近年來，受到源危機和環(huán)境問題的影響，電動汽車在各國的重視程度不斷提升。在我國，從汽車行業(yè)節(jié)能減排趨勢看，發(fā)展電動汽車是促進社會可持續(xù)發(fā)展、汽車技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)升級的必然選擇，也是各級政府和汽車行業(yè)人員的共識。
隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，電氣化驅(qū)動系統(tǒng)代替機械驅(qū)動系統(tǒng)成為提高汽車性能的重要手段，因而汽車電機系統(tǒng)也成了汽車尤其是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。由于電動汽車電機需要在寬轉(zhuǎn)速、變負載工況下具備高效率、高功率密度、高可靠性的特點，因此不能直接應(yīng)用傳統(tǒng)的電機技術(shù)。與工業(yè)用傳統(tǒng)電機領(lǐng)域相比較，驅(qū)動電機系統(tǒng)在電動汽車中應(yīng)用工況極為嚴苛，對效率、功率密度、寬轉(zhuǎn)速運行范圍、動態(tài)響應(yīng)等有著特殊的要求。目前傳統(tǒng)的電機教材尚不能針對上述區(qū)別進行專門的編寫。同時越來越多的車輛工程專業(yè)開始開設(shè)汽車電機課程，但這些專業(yè)沒有系統(tǒng)地學(xué)習電力電子、電磁學(xué)等基礎(chǔ)知識，因此迫切需要編寫一本適合新能源汽車專業(yè)方向使用的汽車電機教材。本書就是為了電動汽車這一新興產(chǎn)業(yè)的新工科教育而編寫的。
本書的內(nèi)容既有較深的理論性，又有較強的工程性，在學(xué)習的時候應(yīng)當注意以下幾點：
1）要清楚各種電機的基本結(jié)構(gòu)，以及這些結(jié)構(gòu)的主要作用。
2）注意磁場的分布，這是電機具體運行原理的根本。
3）要學(xué)會推導(dǎo)基本的公式，應(yīng)當熟悉基本的電磁定律、運動方程和力學(xué)定律。
4）如果需要深入研究的話，需要認真分析繞組的繞法及其磁動勢、等效電路、等效磁路、熱場、損耗、力學(xué)以及電機的特性分析等。
5）本門學(xué)科來自于實踐，最終也應(yīng)用于實踐，因此學(xué)習時應(yīng)注重實踐，理論聯(lián)系實際。
本書由山東理工大學(xué)史立偉、尹紅彬和吉林大學(xué)雷雨龍任主編，參加編寫的還有張學(xué)義、扈建龍、韓震、張秀才、臧利國。山東理工大學(xué)一直十分重視汽車電機技術(shù)的研究。學(xué)校所在的淄博市從1951年開始研發(fā)生產(chǎn)汽車起動機和發(fā)電機，具有較為完整的汽車電機產(chǎn)業(yè)鏈。2011年淄博市人民政府聯(lián)合山東理工大學(xué)建立了新能源汽車研究院，2013年由山東理工大學(xué)牽頭成立了山東省高校新能源汽車協(xié)同創(chuàng)新中心，2018年機械工程（含車輛工程）獲批山東省重點建設(shè)“一流學(xué)科”，2019年車輛工程專業(yè)被列為國家一流專業(yè)建設(shè)點，上述平臺為汽車電機的研究提供了良好的基礎(chǔ)。
汽車電機產(chǎn)業(yè)寬廣如大海、汽車電機技術(shù)高深如夜空，編者只是助推汽車電機技術(shù)進步的普通分子，疏漏和錯誤在所難免，在此懇請讀者批評指正。
本書能得以完成，首先要感謝全體作者的家庭成員，他們一直堅定地支持并默默地奉獻；其次要感謝出版社和單位各級領(lǐng)導(dǎo)和老師的關(guān)心和支持；最后要感謝具名和沒有具名的參考文獻作者，以及山東理工大學(xué)汽車電氣技術(shù)研究院所有工作人員。
由于編者水平有限，書中不足之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。
編者
前言
常用縮略語和基本符號表
第1章緒論1
1.1電機在汽車中的應(yīng)用1
1.2汽車電機的發(fā)展2
1.2.1誕生期2
1.2.2初步繁榮期3
1.2.3電動汽車再次復(fù)興3
1.3電動汽車對電機的要求及發(fā)展趨勢4
1.4電動汽車電機的分類和發(fā)展現(xiàn)狀6
1.4.1電動汽車電機的分類6
1.4.2各類型汽車電機7
1.4.3電動汽車電機的技術(shù)條件10
1.5起動發(fā)電機的分類和研究現(xiàn)狀11
1.5.1起動發(fā)電機的分類11
1.5.2起動發(fā)電機的研究現(xiàn)狀13
1.6電動汽車驅(qū)動方式的選擇15
思考題17
第2章電力電子器件與能量轉(zhuǎn)換電路18
2.1汽車電力電子技術(shù)18
2.1.1汽車電力電子技術(shù)的由來18
2.1.2功率半導(dǎo)體器件的定義19
2.1.3電力電子系統(tǒng)的組成20
2.1.4功率半導(dǎo)體器件的分類20
2.2功率二極管22
