混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

前言

　　現(xiàn)代社會(huì)電氣化程度不斷提升，航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)﹄娏π枨笤絹碓酱?，電氣設(shè)備不斷增多，電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著電工材料、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)已不再是一個(gè)孤立的器件，往往與控制系統(tǒng)一道構(gòu)成高性能發(fā)電或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這樣，無論是發(fā)電機(jī)，還是電動(dòng)機(jī)，都迫切需要電機(jī)技術(shù)向更高水平發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新原理電機(jī)（磁阻電機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)、超聲電機(jī)乃至微／納米電機(jī)等）的研究引起學(xué)者的高度關(guān)注和研究興趣?！　』旌蟿?lì)磁電機(jī)力求最大程度綜合永磁電機(jī)高效高功率密度和電勵(lì)磁電機(jī)控制方便的優(yōu)勢而克服它們的不足，成為電機(jī)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。由于勵(lì)磁方式的變化，混合勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不得不有所增加，尋求簡單、合理的電機(jī)本體結(jié)構(gòu)是一個(gè)很重要且富有挑戰(zhàn)的研究課題?！　≮w朝會(huì)、張卓然和秦海鴻等圍繞混合勵(lì)磁電機(jī)新結(jié)構(gòu)探索方面做了非常有價(jià)值的研究工作：在轉(zhuǎn)子磁分路混合勵(lì)磁同步電機(jī)和并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)的新結(jié)構(gòu)拓?fù)?、電磁場分析和建模方法方面開展了系統(tǒng)、深入的研究；在混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)浜瓦\(yùn)行特性方面也進(jìn)行了深入研究。三位教授的研究成果系統(tǒng)地匯聚成《混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理》這本著作，豐富了混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，拓寬了混合勵(lì)磁電機(jī)的研究思路，對推動(dòng)該類新型電機(jī)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。近些年來，關(guān)于電機(jī)本體研究方面的著作較少，這本專門針對新型電機(jī)本體研究的著作對于其他新結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究也有很好的借鑒作用?！　』旌蟿?lì)磁電機(jī)的研究尚處于不斷完善的過程中，希望作者堅(jiān)持研究方向、持續(xù)創(chuàng)新、再接再厲，在混合勵(lì)磁電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及其控制技術(shù)方面做出更多、更大的成績，為新型混合勵(lì)磁電機(jī)早日應(yīng)用于航空電源系統(tǒng)、新能源發(fā)電及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)！

內(nèi)容概要

本書在系統(tǒng)總結(jié)混合勵(lì)磁電機(jī)發(fā)展和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)和混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)形式；討論了其工作原理和運(yùn)行特性；系統(tǒng)論述了轉(zhuǎn)子磁分路混合勵(lì)磁同步電機(jī)的磁路計(jì)算、三維有限元分析與建模方法；探討了并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)中切向磁鋼永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)律以及并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性、軸向漏磁等特殊問題；研究了并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的靜態(tài)特性、發(fā)電方式和電動(dòng)運(yùn)行工作特性。    本書可作為高等院校電氣工程學(xué)科的碩士生、博士生和教師的參考書，也可供從事電氣傳動(dòng)和發(fā)電系統(tǒng)研究開發(fā)的工程技術(shù)人員閱讀。

