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內容簡介

本教材立足於電磁學的基本物理概念，通過理論和實踐相結閤的方式，重點介紹直流電機及永磁同步電機的原理、設計及控製方法。其中，在直流電機相關章節中，麵嚮電機的建模與轉矩控製，建立基本的電機係統控製的概念，同時輔以後續電力電子基礎知識的介紹，使讀者可以掌握電機控製係統的基本框架，滿足汽車專業相關人員對電機係統瞭解的需求。在交流電機相關章節中，本教材則詳細的分析瞭現代交流電機的磁場、特性及控製原理，為從事電機係統開發或電動汽車相關開發的人員提供實用的技術支撐。為瞭與汽車應用相結閤，本教材在後的章節中還介紹瞭車用電機的標準及測試方法，以供相關人員參考。

目錄

序１
序２
前言
第1章導論1
1.1電機發展簡史1
1.2電機的基本概念及分類2
1.3電機在汽車中的應用4
第2章直流電機概述5
2.1直流電機及其用途5
2.2電、磁、力與速度6
2.3直流電機的工作原理8
第3章直流電機的建模與控製11
３.１等效電路與勵磁分類11
3.2數學模型12
３.３轉矩控製13
3.4速度/位置控製18
3.5狀態反饋控製20
第4章車用直流電機實例22
4.1起動機建模與特性分析22
4.2電子節氣門建模25
第5章PWM技術28
5.1PWM原理28
5.2將模擬信號轉化為PWM的方法30
5.3PWM的實現31
5.4PWM在直流調製中的應用33
第6章電力電子技術36
6.1電力電子技術概述36
6.2典型的電力電子器件38
6.2.1二極管38
6.2.2MOSFET39
6.2.3IGBT40
6.2.4小結41
6.3單極雙擲開關的實現42
6.4整流電路與逆變電路43
6.4.1整流電路44
6.4.2逆變電路45
6.5電力電子器件的損耗與散熱46
第7章交流電機概述49
7.1交流電機的概念及其用途49
7.2交流電機的工作原理50
7.3交流電機的結構及分類52
7.3.1交流電機的結構52
7.3.2交流電機的分類54
第8章永磁同步電機分析56
8.1永磁同步電機的模型觀56
8.2永磁同步電機的磁路分析56
8.2.1簡單磁路分析56
8.2.2電機磁路分析59
8.3永磁同步電機的電路分析68
8.3.1電機電感模型68
8.3.2電機相量模型68
8.3.3電機轉矩模型73
8.4永磁同步電機的效率特性與外特性74
8.4.1永磁同步電機的效率特性74
8.4.2永磁同步電機的外特性76
車用電機原理及應用目錄第9章麵嚮控製的永磁同步電機的建模78
9.1自然坐標係下的電機電壓方程78
9.2正交坐標係與鏇轉坐標係的變換80
9.3鏇轉坐標係下的電機模型84
第10章永磁同步電機的控製87
10.1永磁同步電機矢量控製原理87
10.1.1直流電機的轉矩控製與永磁同步電機的轉矩控製87
10.1.2永磁同步電機的矢量控製方法88
10.2永磁同步電機磁場的控製89
10.2.1最大轉矩電流比控製90
10.2.2弱磁控製90
10.3交流電機控製的功率電路與SPWM93
10.3.1三相逆變電路拓撲93
10.3.2三相逆變電路的實現94
10.3.3三相逆變電路的六階梯波調製94
10.3.4三相逆變電路的PWM97
10.4空間矢量PWM技術98
10.4.1電壓空間矢量原理98
10.4.2電壓空間矢量PWM原理99
10.4.3SVPWM與SPWM101
10.4.4電壓空間矢量PWM的常見軟件實現算法102
第11章感應電機的建模與控製105
11.1傳統感應電機的描述及控製方法105
11.1.1感應電機的穩態等效電路105
11.1.2感應電機的機械特性麯綫106
11.1.3傳統感應電機的調速方法108
11.2感應電機的矢量控製原理110
11.2.1感應電機與永磁同步電機控製上的區彆110
11.2.2感應電機在同步鏇轉坐標係下的等效電路與數學模型111
11.2.3感應電機的直接矢量控製原理114
11.2.4感應電機的間接矢量控製原理116
11.3感應電機的直接轉矩控製原理117
第12章車用交流電機應用實例120
１２.1車用永磁同步電機矢量控製係統建模與仿真120
12.1.1電機係統及模型框架120
12.1.2派剋變換與剋拉剋變換121
12.1.3電機模型122
12.1.4逆變器模型123
12.1.5控製器模型124
12.1.6模型的初始化與仿真結果的處理127
12.1.7仿真結果127
12.2純電動汽車縱嚮動力學模型129
12.2.1純電動汽車係統及模型框架130
12.2.2電池模型130
12.2.3電機係統模型131
12.2.4傳動係統模型133
12.2.5整車動力學模型133
12.2.6駕駛員模型134
12.2.7仿真結果134
第13章車用電機測試及標準137
13.1車用電機測試方法137
13.1.1電機測試颱架的基本組成137
13.1.2車用電機的技術要求及試驗方法138
13.2車用電機標準142
13.2.1標準組織簡介142
13.2.2電動汽車電機係統標準匯總144
參考文獻146

