 229
9.3.2 轉(zhuǎn)矩與反電動勢常數(shù) 230
9.3.3 轉(zhuǎn)矩密度與功率密度 232
9.3.4 轉(zhuǎn)矩波動 233
9.4 永磁交流伺服電動機的動態(tài)模型 233
9.4.1 三相系統(tǒng)下的數(shù)學(xué)模型 233
9.4.2 兩相坐標(biāo)系下的動態(tài)模型 237
9.4.2.1 αβ0坐標(biāo)系中的動態(tài)模型 237
9.4.2.2。洌0坐標(biāo)系中的動態(tài)模型 239
9.4.3 電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩 241
9.5 永磁交流伺服電機的矢量控制 244
9.5.1 電壓極限圓與電流極限圓 244
9.5.2 恒轉(zhuǎn)矩軌跡與最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡 245
9.5.3 犻d=0控制 246
9.5.4 cosφ=1控制 246
9.5.5 最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制 247
9.5.6 弱磁控制 248
9.5.7 不同控制策略下的機械特性 250
9.5.8 永磁交流伺服系統(tǒng)基本構(gòu)成 250
9.6 永磁交流伺服電機直接轉(zhuǎn)矩控制 252
9.6.1 轉(zhuǎn)矩生成與控制 252
9.6.2 電壓矢量與磁鏈軌跡 253
9.6.3 滯環(huán)控制與系統(tǒng) 255
9.6.3.1 滯環(huán)比較器控制 255
9.6.3.2 控制系統(tǒng) 257
9.6.4 磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計 257
9.6.5 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制 259
9.7 永磁交流伺服電機實踐與設(shè)計特點 260
9.7.1 確定任務(wù)目標(biāo) 260
9.7.2 方案與設(shè)計特點 261
第10章 分數(shù)槽集中繞組伺服電動機 266
10.1 概述 266
10.1.1 定義 266
10.1.2 分數(shù)槽電機的優(yōu)點 266
10.2 分數(shù)槽電機的約束條件和極槽配合 267
10.2.1 分數(shù)槽電機極槽約束條件 267
10.2.2 分數(shù)槽電機極槽配合的選擇 268
10.3 繞組系數(shù)和繞組磁動勢分析 272
10.3.2 繞組磁動勢分析 276
10.4 齒槽轉(zhuǎn)矩分析 282
10.4.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)及其產(chǎn)生規(guī)律 282
10.4.2 齒槽轉(zhuǎn)矩分析及削弱方法 282
10.4.2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩分析 282
10.4.2.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱方法 284
10.5 不平衡磁拉力分析 288
10.5.1 不平衡磁拉力產(chǎn)生的原因 288
10.5.2 靜態(tài)(空載)UMP 289
10.5.3 動態(tài)(負載)UMP 291
10.5.4 產(chǎn)生UMP的規(guī)律 294
10.6 需要進一步分析討論的問題 294
第11章 感應(yīng)電動機伺服控制系統(tǒng) 296
11.1 伺服控制方法概述 296
11.1.1 控制方法簡介 296
11.1.2 控制方法分析比較 297
11.2 標(biāo)量控制技術(shù) 299
11.2.1 變壓變頻控制技術(shù) 299
11.2.1.1 控制原理 299
11.2.1.2 機械特性 300
6
11.2.1.3 基頻以下補償控制 301
11.2.2 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制技術(shù) 302
11.2.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù) 304
11.3 矢量控制技術(shù) 308
11.3.1 基本理論 308
11.3.1.1 空間矢量 308
11.3.1.2 坐標(biāo)變換 314
11.3.1.3 任意同步旋轉(zhuǎn)MT坐標(biāo)下的矢量變換 316
11.3.1.4。停宰鴺(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁場定向矢量方程 318
11.3.2 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù) 323
11.3.3 氣隙磁場定向矢量控制技術(shù) 334
11.3.4 定子磁場定向矢量控制技術(shù) 335
11.4 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 336
第12章 步進電動機及驅(qū)動系統(tǒng) 348
12.1 概述 348
12.2 基本工作原理、電磁轉(zhuǎn)矩和結(jié)構(gòu) 349
12.2.2 結(jié)構(gòu)型式 354
12.3 特性 358
12.4 主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù) 359