書籍目錄

序一序二前言第1章  混合勵(lì)磁電機(jī)的基本概念及研究現(xiàn)狀  1.1  混合勵(lì)磁電機(jī)的基本概念  1.2  混合勵(lì)磁電機(jī)的分類  1.3  混合勵(lì)磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀    1.3.1  混合勵(lì)磁同步電機(jī)的研究現(xiàn)狀    1.3.2  混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的研究現(xiàn)狀  1.4  混合勵(lì)磁電機(jī)的特點(diǎn)與基本要求  1.5  混合勵(lì)磁電機(jī)的應(yīng)用前景    1.5.1  航空電源系統(tǒng)    1.5.2  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)    1.5.3  電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)  1.6  小結(jié)第2章  轉(zhuǎn)子磁分路式混合勵(lì)磁同步電機(jī)  2.1  轉(zhuǎn)子磁分路式混合勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的提出    2.1.1  永磁同步電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)    2.1.2  轉(zhuǎn)子磁分路式徑向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)    2.1.3  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)  2.2  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的等效磁路    2.2.1  雙向勵(lì)磁下的等效磁路    2.2.2  徑向磁路磁化特性    2.2.3  軸向磁路磁化特性    2.2.4  徑/軸向磁場分布與磁路特點(diǎn)  2.3  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)調(diào)磁特性的影響因素    2.3.1  轉(zhuǎn)子磁分路作用的基本約束關(guān)系    2.3.2  轉(zhuǎn)子長徑比對電機(jī)調(diào)磁特性的影響    2.3.3  極對數(shù)對電機(jī)調(diào)磁特性的影響    2.3.4  永磁體結(jié)構(gòu)對電機(jī)調(diào)磁特性的影響    2.3.5  主氣隙/附加氣隙長度比對電機(jī)調(diào)磁特性的影響    2.3.6  轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體延伸段截面積對電機(jī)調(diào)磁特性的影響  2.4  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的三維場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化    2.4.1  三維靜磁場分布    2.4.2  導(dǎo)磁橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化    2.4.3  轉(zhuǎn)子N極、S極導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)(延伸端及過渡段)優(yōu)化與等截面原則    2.4.4  不同磁鋼寬度下的氣隙磁場調(diào)節(jié)性能    2.4.5  漏磁特性與補(bǔ)償磁鋼的作用  2.5  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的電樞反應(yīng)    2.5.1  直軸與交軸電樞反應(yīng)磁通路徑    2.5.2  基于電樞反應(yīng)計(jì)算確定勵(lì)磁磁勢的基本方法  2.6  轉(zhuǎn)子磁分路式切向結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性    2.6.1  瞬態(tài)場路耦合模型    2.6.2  空載特性    2.6.3  外特性    2.6.4  短路特性  2.7  基于三維有限元分析結(jié)果的MATLAB/Simulink建模方法    2.7.1  基于三維靜磁場分析的主氣隙磁通變化特性    2.7.2  基于三維瞬態(tài)場路耦合分析的同步電抗計(jì)算    2.7.3  MATLAB/Simulink建模方法  2.8  小結(jié)第3章  并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)  3.1  并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)  3.2  并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)的磁路特點(diǎn)與運(yùn)行原理  3.3  并列式混合勵(lì)磁同步電機(jī)中永磁同步電機(jī)    3.3.1  切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)    3.3.2  切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)磁鋼厚度和氣隙磁密的關(guān)系    3.3.3  切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的非導(dǎo)磁襯套    3.3.4  切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)輔助磁極的優(yōu)化    3.3.5  切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的優(yōu)化    3.3.6  設(shè)計(jì)實(shí)例  3.4  電勵(lì)磁同步電機(jī)部分的三維場分析與設(shè)計(jì)規(guī)律    3.4.1  不同勵(lì)磁磁勢下氣隙磁場的變化規(guī)律    3.4.2  鐵心長度與氣隙磁場調(diào)節(jié)范圍的關(guān)系  3.5  軸向漏磁現(xiàn)象及其對磁場特性的特殊影響    3.5.1  軸向漏磁通的存在與路徑    3.5.2  雙向勵(lì)磁下軸向漏磁分布與三維場有限元分析    3.5.3  軸向漏磁對電勵(lì)磁部分調(diào)磁性能的影響    3.5.4  軸向漏磁對永磁部分氣隙磁場的影響  3.6  并列式混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性    3.6.1  并列式混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸    3.6.2  電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載特性    3.6.3  并列式HESM運(yùn)行模態(tài)的分析    3.6.4  并列式混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)中的永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的三種組合方式    