前言/序言

6年前，我從清華大學電機係博士畢業，來到吉林大學汽車工程學院任教，並承擔瞭車輛工程專業卓越工程師班的本科生選修課《電機與驅動》的教學工作。隨著混閤動力汽車及電動汽車技術的快速發展，電機及其控製係統的基本知識對於車輛工程專業的學生越來越重要，但車輛工程專業的學生一般缺乏電氣工程相關的基礎，所以起初這門課讓我覺得無從下手。傳統的電機學和交流電機傳動這兩門專業課一般就需要上百學時，而這兩門專業課又是建立在電路原理、電磁場、自動控製原理、電力電子技術等一係列專業基礎知識體係之上的，這一係列復雜的知識不可能在短短的32學時中講授給學生。經過幾年來與學生們的交流和我在科研課題中的實踐體會，我將這門《電機與驅動》的教學思路定位為“抓兩頭”，即重點強調電機係統中“頂層體係”的介紹和電機係統中“底層物理概念”的介紹。所謂“頂層體係”，就是電機係統的知識框架，讓學生知道遇到問題後應該找哪方麵的知識。例如：混閤動力汽車建模應當去找電機的外特性和效率特性；電機轉矩控製應該去看矢量控製；交流電壓調製應該去看電力電子技術等。至於這些技術的具體實現和很多工程細節，則定義為需要課外的進一步深化實踐。所謂“底層物理概念”，則是介紹電機係統中典型原理的基本物理背景。工程技術的變革日新月異，不斷有新技術産生，舊技術淘汰，但物理概念通常不會過時。所以在課程中我願意更多地強調工程技術背後的物理本質。例如：電機産生轉矩的物理背景是什麼，開關調製電壓的本質是什麼，基本的磁路和電路分析方法是什麼，交流電機中各種復雜的坐標變換的原因又是什麼。對於這樣的教學思路，很多選課的同學都給予瞭高度的肯定，但也錶達瞭該課程學習過程中的難度遠遠大於傳統的專業課程。尤其是該課程知識麵非常廣，且“抓兩頭”的講授體係與電機的專業課有明顯的區彆，所以很難找到一本閤適的參考書用於該課程的復習和拓展。正是在這樣的背景下，我萌生瞭寫這樣一本教材的想法。
為瞭讓本書更貼近汽車係統工程應用的實際，我邀請瞭中國科學院電工研究所的範濤副研究員和濰柴動力股份有限公司的王宏宇部長與我共同完成本書的撰寫。範濤是我的大學同學，大學畢業後一直在中國科學院電工研究所從事車用電機及其係統的設計和分析工作，已有十餘年時間。他在2009年獲得中國科學院研究生院博士學位，對車用電機理論有著深刻的理解和豐富的實踐經驗，所以承擔瞭本書交流電機基本原理相關內容的撰寫。王宏宇部長在美國汽車行業工作十餘年，曾就職於美國通用汽車公司和德爾福汽車公司。他2011年迴到中國，並被評為國傢韆人計劃專傢，現任濰柴動力新能源係統工程部部長。王宏宇部長從産業化的角度為本書撰寫瞭車用電機測試及標準的相關內容。本書的成書當然也要歸功於我成長道路上各位老師的指點和幫助。我首先要提到的是我在清華大學攻讀博士學位時的指導老師——邱阿瑞教授，是他打開瞭我通往電機及其控製係統領域的大門，讓我次建立電機模型，次控製電機鏇轉，次完整地完成一篇學術論文的寫作。其次，我要感謝清華大學電機係的諸位老師，他們的辛勤工作為我日後的電機研究打下瞭紮實的理論基礎。我特彆要感謝的是威斯康星大學麥迪遜分校的Robert. D. Lorenz教授。2008年，Lorenz教授接受我作為聯閤培養博士生，在WEMPEC（Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium,威斯康星州電機和電力電子協會）學習生活。在WEMPEC的一年時間裏，Lorenz教授的言傳身教對我影響巨大，讓我終身受益。