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基础篇3

第1章 总论3

1.1　电动机技术与产业3

目录3

1.2　电动机开发的历史沿革5

1.2.1　电动机基本构造的提案10

1.2.2　电动机的开发初期11

1.2.3　实用电动机的开发与研究11

1.3　电动机的种类与特性13

1.4　电动机技术开发的现状与课题17

1.4.1　背景17

1.4.2　现状19

1.4.3　课题22

1.5.1　电动机技术24

1.5　电动机技术与外围技术24

1.5.2　外围技术26

第2章 电动机基础31

2.1　直流电动机31

2.1.1　基本原理31

2.1.2　构造32

2.1.3　感应电动势和电磁转矩34

2.1.4　基本关系式和特性35

2.1.5　电枢反应39

2.1.6　整流现象39

2.2　感应电动机42

2.2.1　三相感应电动机42

2.2.2　二相感应电动机50

2.2.3　单相感应电动机50

2.3.1　永磁同步电动机转子的结构和特征52

2.3　永磁同步电动机52

2.3.2　永磁电动机的分类和特征54

2.3.3　基本特性关系式和等效电路56

2.3.4　d、q轴等效电路和基本矢量58

2.3.5　电流的矢量控制法59

2.3.6　样机的实验特性64

2.4　步进电动机65

2.4.1　种类和构造66

2.4.2　工作原理68

2.4.3　特性和专业术语72

2.5　磁阻电动机76

2.5.1　开关磁阻电动机76

2.5.2　同步磁阻电动机81

2.5.3　磁阻电动机的比较和特征84

2.6　直线型电动机87

2.6.2　特征88

2.6.1　原理88

2.6.3　分类90

2.6.4　各种直线型电动机的特征92

2.6.5　直线驱动系统96

2.7　其他电磁力电动机98

2.7.1　通用电动机98

2.7.2　无铁心电动机100

2.7.3　磁滞电动机101

2.7.4　直接驱动电动机103

2.7.5　微型电动机104

2.7.6　无轴承电动机105

2.8　非电磁力电动机107

2.8.1　超声波电动机107

2.8.2　压电传动机构111

2.8.3　磁伸缩传动机构112

2.8.4　静电电动机113

2.8.5　其他114

第3章 电动机驱动技术118

3.1　各种电动机的典型控制方法118

3.1.1　直流电动机控制118

3.1.2　坐标变换124

3.1.3　无刷电动机的控制133

3.1.4　矢量控制141

3.1.5　磁阻电动机的控制148

3.2　电动机驱动电源和器件158

3.2.1　斩波器158

3.2.2　逆变器165

3.2.3　逆变器主电源电路器件174

4.1.1　数字信号处理器187

4.1　电动机的控制器件187

第4章 电动机控制技术187

4.1.2　微处理器197

4.2　电机控制方式和特征205

4.2.1　开环控制205

4.2.2　闭环控制214

4.2.3　无传感器控制224

4.3　电动机控制中的传感器技术254

4.3.1　电流传感器254

4.3.2　速度传感器257

4.3.3　位置传感器259

4.4　电动机控制特性和评价271

4.4.1　稳定运转状态的特性评价271

4.4.2　用传递函数描述电动机控制特性的方法273

4.4.3　用实际响应评价电动机控制特性的方法274

4.5.1　现代控制理论在电动机控制中的应用277

4.5　电动机控制理论与特征277

4.5.2　用数字系统构成的控制系统281

4.5.3　对于今后控制理论的展望283

第5章 电动机特性测试技术和评价方法285

5.1　特性测量概论285

5.1.1　电动机的特性测量285

5.1.2　输入、输出和功率损耗286

5.1.3　特性测量的目的和测量方法287

5.1.4　特性常数和特性评价288

5.2　基本物理量的测量方法291

5.2.1　输入特性量291

5.2.2　输出特性量295

5.2.3　状态量298

5.2.4　关于性能试验方法的规定303

5.3.1　负载特性的测量306

5.3　电动机特性的测量方法306

