1、国际电气工程先进技术译丛特 种 电 机法阿布德莱扎克莱佐克（Abderrezak Rezzoug）莫哈迈德艾尔哈迪扎依姆（Mohammed El-Hadi Zam）著谢 卫 汤天浩 译机 械 工 业 出 版 社 本书所介绍的特种电机并非传统意义的旋转变压器、自整角机和步进电动机等控制电机，而是按照功能区分的低速电机和高速电机，以及按照材料区分的超导电机。这些内容均是当今新技术和新材料在电机领域的生动体现。本书共分为四章，第 1 章介绍电机基本理论和材料特性；第 2 章介绍低速齿耦合电机，第 3 章介绍直驱式高速电机，第 4 章介绍超导励磁电机。本书可作为高等学校电气工程及其自动化等专业高年级学
2、生和电气工程学科研究生的教学参考书，也可供有关科技人员参考。译者序一般电机学介绍的直流电机、异步电机（又称感应电机）和同步电机统称为普通电机。在生产实际和日常生活中还广泛使用着各种特殊结构和特殊用途的电机，特别是随着新技术的迅猛发展和新材料、新元件的不断涌现，新型特种电机的研究和应用正处在快速发展之中。本书所介绍的特种电机并非传统意义的旋转变压器、自整角机和步进电动机等控制电机，而是按照功能区分的低速电机和高速电机，以及按照材料区分的超导电机，这些内容均是当今新技术和新材料在电机领域应用的生动体现。本书作者 Abderrezak Rezzoug 是法国南锡亨利庞加莱大学的教授，超导电机是其主要
3、研究领域。在亨利庞加莱大学的资助下，他创建并领导着“超导团队”，在国际期刊上发表学术论文 70 多篇，是超导电机研究领域的著名专家。作者 Mohammed El-Hadi Zam 是法国南特大学和南特中央理工大学电气工程系的教授，其主要研究领域是特种电机的设计与开发，尤其是永磁电机、高速电机和低速电机的研究，出版电机方面的专著 5 部。本书共分为四章，第 1 章介绍电机基本理论和材料特性，其后三章分别介绍三种特种电机，即低速齿耦合电机、高速电机和超导电机。本书的翻译工作主要由上海海事大学谢卫教授和汤天浩教授完成，留法博士陈昊协助校对译稿。翻译时对原书中一些笔误和印刷错误作了校正，个别极短的段落
4、进行了合并，一些过长的图表文字说明放到了正文段落之中。为简洁起见，书中未加说明。译者所在的科研团队从事特种电机研究多年，对国内外特种电机的发展动态非常关注，也一直有将国外的高水平研究成果及时引入国内的愿望。感谢机械工业出版社给了译者一次翻译国外高水平著作的机会，使我们在进行该项翻译工作的同时，对新型特种电机有了更加深刻的认识。也希望我们的工作能给国内的同行带来方便，共同促进我国电机行业的发展。本书可作为高等学校电气工程及其自动化等专业高年级学生和电气工程学科研究生的教学参考书，也可供有关科技人员参考。由于译者学识和能力有限，书中翻译难免存在疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。译者原 书 前 言电
5、机世界正处于不断发展之中，应用领域日新月异。电机的传统供电方式是连接于恒定电压的电网，现如今几乎都是由静态终端变换器来供电，在电压平均值保持不变或变化很小的情况下，其电压都以极快的速度在变化。在讨论包括控制系统的绝大多数情况下，可以明确地把电机作为机电转换链中的一个部件，而事实上对于每一类新的应用，电机也必须按此来检验。这种检验可以按照以下几个方面来进行：电机自身的功能，可以完成的运动，机电转换链中每个部件的必要安全性，体积的限制，重量的减少，可以达到的最高速和/或最高加速度。为了满足越来越多的技术要求，电机的结构已经有所发展，这首先要感谢相关组成材料的进步，这包括磁性材料（铁粉、永磁体、超导
