旋转电机设计（原书第2版）

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《旋转电机设计》（原书第2版）是一本重要的参考书籍，它对旋转电机设计的理论原理和技术进行了深入论述。本书是原书的第2版，它提供了电机设计新理论和指南，同时还包括了永磁同步电机和同步磁阻电机的新研究进展。
与原书第1版相比，新增了以下内容：
1）新材料对电机生态化的影响，包括旋转电机的生态化设计原则；
2）扩充了永磁同步电机设计这一节的内容，讲述了齿圈绕组和高转矩永磁同步电机的设计及其性能；
3）同步磁阻电机的新进展和新材料、气隙电感、永磁材料的损耗和电阻系数、永磁磁路的负载工作点、永磁电机设计以及电机损耗的小化；
4）章末的例题、新的设计范例以及实际设计中用到的方法和方案。
5）配套网站Wiley出版社本书主页https://www.wiley.com/en-sg/Design+of+Rotating+Electrical+Machines%2C+2nd+Edition-p-9781118701652，上面存储了两个利用MATHCAD编写的电机设计实例：表面磁钢转子的永磁电机和笼型感应电机的算例。也给出了感应电机优化设计的MATLAB程序代码。

《旋转电机设计》概述了电机设计的详细步骤，便于设计者进行旋转电机的设计。本书对所有已有的和新涌现出来的电机领域内的技术进行了详尽阐述，对于从事电机和驱动器诊断的专家来说是一本有用的参考书。本书对理论原理和技术进行了详细介绍，非常适合电气驱动技术和电磁能量转换相关的电气工程学科的高年级本科生、研究生、科研人员和大学教师阅读。

Juha Pyrhönen，芬兰拉普兰塔理工大学电气工程系教授。他从事电机及其驱动技术的研究和开发方面的工作。他尤其活跃在永磁同步电机及驱动技术和实心转子高速感应电机及驱动技术领域。他承担过许多研究和工业开发项目，并且在电气工程领域撰写了许多著作，获授权专利多项。

Tapani Jokinen，芬兰阿尔托大学电气工程学院名誉教授。他主要的研究方向为交流电机中创新性问题的解决方案和产品开发流程。他曾经在Oy Strömberg Ab公司担任电机设计工程师。他是多家公司的顾问，高速技术有限公司（High Speed tech Ltd）董事会成员，高行政法院专利局委员。他的研究项目包括船舶推进用超导电机和大型永磁电机的开发、高速电机和主动磁轴承的开发，以及用于求解电机问题的有限元分析工具的开发。 

Valéria Hrabovcová，斯洛伐克共和国日利纳大学电力电子系电机方向教授。她的专业和研究方向涵盖了所有种类的电机，包括电子换向电机。她从事过大量的研究和开发项目，撰写了许多的电气工程领域的科学出版物。她的工作还包括各种教育学的活动，参与了许多国际教育项目的研究。

柴凤，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。主要研究领域为新型电驱动用电机系统及其相关技术、电动车辆用轮毂电机系统及相关技术、高精度伺服电机及驱动系统、飞轮储能用高速电机及相关技术等。主持承担完成国家自然科学基金、科技部国际合作、国防预研项目、863以及横向合作等三十余项科技项目。获省部级、校级教学和科技奖励多项。发表文章60余篇（SCI、EI检索40余篇），获中国发明专利授权8项。