12.4.1 主要參數(shù) 359
12.4.2 主要性能指標(biāo) 360
7
12.5 驅(qū)動與控制 361
12.5.1 基本原理 361
12.5.2 脈沖分配器 362
12.5.3 恒壓驅(qū)動方式 363
12.5.4 高低壓驅(qū)動方式 364
12.5.5 恒流斬波驅(qū)動方式 365
12.5.6 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動方式 366
12.5.7 微步驅(qū)動方式 367
12.5.8 控制與驅(qū)動芯片 369
12.5.9 步進電動機的控制 370
12.5.9.1 加減速控制 370
12.5.9.2 閉環(huán)控制 371
12.5.9.3 控制器 371
12.6 設(shè)計要點 372
12.6.1 基本結(jié)構(gòu) 372
12.6.2 轉(zhuǎn)子外徑 372
12.6.3 定子主要數(shù)據(jù)和氣隙長度 372
12.6.4 沖片設(shè)計 372
12.6.5 氣隙磁導(dǎo)計算 373
12.6.6 磁通密度和磁動勢 373
12.6.7 繞組設(shè)計 374
12.6.8 最大靜轉(zhuǎn)矩驗算 374
12.6.8.1 磁阻式步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 374
12.6.8.2 混合式步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩 374
12.7 選型 374
12.7.1 步距角的選擇 374
12.7.2 系統(tǒng)的定位精度 374
12.7.3 轉(zhuǎn)矩的選擇 375
12.7.4 阻尼方法的選擇 375
第13章 開關(guān)磁阻電機系統(tǒng) 377
13.1 概述 377
13.1.1 系統(tǒng)組成及原理 377
13.1.1.1 系統(tǒng)組成 377
13.1.1.2 系統(tǒng)基本工作原理 378
13.1.1.3 系統(tǒng)特點 378
13.1.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 379
13.2 開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 381
13.2.1 基本結(jié)構(gòu) 381
13.2.2 工作原理 381
13.2.3 相數(shù)與定、轉(zhuǎn)子齒極數(shù)的關(guān)系 382
13.2.4 繞組連接方式與磁極分布 382
13.2.4.1 繞組連接方式 382
13.2.4.2 極性分布(以四相為例) 382
13.3 基本電磁關(guān)系與特性 383
13.3.1 基本電磁方程 383
13.3.2 相繞組電流 384
13.3.3 電磁轉(zhuǎn)矩與能量轉(zhuǎn)換 385
13.3.4 數(shù)學(xué)模型 386
13.3.5 機械特性 387
13.4 電磁設(shè)計基本原則 387
13.4.1 設(shè)計特點 387
13.4.2 主要技術(shù)參數(shù) 388
13.4.3 輸出方程 388
13.4.4 電磁負荷 389
13.4.5 主要尺寸和主要參數(shù)選擇 389
13.4.6 轉(zhuǎn)矩計算 391
13.4.7 損耗計算 392
13.4.7.1 繞組銅損耗 392
13.4.7.2 鐵心損耗 393
13.5 功率變換器 393
13.5.1 主電路設(shè)計 393
13.5.2 功率變換器的容量 394
13.5.3 開關(guān)器件的選擇 394
13.5.4 輔助電路 395
13.6 控制系統(tǒng) 395
13.6.1 設(shè)計原則 396
13.6.2 控制原理 396
13.6.3 控制器設(shè)計概述 397
8
13.7 檢測與反饋 398
13.7.1 位置檢測 398
13.7.2 電流檢測 398
13.7.3 轉(zhuǎn)速檢測 399
13.8 制動和發(fā)電運行 399
13.8.1 制動運行原理 399
13.8.2 發(fā)電運行 400
13.8.2.1 工作原理 400
13.8.2.2 發(fā)電運行時的控制 400
13.9 特種開關(guān)磁阻電機 401
13.9.1 全距繞組排列的開關(guān)磁阻電機 401
13.9.2 加輔助繞組的開關(guān)磁阻電機 402
13.10 單邊雙勵磁的雙凸極電動機 403
13.10.1 永磁式雙凸極電動機 403
13.10.2 具有直流勵磁的雙凸極電動機 403
13.11 應(yīng)用 404
第14章 伺服系統(tǒng)常用傳感器裝置 405
14.1 概述 405
14.2 旋轉(zhuǎn)變壓器 405
14.2.1 結(jié)構(gòu)和分類 406
14.2.1.1 結(jié)構(gòu) 406
14.2.1.2 分類 406
14.2.2 工作原理 407
14.2.3 主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù) 409
14.2.4 設(shè)計特點 410
14.2.5 多極和雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器 412
14.2.5.1 分類與結(jié)構(gòu) 412
14.2.5.2 工作原理 413
14.2.5.3 多極旋變繞組特點 414
14.2.5.4 主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù) 415