5.3.2　无励磁的损失转矩和固定损耗的测量309

5.3.3　旋转角度转矩特性的测量310

5.3.4　步进电动机的转矩特性的测量312

5.3.5　直线电动机推力特性的测量316

5.4　测量装置320

5.4.1　转矩仪320

5.4.2　转速和旋转角度324

5.4.3　功率计327

5.4.4　振动计和噪声计329

5.4.5　电动机的测试装置331

5.5　数据处理技术337

5.5.1　利用PC机测量和数据处理337

5.5.2　高度的数据处理342

5.6　通用电动机特性的现状347

5.6.1　有刷直流电动机347

5.6.3　无刷电动机349

5.6.2　伺服电动机349

5.6.4　步进电动机350

第6章 电动机的特性分析技术353

6.1　电动机的特性分析353

6.2　等效电路法及其应用355

6.2.1　等效电路法的基础知识355

6.2.2　磁路等效电路的应用实例357

6.2.3　磁导率的计算358

6.3　有限元法及其应用359

6.3.1　计算顺序的概要360

6.3.2　边界条件362

6.3.3　电压源的考虑364

6.3.4　旋转的处理365

6.3.5　速度项的处理366

6.3.6　与最优化方法并用367

6.4　转矩的计算方法和斜槽的考虑370

6.4.1　转矩的计算方法370

6.4.2　关于斜槽的考虑373

6.5　铁心材料的模型化及铁损解析376

6.5.1　磁特性的模型376

6.5.2　磁化特性的模型376

6.5.3　铁损的分析378

6.6　永久磁铁的模型384

6.6.1　永久磁铁的磁化特性和数值分析方法384

6.6.2　形状的模型化385

6.6.3　配向方向的考虑386

6.6.4　充磁的分析387

6.6.5　退磁的分析389

6.7　复合问题及其分析391

6.7.1　分析方法391

6.7.2　考虑驱动回路和线圈端部的永磁电动机的特性分析举例393

6.7.3　各向异性环型磁铁电动机的特性分析举例395

6.7.4　齿极型步进电动机的分析举例397

6.7.5　嵌入磁极式电动机的三维热传导分析398

6.7.6　嵌入磁极式电动机的三维涡流分析399

6.8　减低齿槽效应转矩的方法402

6.8.1　减低齿槽效应转矩的方法概要402

6.8.2　铁心槽和齿槽效应转矩403

6.8.3　降低步进电动机的齿槽效应转矩的方法405

第7章 电动机的构成材料407

7.1　电动机构成要素的现状和发展动向407

7.2　铁心材料410

7.2.1　种类和性能要求410

7.2.2　各种特性411

7.2.3　电动机内铁心性能与铁心材料材质特性的关系414

7.3　永磁材料415

7.2.4　通过铁心材料的活用提高电动机的性能415

7.3.1　永久磁铁概要416

7.3.2　铁氧体磁铁416

7.3.3　稀土类烧结磁铁417

7.3.4　稀土类黏接磁铁418

7.3.5　永久磁铁在使用上的注意事项419

7.4　导电材料421

7.4.1　漆包线的构成材料421

7.4.2　漆包线的一般特性424

7.4.3　基本设计中的注意事项425

7.4.4　最近的技术动向427

7.5　绝缘材料和注模材料429

7.5.1　浸渍清漆429

7.5.2　铸模材料432

7.5.3　线槽内的绝缘材料434

7.6.1　电动机的电刷材料436

7.6　电刷材料436

7.6.2　电刷材料的种类和特征及使用上的注意点437

7.6.3　电刷的技术动向438

7.6.4　整流子的材料及其结构439

7.6.5　整流子的技术动向440

提高篇445

第1章 电动机的高效率技术445

1.1　高效率技术的背景与动向445

1.2　高效率设计技术450

1.2.1　通用电动机450

1.2.2　无刷直流电动机459

1.3　磁阻转矩在电动机中的应用466

1.3.1　置入式永磁同步电动机466

1.3.2　开关磁阻电动机（SRM）474

1.3.3　同步磁阻电动机（SynRM）482

1.4.1　感应电动机497

1.4　最大效率控制497

1.4.2　PM同步电动机505

