定子永磁无刷电机——理论、设计与控制

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 永磁材料 1
1.1.1 永磁材料的主要性能参数 1
1.1.2 主要永磁材料及其性能 4
1.2 永磁电机发展概况 8
1.3 定子永磁无刷电机概述 10
参考文献 13
第2章 定子永磁无刷电机基本结构和工作原理 16
2.1 概述 16
2.2 DSPM电机 16
2.2.1 基本出发点 16
2.2.2 DSPM电机基本工作原理 17
2.2.3 DSPM电机结构形式与分类 20
2.2.4 DSPM电机与SR电机和传统永磁无刷电机比较 22
2.3 FSPM电机 25
2.3.1 FSPM电机基本结构与工作原理 25
2.3.2 绕组一致性 27
2.3.3 绕组互补性 28
2.3.4 FSPM电机结构形式与分类 29
2.4 FRPM电机 32
参考文献 36
第3章 定子永磁无刷电机数学模型 39
3.1 概述 39
3.2 定子坐标系下的正弦波电机方程 39
3.2.1 m相FSPM电机结构 40
3.2.2 m相FSPM电机通用电磁转矩方程 40
3.2.3 三相电机结构 46
3.3 转子坐标系下的正弦波电机方程 51
3.4 梯形波空载电动势电机的数学模型 55
3.4.1 DSPM电机基本工作原理 55
3.4.2 DSPM电机数学模型 57
参考文献 60
第4章 定子永磁无刷电机有限元分析 62
4.1 概述 62
4.2 定子永磁无刷电机有限元建模 63
4.3 磁性材料精细化建模 68
4.3.1 硅钢片过饱和区域B-H曲线模拟 68
4.3.2 永磁体不可逆退磁现象的动态模拟 72
4.3.3 硅钢片磁滞特性的模拟 78
4.4 FSPM电机静态特性的有限元分析 91
4.4.1 三相FSPM电机有限元模型 91
4.4.2 FSPM电机静态特性 92
4.5 定子永磁电机特殊电磁现象及其分析 117
4.5.1 定子外部漏磁 117
4.5.2 DSPM电机电感特性 118
4.5.3 端部效应 120
4.6 磁场-电路瞬态耦合仿真 125
4.6.1 瞬态场路耦合建模方法 125
4.6.2 三相12/8极DSPM电机磁场-电路耦合仿真分析 127
参考文献 128
第5章 定子永磁无刷电机磁网络建模理论与方法 133
5.1 概述 133
5.2 DSPM电机的磁网络模型 133
5.2.1 磁网络模型的特点和构成 134
5.2.2 典型磁导的计算方法 135
5.2.3 磁网络模型的建立过程 137
5.2.4 磁网络模型的方程组 142
5.2.5 磁网络模型的求解 144
5.2.6 静态电磁特性的计算方法和验证 145
5.3 FSPM电机的磁网络模型 148
5.3.1 等效磁网络模型的建立 149
5.3.2 改进磁网络模型 153
参考文献 154
第6章 定子永磁无刷电机损耗分析与计算 156
6.1 概述 156
6.2 考虑直流偏磁影响的定子永磁无刷电机铁耗计算 157
6.2.1 传统铁耗计算方法 158
6.2.2 直流偏磁现象 160
6.2.3 改进的磁滞损耗计算方法 167
6.2.4 不同方法的对比与实验验证 169
6.2.5 九相FSPM电机的铁耗计算 171
6.3 逆变器供电下的定子永磁无刷电机损耗计算 173
6.3.1 逆变器供电下的内埋式定子永磁无刷电机永磁体涡流损耗计算 174
6.3.2 逆变器供电下的铁耗计算方法 202
参考文献 209
第7章 定子永磁无刷电机热分析 214
7.1 概述 214
7.2 传热学和计算流体力学基础 215
7.2.1 传热学原理 215
7.2.2 计算流体力学基础 219
7.3 电机温度场有限元分析 223
7.3.1 考虑各向异性导热的温度场控制方程 223
7.3.2 特殊边界条件的处理 227
7.3.3 电机定、转子*小对称模型 232
7.3.4 FSPM电机温度场建模和仿真 235
7.4 等效热路法温度场建模和分析 247
7.4.1 三维热路单元及其数学模型 248
7.4.2 FSPM电机热路法稳态温度场建模 250
7.4.3 FSPM电机温度场分析 260
7.5 温度场-热路耦合建模方法 261
7.5.1 间接耦合法 262
7.5.2 直接耦合法 264
7.5.3 直接耦合法与间接耦合法比较 269
7.5.4 九相FSPM电机温升计算 271
参考文献 275
第8章 定子永磁无刷电机设计理论与方法 278
8.1 概述 278
8.2 定子永磁无刷电机通用功率尺寸方程 278
8.2.1 DSPM电机功率尺寸方程 282
8.2.2 FRPM电机功率尺寸方程 285
8.2.3 FSPM电机功率尺寸方程 287
8.3 FSPM电机通用设计方法及实例 290
8.3.1 定、转子齿极数和相数 293
8.3.2 定、转子铁心和永磁体尺寸 293
8.3.3 每相绕组匝数 295
8.3.4 算例 296
8.4 定子混合励磁无刷电机设计方法 299
8.4.1 HEDS电机功率尺寸方程 300
