第1章永磁材料、永磁體、磁路和磁鐵工作圖 1
1.1  永磁材料 1
1.1.1  物質的磁化 3
1.1.2  磁滯回環和去磁曲線B(H) 4
1.1.3  回復線 6
1.1.4  本征去磁曲線J(H) 7
1.2  永磁體 8
1.2.1  如何選擇永磁材料 9
1.2.2  如何估算永磁體的中性截面積和沿著磁化方向的長度 9
1.3  磁路、磁鐵工作圖和永磁體的工作點 16
1.4  永磁體的穩定 20
1.4.1  永磁體的理化穩定性 20
1.4.2  永磁體在電動機運行過程中的穩定問題 22
第2章空心杯電樞有刷直流永磁電動機 25
2.1  空心杯電樞有刷直流永磁電動機的結構 25
2.2  一般有刷直流電動機的電樞繞組 27
2.3  空心杯電樞繞組 37
2.3.1  直繞組 38
2.3.2  斜繞組 40
2.3.3  菱形繞組 40
2.3.4  六角形繞組 41
2.4  空心杯電樞有刷直流永磁電動機的基本公式推導 42
2.4.1  直繞組的基本公式 44
2.4.2  斜繞組的基本公式 46
2.4.3  菱形繞組的基本公式 49
2.4.4  六角形繞組的基本公式 58
2.5  空心杯電樞有刷直流永磁電動機的穩態運行性能 61
2.5.1  機械特性n(T) 61
2.5.2  輸出功率特性曲線P2(T) 63
2.5.3  效率特性曲線h(T) 65
2.6  起動過程 67
2.7  空心杯電樞有刷直流永磁電動機的發熱和冷卻 69
2.7.1  耗散功率 70
2.7.2  負載電流 71
2.7.3  發熱和熱時間常數 73
2.7.4  冷卻 76
2.7.5  間歇運行狀態 77
2.8  電樞反應 78
2.9  換向 81
2.9.1  件內的電動勢 83
2.9.2  件內的電阻 85
2.9.3  件內的電流 86
2.9.4  換向區域的寬度 87
2.9.5  改善換向的方法 88
2.10  空心杯電樞有刷直流永磁電動機的設計考慮 93
2.10.1  主要技術要求 93
2.10.2  主要尺寸的決定 103
2.10.3  所需永磁體體積的估算 106
2.11  設計例題 108
第3章無槽無刷直流永磁電動機 123
3.1  無槽無刷直流永磁電動機的結構 123
3.2  無刷直流永磁電動機的運行機制 124
3.2.1  有轉子位置傳感器的無刷直流永磁電動機的運行機制 124
3.2.2  無轉子位置傳感器的無刷直流永磁電動機的運行機制 130
3.3  基本公式的推導 133
3.3.1  星形連接的三相對稱菱形電樞繞組的基本公式 133
3.3.2  三角形連接的三相對稱菱形電樞繞組的基本公式 146
3.4  無槽無刷直流永磁電動機的穩態運行性能 164
3.4.1  機械特性n(T) 164
3.4.2  輸出功率特性曲線P2(T) 168
3.4.3  效率特性曲線h(T) 169
3.5  起動過程和振蕩特性 171
3.6  無槽無刷直流永磁電動機的發熱特性 173
3.6.1  耗散功率 173
3.6.2  負載電流 174
3.6.3  發熱和熱時間常數 175
3.7  無槽無刷直流永磁電動機的設計考慮 176
3.7.1  無槽無刷直流永磁電動機的主要尺寸的決定 176
3.7.2  估算所需永磁體的體積 177
3.8  設計例題 179
第4章直流永磁電動機的振動和噪聲 192
4.1  有刷直流永磁電動機的噪聲 193
4.1.1  有刷直流永磁電動機的機械噪聲 193
4.1.2  有刷直流永磁電動機的電磁噪聲 204
4.2  無刷直流永磁電動機的噪聲 209
4.2.1  高次諧波電磁轉矩脈動 210
4.2.2  齒槽效應力矩 212
4.2.3  高次諧波電磁轉矩與齒槽效應力矩之間的關繫 213
4.2.4  減小無刷直流永磁電動機的齒槽效應力矩和電磁轉矩脈動的方法 213
4.2.5  磁場取向電磁轉矩脈動 222
4.2.6  換相電磁轉矩脈動 232
4.2.7  脈寬調制（PWM）驅動過程中引發的振動和噪聲 236
4.2.8  單向磁拉力 236
4.3  振動和噪聲的測量 242
4.3.1  噪聲的測量 242
4.3.2  振動的測量 249
4.3.3  振動和噪聲測量的實施 255
第5章直流永磁電動機的鎖相伺服控制 256
