永磁无刷直流电机技术（第2版）

永磁无刷电机应用在新能源汽车、无人机、医疗设备上都具有广泛前景。本次修订，特邀西安微电机研究所副总工程师、西安伺服电机有限公司总经理邵晓强研究员级高级工程师为第11章增补了两个永磁无刷直流电机电磁设计计算实例，供读者参考

永磁无刷直流电机被认为是21世纪有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。
《永磁无刷直流电机技术（第2版）》着重对永磁无刷直流电机与控制技术的主要问题进行较深入的研究分析和介绍，包括无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较；无刷直流电机数学模型；计及绕组电感的特性与参数计算方法；分数槽集中绕组和多相绕组；不同相数绕组连接和导通方式的分析与比较；气隙磁通密度的计算；反电动势波形和反电动势计算；霍尔传感器位置分布规律分析和确定方法；无刷直流电机设计要素的选择；主要尺寸基本关系式考虑电感影响的修正；由黏性阻尼系数确定电机主要尺寸的方法；整数槽和分数槽绕组无刷直流电机的电枢反应；转矩波动及其抑制方法；齿槽转矩及其削弱方法；无刷直流电机基本控制技术；无传感器控制技术；低成本正弦波控制技术；单相无刷直流电机与控制等。《永磁无刷直流电机技术（第2版）》同时综合介绍国内外无刷直流电机与控制技术新进展动态和研究成果。每章后附有相关参考文献，便于读者跟踪和进一步深入研究。

谭建成，1964年毕业于清华大学，研究生学历，服务过西安微电机研究所、中国电器科学研究院，是我国早从事无刷直流电机与控制技术的首批科技工作者之一。在无刷电机领域科技刊物和学术会议发表科技文章80余篇，3个授权专利，独立完成专著3部，参与著作编写3部。获得机械工业部及广东省科技进步奖4次。

