永磁同步电机 基础理论、共性问题与电磁设计

永磁同步电机结构简单紧凑，功率密度、转矩密度、效率和功率因数高，转速与供电频率成正比，控制性能好，在工农业生产、国防工业、航空航天、机器人、新能源、电动汽车等领域得到越来越广泛的应用。
本书是作者多年来从事永磁同步电机研究和产品开发的成果总结。本书首先介绍了永磁材料的特性、性能特点与防护，以及永磁同步电机的磁路计算方法；然后分析了永磁同步电机的轴电压、齿槽转矩、电磁振动、不可逆退磁等共性问题；*后介绍了异步起动永磁同步电机、变频调速永磁同步电机、圆筒型永磁同步直线电机、高速永磁同步电机等的结构特点、性能分析方法和电磁设计方法。
本书既可供从事永磁同步电机研究、产品研发的科研人员、工程技术人员使用，也可作为高等学校相关专业的研究生教材，以及继续教育的教材。

王秀和，博士，山东大学教授，享受国务院特殊津贴专家，山东省有突出贡献的中青年专家，教育部新世纪优秀人才。长期从事永磁电机基础理论、共性问题和关键技术研究，以及高性能永磁电机的研究开发。先后主持包括国家自然科学基金重点项目在内的科研项目四十余项，发表学术论文二百余篇，主编学术专著四部、规划教材一部，主译英文专著一部，获省部级科研奖励七项，为电机企业研发了十余个系列四百多个规格的永磁同步电机新产品，并大规模推广应用。

适读人群 ：永磁电机研究、设计、生产和使用的科研人员、工程技术人员以及科技管理人员；电机专业的高校老师和学生
作者团队与企业联合开发10余个系列、400多个规格的永磁同步电机
所积累的永磁同步电机的研发成果和设计经验，重点论述如下：
?永磁电机的基础理论
?永磁电机的共性问题
?永磁同步电机的性能计算
?永磁同步电机的电磁设计方法