5.1  鎖相回環的基本概念 257
5.1.1  鎖相回環的傳遞函數 258
5.1.2  鎖相回環的根軌跡圖 266
5.1.3  鎖相回環的跟蹤性能 271
5.1.4  鎖相回環的過渡過程 273
5.1.5  鎖相回環的鎖定和捕捉 276
5.1.6  鎖相回環設計的若干問題 285
5.2  鎖相伺服繫統的基本理論 289
5.2.1  鎖相伺服繫統的基本環節 290
5.2.2  鎖相伺服繫統的傳遞函數 295
5.2.3  鎖相伺服繫統的擾動 297
5.2.4  速度的捕獲和鎖定 299
5.2.5  電動機速度控制繫統設計的若干問題 300
5.2.6  繫統的補償 305
5.3  采用鎖相伺服繫統來穩定直流永磁電動機轉速的實例 308
5.3.1  連續線性調節的鎖相伺服繫統 309
5.3.2  脈寬調制（PWM）方式的鎖相伺服繫統 314
5.3.3  無刷直流永磁電動機的無轉子位置傳感器的驅動 317
附錄A  二階常繫數線性微分方程式 325
A.1  幾個典型的物理現像 325
A.1.1  彈簧的機械振動 325
A.1.2  R­L­C電路的電磁振蕩 327
A.2  二階常繫數線性齊次微分方程式的解法 328
A.2.1  解的性質 328
A.2.2  特征方程式法 329
A.3  二階常繫數線性非齊次微分方程式的解法 331
A.4  彈簧的機械振動和R­L­C電路的電磁振蕩的分析 334
A.4.1  分析彈簧的機械振動 334
A.4.2  分析R­L­C電路的電磁振蕩 338
附錄B  控制繫統的一些基本概念和分析方法 340
B.1  分貝和對數坐標 340
B.1.1  分貝 340
B.1.2  對數坐標 341
B.2  拉普拉斯正變換和反變換 345
B.3  傳遞函數 350
B.4  方框圖 353
B.5  頻率響應 354
B.6  繫統的穩定性 356
B.6.1  繫統穩定性與特征方程式根的關繫 356
B.6.2  對數頻率特性法 358
B.7  根軌跡法 359
B.7.1  根軌跡法的基本數學關繫 360
B.7.2  繪制根軌跡圖的基本規則 361
B.7.3  用根軌跡法來分析和設計繫統 368
B.8  閉環繫統的時間域響應 371
B.8.1  時間域響應的特性參數 372
B.8.2  二階繫統的階躍響應特性 374
B.8.3  繫統的瞬變參數 375
附錄C  直流永磁電動機的選擇 377
附錄D  旋轉編碼器 382
D.1  光電編碼器 382
D.1.1  增量式光電編碼器 383
D.1.2  式光電編碼器 385
D.2  磁性編碼器 387
D.2.1  磁阻傳感器 387
D.2.2  磁鼓 388
D.3  旋轉變壓器 389
D.3.1  電磁感應式無接觸旋轉變壓器 390
D.3.2  磁阻式無接觸旋轉變壓器 391
主要參考文獻 393

空心杯電樞有刷直流永磁電動機和無槽無刷直流永磁電動機是精密儀表類微型電動機．空心杯電樞有刷直流永磁電動機的主要優點在於：①永磁體通常被放置在內定子上，結構緊湊；在閉合磁路中，相對總的磁路長度而言，永磁體沿著磁化方向的長度所占比例高、漏磁通小、氣隙磁通密度高、功率密度比較高．②換向回路電感量小、換向火花小、電磁干擾小、電磁兼容（EMC）性能好．③軟磁鐵心上沒有齒，氣隙磁導均勻，因而定轉子之間沒有因齒與磁極相互作用而產生的齒槽效應力矩，轉子沒有停留在那些氣隙磁導大的空間位置上的趨向；機械特性的線性度好，能夠在低速情況下平穩光滑地旋轉，便於控制；運行過程中沒有抖晃、振動小、噪聲小．④轉動慣量低，機電時間常數小，可以低至1毫秒，頻帶寬、響應快、伺服控制性能好．⑤不存在鐵心齒層的磁飽和問題，電樞反應對主磁場的影響小，氣隙磁通密度恆定，因此電磁轉矩與輸入電動機的電流之間能夠確切地保持正比例關繫．⑥沒有鐵心損耗，空載電流小，一般小於50毫安，運行效率高．⑦壽命長．當然，它也有不足之處，例如空心杯電樞的熱容量小，耐熱性能比較差，抵抗衝擊負荷的能力差，發熱後容易變形．此外，電樞回路電感小也存在負面效應，例如在采用脈寬調制（PWM）方式對電動機的輸出功率或轉速實施控制時，電流反應很快，電樞繞組內將出現電流脈動，它將會使電動機嚴重發熱；同時，快速變化的電流反應也將影響到電流控制回環的穩定性．