译者序
原书前言
作者简介
缩略语和符号
第1章电机设计的基本定律和方法1
1.1 电磁原理1
1.2 数值法7
1.3 解析计算的基本原则9
1.3.1 磁力线图12
1.3.2 载流区的磁通图16
1.4 虚功原理在力和力矩计算中的应用19
1.5 麦克斯韦应力张量;径向和切向应力24
1.6 自感和互感27
1.7 标幺值31
1.8 相量图34
参考文献35
第2章 电机绕组36
2.1 基本原理37
2.1.1 凸极绕组37
2.1.2 槽绕组39
2.1.3 端部绕组40
2.2 相绕组41
2.3 三相整数槽定子绕组42
2.4 电压相量图和绕组因数48
2.5 绕组分析55
2.6 短距56
2.7 槽绕组的电流链63
2.8 多相分数槽绕组72
2.9 相系统和绕组相带75
2.9.1 相系统75
2.9.2 绕组相带77
2.10 对称条件78
2.10.1 对称分数槽绕组79
2.11 基绕组81
2.11.1 一阶分数槽基绕组81
2.11.2 二阶分数槽基绕组82
2.11.3 整数槽基绕组82
2.12 分数槽绕组84
2.12.1 单层分数槽绕组84
2.12.2 双层分数槽绕组92
2.13 单?双相绕组97
2.14 变极绕组100
2.15 换向器绕组102
2.15.1 叠绕组的工作原理105
2.15.2 波绕组的工作原理107
2.15.3 换向器绕组实例，平衡连接器109
2.15.4 交流换向器绕组113
2.15.5 换向器绕组的电流链与电枢反应113
2.16 补偿绕组和换向极115
2.17 异步电机的转子绕组117
2.18 阻尼绕组119
参考文献121
第3章 磁路设计122
3.1 气隙及气隙磁压降127 !!!!
3.1.1 气隙和卡特系数127 !!!!
3.1.2 凸极电机的气隙131 !!!!
3.1.3 隐极电机的气隙136
3.2 等效铁心长度137
3.3 齿部和凸极磁压降139
3.3.1 齿部磁压降139
3.3.2 凸极磁压降142
3.4 定、转子轭部磁压降142 ?
3.5 电机空载曲线?等效气隙和励磁电流145
3.6 旋转电机的磁性材料147
3.6.1 铁磁材料的特性150
3.6.2 铁心磁路的损耗155
3.7 旋转电机的永磁材料161
3.7.1 永磁材料的历史与发展162
3.7.2 永磁材料的特性164
3.7.3 永磁材料磁路的工作点168
3.7.4 永磁材料的退磁173
3.7.5 永磁材料在电机中的应用175
3.8 铁心叠片的装配180
参考文献181
第4章 电感182
4.1 励磁电感182
4.2 漏电感185
4.2.1 漏磁通的分类186
4.3 漏磁的计算189
4.3.1 斜槽因数和斜槽漏感189
4.3.2 气隙漏感193
4.3.3 槽漏感197
4.3.4 齿顶漏感205
4.3.5 端部漏感206
参考文献208
第5章 电阻209
5.1 直流电阻209
5.2 集肤效应对电阻的影响210
5.2.1 电阻系数的解析计算210
5.2.2 槽内导体的临界高度217
5.2.3 抑制集肤效应的方法217
5.2.4 电感系数218
5.2.5 利用电路分析方法计算槽内的集肤效应219
5.2.6 双边集肤效应226
参考文献230
第6章 旋转电机的设计流程231
6.1 旋转电机的生态化设计原则231
6.2 旋转电机的设计流程232
6.2.1 初始值232
6.2.2 主要尺寸234
6.2.3 气隙241
6.2.4 绕组选择243
6.2.5 气隙磁通密度245
6.2.6 电机空载磁通和绕组匝数245
6.2.7 新的气隙磁通密度249
6.2.8 确定齿宽250
6.2.9 确定槽形尺寸250
6.2.10 确定气隙磁压降和定、转子齿磁压降254
6.2.11 确定新的饱和系数256
6.2.12 确定电机定、转子轭高及其磁压降257
6.2.13 励磁绕组258
6.2.14 确定电机定子外径和转子内径259
6.2.15 计算电机性能259
参考文献260
第7章 旋转电机的特性261
7.1 电机尺寸、速度、不同负载及效率261
7.1.1 电机尺寸及速度261
7.1.2 机械载荷能力262
7.1.3 电负载能力265
7.1.4 磁负载能力266
7.1.5 效率267
7.2 异步电机269
7.2.1 异步电机的电流链及产生的转矩269
7.2.2 笼型绕组的电流链及阻抗274
7.2.3 感应电机的特性279
7.2.4 考虑异步转矩及谐波时的等效电路283
7.2.5 同步转矩288
7.2.6 笼型绕组槽数的选择289
7.2.7 感应电机的构造293
7.2.8 冷却及工作制295
7.2.9 三相工业感应电动机参数实例297
7.2.10 异步发电机299
7.2.11 绕线转子感应电机301
7.2.12 单相电流供电的异步电动机302
7.3 同步电机306
7.3.1 同步电机在同步及瞬态运行时的电感307
7.3.2 同步电机负载运行及负载角方程315
7.3.3 同步电机的有效值相量图321
7.3.4 空载曲线及短路试验329
7.3.5 异步驱动331
7.3.6 不对称负载引起的阻尼电流334
7.3.7 阻尼导条槽从极对称轴偏移335
7.3.8 同步电机的V形曲线336
7.3.9 同步电机的励磁方法336
7.3.10 永磁同步电机337
7.3.11 同步磁阻电机361
7.4 直流电机372
7.4.1 直流电机的结构372
7.4.2 直流电机的运行及电压373
7.4.3 直流电机的电枢反应与电机设计375
7.4.4 换向378
7.5 双凸极磁阻电机380
7.5.1 双凸极磁阻电机的运行原理380
7.5.2 开关磁阻电机的转矩381
7.5.3 开关磁阻电机的运行382
7.5.4 开关磁阻电机的基本术语、相数和尺寸384
7.5.5 开关磁阻电机的控制系统386
7.5.6 开关磁阻电机的未来展望389
参考文献390
第8章 电机的绝缘393
8.1 旋转电机的绝缘394
8.2 浸漆和树脂399
8.3 绝缘尺寸402
8.4 电气作用下的绝缘老化404
8.5 实用的绝缘结构405
8.5.1 低压电机的槽绝缘405
8.5.2 低压电机线圈的端部绝缘407
8.5.3 极绕组的绝缘407
8.5.4 低压电机的浸渍绝缘407
8.5.5 高压电机的绝缘407
8.6 绝缘的状态监测409
8.7 变频器驱动下的电机绝缘412
参考文献415
第9章 损耗和传热416
9.1 损耗416
9.1.1 电阻损耗417
9.1.2 铁心损耗418
9.1.3 附加损耗418
9.1.4 机械损耗419
9.1.5 降低损耗的方法421
9.1.6 节能的经济性423
9.2 散热425
9.2.1 传导425
9.2.2 辐射428
9.2.3 对流431
9.3 等效热路436
9.3.1 电路和热路变量的相似性436
9.3.2 绕组的平均导热系数437
9.3.3 电机的等效热路438
9.3.4 冷却剂流建模446
9.3.5 等效热路的求解450
9.3.6 冷却流率452
参考文献453
附录454
附录A 电工钢片的特性454
附录B 漆包圆铜线的特性456

