本教材整合了電機學的、電機控制和電機仿真三者的基本知識，簡要介紹了三者的基本理論並舉例進行了說明，書中的舉例既有適合初學者的簡單理論和仿真，也有一些需要創新能力的提升。按照工程認證和新工科背景的要求，以培養學生的工程實踐能力和創新意識為主線。

本書首先對電動機的基本理論進行了簡要介紹，為了能夠準確分析和計算電動機內部的電磁場，基於Ansoft軟件介紹了電動機的電磁場分析和計算的方法；其次采用MATLAB/Simulink仿真平臺，對電動機的建模和控制技術進行了較為詳細的仿真分析，特別對永磁電動機的齒槽轉矩產生機理和仿真進行了一定的研究；最後通過一種較為復雜的特殊結構永磁電動機進行了建模和控制研究。通過本書的學習，讀者可以舉一反三，掌握電動機的基本理論和仿真研究的方法。本書特別適合在工程認證和新工科背景下電動機及其研究方法的教學和基礎科研的展開，讓讀者較為快速地進入電動機的專業知識和研究領域。

刁統山，2013年12月畢業於山東大學電氣工程學院，電機與電器專業，獲工學博士學位，博士，講師，中共黨員。主要從事各種電機本體結構的設計，性能分析及控制等領域的應用研究工作。在國內外重要學術期刊及國際重要學術會議上共發表學術論文近10篇，其中EI收錄6篇。作為主要成員參與過一項國家自然科學基金的研究。

目 錄
第1章 緒論 1
1．1 電動機及電力傳動 1
1．2 負載特性及繫統運動方程 4
1．2．1 生產機械的負載特性 4
1．2．2 電力拖動繫統方程 5
1．3 電動機控制基礎 6
1．3．1 自動控制繫統 6
1．3．2 電動機的控制技術 7
1．4 電動機仿真分析 8
1．4．1 電動機設計仿真 8
1．4．2 電動機控制的計算機數字仿真 9
第2章 電動機基本理論 10
2．1 磁路基本知識 10
2．2 變壓器 11
2．2．1 變壓器的基本工作原理 11
2．2．2 變壓器的空載運行 13
2．2．3 變壓器的基本參數 14
2．2．4 變壓器的運行特性 15
2．2．5 損耗與效率 15
2．2．6 三相變壓器 16
2．3 直流電機的基本工作原理 18
2．3．1 直流發電機的基本工作原理 18
2．3．2 直流電動機的基本工作原理 19
2．3．3 直流電動機的空載磁場 19
2．3．4 直流電動機的負載磁場 20
2．4 直流電動機方程 23
2．4．1 電動勢與電磁轉矩 23
2．4．2 電動勢、功率和轉矩平衡方程式 23
2．5 三相異步電動機的結構 25
2．6 電動機原理 27
2．7 三相異步電動機的機械特性 28
2．7．1 電磁轉矩 28
2．7．2 電動機的機械特性 29
2．8 三相異步電動機的控制 29
2．8．1 三相異步電動機的啟動 29
2．8．2 三相異步電動機的調速 30
2．8．3 三相異步電動機的反轉 31
2．8．4 三相異步電動機的制動 31
2．9 常用低壓電器 31
2．9．1 手動開關 32
2．9．2 按鈕 33
2．9．3 交流接觸器 33
2．9．4 繼電器 34
2．9．5 熔斷器 36
2．9．6 自動空氣開關 37
2．10 籠型電動機的直接啟動 37
2．10．1 籠型電動機的點動控制電路 38
2．10．2 籠型電動機的長動控制電路 39
2．10．3 籠型電動機的正反轉 39
2．10．4 籠型電動機的聯鎖控制 40
2．10．5 行程（限位）控制 41
2．10．6 時間控制 42
第3章 三相同步電動機和永磁同步電動機 44
3．1 三相同步電動機 44
3．1．1 三相同步電動機的工作原理和結構 44
3．1．2 三相同步電動機的電磁關繫 45
3．1．3 三相同步電動機的功率關繫與矩角特性 49
3．1．4 三相同步電動機功率因數的調節 53
3．2 永磁同步電動機 55
3．2．1 永磁同步電動機的結構 55
3．2．2 永磁同步電動機的運行原理 57
3．2．3 永磁同步電動機振動機理及其分析方法研究 59
3．2．4 基於能量法的電動機齒槽轉矩削弱原理 63
第4章 電動機的控制技術 65
4．1三相異步電動機的動態數學模型 65
4．1．1磁鏈方程 66
4．1．2電壓方程 67
4．1．3轉矩方程和運動方程 68
4．2交流電動機的矢量控制技術 68
4．2．1矢量控制的原理 68
4．2．2坐標變換與矢量變換 70
4．2．3矢量變換控制調速繫統 72
4．2．4數字化矢量控制繫統設計 76
4．3直接轉矩控制（DTC） 78
4．3．1異步電動機的直接轉矩控制 78
4．3．2直接轉矩控制異步電動機的數學模型 81
第5章 電動機MATLAB和Ansoft仿真基礎 83
5．1 MATLAB的繫統開發環境 83
5．2 MATLAB常用命令 85
5．3 Simulink簡介 85
5．3．1 Simulink概述 85
5．3．2 Simulink簡單操作 86
5．3．3 SimPowerSystems工具箱 88
5．3．4 Simulink 運行 89
5．4 MATLAB簡單仿真算例 91
5．5 電動機模型的繪制及仿真設置 94
5．5．1 Ansoft電動機仿真啟動 94
5．5．2 具體建模過程 96
5．5．3 材料屬性與管理 102
5．5．4 邊界條件和激勵源設置 105
5．5．5 網格剖分和求解 106
第6章 電動機Ansof仿真 109
6．1 三相感應電動機的仿真分析 109
6．1．1 電動機幾何模型創建 109
6．1．2 電動機仿真參數設置 114
6．1．3 仿真結果及分析 116
6．2 永磁無刷直流電動機的仿真分析 117
6．2．1 電動機幾何模型創建 117
6．2．2 電動機仿真參數設置 122
6．2．3 仿真結果及分析 123
6．3 永磁同步電動機齒槽轉仿真 125
6．3．1 永磁同步電動機本體構建 125
6．3．2 齒槽轉矩仿真參數設置 129
6．3．3 仿真結果及分析 129
第7章電動機MATLAB數值仿真 132
7．1三繞組變壓器仿真 132
7．1．1三繞組變壓器帶負載模型的建立 132
7．1．2模塊參數設定 132
7．1．3仿真結果及分析 134
7．2啟動仿真 135
7．2．1串電阻啟動建模 135
7．2．2仿真模塊參數設置 138
7．2．3仿真結果及分析 140
7．3交流電動機基於空間矢量PWM仿真 141
7．3．1感應電動機空間矢量控制模型建立 141
7．3．2仿真模塊參數設置 142
7．3．3 仿真結果及分析 145
7．4感應電動機磁場定向控制 147
7．4．1感應電動機磁場定向控制模型建立 147
7．4．2仿真模塊參數設置 148
7．4．3仿真結果及分析 151
第8章 特殊結構永磁電動機研究 153
8．1 特殊結構永磁電動機的結構和運行原理 153
8．2電動機的建模 153
8．2．1電動模型 153
8．2．2在三相坐標繫下的數學模型 154
8．2．3在任意速坐標繫下的數學模型 156
8．2．4 兩相旋轉坐標繫數學模型 157
8．2．5電動機仿真建模及控制分析 159
8．3直接功率控制 163
8．3．1瞬時功率理論 163
8．3．2理想逆變器的數學模型和電壓空間矢量 164
8．3．3特殊結構永磁電動機直接功率控制原理分析 165
8．3．4 特殊結構永磁電動機的直接功率控制 170
參考文獻 174