6、体）和绝缘或导电材料（超导线材）。计算工具、软件和材料等从另外一个方面促进了电机设计的进步，这里所指的工具可用于各种场的计算（磁场、电场、温度场、力和应力场等），还有三维模拟工具和优化工具。如果需要更精确地考虑几何形态（包括齿谐波、机械故障），磁的非线性（磁饱和效应与磁滞效应），或电气特性（超导体的 E（J）定律），所采用的电机模型就必须不断改进，以往所取得的经验就显得十分重要而无可替代。尽管如此，工具的进步和模型的细化使得我们能够完成大量的仿真工作，从而在样机设计和成品阶段取得显著的经济效益。本书的目的是解决一个本身就很难定义的问题，这就是什么是特种电机。特种电机的工作原理完全就是基于一个磁
7、场与一个电流的相互作用（如同大多数电机一样），或者基于场对场的相互作用（例如磁发射器）。另一类电动机的运动起因于材料自身的变化（例如压电材料、形状材料、记忆材料和磁致伸缩材料）。这第二类特种电机已经比较普遍了，尤其是压电电动机，在电磁转换方面已经形成特定的系列，所以不在本书的讨论范围。在电机范畴内，特种电机的定义可以有多种形式，这并不是最困难的。我们可以尝试从以下几个方面来定义：电机自身的运行形式（旋转运行、直线运行、交替运动等）；要求的自由度（一个轴方向的旋转或运动，双轴方向的运动组合，多轴运动，球形运动等）；要求的速度（高速、低速）；安装的线圈数和磁场的分布；磁路的几何形状（即整个电机的结
8、构：圆柱形、扁平形、中空形、锥形、凸极或隐极形、磁铁的位置、齿槽结构）；所使用的材料（永磁材料、超导材料、非铁磁材料等）；动态特性（机电响应时间、动态阻抗等）；电源传输的电压或电流波形（电压的波形与幅值、电流的品质等）。对于任何特定的应用，上述几个方面可以结合起来考虑，以完成原型电机的设计。本书各章的选题都是充分自主地讨论一种电机，这样作者所写的每一章都可以方便地独立阅读。本书开篇介绍电机中的电工材料，以及一些基本理论和计算方法，其后在第 2 4 章分析所研究的电机。本书介绍以下类型的电机：低速电机，驱动负载时可免去或简化使整个系统效率降低的机械齿轮。这种电机可以与液压系统直接竞争。液压系统虽
9、然效果很好，但需要为压力下的液体流动提供坚固且厚重的通道，而且维护工作量大；直驱式高速电机，这种系统的旋转速度一般超过 1 万转每分钟。高速电机在一些重要领域大有可为，如高速机械加工，电气压缩或扩充，以及压实度和重量起主要作用的系统；超导励磁电机，可产生很强的磁场以实现无铁心电枢。超导体的第二个特性是，当超导体内部产生感应电流时，超导体既可作为一个磁屏，也可作为一个永磁体，利用这个特点可以在原型电机的设计上取得突破。为满足特定需求或研究兴趣，人们每天都在研发一些电磁转换装置。本书如同一扇打开的窗户，展示了一些电机，它们将会不断地占有更多的市场。原 书 前 言目录译者序原书前言第 1 章 电机的
10、理论工具与材料1 1.1 理论工具1 1.1.1 电磁学与旋转电机1 1.1.2 旋转电机的机械学5 1.1.3 旋转电机中的热交换6 1.2 材料9 1.2.1 绝缘体9 1.2.2 导体12 1.2.3 磁性材料13 1.3 参考文献19第 2 章 低速齿耦合电机22 2.1 引言22 2.2 定位问题与可行性限制概述23 2.2.1 定义23 2.2.2 电机的质量或体积性能23 2.2.3 机电转换频率的影响24 2.2.4 电磁力密度27 2.2.5 质量转矩密度的限制31 2.2.6 与齿轮减速电机的比较32 2.3 齿部绕组电机与齿极电机33 2.3.1 齿部绕组 VRM33 2
11、.3.2 齿极 VRM35 2.3.3 励磁齿极电机38 2.4 分布绕组电机与微调效应电机45 2.4.1 变磁阻电机45 2.4.2 永磁微调电机56 2.5 参考文献61第 3 章 高速电机66 3.1 高速旋转运行的益处66 3.2 高速电机的标准与条件68 3.2.1 机械性能68 3.2.2 铁磁损耗70 3.2.3 气动损耗73 3.2.4 轴承引导系统74 3.2.5 结果与性能极限76 3.3 电机类型79 3.3.1 感应电机79 3.3.2 同步电机80 3.3.3 双凸极变磁阻电机（DSVRM）86 3.4 应用实例86 3.4.1 高速切削加工（HSM）87 3.4.
