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磁場調制電機(精)

磁場調制電機(精)

出版社：科學出版社出版時間：2022-06-01
開本： 16開 頁數： 213
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磁場調制電機(精) 版權信息

  • ISBN：9787030677334
  • 條形碼：9787030677334 ; 978-7-03-067733-4
  • 裝幀：一般膠版紙
  • 冊數：暫無
  • 重量：暫無
  • 所屬分類：>

磁場調制電機(精) 內容簡介

磁場調制電機是近年來新興的電機族。相較于各種常規(guī)電機類型，其增加了調制單元這一新結構，拓撲結構更加多樣化，且具備高轉矩密度、低轉矩波動、無刷勵磁等獨特優(yōu)勢，在航空航天、新能源發(fā)電、伺服加工和重型工業(yè)生產等眾多領域擁有廣闊的應用前景。本書主要介紹磁場調制電機的概念、原理、結構和性能特點，全書共6章。第1章給出磁場調制電機的定義，并介紹其基本類型；第2章介紹磁場調制理論以及不同電機拓撲氣隙磁場的計算方法；第3章以拓撲演變?yōu)榛A，對磁場調制電機族進行詳細分類；第4章對各類電機的主要性能特征進行理論分析；第5章介紹磁場調制電機新型拓撲的研發(fā)思路及其性能特點；第6章對磁場調制電機發(fā)展現(xiàn)狀進行總結，并簡要探索磁場調制電機未來的方向。 本書可供從事電機研究的科研工作者參考，也可作為高等院校電機與電器等專業(yè)本科生和研究生的教材，還可供從事電機設計、制造與試驗等相關工作的工程技術人員參閱。

磁場調制電機(精) 目錄

目錄
序
前言
第1章　緒論　1　
1.1　調制的基本概念　1　
1.2　磁場調制電機的基本概念　4　
1.3　磁場調制電機的研究現(xiàn)狀　6　
1.3.1　游標永磁電機　6　
1.3.2　永磁開關磁鏈電機　8　
1.3.3　永磁磁通反向電機　12　
1.3.4　磁場調制電勵磁電機　14　
1.4　磁場調制電機的應用前景　16　
1.5　本章小結　17
參考文獻　18
第2章　磁場調制基本理論　21　
2.1　磁場調制物理過程　21　
2.2　磁場調制理論　24　
2.2.1　均勻氣隙的電樞磁場　24　
2.2.2　定子為開口槽時的電樞磁場　28　
2.2.3　表貼式永磁結構的調制理論　36　
2.2.4　雙邊開槽時的比磁導　38　
2.2.5　非表貼式磁場調制電機的附加磁動勢　40　
2.3　磁場調制電機的氣隙磁密　52　
2.3.1　調制單元靜止時的磁場運動情況　54　
2.3.2　勵磁單元靜止時的磁場運動情況　54　
2.3.3　勵磁與調制單元均旋轉時的磁場運動情況　54　
2.4　本章小結　54
參考文獻　55
第3章　磁場調制電機的分類　57　
3.1　磁場調制電機結構約束關系及分類　57　
3.2　三單元靜止型磁場調制電機　59　
3.2.1　磁場調制永磁直流電機　59　
3.2.2　磁場調制電勵磁直流電機　60　
3.3　調制單元靜止型磁場調制電機　61　
3.3.1　游標永磁電機　61　
3.3.2　永磁橫向磁通電機　63　
3.3.3　電勵磁游標電機　64　
3.3.4　磁場調制感應電機　65　
3.4　勵磁單元靜止型磁場調制電機　66　
3.4.1　永磁磁通反向電機　66　
3.4.2　永磁開關磁鏈電機　70　
3.4.3　永磁雙凸極電機　73　
3.4.4　磁場調制電勵磁電機　74　
3.5　無單元靜止型磁場調制電機　77　
3.5.1　磁場調制無刷雙機電端口電機　77　
3.5.2　磁阻式無刷雙饋電機　81　
3.5.3　游標磁阻電機　84　
3.5.4　異步感應子電機　85　
3.6　磁場調制傳動裝置　86　
3.6.1　磁齒輪　86　
3.6.2　磁場調制電磁耦合器　89　
3.7　本章小結　92
參考文獻　93
第4章　磁場調制電機特性分析　95　
4.1　基本思路　95　
4.1.1　平均轉矩與轉矩波動　95　
4.1.2　功率因數　97　
4.2　磁場調制電機基本模型的性能分析　98　
4.2.1　磁場調制電機基本模型的氣隙工作磁場　99　
4.2.2　磁場調制電機基本模型的反電勢與電磁轉矩　100　
4.2.3　磁場調制電機基本模型的功率因數　102　
4.2.4　實際磁場調制電機與磁場調制電機基本模型的關系　104　
4.3　平均轉矩　104　
4.3.1　磁場調制永磁電機　105　
4.3.2　磁場調制電勵磁電機　115　
4.4　轉矩波動　124　
4.4.1　勵磁轉矩波動　125　
4.4.2　齒槽轉矩波動　127　
4.4.3　磁阻轉矩波動　131　
4.5　功率因數　134　
4.5.1　游標永磁電機　135　
4.5.2　永磁磁通反向電機　136　
4.5.3　永磁開關磁鏈電機　136　
4.5.4　磁場調制電勵磁電機　136　
4.6　本章小結　137
參考文獻　138　
第5章　高性能磁場調制電機拓撲　140　
5.1　磁場調制電機轉矩提升理念及方法　140　
5.2　勵磁增強型磁場調制電機　141　
5.2.1　交替極磁場調制電機　141　
5.2.2　切向勵磁磁場調制電機的磁障效應　145　
5.2.3　連通型切向勵磁磁場調制電機　147　
5.2.4　雙定子切向勵磁游標永磁電機　153　
5.2.5　其他勵磁增強型磁場調制電機　155　
5.3　調制增強型磁場調制電機　156　
5.4　電樞增強型磁場調制電機　158　
5.5　磁場調制復合理論　161　
5.5.1　磁場調制復合電機的數學表征　161　
5.5.2　常規(guī)磁場調制電機的工作磁場分析　164　
5.5.3　磁場調制復合的基本方式　166　
5.5.4　多工作比磁導磁場調制電機　167　
5.5.5　多工作磁動勢磁場調制電機　168　
5.5.6　基于組間工作磁場集成的磁場調制復合電機　170　
5.6　多工作比磁導游標永磁電機　173　
5.6.1　基本拓撲結構　173　
5.6.2　工作磁密諧波定性分析　175　
5.6.3　各次諧波反電勢貢獻的定量計算　177　
5.6.4　不同極槽配合下電機性能分析與對比　180　
5.7　多工作磁勢磁通反向電機　183　
5.7.1　多磁勢永磁體陣列的構造方式　183　
5.7.2　氣隙工作磁場與反電勢分析　184　
5.7.3　多工作磁勢磁通反向電機的性能分析　189　
5.8　雙邊勵磁復合型磁場調制電機　192　
5.8.1　工作磁場分析與拓撲結構約束　192　
5.8.2　可行的定子拓撲　194　
5.8.3　定子槽口放置Halbach永磁體的雙邊勵磁復合型磁場調制電機電磁性能分析　195　
5.9　本章小結　201
參考文獻　203
第6章　磁場調制電機發(fā)展總結與未來展望　205　
6.1　磁場調制電機的歷史發(fā)展過程　205　
6.2　磁場調制電機研究現(xiàn)狀　207　
6.3　磁場調制電機未來的研究方向　208　
6.4　磁場調制電機的應用前景　210
參考文獻　212
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磁場調制電機(精) 節(jié)選