第2版前言

第1版前言

第1章绪论

1.1无刷直流电动机是最具发展前途的机电一体化电机

1.2无刷直流电动机的技术优势

1.3 21世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪

1.4推动无刷直流电动机技术和市场蓬勃发展的主要因素

1.5无刷直流电动机技术发展动向

1.6小结

参考文献

第2章方波驱动与正弦波驱动的原理和比较

2.1无刷直流电动机（BLDC）与永磁同步电动机（PMSM）

2.2方波驱动和正弦波驱动的转矩产生原理

2.3无刷直流电动机与永磁同步电动机的结构和性能比较

2.4小结

参考文献

第3章无刷直流电动机的绕组连接与导通方式及其选择

3.1常见绕组连接与导通方式

3.1.1两相绕组电机连接与导通方式

3.1.2四相绕组电机连接与导通方式

3.1.3三相绕组电机连接与导通方式

3.1.4五相星形绕组电机连接与导通方式

3.1.5小结

3.2两相、三相和四相不同绕组连接和导通方式的分析比较

3.3绕组利用率和最佳导通角的分析

3.3.1桥式电路封闭绕组与星形绕组

3.3.2非桥式m相无刷直流电动机最佳导通角的分析

3.3.3小结

3.4桥式换相的三相绕组接法和接法的分析与选用

3.4.1三相无刷直流电动机和两种绕组接法及其转换关系

3.4.2同一台电机采用三角形与星形接法的比较

3.4.3 3次谐波环流和采用三角形接法条件

3.4.4应用实例

3.4.5小结

3.5在相同铜损耗条件下几种不同相数、不同导通角电机转矩的比较

参考文献

第4章无刷直流电动机数学模型、特性和参数

4.1无刷直流电动机简化模型和基本特性

4.1.1基本假设和简化模型基本等效电路

4.1.2无刷直流电动机机械特性的统一表达式

4.1.3理想空载点平均电流不等于零

4.1.4无刷直流电机主要参数KE、KT、Req和D

4.1.5重要参数——黏性阻尼系数D

4.1.6正弦波反电动势两相、三相和四相绕组的系数KE、KT、KD计算

4.1.7一个三相无刷直流电动机特性和系数计算例子

4.2绕组电感对无刷直流电动机特性的影响

4.3非桥式120°导通三相无刷直流电动机的非线性工作特性分析

4.4计及绕组电感的三相无刷直流电动机数学模型和基本特性

4.4.1换相过程分析和瞬态三相电流解析表达式

4.4.2平均电流和平均电磁转矩表达式

4.4.3平均电流和平均电磁转矩的简洁表达式和函数关系图

4.4.4近似计算公式

4.4.5转矩系数KT与反电动势系数KE

4.4.6计及绕组电感的无刷直流电动机机械特性

4.4.7图解法计算电机特性和实例验证

4.4.8绕组电阻和电感值变化对电机特性的影响

4.4.9小结

4.5无刷直流电动机单回路等效电路与视在电阻Rs

4.6功率和效率、铜损耗和电流有效值计算

4.7绕组电阻和电感的计算

4.7.1电阻的计算

4.7.2电感的计算

4.7.3一个电感计算的例子

参考文献

第5章无刷直流电动机分数槽绕组和多相绕组

5.1无刷直流电动机定子与绕组结构

5.2无刷直流电动机的分数槽绕组

5.2.1分数槽绕组的优点

5.2.2分数槽绕组槽极数Z0/p0组合约束条件

5.2.3三相绕组节距y=1的分数槽集中绕组Z0/p0组合条件

5.2.4三相分数槽绕组的绕组系数计算

5.2.5成对出现的槽极数组合

5.2.6小结

5.3分数槽集中绕组槽极数组合的选择与应用

5.3.1单层绕组和双层绕组

5.3.2定子磁动势谐波与转子涡流损耗

5.3.3齿槽组合的LCM值与齿槽转矩的关系

5.34Z为奇数的齿槽组合与UMP问题

5.3.5负载下的纹波转矩

5.3.6成对槽极数组合、槽极数比的选择

5.3.7大小齿结构的集中绕组电机

5.3.8小结

5.4分数槽绕组电动势相量图和绕组展开图

5.4.1相量图和绕组电动势相量星形图

5.4.2分数槽集中绕组电动势相量星形图