2.2.1功率二極管的結(jié)構(gòu)22
2.2.2功率二極管的特性23
2.2.3功率二極管的主要參數(shù)23
2.3晶閘管24
2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)24
2.3.2晶閘管的工作原理25
2.3.3晶閘管的基本特性25
2.4電力場效應(yīng)晶體管 （MOSFET）27
2.4.1結(jié)構(gòu)與工作原理27
2.4.2工作特性28
2.4.3主要參數(shù)與安全工作區(qū)29
2.5絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT）29
2.5.1結(jié)構(gòu)與工作原理29
2.5.2工作特性30
2.5.3擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)31
2.5.4IGBT驅(qū)動電路33
2.6功率集成電路33
2.7DC-DC變換器36
2.7.1DC-DC變換的基本控制思路36
2.7.2Buck變換器38
2.7.3Boost變換器40
2.7.4Boost-Buck變換器41
2.8DC-AC 無源逆變電路42
2.8.1脈寬調(diào)制（PWM）型逆變電路基本原理42
2.8.2正弦脈寬調(diào)制方法46
2.8.3電流滯環(huán)控制PWM48
思考題49
第3章磁性材料與磁路50
3.1磁性材料基本概念50
3.1.1電磁基本概念50
3.1.2磁路及其基本定理52
3.2常用鐵磁材料56
3.2.1磁化及磁滯56
3.2.2常用軟磁材料60
3.2.3永磁材料61
3.2.4電機磁性材料的測試64
3.3機電能量轉(zhuǎn)換65
3.3.1機電能量轉(zhuǎn)換基本原理65
3.3.2電感及儲能66
思考題68
第4章汽車直流電機69
4.1汽車直流電機的原理69
4.2汽車直流電機的結(jié)構(gòu)71
4.2.1定子71
4.2.2轉(zhuǎn)子73
4.2.3電樞繞組74
4.2.4直流電機的勵磁79
4.3汽車直流電機的電磁特性79
4.3.1直流電機的磁場79
4.3.2直流電機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩82
4.3.3直流電機的基本方程85
4.3.4直流電機的運行特性88
4.4直流電動機的調(diào)速控制92
思考題95
第5章汽車交流電機繞組和磁場96
5.1汽車交流電機的原理和結(jié)構(gòu)96
5.1.1電動勢的產(chǎn)生96
5.1.2交流電機結(jié)構(gòu)97
5.2交流電機的繞組101
5.2.1交流繞組基本理論101
5.2.2三相單層繞組102
5.2.3三相雙層繞組105
5.2.4發(fā)卡繞組107
5.3正弦磁場下交流繞組的感應(yīng)電動勢109
5.3.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢109
5.3.2整距線圈的感應(yīng)電動勢110
5.3.3短距線圈的感應(yīng)電動勢111
5.3.4線圈組的電動勢111
5.3.5相電動勢和線電動勢112
5.4交流發(fā)電機工作特性113
思考題115
第6章汽車感應(yīng)電機116
6.1感應(yīng)電機的原理和結(jié)構(gòu)116
6.1.1感應(yīng)電機的工作原理116
6.1.2感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)117
6.1.3感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)119
6.1.4感應(yīng)電機的運行狀態(tài)120
6.2感應(yīng)電動機的磁動勢和磁場121
6.3三相感應(yīng)電動機的參數(shù)測定123
6.3.1空載試驗與勵磁參數(shù)的測定123
6.3.2堵轉(zhuǎn)試驗及短路參數(shù)124
6.4功率關(guān)系、功率方程和轉(zhuǎn)矩方程126
6.4.1功率關(guān)系126
6.4.2功率方程127
6.4.3轉(zhuǎn)矩方程127
6.5感應(yīng)電機的電磁轉(zhuǎn)矩及機械特性128
6.5.1電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式128
6.5.2機械特性128
6.5.3電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式131
6.6感應(yīng)電機的調(diào)速131
6.6.1調(diào)速方法簡介131
6.6.2變頻調(diào)速方法134
思考題135
第7章汽車永磁電機136
7.1永磁無刷直流電機和永磁同步電機的對比136