第1章緒論 作為一類新型電機，磁場調制電機無論在原理、結構還是性能特點上均異于常規(guī)電機。本章從“調制”一詞入手，逐步給出磁場調制電機的定義，闡明磁場調制電機相較于常規(guī)電機的差異。由于磁場調制電機結構自由度較大，可進一步形成多種電機類型，在基本定義的基礎上，本章進一步介紹目前學術界主要研究的幾類磁場調制電機，并簡要說明各自的性能特點以及適合的應用領域。 1.1調制的基本概念 “調制”一詞*早來源于信號傳輸領域，是指對原始信號進行數學變換，將其加載到用于傳輸的載波上，變?yōu)檫m合于信號傳輸形式的過程。以無線通信為例，其需要傳遞的原始信號為聲音信號，但是人耳能夠聽到的聲音信號頻率范圍一般為20Hz～20kHz，對應電磁波屬于超長波，要將其發(fā)射需要架構尺寸龐大的天線；此外，多個信號同時傳輸時，由于它們位于相同頻帶內，極易造成相互干擾。為了解決上述兩個問題，往往將信號加載至高頻率的載波上，從而將低頻信號轉換為高頻信號。經過調制后，首先發(fā)射高頻信號僅需要小型甚至微型天線；其次多個信號同時傳輸時，只需要將它們加載至不同頻率的載波上，即可避免相互干擾。 在調制過程中，載波常選擇為正弦波，其波形由幅值、頻率與相位三個指標確定。為了使載波能夠攜帶原始信號，需要調節(jié)其中某項指標，使其按照原始信號的規(guī)律變化。其中，載波幅值與頻率的調節(jié)應用較為廣泛，而這兩種方法也被簡稱為調幅與調頻。 調幅的基本過程如圖1.1所示。載波可表示為 （1.1） 式中，代表載波幅值；為載波頻率；t為時間。 假設原始信號為，那么，調制后信號可表示為 （1.2） 式中，kS為比例系數。 由式（1.2）可見，調制后信號的頻率與載波完全相同，但其幅值與原始信號同步線性變化。在原始信號較大的時刻，調制后信號幅值同樣較高；而在原始信號較小的時刻，調制后信號幅值同樣較低。或者說，其包絡線形狀與原始信號基本一致，從而保留了有效信息。 類似地，若將原始信號儲存在載波頻率中，那么調制后信號Ss可表示為 （1.3） 這種調制方式被稱為調頻。調頻的基本過程如圖1.2所示。調制后信號的幅值維持不變，但是在原始信號較大的時刻，調制后信號頻率較高；而在原始信號較小的時刻，調制后信號頻率較低。 隨著電力電子技術的發(fā)展，“調制”一詞被賦予了更為廣泛的意義。通過脈沖寬度調制（pulse-width modulation，PWM）技術，利用絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）構建的逆變器可實現(xiàn)負載輸入電壓的靈活控制。單相橋式逆變電路如圖1.3所示。從圖中可見，負載兩端電壓在管子T1和T4開通、T2和T3關斷時為Udc，而在T2和T3開通、T1和T4關斷時為-Udc。在電源電壓Udc足夠大時，通過這兩個電平，可模擬出需要的電壓信號。 上述過程如圖1.4所示，與信號傳輸領域的調制不同，脈沖寬度調制過程采用的載波為高頻三角波，而調制后輸出的電壓如下： （1.4） 式中，為符號函數，其自變量為正時函數值取為1，為負時函數值取為-1。 式（1.4）的物理意義如下：在原始信號（待輸出電壓）超過載波信號電壓時，使管子T1和T4開通，從而輸出Udc；在待輸出電壓低于載波信號電壓時，使管子T2和T3開通，從而輸出。比較圖1.4中需要輸出的原始電壓信號與*終輸出的已調信號，可發(fā)現(xiàn)兩者波形差異極大。然而，若將兩者進行傅里葉分解，會發(fā)現(xiàn)兩者在低頻范圍（原始電壓信號頻率）內完全一致，只是已調信號多出了許多載波頻率及以上的高次諧波。由于圖1.3中負載為感性，高頻電壓諧波產生的電流較小，可以忽略。因此，通過上述脈沖寬度調制過程，可在較少電平條件下模擬任意的電壓信號，使其與實際需要的電壓信號作用于負載產生幾乎完全相同的電流。 綜上所述，本質上而言調制是載波在原始信號作用下按照某種規(guī)則作出的數學或物理變換過程。此外，調制過程還存在一個特點，那就是原始信號可以任意變化，但是載波在調制方式確定后是恒定的。也就是說，原始信號是主動的、可變的量，而載波是被動的、不變的量，*終形成的已調信號雖然以載波為基底，但其包含原始信號的全部信息，下面將介紹的磁場調制電機中氣隙磁場的產生過程與其十分類似。 