我還要感謝與Lorenz教授同在WEMPEC的Johns教授和Giri教授，他們所講授的《ECE711�步渙韉緇�瞬態與控製》和《ECE412�駁緦Φ繾擁緶貳罰�讓我對電機與電力電子的理解有瞭大幅度的提升。本書也加入瞭部分我在這兩門課中的所學內容。當然我還要感謝清華大學、威斯康星大學和吉林大學一路走來的同學、同事以及我的研究生和朋友們，正是與他們的討論、交流纔會有我目前對電機係統的一點理解，正是他們一直以來的幫助，纔促成瞭本書的成稿。感謝我的研究生邢增臻、孫科和李海湘，他們對本教材的整理和校對工作做齣瞭重要的貢獻。後，我還要感謝我的父母和妻子，正是他們無微不至的關懷和陪伴，纔讓我能安心努力的工作，完成本書的寫作，他們是這本書大的功臣。
車用電機原理及應用前言本書首先簡要地介紹瞭電機的基本概念及其與汽車相關的應用，接下來的內容主要分為四個部分：部分為2～4章，介紹直流電機；第二部分為5、6章，介紹電力電子技術；第三部分為7～12章，介紹交流電機；後一部分為13章，介紹車用電機的測試與標準。本書由袁新枚主編，範濤、王宏宇任副主編。參編人員有徐躍、周錦利、王闖、孫科、孫巍、邢增臻、刁慶華、李海湘和張建。其中第7、8章由範濤撰寫，第13章由王宏宇撰寫，第12章中矢量控製的仿真模型是基於中國科學院電工研究所博士生李鴻揚的大量實驗和仿真工作完成的，其餘內容由本人完成。
部分的核心內容可分為電機的原理與控製兩方麵。在電機原理方麵，著重強調電機轉矩産生的基本原理，以及定子、轉子、電樞和勵磁等概念；在控製方麵，著重強調電機係統的建模和模型參數的物理意義及其對控製的影響，希望使讀者瞭解基本的電磁及機械運動係統的建模方法和電流/轉速雙閉環的基本控製結構與原理。在第4章中選取的汽車係統中的起動機和節氣門實例，主要希望使讀者更好地理解以上的電磁/機械係統建模方法的應用。部分的內容從某種意義上並非是特彆針對直流電機的介紹，而是可通用於常見電磁控製係統的。
第二部分介紹電力電子技術。在電氣工程中，電力電子技術是獨立的教程，相關內容也極為廣泛，僅兩章的內容很難觸及電力電子技術的核心。但電力電子技術與現代交流電機的控製不可分割，所以筆者在這部分內容中隻期望闡述“PWM”和“單極雙擲開關”兩個電力電子的基本概念。“PWM”麵嚮電壓的調製算法，是矢量控製中的空間矢量PWM（SVPWM）算法的介紹奠定基礎；“單極雙擲開關”麵嚮電路拓撲，是三相逆變電路的原理和實現提供基本的理論支撐。
第三部分介紹交流電機，這部分內容是當前電機控製的熱點。具體到車用驅動電機，目前多以交流永磁同步電機為主，所以在該部分內容的設置上也主要集中於交流永磁同步電機。這部分內容本書也有自身的特色，第7章講解瞭交流電機的基本概念，包括工作原理、結構及分類。在介紹電機結構時，引用瞭作者在長期電機研發過程中的大量實物照片，力圖使讀者更加容易地建立起電機的形象概念，為第8章講解電機的模型建立一個感觀基礎。第8章將對電機的感觀認識提升為理性認知層麵，即電機的數學模型。從電路和磁路兩個視角對電機進行建模。考慮到國內電機學教材在磁路方麵介紹的相對欠缺，而磁路相比電路能更加本質地反映電機內部的物理構成，在本章中用更多的磁路語言描述電機原理。同時，通過有限元仿真的方法使電機磁場形象化，特彆是在電機學和電機控製理論中占有重要地位的“dq軸”概念，使其不再是一個抽象的數學概念，而是一個實在的物理存在。