定子永磁無刷電機：理論、設計與控制

目錄
序一
序二
前言
第1章 緒論 1
1.1 永磁材料 1
1.1.1 永磁材料的主要性能參數(shù) 1
1.1.2 主要永磁材料及其性能 4
1.2 永磁電機發(fā)展概況 8
1.3 定子永磁無刷電機概述 10
參考文獻 13
第2章 定子永磁無刷電機基本結構和工作原理 16
2.1 概述 16
2.2 DSPM電機 16
2.2.1 基本出發(fā)點 16
2.2.2 DSPM電機基本工作原理 17
2.2.3 DSPM電機結構形式與分類 20
2.2.4 DSPM電機與SR電機和傳統(tǒng)永磁無刷電機比較 22
2.3 FSPM電機 25
2.3.1 FSPM電機基本結構與工作原理 25
2.3.2 繞組一致性 27
2.3.3 繞組互補性 28
2.3.4 FSPM電機結構形式與分類 29
2.4 FRPM電機 32
參考文獻 36
第3章 定子永磁無刷電機數(shù)學模型 39
3.1 概述 39
3.2 定子坐標系下的正弦波電機方程 39
3.2.1 m相FSPM電機結構 40
3.2.2 m相FSPM電機通用電磁轉矩方程 40
3.2.3 三相電機結構 46
3.3 轉子坐標系下的正弦波電機方程 51
3.4 梯形波空載電動勢電機的數(shù)學模型 55
3.4.1 DSPM電機基本工作原理 55
3.4.2 DSPM電機數(shù)學模型 57
參考文獻 60
第4章 定子永磁無刷電機有限元分析 62
4.1 概述 62
4.2 定子永磁無刷電機有限元建模 63
4.3 磁性材料精細化建模 68
4.3.1 硅鋼片過飽和區(qū)域B-H曲線模擬 68
4.3.2 永磁體不可逆退磁現(xiàn)象的動態(tài)模擬 72
4.3.3 硅鋼片磁滯特性的模擬 78
4.4 FSPM電機靜態(tài)特性的有限元分析 91
4.4.1 三相FSPM電機有限元模型 91
4.4.2 FSPM電機靜態(tài)特性 92
4.5 定子永磁電機特殊電磁現(xiàn)象及其分析 117
4.5.1 定子外部漏磁 117
4.5.2 DSPM電機電感特性 118
4.5.3 端部效應 120
4.6 磁場-電路瞬態(tài)耦合仿真 125
4.6.1 瞬態(tài)場路耦合建模方法 125
4.6.2 三相12/8極DSPM電機磁場-電路耦合仿真分析 127
參考文獻 128
第5章 定子永磁無刷電機磁網(wǎng)絡建模理論與方法 133
5.1 概述 133
5.2 DSPM電機的磁網(wǎng)絡模型 133
5.2.1 磁網(wǎng)絡模型的特點和構成 134
5.2.2 典型磁導的計算方法 135
5.2.3 磁網(wǎng)絡模型的建立過程 137
5.2.4 磁網(wǎng)絡模型的方程組 142
5.2.5 磁網(wǎng)絡模型的求解 144
5.2.6 靜態(tài)電磁特性的計算方法和驗證 145
5.3 FSPM電機的磁網(wǎng)絡模型 148
5.3.1 等效磁網(wǎng)絡模型的建立 149
5.3.2 改進磁網(wǎng)絡模型 153
參考文獻 154
第6章 定子永磁無刷電機損耗分析與計算 156
6.1 概述 156
6.2 考慮直流偏磁影響的定子永磁無刷電機鐵耗計算 157
6.2.1 傳統(tǒng)鐵耗計算方法 158
6.2.2 直流偏磁現(xiàn)象 160
6.2.3 改進的磁滯損耗計算方法 167
6.2.4 不同方法的對比與實驗驗證 169
6.2.5 九相FSPM電機的鐵耗計算 171
6.3 逆變器供電下的定子永磁無刷電機損耗計算 173
6.3.1 逆變器供電下的內埋式定子永磁無刷電機永磁體渦流損耗計算 174
6.3.2 逆變器供電下的鐵耗計算方法 202
參考文獻 209
第7章 定子永磁無刷電機熱分析 214
7.1 概述 214
7.2 傳熱學和計算流體力學基礎 215
7.2.1 傳熱學原理 215
7.2.2 計算流體力學基礎 219
7.3 電機溫度場有限元分析 223
7.3.1 考慮各向異性導熱的溫度場控制方程 223
7.3.2 特殊邊界條件的處理 227
7.3.3 電機定、轉子*小對稱模型 232
7.3.4 FSPM電機溫度場建模和仿真 235
7.4 等效熱路法溫度場建模和分析 247
7.4.1 三維熱路單元及其數(shù)學模型 248
7.4.2 FSPM電機熱路法穩(wěn)態(tài)溫度場建模 250
7.4.3 FSPM電機溫度場分析 260
7.5 溫度場-熱路耦合建模方法 261
7.5.1 間接耦合法 262
7.5.2 直接耦合法 264
7.5.3 直接耦合法與間接耦合法比較 269
7.5.4 九相FSPM電機溫升計算 271
參考文獻 275
第8章 定子永磁無刷電機設計理論與方法 278
8.1 概述 278
8.2 定子永磁無刷電機通用功率尺寸方程 278
8.2.1 DSPM電機功率尺寸方程 282
8.2.2 FRPM電機功率尺寸方程 285
8.2.3 FSPM電機功率尺寸方程 287
8.3 FSPM電機通用設計方法及實例 290
8.3.1 定、轉子齒極數(shù)和相數(shù) 293
8.3.2 定、轉子鐵心和永磁體尺寸 293
8.3.3 每相繞組匝數(shù) 295
8.3.4 算例 296
8.4 定子混合勵磁無刷電機設計方法 299
8.4.1 HEDS電機功率尺寸方程 300