  無槽無刷直流永磁電動機，雖然在結構上類似三相永磁同步電動機，如永磁體被放置在轉子上，三相繞組被放置在定子上，采用預先施加負荷的滾珠軸承，然而，它與同步電動機還是有著很大的差異：電源將依據電動機內部轉子的空間電氣角位置對三相電樞繞組實施供電，而不是由外部強加的；恰恰相反，它的運行機制十分類似於三個換向片的有刷直流永磁電動機，因而它具有一般有刷直流永磁電動機同樣的機械特性，擁有高的起動轉矩和良好的動態性能．此外，它的主要優點在於：①由於它采用電子換向來替代機械換向，轉速不受電刷/換向器機械構件的限制，能夠在高達100 000轉/分的轉速條件下運轉．②采用無槽的外定子鐵心，因而它沒有齒槽效應力矩，運轉平穩光滑、振動小、噪聲小．③工作壽命長．當然，無槽無刷直流永磁電動機也存在一些不足之處，例如，它的運行離不開控制器，控制器除了被用來實現電子換向外，還被用來控制電動機的轉速或位置，從而增加了生產成本，同時，又增加器件和電氣線路的可靠性問題；定子鐵心內的交變磁通將產生鐵心損耗，影響到電動機的運行效率．
  隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，上述兩類精密直流永磁電動機以其優越的性能，在儀器儀表、機器人、醫療器械、工農業生產自動化、消費類機電產品、國防工業和航空航天等領域得到了日益廣泛的應用． 
  本書作者於2009年開始至今，一直受聘於深圳市萬至達電機制造有限公司，期間與張松、翁孟坤、張子茂、齊志虎、胡佳和阮國輝等工程師一起，從事鐵心電樞有刷直流永磁電動機、空心杯電樞有刷直流永磁電動機、無槽無刷直流永磁電動機和微型永磁步進電動機等產品的研究和開發，我們相互學習，相互討論，認真分析，得益匪淺．
  長期以來，深圳市萬至達電機制造有限公司十分重視電動機的基礎理論和設計制造技術的提高，堅持對工程技術人員進行技術培訓，腳踏實地、安心定心、一絲不苟、精益求精，致力於提高人纔的素質和產品的品質．2016年春節後，該公司為了進一步提高本公司工程技術人員的基礎理論、設計能力和產品質量，親自組織和領導工程技術人員，認真總結十餘年來在新產品開發、設計制造和品質管理中獲得的經驗和成果，在此基礎上，由本人執筆編著《精密直流永磁電動機》一書．
  全書共分五章：在第1章中，著重分析了永磁材料、永磁體、磁路和磁鐵工作圖；在第2章中，著重於空心杯電樞有刷直流永磁電動機的直繞組、斜繞組、菱形繞組和六角形繞組的基本公式的推導，同時，對它的穩態運行性能、電樞反應、換向和有關設計問題做了比較詳細的說明，並給出了一個具體的設計例子；在第3章中，著重於三相對稱菱形電樞繞組成星形連接和成三角形連接的無槽無刷直流永磁電動機的基本公式的推導，同時，對它的穩態運行性能、電樞反應、轉矩脈動、電子換向和有關設計問題做了比較詳細的說明，並給出了一個具體的設計例子；在第4章中，對有刷直流永磁電動機和無刷直流永磁電動機內產生振動和噪聲的根源，以及抑制振動和噪聲所采用的方法進行了詳細的分析，並介紹了振動和噪聲的物理度量和測量方法；在第5章中，在詳細介紹鎖相回環基本理論的基礎上，描述了如何構建鎖相伺服繫統來控制電動機的輸出轉矩和轉速，如何利用根軌跡法來分析和設計電動機的鎖相伺服繫統，並給出了三個實施例子．為了便於讀者分析和理解，本書備有四個附錄：二階常繫數線性微分方程式；控制繫統的一些基本概念和分析方法；直流永磁電動機的選擇；旋轉編碼器等．
  本書作者在撰寫中力求理論聯繫實際，在闡明基本原理和基本概念的基礎上，提供在設計制造和運行中需要的基本公式，並附有電磁計算的實例．
  本書中涉及的物理參數的計算量綱盡量采用國際單位制．在沿用我國傳統的物理參數的習慣計算量綱時，都將會標明具體的單位．
  在編寫本書的過程中，得到了中國電子科技集團第二十一研究所冷小強、周醒夫、何金澤和丁正民等工程師的熱情協助，在此一並致謝．
  在本書的編寫過程中，除依據該公司十餘年來在產品開發和生產制造方面積累起來的實踐經驗，以及作者本人在多年從事永磁電動機科研工作中的心得和體會之外，作者還參考了不少相關的書籍和資料，在此對其原作者表示真誠的謝意．
  本書由上海交通大學金如麟教授仔細審閱，並提出了許多寶貴的意見，在此表示衷心的感謝．
  由於作者受知識和實踐所限，書中難免有不當之處，懇請讀者批評指正．

 
                                            葉金虎