12、2 极速泵压90 3.4.3 动能存储91 3.5 高速电机优化方法96 3.5.1 建模96 3.5.2 优化99 3.5.3 体积功率密度最大化的结论105 3.6 参考文献105第 4 章 超导电机111 4.1 引言111 4.2 电工技术中的超导材料111 4.2.1 超导特性111 4.2.2 临界量112 4.3 用于电机的超导材料116 4.3.1 LTS 超导体117 4.3.2 HTS 超导体118 4.4 超导体的自励损耗123 4.4.1 损耗原因与比恩模型123 4.4.2 损耗评估123 4.5 低温环境125 4.5.1 低温时材料的机械特性125 4.5.2 低
13、温液体127目 录 4.5.3 低温获取128 4.5.4 低温保持器133 4.5.5 真空技术134 4.6 超导电机135 4.6.1 超导励磁同步电机136 4.6.2 单极电动机139 4.6.3 超导屏蔽电动机141 4.6.4 隔磁电动机143 4.6.5 磁滞电动机143 4.6.6 冷磁体电动机144 4.7 参考文献145特 种 电 机第 1 章电机的理论工具与材料 第 1 章介绍电机建模的一些工具，其中包括电磁计算、机械计算和温升计算，这些都对电机的设计有重要影响。本章第 1 节阐述与旋转电机设计相关的主要概念，第 2 节介绍在电机制造中所使用的不同材料。1.1 理论工具
14、1.1.1 电磁学与旋转电机这里没有必要详述电机电磁计算的所有方法，但需要回顾一下电磁计算的一些步骤和方法。磁通密度 BT、磁场强度 HA/m和磁极化强度 JT有如下关系：B=0（H+M）=0H+J（1.1）式中，0=4 10-7H/m 为真空磁导率，MA/m 为磁化强度，J=0M为磁极化强度。如果介质是均匀、各向同性和线性的，可以写出：B=H=0rH（1.2）式中，r是相对磁导率，其值为实数，范围从 1 或接近 1（电机气隙或永磁体）到数千（铁磁材料）。实际上，铁磁介质是非线性的，其磁导率 随磁场（磁饱和效应与磁滞效应）而变化。更严重的是，电机中所用的铁磁材料是各向异性（晶粒取向）的，如此磁
15、导率 成为一种张量。根据磁通守恒原理Bds=0 以及式（1.2）所示的定律可知，在具有铁磁磁路的电机中，相比于气隙磁场强度 Hair，铁心磁场强度 Hiron可以忽略不计（至少在下面的第一个实例中可以这样考虑）。由于电工技术应用中的频率较低，可以从下面两个关系式之一推导出磁场强度H：Hd l=sJds（安培定律）（1.3）本章由 Abderrezak Rezzoug 和 Mohammed El-Hadi Zam 编写式（1.3）右边的积分可以通过开口表面边界所包含的线电流总和来计算；或者按照以下关系式：H=14Jrr3d（毕奥-萨瓦特定律）（1.4）在一根导线的情况下，该式可以简化为H=14l
16、Id lrr3dl（1.5）磁通密度 B和磁场强度 H可以由磁位来求取。矢量磁位、标量磁位或复合磁位的引入，使得我们可以减小问题的维数，或者利用霍普金森类比法以缩小典型电路的研究范围。为此，我们引入标量磁位，如 H=-v，并且根据类比法，将磁通管联想成电流管，其基本阻值 rk=lkksk，磁导 pk=1rk，这样就可以形成一个类似于电网络的由磁阻或磁导组成的网络（见图 1.1）。根据所确定的整个空间的 B和 H，我们可以计算电磁能量，由电磁能量的变化可以进一步计算机械量（力和转矩）。对于正确设计的旋转电机（没有外部漏磁），其电磁系统可以认为是一个外界局限于电机铁磁材料部分的孤立系统，也就是说，局限在电机外半径的范围之内，此时考虑的是二维问题。在这种情况下，对于外半径处，B=B e（或 A=A ez，A 是一任意的常数，为简便计通常取为零）。另外一个简化计算的方法是，认为铁磁材料部分的磁场强度 H 等于零，这样研究的范围就减小到“气隙+槽”的边界。如果已知每个介质的（Bi，Hi）组合，就可以计算磁能了。在线性情况下，可以写出：We=12iiHiBid（1.6）电磁转矩或电磁力可以通过对可