　　电机几乎可以完全应用于电力生产中，并且基本上所有的电能产生过程都离不开旋转电机。在发电过程中，至少辅助电机是必需设备。在分布式能源系统中，新型电机扮演了一个举足轻重的角色：例如，现在已经进入了永磁电机时代。
　　电动机消耗了全球大约一半的电能，并且用于精确驱动控制电动机的份额在不断增加。电驱动使得广泛的加工流程实现最优控制成为可能。电动机转矩可以实现精确控制，电力电子和机电转换过程的效率可以提高。更重要的是电动机驱动的可控性可以节约大量的能源。在将来，电驱动亦将在汽车牵引和工作机运行中发挥重要作用。由于巨大的能量流动，电驱动也将对环境带来重要影响。如果驱动设计得
　　不好或者效率很低，就会徒劳地增加环境负担。来自环境的威胁给了电气工程师一个好的机遇去设计新型高效的电驱动。
　　芬兰在电动机设计和驱动方面有着传统优势。拉普兰塔理工大学和阿尔托大学已经意识到必须发扬传承电机的教学科研优势。《旋转电机设计》（原书第2版）旨在给电气工程系的学生传授有关旋转电机方面的充分扎实的基础知识，深入了解这些电机的运行原理，同时开发电机设计基本技能。诚然，限于篇幅，在一本书中不可能包含电机设计所需的所有资料，但这本书仍不失为一本很好的电机设计手册，可供电机设计人员在其早期职业生涯中采用。本书每一章后附的参考文献作为相关知识参考来源，推荐给读者做背景阅读。Tapani Jokinen教授，历经数十年建设芬兰的电机设计专业。通过他在本书中的重要贡献，芬兰的电机设计传统得以强化。斯洛伐克共和国有着传统的工业优势，来自该国的Valéria Hrabovcová教授，同样对本书做出了相同的贡献。
　　在第2版中，为使行文更具逻辑性，重新修订了第1版的部分章节，并且更正了许多印刷错误。特别是在永磁电机和同步磁阻电机章节中，引入了许多最新的研究成果使得内容更具深度。电机的生态设计原则和经济性考虑也给予了简要介绍。
　　Juha Pyrh?nen
　　Tapani Jokinen
　　Valéria Hrabovcová 