5.4.3三相分数槽集中绕组电机绕组展开图画法步骤

5.5多相绕组

5.5.1多相分数槽绕组的对称条件

5.5.2五相分数槽集中绕组槽极数组合Z0/(2p0)的分析

5.5.3Z为奇数的槽极数组合与UMP问题

5.5.4五相分数槽集中绕组电机的绕组系数计算

5.5.5一个五相绕组连接和霍尔传感器位置的例子

5.5.6小结

5.6一种六相无刷直流电机绕组结构分析

5.6.1六相无刷直流电机系统主要优点

5.6.2两种六相无刷直流电动机绕组结构方案

5.6.3两种绕组结构方案比较

5.7多相绕组连接拓扑结构的探讨

5.7.1多相绕组连接拓扑结构的分析

5.7.2九相电机绕组不同接法的机械特性分析

5.7.3多相无刷直流电机封闭形绕组无环流条件的分析

5.8定子铁心制造方法

参考文献

第6章磁路与反电动势

6.1转子磁路结构

6.1.1转子磁路基本结构形式

6.1.2Halbach阵列结构

6.1.3转子结构选择实例

6.2常用永磁材料及其在永磁无刷直流电动机中的应用

6.2.1常用永磁材料

6.2.2注塑、黏结、烧结永磁材料和磁环多极充磁

6.3气隙磁通密度的分析计算

6.3.1永磁无刷直流电动机磁路模型和等效磁路

6.3.2表贴式结构气隙磁通密度计算

6.3.3考虑气隙半径曲率的表贴式结构气隙磁通密度计算

6.3.4埋入式结构气隙磁通密度计算

6.3.5内置V形径向式气隙磁通密度计算

6.3.6内置切向式气隙磁通密度计算

6.4反电动势波形和反电动势计算

6.4.1绕组形式对反电动势波形的影响

6.4.2反电动势的计算

6.5一个计算例子

参考文献

第7章转子位置传感器及其位置的确定

7.1转子位置传感器的分类和特点

7.2霍尔集成电路的选择与使用注意事项

7.3位置传感器最少个数

7.4位置传感器的安装方式

7.5无刷电机霍尔传感器位置确定的原理

7.5.1锁存型霍尔集成电路输出特性与极性的约定

7.5.2霍尔传感器位置与三相磁动势轴线对应关系

7.6分数槽集中绕组无刷电机霍尔传感器位置的分布规律和确定方法

7.6.1分数槽集中绕组单元电机槽数Z0为偶数的分析

7.6.2分数槽集中绕组单元电机槽数Z0为奇数的分析

7.6.3霍尔传感器安放在齿顶中央

7.6.4一种电动自行车用51/23分数槽集中绕组的例子

7.6.5小结

7.7三相无刷直流电机分离型霍尔传感器位置的整定方法

7.7.1多极电机霍尔传感器排列顺序

7.7.2霍尔传感器位置整定的几种方法

7.8适用于各类无刷直流电机确定霍尔传感器位置的通用方法

7.8.1确定霍尔传感器安放位置的通用方法

7.8.2单相无刷直流电机的例子

7.8.3两相（四相）无刷直流电机绕组星形连接的例子

7.8.4三相无刷直流电机绕组星形连接的几个例子

7.8.5三相无刷直流电机绕组三角形连接的例子

7.8.6五相无刷直流电机绕组星形连接的例子

7.8. 7九相无刷直流电机绕组封闭形连接的例子

7.8.8 11相无刷直流电机绕组封闭形连接的例子

7.8.9小结

参考文献

第8章永磁无刷直流电动机的电枢反应

8.1电枢反应磁动势分解为直轴和交轴分量的分析方法

8.2基于直轴和交轴分量分析的传统观点

8.3内置式转子结构电枢反应磁动势的影响

8.4基于电枢反应磁动势分布图的电枢反应磁场与永磁磁场叠加的分析方法

8.5电枢反应磁动势对最佳换相位置的影响和超前换相方法

8.6电机设计时需考虑电枢反应的最大去磁作用

8.7分数槽集中绕组电机的电枢反应

8.8分数槽集中绕组电机转子永磁体内产生涡流损耗

8.9小结

参考文献

第9章无刷直流电动机的转矩波动

9.1产生转矩波动的原因

9.2换相转矩波动分析

9.2.1只考虑电感、忽略绕组电阻的换相转矩波动分析

9.2.2考虑绕组电阻和电感换相过程的换相转矩波动分析

9.2.3换相时间t1的计算与t1/T=1条件的分析

9.2.4一个电机的计算例子

9.2.5小结

9.3抑制换相转矩波动的控制方法

