電機的暫態與MATLAB優化設計

Ion Boldea，IEEE終身院士 羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學榮譽教授 研究方向：直線電機，旋轉電機，電機驅動，磁懸浮 ?1973年獲電氣工程博士學位，研究課題為直線異步電動機 ?自1973年起，先後20余次在美國、英國、丹麥任富布萊特訪問學者 ?IEEE會員（1977），IEEE終身院士（1996） ?自1992年起任IEEE-IAS，IEEE-EMC，IEEE-IDC等學會會員 ?在IEEE期刊及會議上發表論文180余篇 ?4篇論文榮獲 論文獎，其中2篇期刊論文，2篇IEEE-IAS會議論文 ?論文引用超3000次，H-index = 34 ?自1976年以來在美國、英國出版著作20余部（見 .com），出版社包括Mac Graw Hill, Wiley，Oxford Univ. Press，Cambridge Univ. Press，CRC Press（Taylor and Francis）等，引用超 6000 次（見worldcat） ?自1981年起擔任ISI，EPCS Journal（Taylor and Francis）副主編，現任咨詢顧問編輯 ?自2000年起擔任Journal of Electrical engineering創刊主編（網絡版） ?歷任8屆IEEE OPTIM大會常務 ，現任常務副 ?2008-2009年度IEEE-IAS 傑出講師 ?多次在IEEE 會議上發表主題演講（PEMC，OPTIM，ICEMs，ESARS，Ee2017等） ?IEEE多個期刊客座編輯， 近一次是IEEE Trans. on Industrial Electronics, Sept. 2018 ?自1987年以來，平均每年承擔2個 技術咨詢項目 ?羅馬尼亞科學院院士，羅馬尼亞工程科學院院士 ?歐洲藝術與科學院院士（奧地利，薩爾茨堡） ?IEEE 2015尼古拉˙特斯拉獎以表彰在工業應用領域中直線和旋轉電機及驅動方面做出的貢獻

譯者序
原書前言
第1章電機的 模型1
1.1引言1
1.2正交（dq）物理模型2
1.3dq模型中的交變電動勢和運動電動勢3
1.4永磁有刷直流電機（ωb= 0）4
1.5同步電機的基本dq模型（ωb=ωr）5
1.6感應電機的基本dq模型（ωb= 0,ωr,ω1）7
1.7dq模型中的磁飽和8
1.8dq模型中的趨膚（頻率）效應10
1.9dq模型和交流電機之間的等價關系11
1.10空間矢量（覆變量）模型13
1.11電機的高頻模型15
1.12本章小結16
1.13思考題18
參考文獻20
第2章有刷換向器直流電機的暫態21
2.1引言21
2.2他勵有刷直流電機正交（dq）模型21
2.3電磁（快速）暫態23
2.4機電暫態25
2.4.1恒勵磁（永磁）磁通Ψdm25
2.4.2變磁通暫態過程28
2.4.3串勵有刷直流電機暫態29
2.5永磁有刷直流電機的基本閉環控制31
2.6基於DCDC變換器的永磁有刷直流電機31
2.7參數測定/實驗2.133
2.8本章小結34
2.9思考題35
參考文獻36
第3章同步電機的暫態37
3.1引言37
3.2同步電機的一相電感37
3.3相量模型39
3.4dq0模型——三相同步參數方程40
3.5同步電機dq0模型的結構框圖42
3.6同步電機的標幺化dq0模型45
3.7dq0模型的平衡穩態47
3.8電磁暫態的拉普拉斯參數50
3.9恒速電磁暫態52
3.10發電機空載時三相突然短路/實驗3.153
3.11給定速度下同步電機的異步運行56
3.12機電暫態的降階dq0模型59
3.12.1忽略定子暫態59
3.12.2忽略定轉子籠暫態59
3.12.3用於同步電機電壓控制的簡化（三階）dq模型60
3.13小偏差機電暫態（標幺值）62
3.14大偏差機電暫態65
3.14.1直流勵磁的異步起動自同步電機/實驗3.265
3.14.2並網永磁同步電機的異步自起動66
3.14.3相間故障和單相接地故障67
3.15受控磁通和正弦電流同步電機的暫態68
3.15.1無鼠籠同步電機恒定d軸磁通的暫態68
3.15.2恒定ψd0（id0為常數）時永磁同步電機的矢量控制71
3.15.3 cosφ1=1時無鼠籠同步電機的定子恒磁通暫態72
3.15.4恒磁通ψs和cosφs=1時的同步電機矢量控制74
3.16受控磁通和方波電流的同步電機暫態75
3.16.1無刷直流電機的暫態模型76
3.16.2方波電流控制的直流勵磁籠型轉子同步電機模型78
3.17開關磁阻電機的暫態建模79
3.18裂相籠型轉子同步電機84
3.19同步電機參數的堵轉試驗/實驗3.386
3.19.1堵轉時電流衰減實驗的飽和穩態參數Ldm和Lqm86
3.19.2次暫態電感的單頻實驗，L″d和L″q89
3.19.3堵轉頻率響應實驗89
3.20直線同步電機暫態91
3.21本章小結94
3.22思考題96
參考文獻99