以相量模型為基礎，本章還介紹瞭電機的轉矩特性、外特性和效率特性，掌握這些特性對應用電機大有幫助。第9章利用長達一章的篇幅推導得到瞭永磁同步電機在轉子同步坐標係下的“dq軸”模型，重點希望讀者看到交流電機坐標變換的思路及“任意”坐標係下交流電機模型的錶達形式，從而能對“dq軸”模型在第8章的基礎上從控製角度進行更為深刻的認識；關於交流永磁同步電機矢量控製相關的算法和電路都匯集於第10章，從該章中可以相對集中地獲得實際車用驅動電機控製係統的基本原理；第11章介紹瞭感應電機的建模與控製，對於磁場定嚮控製，感應電機和永磁同步電機沒有本質區彆，所以該章相比傳統電機專業教材中對感應電機大篇幅的介紹，內容是相對簡略的。第12章中給齣瞭兩個交流電機的實例，個模型詳細描述瞭鏇轉坐標係下的交流永磁同步電機模型及其矢量控製算法，該模型可以直接應用於實際矢量控製算法開發；第二個電機模型是從能量角度齣發對電機外特性的建模，這種建模方法也是實際在電動汽車及混閤動力汽車係統開發中經常使用的。
第四部分內容麵嚮車用電機的産業化，介紹車用電機的測試方法與標準。由於相關內容更新較快，且不同國傢體係標準也存在著一定差異，所以該部分內容旨在起到一個索引的作用，使讀者在需要麵嚮産業化應用時，可以方便快速地找到所需的電機測試要求及標準。
本書的使用不僅局限於車輛工程專業，對其他專業瞭解電機及其控製係統同樣是適用的，所以它既可以作為本科高年級及研究生的課程教材，也可以作為電氣工程專業及相關領域工程師的參考書。
由於時間有限，書中內容難免有不當之處，敬請有關專傢和各位讀者給予批評指正。
袁新枚2016年2月長春

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好

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好評

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電機入門挺好的，直流交流電機基本原理，控製係統都講的比較清楚，所謂車用，也就是有幾個車用交直流電機建模、仿真、控製的例子，主要講解上和通用的電機沒差彆。感覺沒學過電機的話，比電機的專業書好入門，重點更突齣。

評分☆☆☆☆☆

不錯。。。。。。。。。。

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很好的書，對學習電機和控製都很有幫助

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電機入門挺好的，直流交流電機基本原理，控製係統都講的比較清楚，所謂車用，也就是有幾個車用交直流電機建模、仿真、控製的例子，主要講解上和通用的電機沒差彆。感覺沒學過電機的話，比電機的專業書好入門，重點更突齣。

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好評

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有裁剪時摺頁的缺陷，不能給滿星。

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老師的課講的很好，這本書也很不錯

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