9.4PWM控制方式对换相转矩波动的影响

参考文献

第10章永磁无刷直流电动机的齿槽转矩及其削弱方法

10.1永磁无刷直流电动机的齿槽转矩

10.2齿槽转矩的解析表达式

10.3采用分数槽绕组

10.4转子磁极极弧系数的选择

10.5不等厚永磁体和不均匀气隙方法

10.6定子斜槽、转子斜极或转子磁极分段错位方法

10.7磁极偏移方法

10.8定子铁心齿冠开辅助凹槽方法

10.9槽口宽度的优化

10.10降低齿槽转矩实例

10.11小结

参考文献

第11章电机设计要素的选择与主要尺寸的确定

11.1设计技术要求与典型设计过程

11.2无刷电机CAD软件简介

11.3若干设计要素的选择

11.4定子裂比的选择

11.5由电磁负荷确定电机主要尺寸的方法

11.5.1电磁负荷与主要尺寸关系式、电机利用系数

11.5.2定子绕组电流密度j与热负荷Aj

11.5.3一些设计参考数据

11.5.4单位转子体积转矩（TRV）

11.5.5主要尺寸基本关系式在考虑电感影响时的修正和一个电机例子的验证

11.5.6由电磁负荷确定电机主要尺寸方法的不确定性

11.6由黏性阻尼系数D确定电机主要尺寸的方法

11.7一个电机主要尺寸计算例子

11.8一个无刷直流伺服电机电磁设计实例

11.9一个基于Ansoft的无刷直流电机设计实例

参考文献

第12章无刷直流电动机基本控制技术

12.1无刷直流电动机控制概述

12.1.1无刷直流电动机电子控制器基本组成

12.1.2无刷直流电动机控制的发展

12.1.3开环和闭环控制系统

12.2起停控制和软起动

12.3正反转方法和转向控制

12.4制动控制

12.5转速反馈信号的简易检出方法

12.6无刷直流测速发电机

12.7几种电压调节方法与PWM脉宽调制

12.8保护电路和电流的采样

12.9电流波形与提前关断技术

12.10无刷直流电动机逆变器拓扑结构

12.11六开关三相逆变器拓扑结构和栅极驱动

12.12四开关三相逆变器的工作原理与控制

12.13以绕组切换方式扩展转速范围

12.14几种无刷直流电机实用控制电路例

12.14.1基于UCC3626的速度控制电路

12.14.2高压450V三相无刷直流电动机驱动电路

12.14.3微控制器MCU与L6235组合的驱动控制电路

参考文献

第13章无刷直流电动机无位置传感器控制

13.1反电动势检测法

13.1.1反电动势过零法

13.1.2反电动势积分及参考电压比较法

13.1.3反电动势积分及锁相环法

13.1.4续流二极管法

13.2 3次谐波反电动势检测法

13.3定子电感法

13.4 G（θ）函数法

13.5扩展卡尔曼滤波法

13.6状态观测器法

13.7利用微控制器和数字信号处理器的无传感器控制

13.7.1利用ST7MC微控制器的反电动势过零法无传感器控制的例子

13.7.2利用MC56F8013微控制器的反电动势过零法无传感器控制的例子

参考文献

第14章无刷直流电动机低成本正弦波驱动控制

14.1低成本正弦波驱动控制的需求

14.2利用线性霍尔元件作转子位置传感器的正弦波驱动

14.3利用开关型霍尔集成电路作转子位置传感器的正弦波驱动

14.3.1基于低分辨率转子位置信息的高分辨率转子位置识别新思路

14.3.2Atmel公司的ATtiny261/461/861系列正弦波微控制器

14.3.3东芝公司正弦波控制器和驱动器专用芯片

14.4无传感器技术在正弦波驱动中的应用

参考文献

第15章单相无刷直流电动机与控制

15.1单相无刷直流电动机的工作原理与结构

15.2四种不对称气隙结构的转矩分析比较

15.3单相无刷直流电动机的超前换相与滞后换相分析

15.4单相无刷直流风机特性和基本换相电路

15.5无刷直流风机在计算机等电子设备中使用的若干问题

15.6用于光盘驱动器主轴中的单相无刷直流电动机

参考文献

附录

附录A作者已发表的相关文献