这些内容对于永磁电机研究、设计、生产和使用的科研人员、工程技术人员以及科技管理人员，都是非常宝贵和具有参考价值的实用指导！

前言
永磁电机的发展与永磁材料息息相关。20世纪30年代、50年代，相继出现了铝镍钴永磁和铁氧体永磁，各种微型永磁电机不断出现，但这两种永磁材料的磁能积低，制约了永磁电机的发展。1967年问世的钐钴永磁和1983年问世的钕铁硼永磁，具有优良的磁性能，大大提高了电机的功率密度、转矩密度和效率，使永磁电机成为电机行业研究、开发和生产最活跃的领域，永磁电机的基础理论、分析方法和设计方法得到了快速发展。到20世纪末，已形成了较为系统的永磁电机理论体系。进入21世纪以来，对高性能电机的需求日益迫切，永磁同步电机以其高功率密度、高效率、高功率因数和良好的控制性能而得以迅速发展，成为永磁电机研发中最活跃的分支，在工农业生产、国防工业、航空航天、机器人、新能源、电动汽车等领域得到越来越广泛的应用。随着产品研发和工程应用的不断深入，永磁电机在高性能场合的应用日益广泛，对转矩波动、振动、噪声和工作可靠性等指标的要求越来越高，永磁电机共性问题研究的不足逐渐显现，严重制约了高性能永磁电机的发展。有鉴于此，从21世纪初至今，本书作者对永磁电机的齿槽转矩、轴电压、不可逆退磁、电磁振动等共性问题进行了较为深入的研究，取得了一些成果。在工程应用方面，与企业联合开发了十余个系列四百多个规格的永磁同步电机产品并推广应用，积累了较为丰富的永磁同步电机设计经验。特以这些研究成果和设计经验为基础，撰写了本书。希望本书的出版能对永磁电机行业的发展产生一定的推动作用。本书由王秀和提出总体撰写思路和提纲，并对全书进行统稿和定稿。各章的撰写分工如下：朱常青编写了第1、2章；王秀和编写了第3~7、9、12章和附录；杨玉波编写了第8、10章；张岳编写了第11章；赵文良、邢泽智、张岳分别参与了第2、5、8章的编写。作为本书撰写基础的一些科研工作，得到了国家自然科学基金委员会等科研管理部门的项目资助，包括：国家自然科学基金重点项目“变频器供电永磁同步电动机电磁振动关键基础问题研究(51737008)”；国家自然科学基金面上项目“新型变极起动永磁同步电动机研究(51577107)”“异步起动永磁同步电动机若干难点问题的研究(51177089)”“高性能永磁电机轴承工作可靠性的共性科学问题——固有轴电压的基础理论与削弱方法研究(52077122)”“新型并联式结构混合励磁无刷爪极发电机的基础研究(51177090)”“新型分块动子磁通切换旋转直线两自由度电机系统研究(52177053)”“高电压中大功率鼠笼复合实心转子自起动永磁同步电动机系统研究(51777118)”“新型磁链正弦化高速轴向磁通永磁电机系统研究(52077123)”“粉块层级结构永磁转子高速电机及其模块化控制研究(52077121)”；国家自然科学基金青年科学基金项目“混合励磁磁通切换型磁阻电机系统的研究(51107075)”“新型非对称转子永磁聚磁式同步磁阻电机研究(51707107)”；国家重点研发计划项目“区域飞机‘绿色滑行’高效机电能量转换系统关键技术合作研究(2021YFE0108600)”；山东省重大科技创新工程项目“高功率密度大推力永磁变频电机油气举升智能成套装备产业化开发(2019TSLH0313)”“电动汽车用轻量化高功率密度智能永磁电驱动系统产业化(2019JZZY020815)”;山东省自然科学基金优秀青年基金项目“高性能永磁电机及其系统(ZR2021YQ35)”。在本书的撰写过程中，得到了山东山博电机集团有限公司、山东力久特种电机股份有限公司、山东威马泵业股份有限公司，以及山东大学电机与电器研究所各位同事的大力支持和帮助。在此，作者一并表示衷心感谢！由于作者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。王秀和