14.2.5.5 設(shè)計特點 416
14.2.6 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器 417
14.2.7 可變差動變壓器(RVDT、LVDT) 420
14.2.7.1 旋轉(zhuǎn)可變差動變壓器(RVDT) 420
14.2.7.2 直線可變差動變壓器(LVDT) 420
14.2.8 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼 420
14.3 自整角機 424
14.3.1 分類 425
14.3.1.1 力矩式自整角機 425
14.3.1.2 控制式自整角機 425
14.3.2 結(jié)構(gòu) 425
14.3.3 工作原理 426
14.3.3.1 力矩式自整角機工作原理 426
14.3.3.2 控制式自整角機工作原理 426
14.3.4 主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù) 427
14.4 測速發(fā)電機 430
14.4.1 分類與特點 430
14.4.2 永磁直流測速發(fā)電機 430
14.4.2.1 基本原理和結(jié)構(gòu) 431
14.4.2.2 輸出特性 431
14.4.2.3 主要技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計制造特點 431
14.4.3 交流異步測速發(fā)電機 432
9
14.4.3.1 基本原理和結(jié)構(gòu) 432
14.4.3.2 輸出特性 433
14.4.3.3 主要技術(shù)指標(biāo)、誤差及其補償 433
14.4.4 其他測速發(fā)電機 433
14.5 光電編碼器 435
14.5.1 增量式光電編碼器 435
14.5.2 絕對式光電編碼器 439
14.5.3 混合式光電編碼器 440
14.6 磁編碼器 440
14.6.1 磁電式編碼器 441
14.6.2 磁阻式編碼器 441
14.7 霍爾位置傳感器 442
14.7.1 開關(guān)型霍爾傳感器 442
14.7.2 線性型霍爾傳感器 443
14.8 溫度傳感器 444
14.8.1 熱敏電阻 444
14.8.2 熱電阻傳感器 445
14.8.3 熱電偶傳感器 445
14.9 電流傳感器 445
下篇 驅(qū)動與特種電機
第15章 永磁同步電動機 451
15.1 概述 451
15.2 結(jié)構(gòu) 451
15.2.3 轉(zhuǎn)子隔磁措施 455
15.3 穩(wěn)態(tài)運行性能 455
15.4 磁路分析與計算 458
15.4.2 空載漏磁系數(shù) 461
15.5 主要參數(shù)計算和分析 464
15.6 異步起動永磁同步電動機 467
15.7 盤式永磁同步電動機 476
15.8 橫向磁通永磁同步電動機 482
15.9 爪極式永磁同步電動機 486
第16章 永磁同步發(fā)電機 490
16.1 概述 490
16.2 轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu) 490
16.3 運行性能、參數(shù)和特性 494
16.4 混合勵磁同步發(fā)電機 498
16.5 永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計特點 501
第17章 單相感應(yīng)電動機 503
17.1 概述 503
17.2 單相感應(yīng)電動機工作原理 504
17.3 單相感應(yīng)電動機的主要類型及用途 506
17.4 單相感應(yīng)電動機的氣隙磁場 511
17.5 單相感應(yīng)電動機的繞組 517
17.6 單相感應(yīng)電動機運行分析 521
17.7 單相感應(yīng)電動機設(shè)計要點 536
17.8 單相感應(yīng)電動機調(diào)速方法 540
17.8.1 L型接法調(diào)速和T型接法調(diào)速 540
第18章 單相串激電動機 544
18.1 概述 544
18.2 運行原理與基本結(jié)構(gòu) 544
18.3 基本電磁關(guān)系 547
18.4 設(shè)計特點 551
18.5 電磁兼容性(EMC)與噪聲 553
第19章 直線電機 556
19.1 概述 556
19.2 直線電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 557
19.3 主要指標(biāo)和參數(shù)及設(shè)計、工藝特點 561
19.4 驅(qū)動與控制 563
19.5 直線電機的應(yīng)用與選用原則 565
19.6 直線感應(yīng)電動機 567
19.7 直線直流電動機 572
19.8 直線同步電動機 575
19.9 直線步進電動機 582
19.10 其他直線電機 587
第20章 低速同步電動機 590
20.1 概述 590
20.2 基本工作原理和結(jié)構(gòu) 591
20.2.1 工作原理 591
20.2.2 結(jié)構(gòu) 595
20.3 基本理論分析 596
20.4 永磁低速同步電動機的電磁設(shè)計 603
第21章 磁滯電動機 612
21.1 概述 612
第22章 超聲波電機 624
22.1 概述 624
22.2 壓電陶瓷和壓電振子 628
22.3 機械摩擦及超聲波電機的摩擦材料 633
22.4 行波超聲波電機 635
22.5 其他超聲波電機 654
參考文獻 658