前 言

本書是為滿足電氣工程專業中電機與電器學科體繫的需要而編寫的。書中整合了電機學、電機控制和電機仿真三者的基本知識，簡要介紹了三者的基本理論並舉例進行了說明，既有適合初學者的簡單理論和仿真，又有一些需要創新能力的內容。本書按照工程認證和新工科背景的要求，以培養學生的工程實踐能力和創新意識為主線，充分體現了理論和實踐的完美結合，使學生達到“學中做”和“做中學”的統一，提高學生學習該門知識的自覺性和積極性。

電動機分析設計和控制技術是工科學生必須掌握的一項重要技術，然而，該門技術理論相對枯燥和抽像，為此，在教學和科研中采用了仿真分析技術。對於初學者來說，一般不需要花大量精力和時間去專門學習仿真的理論，隻需要掌握電動機的基本理論，采用軟件提供的相應控制仿真模塊進行電動機的建模和仿真設置，就可以快速實現電動機的相關研究。

目前電動機的設計和仿真軟件包括MATLAB/Simulink和Ansoft等，它們各有側重：在MATLAB中，電動機各組件可通過編程或通過Simulink模塊庫搭建模型來實現電動機的數字仿真；而Ansoft軟件偏重於電動機的結構和電磁場的計算，在Ansoft軟件中，可以對電動機的本體結構進行優化設計。

本書共分8章，內容包括電動機的基本概念和仿真分析技術，變壓器和直流電動機的基本理論，三相同步電動機和永磁同步電動機的理論，交流電動機的矢量控制和異步電動機的直接轉矩控制，MATLAB和Ansoft仿真基礎，交流電動機和永磁同步電動機Ansoft仿真，變壓器和電動機的MATLAB仿真分析，特殊結構永磁電動機建模和直接功率控制。本書借助MATLAB/Simulink和Ansoft仿真軟件，通過大量實例對電動機及其相關理論做了較為詳細的仿真研究和分析。

本書的寫作得到了齊魯工業大學（山東省科學院）電氣工程與自動化學院領導和同事的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝，也感謝電子工業出版社為本書的出版所做的工作。

本書的編寫參考和借鋻了國內外大量的文獻和研究生的論文資料，在此一並表示衷心感謝。盡管本書列出了參考文獻，但是難免遺漏，再次對相關作者表示歉意。由於作者水平有限，加之時間倉促，不妥之處在所難免，懇請各位專家和學者批評指正。

作 者

2019年1月