附录B几种霍尔集成电路数据表

附录C分数槽集中绕组系数表

附录D平均电流比KA平均电磁转矩比Kτ和KT/KE比的函数表

附录EGB/T21418—2008永磁无刷电动机系统通用技术条件

第2版 前言

《永磁无刷直流电机技术（第2版）》自2011年出版以来，承蒙广大读者厚爱，先后重印了7次。在此，编者对各位读者的认可表示由衷感谢。由机械工业出版社提议，现修订再版。
本次修订，除了将个别排印有误之处更正外，增补了一些内容。例如，在第5章和第7章增补了多相绕组连接方式拓扑结构探讨；多相封闭形绕组不足的分析；九相封闭形绕组与九相三两种连接方式机械特性的比较；多相封闭形绕组无环流条件；三相电机改换为三角形接法的霍尔传感器定位；适用于各类无刷直流电机确定霍尔传感器安放位置的通用方法；从单相到11相几种绕组拓扑结构的霍尔传感器安放位置实例等。
本次修订，特邀西安微电机研究所副总工程师、西安伺服电机有限公司总经理邵晓强研究员级高级工程师为第11章增补了两个永磁无刷直流电机电磁设计计算实例，供读者参考，希望对读者的电机设计工作有所帮助。
在本次修订工作中，机械工业出版社罗莉副编审对编者给予了鼓励和支持，进行了十分细致的编辑工作，在此深表谢意。
编者学识有限，不一定能完全满足读者的期望，有错漏和不当之处，敬请读者和同行给予批评指正。谢谢。
第1版前言无刷直流电机被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机，在航天航空系统、国防军事装备、科学仪器、工业自动化装备、交通运输、医疗器械、计算机信息外围设备、办公自动化设备、家电民用消费产品中有越来越广泛的应用。目前国内从事无刷直流电机开发、生产、控制、应用人员众多，许多高校研究生论文围绕无刷直流电机与控制的热点开展研究。国内外科技刊物和学术会议有大量相关论文发表。
本书着重对永磁无刷直流电机与控制技术的主要问题进行较深入的研究分析和介绍，包括无刷直流电动机（BLDC）与永磁同步电动机（PMSM）的结构和性能比较；无刷直流电机数学模型、等效电路、特性与参数；分数槽集中绕组和多相绕组；不同相数绕组连接和导通方式的分析比较；气隙磁通密度的分析计算；反电动势波形和反电动势计算；霍尔传感器位置分布规律分析和确定方法；无刷直流电机设计要素的选择和主要尺寸的确定；整数槽和分数槽绕组无刷直流电机的电枢反应；转矩波动及其抑制方法；齿槽转矩及其削弱方法；无刷直流电机基本控制技术；无传感器控制技术；低成本正弦波控制技术；单相无刷直流电机与控制等。
《永磁无刷直流电机技术（第2版）》作者是国内最早从事无刷直流电机与控制技术的首批科技工作者之一，《永磁无刷直流电机技术（第2版）》是作者30多年从事无刷直流电机研究开发实践的体会与总结，其中也介绍了作者在无刷直流电机技术领域，例如简化数学模型和计及电感的数学模型、特性与参数计算方法、主要尺寸基本关系式考虑电感影响的修正、由黏性阻尼系数D确定电机主要尺寸的方法、分数槽集中绕组槽极数组合与选择应用、霍尔传感器位置确定方法、定子大小齿结构、绕组切换调速和直接驱动等方面的研究心得和成果。同时本书也综合介绍国内外无刷直流电机与控制技术最新进展动态和研究成果。每章后附有相关参考文献，便于读者跟踪和进一步深入研究。在此，对所参考引用的国内外文献资料的学者表示衷心的感谢。
《永磁无刷直流电机技术（第2版）》遵循理论研究与实用技术相结合原则编写，预期对即将从事或正在从事无刷直流电机开发、生产、控制、应用人员的工作将有具体帮助。
《永磁无刷直流电机技术（第2版）》编写面向已具有电机学与电子技术基础知识，对无刷直流电机技术有需求的读者。本书可供从事无刷直流电机研究开发、设计、生产、控制、应用的科技人员及管理人员，大专院校教师、本科生和研究生参考。
本书作者对曾经服务过的西安微电机研究所、中国电器科学研究院和一些企业公司所提供的研究实践机会和条件，有关领导和同事的支持和帮助表示诚挚的谢意；感谢孙流芳编审的鼓励和机械工业出版社在本书出版过程中给予的支持。
作者学识水平有限，错漏和不当之处敬请读者和同行给予批评指正。