1.2磁場調制電機的基本概念 早期，游標永磁電機、開關磁鏈電機、磁通反向電機、磁齒輪電機等新型電機均被單獨研究，并沒有形成“磁場調制”的整體概念。直到2015年，作者團隊發(fā)現(xiàn)上述電機均具有相似的工作原理，且在結構上均可被劃分為三個功能單元，遂在國際上首次提出了“磁場調制電機”的概念，而上述各種電機類型均為磁場調制電機三個功能單元具有不同物理結構時的表現(xiàn)形式，這些電機的工作原理也可統(tǒng)一為一套磁場調制理論。這一工作獲得了學術界廣泛關注，并開展了關于磁場調制電機的大量研究。例如，謝菲爾德大學諸自強教授等利用磁場調制原理分析了定子永磁型電機的工作原理；東南大學程明教授等將磁場調制的過程抽象為“三要素”的數學形式，并據此對多種電機的電磁性能進行了深入分析；馬凱特大學El-Refaie教授等在關于游標電機的綜述中利用三單元結構以及磁場調制原理解釋了其高轉矩密度特性。因此，磁場調制電機“三單元”結構已得到學術界認可，本書將其作為基本拓撲與一般性定義。 磁場調制電機的經典拓撲如圖1.5（b）所示。不同于圖1.5（a）所示的普通表貼式永磁電機，其在電樞繞組與永磁轉子（勵磁單元）之間增加了由多個導磁塊構成的磁場調制單元（簡稱為調制單元）。由于調制單元的作用，永磁體產生的磁場會變得“畸形”，如圖1.6所示。站在空間諧波的角度，調制單元的存在使得氣隙中產生了新的磁場諧波。在圖1.6的示例中，永磁體勵磁磁動勢為22對極，如果沒有磁場調制單元，則其氣隙磁通密度（簡稱磁密）的主要成分為22對極諧波；而經過調制后，氣隙磁密中新出現(xiàn)了2對極諧波。可見，調制單元對于勵磁單元的作用，與1.1節(jié)介紹的無線電傳輸和電力電子領域載波對于原始信號的調制作用十分類似，均使得原始信號（磁動勢）發(fā)生變化。由于圖1.5和圖1.6中調制作用是針對磁場的，這類電機可以統(tǒng)稱為“磁場調制電機”。 根據經典的機電能量轉換理論，一臺電機正常工作的前提是其電樞繞組極對數必須和空載氣隙磁場的極對數相等。因此，磁場調制電機電樞繞組極對數應當選擇為由于調制效應新增的磁場極對數。誠然，根據圖1.6，經過調制單元作用后，氣隙內仍具備與原始磁動勢極對數相等的所謂“非調制”磁場，但是如果電樞極對數與其相等，電機沒有利用到調制效應，則不能稱為磁場調制電機。因此，磁場調制電機的*大特征之一是其勵磁單元與電樞極對數不等。 綜上，磁場調制電機存在極比（pole ratio，PR）這一變量，其物理意義是電機旋轉部分極對數和電樞繞組極對數之比。極比的概念貫穿全書，非常重要。關于極比有如下性質需要說明： （1）在磁場調制電機中，轉子不一定是勵磁單元，也可能是調制單元，因此極比不一定是勵磁單元與電樞繞組極對數之比，需要根據實際電機拓撲來定，這部分在第2章和第3章會得到更為詳細的說明。 （2）第4章會介紹，磁場調制電機中各單元的電磁轉矩與其極對數成正比。因此，一種通俗的說法是極比起到了轉矩放大的作用。在一定范圍內，極比越大，電機轉矩密度越大。 1.3磁場調制電機的研究現(xiàn)狀 從電磁結構上看，相比于傳統(tǒng)永磁電機，磁場調制電機的*大特點是其電樞磁場與勵磁磁場的極對數不等。根據這一特點，近年來涌現(xiàn)的一系列新型電機拓撲，包括游標永磁電機、永磁開關磁鏈電機、永磁磁通反向電機、電勵磁雙凸極電機等，均屬于磁場調制電機。 1.3.1游標永磁電機 游標電機翻譯自英文“Vernier motor”，*早可追溯到1963年，由美國工程師Lee從磁阻電機改進而來，如圖1.7所示。與普通的磁阻電機不同，其定子齒距與轉子齒距不等，轉子微小的位移被定子齒放大后造成較大的氣隙比磁導軸線移動，這種現(xiàn)象與游標卡尺測量時的放大效果類似，因此命名為游標電機。1995年Ishizaki等提出一種定、轉子上均含有磁鋼的游標永磁電機拓撲，如圖1.8所示，并通過有限元仿真及樣機實驗對這種拓撲的工作原理及優(yōu)化設計方法進行了研究。研究顯示，相比于之前的游標磁阻電機，該電機轉矩密度高，效率和功率因數也有所增加