8.4.2 主要尺寸方程 302
8.4.3 定、轉子極寬的選取 303
8.4.4 永磁體尺寸 305
8.4.5 電樞繞組匝數(shù) 307
8.4.6 HEDS電機設計實例 309
參考文獻 312
第9章 定子永磁無刷電機控制策略及其實現(xiàn) 315
9.1 概述 315
9.2 定子永磁無刷電機定子磁場定向方法 315
9.3 FSPM電機電流滯環(huán)PWM矢量控制方法 318
9.3.1 電流滯環(huán)PWM矢量控制原理 318
9.3.2 仿真分析 320
9.3.3 實驗分析 322
9.4 FSPM電機電壓空間矢量PWM控制方法 323
9.4.1 電壓空間矢量PWM控制原理 323
9.4.2 死區(qū)效應與補償方法 326
9.4.3 仿真分析 329
9.4.4 實驗分析 330
9.5 FSPM電機直接轉矩控制方法 331
9.5.1 FSPM電機直接轉矩控制原理 331
9.5.2 FSPM電機直接轉矩控制實現(xiàn) 334
9.5.3 仿真分析 335
9.5.4 實驗分析 337
9.6 FSPM電機控制策略方法比較 338
9.6.1 電流滯環(huán)PWM與電壓空間矢量PWM控制性能比較 338
9.6.2 矢量控制與直接轉矩控制性能比較 340
9.7 多相定子永磁無刷電機控制方法 342
9.7.1 電流滯環(huán)PWM矢量控制 343
9.7.2 空間矢量PWM控制 345
9.7.3 占空比直接求解PWM矢量控制 352
9.7.4 NPC三電平九相逆變器供電下載波調制技術 361
9.7.5 幾種PWM矢量控制方法比較 369
9.8 DSPM電機基本控制策略 369
9.8.1 DSPM電機控制原理 370
9.8.2 DSPM電機控制系統(tǒng) 371
9.8.3 普通數(shù)字PI調節(jié) 374
9.8.4 自調整模糊PI控制 379
9.8.5 變參數(shù)PI控制 390
參考文獻 396
第10章 定子永磁無刷電機轉矩脈動分析與抑制 399
10.1 概述 399
10.2 基于感應電動勢諧波抵消的轉矩脈動抑制方法 399
10.2.1 DSPM電機空載電動勢諧波分析 399
10.2.2 諧波電流注入法 401
10.2.3 基于諧波電流注入法的轉矩脈動抑制仿真分析 402
10.2.4 基于諧波電流注入法的轉矩脈動抑制實驗分析 404
10.3 基于定位力矩補償?shù)霓D矩脈動抑制方法 405
10.3.1 電流滯環(huán)PWM控制下的定位力矩補償控制 406
10.3.2 電壓空間矢量PWM控制下的定位力矩補償控制 416
10.3.3 直接轉矩控制時的轉矩脈動抑制策略 422
10.4 基于導通關斷角優(yōu)化的梯形波定子永磁電機轉矩脈動抑制 428
10.4.1 DSPM電機轉矩脈動產生機理 428
10.4.2 轉矩脈動抑制 433
參考文獻 441
第11章 定子永磁無刷電機可靠性分析與容錯控制 443
11.1 概述 443
11.2 電機系統(tǒng)可靠性評估方法 443
11.2.1 可靠性和多狀態(tài)事件 444
11.2.2 馬爾可夫方法 444
11.2.3 改進馬爾可夫方法 445
11.2.4 舉例驗證 446
11.2.5 可靠性評估過程 449
11.3 DSPM電機容錯控制 456
11.3.1 8/6極DSPM電機容錯運行 456
11.3.2 12/8極DSPM電機容錯運行 465
11.4 三相FSPM電機容錯控制 472
11.4.1 容錯控制策略 472
11.4.2 仿真分析 473
11.4.3 實驗分析 474
11.5 帶容錯齒混合勵磁FSPM電機及其容錯控制 477
11.5.1 電機結構 477
11.5.2 尺寸參數(shù)對性能的影響及優(yōu)化方法 479
11.5.3 正常運行狀態(tài)下的靜態(tài)電磁特性 481
11.5.4 電樞繞組開路故障的容錯控制 485
11.5.5 實驗分析 496
11.6 雙通道FSPM電機及其容錯控制 499
11.6.1 電機結構 499
11.6.2 電磁性能分析 499
11.6.3 容錯控制策略 500
11.6.4 仿真分析 506
11.6.5 實驗分析 508
11.7 九相FSPM電機容錯控制 512
11.7.1 容錯控制自由度解析 513
11.7.2 單中性點連接方式缺相容錯控制 514
11.7.3 三中性點連接方式缺相容錯控制 523
11.7.4 五相繞組同時斷路工況分析 529
參考文獻 538
第12章 磁通可控型定子永磁無刷電機 542
12.1 概述 542
12.2 機械式弱磁 543
12.2.1 可移動磁短路片 543
12.2.2 永磁體軸向移動 543
12.2.3 旋轉式磁性/非磁性套圈 543
12.3 分裂繞組 544
12.3.1 基本原理 544
12.3.2 性能分析 546
12.3.3 分裂繞組與弱磁控制比較 546
12.4 混合勵磁無刷電機概述 547
12.4.1 混合勵磁無刷電機基本結構 547
12.4.2 轉子永磁混合勵磁電機 548
12.4.3 定子永磁混合勵磁電機 550
12.5 混合勵磁雙凸極電機 553
12.5.1 結構與工作原理 553
12.5.2 電勵磁繞組的勵磁磁勢與磁場調節(jié)能力 556
12.