第4章感應電機的暫態101
4.1三相變量模型101
4.2感應電機的dq（空間相量）模型103
4.3三相感應電機與dq模型的關系104
4.4dq模型中的磁飽和與趨膚效應105
4.5穩態空間相量模型：感應電機的籠型和繞線轉子106
4.6電磁暫態111
4.7三相突然短路/實驗4.1112
4.7.1零速時的暫態電流115
4.8小偏差機電暫態過程116
4.9大偏差機電暫態過程/實驗4.2117
4.10多機瞬變過程的降階dq模型119
4.10.1其他嚴重暫態過程120
4.11帶有籠型故障的感應電機的m/Nr實際繞組建模121
4.12受控磁通與可變頻率下的暫態過程124
4.12.1感應電機空間相量模型的覆特征值124
4.13籠型轉子恒定定子磁通暫態及矢量控制基礎125
4.13.1籠型轉子恒定定子磁通暫態及矢量控制基礎130
4.13.2雙饋式感應電機轉子恒磁通瞬變及矢量控制原理132
4.14雙饋式感應電機作為同步電機的無刷勵磁電機133
4.15堵轉試驗參數估計/實驗4.3137
4.15.1用於磁化曲線識別的靜止磁通衰減：Ψm(Im)137
4.15.2堵轉磁通衰減實驗中電阻和漏電感的識別139
4.15.3堵轉頻率響應實驗139
4.16裂相電容式異步電機暫態過程/實驗4.4141
4.16.1相變量模型142
4.16.2dq模型143
4.17直線感應電機暫態143
4.18本章小結146
4.19思考題150
參考文獻153
第5章電磁有限元法概要155
5.1矢量場155
5.1.1坐標系155
5.1.2矢量運算156
5.1.3矢量場的曲線積分與曲面積分（通量）157
5.1.4微分運算158
5.1.5積分恒等式159
5.1.6微分恒等式160
5.2電磁場161
5.2.1靜電場161
5.2.2電流密度場162
5.2.3磁場163
5.2.4電磁場：麥克斯韋方程組163
5.3場的可視化164
5.4邊界條件166
5.4.1狄利克雷邊界條件166
5.4.2諾伊曼邊界條件166
5.4.3混合羅賓邊界條件167
5.4.4周期性邊界條件167
5.4.5開放邊界167
5.5有限元法170
5.5.1殘差(伽遼金)法171
5.5.2變分（瑞利裏茨）法172
5.5.3有限元法的應用步驟172
5.6二維有限元法173
5.7有限元分析175
5.7.1電磁力177
5.7.2損耗計算178
參考文獻179
第6章電機電磁分析中的有限元法181
6.1單相永磁直線電機181
6.1.1前處理階段182
6.1.2後處理階段186
6.1.3小結192
6.2旋轉永磁同步電機（6槽4極）193
6.2.1永磁無刷直流電機的前處理194
6.2.2永磁無刷直流電機的後處理199
6.2.3小結213
6.3三相感應電機213
6.3.1感應電機的理想空載216
6.3.2轉子導條趨膚效應221
6.3.3小結227
參考文獻227
第7章電機優化設計：基礎篇229
7.1電機設計問題229
7.2優化方法232
7.3 電流控制235
7.4改進的HookeJeeves優化算法239
7.5基於遺傳算法的電機設計243
參考文獻247
第8章表貼式永磁同步電機的優化設計248
8.1設計主體248
8.2電負荷和磁負荷248
8.3選擇幾個尺寸因子249
8.4一些工藝限制250
8.5磁性材料的選擇251
8.6尺寸設計方法253
8.6.1轉子大小256
8.6.2永磁體磁通計算257
8.6.3有源材料的質量262
8.6.4損耗263
8.6.5熱校核263
8.6.6電機特性264
8.7基於遺傳算法的優化設計264
8.7.1目標（適應度）函數265
8.7.2基於遺傳算法的永磁同步電機優化設計：案例研究266
8.8基於HookeJeeves算法的永磁同步電機優化設計277
8.9本章小結283
參考文獻283
第9章感應電機的優化設計284
9.1用於感應電機設計的實用解析模型284
9.1.1設計主體284
9.1.2設計變量284
9.1.3感應電機尺寸286
9.1.4感應電機參數291
9.2基於遺傳算法的感應電機優化設計295
9.3基於HookeJeeves算法的感應電機優化設計304
9.4電機性能309
9.5本章小結314
參考文獻315
《電機的暫態與MATLAB優化設計》是《Electrical Machines——Steady State, Transients, and Design with MATLAB》的 部分，也是一本經典的電機學教材。它涵蓋三個學期的教學內容，旨在全面介紹傳統電機和新電機，包括電機的拓撲結構、穩態建模和性能，以及初步設計和測試等等。它的“全面”從詳盡的計算機仿真程序可見一斑。這本書適合於與電機開發、設計、測試和制造相關的工程技術人員和研發工程師，以及各高校電氣工程和自動化專業及其他機電類、自動化類專業的學生們，每一章都附有思考題和答案。如果將該書作為教材使用，我們也為授課教師們準備了電子課件等配套資源。