　　旋转电机是依靠电磁感应原理而运行的旋转电磁机械，用于实现机械能和电能的相互转换。目前几乎所有的电力生产活动都离不开旋转电机。当然，随着时代的发展，电机也在不断发展完善中。尤其是随着稀土钕铁硼永磁材料的问世，使得永磁电机成为新型电机的代表并应用得越来越广泛。市面上介绍电机设计的图书很少，尤其是缺乏新型电机设计的相关资料。因此出版一本专门介绍经典电机和新型
　　电机设计的图书就显得十分必要。
　　《旋转电机设计》（原书第2版）由芬兰拉普兰塔理工大学Juha Pyrh?nen教授、芬兰阿尔托大学Tapani Jokinen名誉教授、斯洛伐克日利纳大Valéria Hrabovcová教授合作撰写。三位教授都是国际知名的电机专家，在电机领域有着非常丰富的理论和实践经验。本书详细、由浅入深地论述了经典电机和新型电机的电磁设计、绝缘设计、热传递设计的理论和技术。本书详略得当，重点突出，插图精美，数据曲线均来自于知名公司电机产品；每章均附有相关参考文献，便于读者溯源；例题丰富，和实践结合紧密。
　　本书为原书第2版，提供了电机设计最新理论和指南，同时还包括了永磁同步电机和同步磁阻电机的最新研究进展。与原书第1版相比，新增了以下内容：新材料对电机生态化的影响，包括旋转电机的生态化设计原则；扩充了永磁同步电机设计这一节的内容，讲述了齿圈绕组和高转矩永磁同步电机设计及其性能；同步磁阻电机的新进展和新材料、气隙电感、永磁材料的损耗和电阻系数、永磁磁路的负载
　　工作点、永磁电机设计以及电机损耗的最小化；章末的例题、新的设计范例以及实际设计中用到的方法和方案。
　　《旋转电机设计》（原书第2版）是国外电机届近年来颇具影响力的一本专著，出版以来深受国外学者的欢迎。译者在翻译过程中，一直感受到很大的挑战。尤其是在对电机的一些专有名词的翻译上，为给国内读者更好地呈现出作者对电机设计的精准阐释和独到见解，译者尽可能地忠实于原著。这可能会给国内读者带来一些阅读上的困扰，也请读者能够理解并体会到不同的定义下作者的另一种视角。
　　例如，本书中大量出现的一个专有名词是“电流链（Current Linkage）”。安培定律的准静态形式是电机设计中十分重要的公式，本书正是在此定律的阐述中引入的“电流链”概念。在实际的电机中，绕组中电流密度的面积分，即对应的电流和（也即绕组中流动的电流），定义为电流链。基于这个定义，永磁体在电机中的作用也可以用视在“电流链”表示。在电机设计中，“电流链” 和电机磁路中的“磁动势（Magnetic Motive Force，MMF）”是等效的，作者为了体现麦克斯韦方程组对电机设计的深远影响，在书中表述源电流作用时沿用了“电流链”的叫法。在本书的第2章出现的“基绕组”等，译者也是尽量忠实于原著来阐述。
　　《旋转电机设计》（原书第2版）由哈尔滨工业大学柴凤教授、裴宇龙副教授、于艳君副教授和陈磊副教授负责翻译，柴凤教授负责统稿和审阅。博士研究生甘磊、于雁磊、毕云龙、李宗洋、梁培鑫、宋再新、耿丽娜和胡慧莹等同学在翻译过程中参与了整理和校对工作。
　　译者