目录
前言
第1章永磁材料1
1.1永磁材料的发展概述1
1.2材料磁性的产生机理3
1.3永磁材料的特性曲线6
1.4永磁材料的性能参数8
1.5常用永磁材料及其性能11
1.6永磁材料的磁性能稳定性17
1.7永磁材料的制备19
1.8永磁材料的失效与防护22
1.8.1稀土永磁材料的失效类型22
1.8.2稀土永磁材料的腐蚀形式22
1.8.3钕铁硼永磁的失效与防护23
1.8.4钐钴永磁的防护25
参考文献26
第2章永磁同步电机的磁路计算27
2.1永磁同步电机的磁路结构27
2.2永磁同步电机的等效磁路30
2.3永磁同步电机的外磁路计算32
2.3.1主磁路的计算32
2.3.2漏磁路的计算35
2.4永磁体工作点的确定方法37
2.4.1永磁体工作图法37
2.4.2解析法38
参考文献41
第3章永磁同步电机的轴电压42
3.1轴电压概述42
3.2永磁电机的轴电压及产生机理43
3.3永磁磁场固有轴电压的解析分析方法46
3.4极槽配合对永磁磁场固有轴电压的影响49
3.5抑制分数槽绕组永磁电机永磁磁场固有轴电压的极弧系数选择方法52
3.6抑制分数槽绕组永磁电机永磁磁场固有轴电压的转子分段斜极方法54
3.7转子偏心对永磁磁场固有轴电压的影响58
3.8三相对称电枢反应磁场固有轴电压的分析67
3.9三相不对称电枢反应磁场固有轴电压的分析73
3.10共模轴电压的计算78
3.11轴承的保护措施与保护方案86
参考文献88
第4章永磁同步电机的齿槽转矩89
4.1永磁同步电机齿槽转矩的统一解析分析方法89
4.1.1齿槽转矩的产生机理89
4.1.2齿槽转矩的解析分析方法90
4.1.3齿槽转矩的削弱方法94
4.1.4极槽配合、槽口宽度、斜极和斜槽对齿槽转矩的影响94
4.2基于分段斜极的齿槽转矩削弱方法95
4.3基于极弧系数选择的齿槽转矩削弱方法99
4.4基于不等槽口宽配合的齿槽转矩削弱方法104
4.5基于磁极偏移的齿槽转矩削弱方法108
4.6基于不等厚永磁磁极的齿槽转矩削弱方法112
4.7基于不同极弧系数组合的齿槽转矩削弱方法115
4.8基于开辅助槽的齿槽转矩削弱方法118
4.9基于不等极弧系数的齿槽转矩削弱方法121
4.10改变转子齿槽参数的齿槽转矩削弱方法124
4.10.1转子槽数对齿槽转矩的影响125
4.10.2改变转子齿槽参数削弱齿槽转矩的方法127
4.11基于不均匀气隙的内置式调速永磁同步电机齿槽转矩削弱方法131
4.12转子静态偏心对表面式永磁同步电机齿槽转矩的影响133
参考文献140
第5章永磁同步电机的电磁振动142
5.1概述142
5.2电磁力波的快速准确计算方法143
5.2.1电磁力波143
5.2.2空载电磁力波计算144
5.2.3负载电磁力波的计算154
5.3定子固有振动频率的计算160
5.3.1基于单环型机电类比法的定子固有振动频率计算160
5.3.2基于能量法的定子固有振动频率计算方法161
5.3.3计算实例167
5.3.4定子铁心结构参数对固有振动频率的影响170
5.4电磁振动的计算方法173
5.5电磁振动削弱方法176
5.6转子偏心时电磁力波的分析与电磁振动削弱191
参考文献197
第6章永磁同步电机的不可逆退磁198
6.1永磁体不可逆退磁的产生机理198
6.2不可逆退磁的影响因素199
6.3计及温度影响的永磁体内禀退磁曲线200
6.4不可逆退磁对电机性能的影响202
6.5异步起动永磁同步电机起动过程中的大退磁207
参考文献214
第7章永磁同步电动机稳态运行理论与电磁关系215
7.1永磁同步电动机的工作原理215
7.2空载磁场与空载感应电动势216
7.3电枢反应磁场与电枢反应电抗217
7.4内置式永磁同步电机电枢反应磁密波形系数的解析计算224
7.5永磁同步电动机的电压方程和相量图228
7.6永磁同步电动机的功率方程和功角特性230
7.7dq坐标系下调速永磁同步电动机的数学模型232
7.8调速永磁同步电动机的矢量控制234
7.8.1矢量控制原理234
7.8.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系234
7.8.3常用的矢量控制方法237
7.8.4调速永磁同步电动机矢量控制系统245
参考文献245
第8章异步起动永磁同步电动机246
8.1异步起动永磁同步电动机的结构与工作原理246
8.1.1结构246
8.1.2工作原理249
8.1.3优势与存在的问题250
8.2异步起动永磁同步电动机的转子磁路结构250
8.3异步起动永磁同步电动机的磁路计算254
8.3.1计算极弧系数的确定254
8.3.2空载漏磁系数的确定254
8.3.3大退磁时永磁体平均工作点的计算257
8.4异步起动永磁同步电动机起动过程的转矩分析257
8.4.1起动过程的转矩258
8.4.2改善转矩特性的方法259
8.5异步起动永磁同步电动机的数学模型与仿真计算261
8.6异步起动永磁同步电动机的运行特性264
8.7提高稳态性能的方法267
8.8笼型转子异步起动永磁同步电动机的电磁设计270
8.8.1异步起动永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标270
8.8.2定子冲片尺寸和气隙长度的确定270
8.8.3定子绕组的设计271
8.8.4转子设计272
8.9复合实心转子异步起动永磁同步电动机273
8.9.1复合实心转子永磁同步电动机的结构和工作原理273
8.9.2复合实心转子永磁同步电动机起动过程分析274
8.9.3复合实心转子永磁同步电动机转子涡流损耗削弱282
8.10变极起动永磁同步电动机289
参考文献294
第9章变频调速永磁同步电动机295
9.1变频调速永磁同步电动机的