7.2永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)與原理137
7.2.1永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)137
7.2.2永磁同步電機的工作原理141
7.2.3永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型142
7.3永磁同步電機的控制技術(shù)146
7.3.1永磁同步電機變換器及控制策略146
7.3.2磁場定向控制150
7.3.3永磁同步電機的弱磁控制151
7.3.4永磁同步電機的無位置傳感技術(shù)153
7.4永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)與原理159
7.4.1永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)159
7.4.2永磁無刷直流電機的極槽配合159
7.4.3永磁無刷直流電機的運行原理164
7.4.4永磁無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型167
7.5永磁無刷直流電機的控制技術(shù)168
7.5.1逆變器與開關(guān)策略168
7.5.2提前角控制170
7.6輪轂電機技術(shù)172
7.6.1輪轂電機的研究背景172
7.6.2輪轂電機的研究現(xiàn)狀173
7.6.3輪轂電機的特點分析174
7.7混合勵磁電機技術(shù)175
7.7.1混合勵磁電機的優(yōu)點175
7.7.2混合勵磁電機的研究現(xiàn)狀176
7.8永磁同步磁阻電機技術(shù)179
7.8.1永磁同步磁阻電機的提出179
7.8.2永磁同步磁阻電機的研究現(xiàn)狀180
思考題183
第8章汽車磁阻類電機185
8.1磁阻類電機概述185
8.1.1磁阻類電機的提出185
8.1.2磁阻類電機的分類187
8.2開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)與原理188
8.2.1開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)188
8.2.2開關(guān)磁阻電機的基本原理190
8.2.3開關(guān)磁阻電機的基本電磁原理192
8.2.4開關(guān)磁阻電機的物理狀態(tài)197
8.2.5開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型199
8.3開關(guān)磁阻電機的控制策略200
8.3.1開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)200
8.3.2開關(guān)磁阻電機的控制方式201
8.3.3開關(guān)磁阻電機的功率變換器204
8.4雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)與原理206
8.4.1雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)206
8.4.2雙凸極電機的磁路特性207
8.4.3雙凸極電機的原理209
8.4.4多相雙凸極電機的結(jié)構(gòu)211
8.4.5混合勵磁雙凸極電機的結(jié)構(gòu)219
8.4.6電勵磁雙凸極電機的數(shù)學(xué)模型221
8.5雙凸極電機的控制技術(shù)222
8.5.1單相工作模式與雙相工作模式222
8.5.2雙凸極電機電動發(fā)電機轉(zhuǎn)換控制223
8.5.3電勵磁雙凸極電動發(fā)電機系統(tǒng)的硬件設(shè)計228
8.5.4系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計235
思考題238
第9章汽車電機仿真239
9.1模型的建立239
9.1.1模型的結(jié)構(gòu)建立239
9.1.2材料的定義及分配240
9.1.3繞組分相情況241
9.1.4電動汽車發(fā)卡繞組PMSM有限元模型241
9.2電機模型的穩(wěn)態(tài)場分析242
9.2.1電機磁力線和磁通密度分布243
9.2.2電機氣隙磁密244
9.3電機模型的瞬態(tài)場分析244
9.3.1電機的輸出轉(zhuǎn)矩244
9.3.2電機的齒槽轉(zhuǎn)矩246
9.3.3電機的反電動勢及諧波246
9.4發(fā)卡繞組與圓線繞組PMSM的熱場247
9.4.1電機熱場分析方法247
9.4.2電機熱場模型的建立249
9.4.3發(fā)卡繞組PMSM定子鐵耗分析250
9.4.4發(fā)卡繞組PMSM與圓線繞組PMSM熱場對比251
思考題254
參考文獻255
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