磁場調制電機(精) 作者簡介

曲榮海，1969年生，內蒙古鄂倫春自治旗人。清華大學電機工程系學士、碩士，美國威斯康星大學麥迪遜分校電氣工程博士。華中科技大學教授，博士生導師，國家特聘專家。華中科技大學校第四、五屆學位評定委員會委員，強電磁工程與新技術國家重點實驗室副主任，新型電機技術國家地方聯(lián)合工程研究中心主任，創(chuàng)新電機技術研究中心主任。中國電工技術學會會士、磁場調制電機專業(yè)委員會主任委員，靠前電機會議（ICEM）董事會成員，IEEE工業(yè)應用協(xié)會武漢分會主席。曾任美國通用電氣公司優(yōu)選研發(fā)中心總部不錯專業(yè)工程師，2010年回國在華中科技大學任教至今。 長期從事電機設計、驅動及控制方面的基礎理論與應用技術研究。因磁場調制電機方面的貢獻和成就受邀在靠前電機與系統(tǒng)（ICEMS 2021）、靠前電機與驅動（IEMDC 2021）、靠前電氣與能源（CIEEC 2022）等靠前會議上作磁場調制電機領域大會主旨報告近20次；因在磁場調制電機方面的貢獻于2018年當選IEEE Fellow。相關項目和成果獲中國產學研合作創(chuàng)新成果獎、湖北省科技進步獎一等獎、日內瓦靠前發(fā)明展金獎和特別嘉許金獎、中國電工技術學會技術發(fā)明獎一等獎、日本永守賞學術獎等。

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