3.6.5  實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證  3.7  并列式混合勵(lì)磁無刷直流發(fā)電機(jī)瞬態(tài)場仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    3.7.1  空載特性    3.7.2  外特性    3.7.3  永磁部分與電勵(lì)磁部分轉(zhuǎn)子相對位置問題  3.8  小結(jié)第4章  并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)  4.1  并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理    4.1.1  三相雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)    4.1.2  雙凸極電機(jī)的基本概念和定義    4.1.3  并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型  4.2  并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的靜態(tài)特性    4.2.1  空載磁場    4.2.2  空載磁鏈、感應(yīng)電勢、電感特性  4.3  并列式混合勵(lì)磁雙凸極無刷直流發(fā)電機(jī)    4.3.1  雙凸極無刷直流發(fā)電機(jī)發(fā)電方式及運(yùn)行原理    4.3.2  電勵(lì)磁雙凸極無刷直流發(fā)電機(jī)的外特性和短路特性    4.3.3  并列式混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)發(fā)電工作的運(yùn)行模式    4.3.4  混合勵(lì)磁雙凸極無刷直流發(fā)電機(jī)的工作特性  4.4  并列式混合勵(lì)磁雙凸極無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作特性    4.4.1  雙凸極無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)成    4.4.2  雙凸極無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理    4.4.3  單極性PWM控制時(shí)的電流拖尾現(xiàn)象    4.4.4  并列式混合勵(lì)磁雙凸極無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速特性    4.4.5  雙凸極無刷直流電動(dòng)機(jī)的效率特性  4.5  小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　電機(jī)是以磁場為媒介進(jìn)行機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。在電機(jī)內(nèi)建立進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場有兩種基本方法：一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場，稱為電勵(lì)磁方式；另一種是由經(jīng)過磁化處理的永磁體產(chǎn)生磁場，稱為永磁勵(lì)磁方式?！　?821年，法拉第發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，第一次成功實(shí)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，從而建立了電機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模型，被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)電機(jī)，其實(shí)質(zhì)是永磁勵(lì)磁方式的永磁電機(jī)。其后30余年間，不斷有新結(jié)構(gòu)形式的永磁電機(jī)出現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度很低，電機(jī)體積龐大、性能較差。1857年，英國惠斯通用電磁鐵代替永久磁鐵，發(fā)明了電勵(lì)磁方式，開創(chuàng)了電勵(lì)磁電機(jī)的新紀(jì)元。當(dāng)時(shí)，電勵(lì)磁方式更容易在電機(jī)中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場，因此隨后的70多年間，電勵(lì)磁電機(jī)理論和技術(shù)得到迅猛發(fā)展，而永磁勵(lì)磁方式在電機(jī)中的應(yīng)用則較少。一直到1967年和1983年，釤鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料（二者統(tǒng)稱為稀土永磁材料）相繼問世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期，永磁電機(jī)的品種和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，正向大功率化、高功能化和微型化方向發(fā)展?？梢姡来烹姍C(jī)和電勵(lì)磁電機(jī)-一直在技術(shù)進(jìn)步和自身完善中不斷競爭發(fā)展。　　勵(lì)磁方式的不同使得電機(jī)輸出特性、功率密度以及效率等性能有很大區(qū)別。電勵(lì)磁電機(jī)通過改變勵(lì)磁繞組電流可以方便地調(diào)節(jié)氣隙磁場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速特性，斷開勵(lì)磁回路可以有效滅磁，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的短路和故障保護(hù)，但由于勵(lì)磁損耗的存在使得電機(jī)系統(tǒng)效率相對較低，難以實(shí)現(xiàn)高功率密度。永磁電機(jī)省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，同時(shí)消除了勵(lì)磁損耗，提高了電機(jī)效率，功率密度大，結(jié)構(gòu)形式靈活多樣。但是，由于永磁材料的固有特性，永磁電機(jī)制成后其氣隙磁場基本保持恒定，這導(dǎo)致發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電壓調(diào)節(jié)和故障滅磁困難；電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，恒功率區(qū)較窄，調(diào)速范圍有限。因此，氣隙磁場難以調(diào)節(jié)和控制成為限制高性能永磁電機(jī)應(yīng)用和推廣的重要技術(shù)瓶頸，從電機(jī)本體和控制系統(tǒng)的角度出發(fā)，如何實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的有效調(diào)節(jié)成為永磁電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一?！　　?/pre>








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