8.4.2 主要尺寸方程 302
8.4.3 定、转子极宽的选取 303
8.4.4 永磁体尺寸 305
8.4.5 电枢绕组匝数 307
8.4.6 HEDS电机设计实例 309
参考文献 312
第9章 定子永磁无刷电机控制策略及其实现 315
9.1 概述 315
9.2 定子永磁无刷电机定子磁场定向方法 315
9.3 FSPM电机电流滞环PWM矢量控制方法 318
9.3.1 电流滞环PWM矢量控制原理 318
9.3.2 仿真分析 320
9.3.3 实验分析 322
9.4 FSPM电机电压空间矢量PWM控制方法 323
9.4.1 电压空间矢量PWM控制原理 323
9.4.2 死区效应与补偿方法 326
9.4.3 仿真分析 329
9.4.4 实验分析 330
9.5 FSPM电机直接转矩控制方法 331
9.5.1 FSPM电机直接转矩控制原理 331
9.5.2 FSPM电机直接转矩控制实现 334
9.5.3 仿真分析 335
9.5.4 实验分析 337
9.6 FSPM电机控制策略方法比较 338
9.6.1 电流滞环PWM与电压空间矢量PWM控制性能比较 338
9.6.2 矢量控制与直接转矩控制性能比较 340
9.7 多相定子永磁无刷电机控制方法 342
9.7.1 电流滞环PWM矢量控制 343
9.7.2 空间矢量PWM控制 345
9.7.3 占空比直接求解PWM矢量控制 352
9.7.4 NPC三电平九相逆变器供电下载波调制技术 361
9.7.5 几种PWM矢量控制方法比较 369
9.8 DSPM电机基本控制策略 369
9.8.1 DSPM电机控制原理 370
9.8.2 DSPM电机控制系统 371
9.8.3 普通数字PI调节 374
9.8.4 自调整模糊PI控制 379
9.8.5 变参数PI控制 390
参考文献 396
第10章 定子永磁无刷电机转矩脉动分析与抑制 399
10.1 概述 399
10.2 基于感应电动势谐波抵消的转矩脉动抑制方法 399
10.2.1 DSPM电机空载电动势谐波分析 399
10.2.2 谐波电流注入法 401
10.2.3 基于谐波电流注入法的转矩脉动抑制仿真分析 402
10.2.4 基于谐波电流注入法的转矩脉动抑制实验分析 404
10.3 基于定位力矩补偿的转矩脉动抑制方法 405
10.3.1 电流滞环PWM控制下的定位力矩补偿控制 406
10.3.2 电压空间矢量PWM控制下的定位力矩补偿控制 416
10.3.3 直接转矩控制时的转矩脉动抑制策略 422
10.4 基于导通关断角优化的梯形波定子永磁电机转矩脉动抑制 428
10.4.1 DSPM电机转矩脉动产生机理 428
10.4.2 转矩脉动抑制 433
参考文献 441
第11章 定子永磁无刷电机可靠性分析与容错控制 443
11.1 概述 443
11.2 电机系统可靠性评估方法 443
11.2.1 可靠性和多状态事件 444
11.2.2 马尔可夫方法 444
11.2.3 改进马尔可夫方法 445
11.2.4 举例验证 446
11.2.5 可靠性评估过程 449
11.3 DSPM电机容错控制 456
11.3.1 8/6极DSPM电机容错运行 456
11.3.2 12/8极DSPM电机容错运行 465
11.4 三相FSPM电机容错控制 472
11.4.1 容错控制策略 472
11.4.2 仿真分析 473
11.4.3 实验分析 474
11.5 带容错齿混合励磁FSPM电机及其容错控制 477
11.5.1 电机结构 477
11.5.2 尺寸参数对性能的影响及优化方法 479
11.5.3 正常运行状态下的静态电磁特性 481
11.5.4 电枢绕组开路故障的容错控制 485
11.5.5 实验分析 496
11.6 双通道FSPM电机及其容错控制 499
11.6.1 电机结构 499
11.6.2 电磁性能分析 499
11.6.3 容错控制策略 500
11.6.4 仿真分析 506
11.6.5 实验分析 508
11.7 九相FSPM电机容错控制 512
11.7.1 容错控制自由度解析 513
11.7.2 单中性点连接方式缺相容错控制 514
11.7.3 三中性点连接方式缺相容错控制 523
11.7.4 五相绕组同时断路工况分析 529
参考文献 538
第12章 磁通可控型定子永磁无刷电机 542
12.1 概述 542
12.2 机械式弱磁 543
12.2.1 可移动磁短路片 543
12.2.2 永磁体轴向移动 543
12.2.3 旋转式磁性/非磁性套圈 543
12.3 分裂绕组 544
12.3.1 基本原理 544
12.3.2 性能分析 546
12.3.3 分裂绕组与弱磁控制比较 546
12.4 混合励磁无刷电机概述 547
12.4.1 混合励磁无刷电机基本结构 547
12.4.2 转子永磁混合励磁电机 548
12.4.3 定子永磁混合励磁电机 550
12.5 混合励磁双凸极电机 553
12.5.1 结构与工作原理 553
12.5.2 电励磁绕组的励磁磁势与磁场调节能力 556
12.