第2章 电动机的高性能控制技术513

2.1　高性能控制总论513

2.1.1　高性能控制的概念513

2.1.2　高性能控制时所要求的运动特性513

2.1.3　反馈控制系统的构成514

2.1.4　各种控制理论514

2.1.5　经典控制理论515

2.1.6　现代控制理论517

2.1.7　滑模控制519

2.1.8　H∞控制520

2.1.9　多自由度系统的高性能控制520

2.1.10　后面各节以及高性能控制的发展520

2.2.1　高精确度伺服控制所要求的技术521

2.2　高精确度伺服控制521

2.2.2　高精确度伺服控制时的伺服系统构成523

2.2.3　高速并且快速响应的伺服控制526

2.3　利用滚动导向的高精确度位置控制529

2.3.1　系统的构成529

2.3.2　力-位移特性531

2.3.3　动态特性与区域迁移特性532

2.3.4　位置控制533

2.4　扰动抑制控制537

2.4.1　电动机控制时的扰动537

2.4.2　扰动转矩的推定537

2.4.3　观测噪声与扰动抑制特性540

2.4.4　向速度控制系统的扩展542

2.5　振动抑制控制543

2.5.1　机械共振系统的动特性544

2.5.2　基于PID控制的振动抑制控制545

2.5.3　基于扰动观测器的振动抑制549

2.5.4　鲁棒控制（H∞控制）550

2.6　含有摩擦的系统的控制552

2.6.1　非线性摩擦补偿概述552

2.6.2　工作台驱动装置与非线性摩擦动力学553

2.6.3　基于扰动观测器的摩擦补偿555

2.6.4　基于GMDH的摩擦自律建模及其补偿558

2.7　参数整定与自动调试561

2.7.1 电动机驱动时的自动调试561

2.7.2　离线调试与在线调试562

2.7.3　受控对象的模型与控制系统563

2.7.4　自动调试时应用的技术564

2.7.5　自动调试的应用565

2.8.1　传统的数字再设计方法570

2.8　数字再设计570

2.8.2　采用N-Delay控制的数字再设计573

2.8.3　应用举例574

2.8.4　结论577

2.9　抗卷绕控制578

2.9.1　2自由度控制系统的抗卷绕控制578

2.9.2　2自由度控制系统的设计578

2.9.3　各控制器的抗卷绕化578

2.9.4　控制系统的构成及其实现580

2.9.5　实验结果581

2.9.6　感应电动机速度控制系统的抗卷绕控制581

2.9.7　考虑PI控制系统操作量饱和的方法582

2.9.8　转差频率型矢量控制的电流控制系统583

2.9.9　考虑q轴电流PI控制系统的操作量饱和583

2.9.11　矢量控制型感应电动机的速度伺服系统的抗卷绕控制584

2.9.10　考虑d轴电流PI控制系统的操作量饱和584

2.10　含有间隙的系统的控制587

2.10.1　间隙所存在的问题588

2.10.2　有间隙的二惯性系统的模型建立589

2.10.3　基于齿轮转矩补偿的有间隙二惯性系统的速度控制591

2.11　采用多级采样控制的完全跟踪控制法595

2.11.1　完全跟踪控制系统的设计596

2.11.2　仿真与实验599

2.11.3　结论601

第3章　低振动、低噪声技术603

3.1　振动、噪声产生的机理603

3.1.1　电磁振动噪声604

3.1.2　2f和2sf的振动与噪声617

3.1.3　磁导齿谐波转矩引起的噪声617

3.1.4　控制方式引起的噪声618

3.1.5　机械振动噪声620

3.1.6　通风噪声622

3.1.7　基础安装引起的振动623

3.2　振动与噪声的对策624

3.2.1　内科的对策625

3.2.2　外科的对策626

3.2.3　神经科的对策627

第4章　环境与电动机技术628

4.1　电动机制造的环境问题628

4.1.1　环境问题及其对策628

4.1.2　废弃物的环境问题630

4.1.3　电动机产业界的环境问题633

4.1.4　环境经营636

4.1.5　绿色采购法案636

4.2.1　COP3、4、5、6的作用637

4.2　国际协定及法规上的制约与电动机应用设备637

4.2.2　节约能源法640

4.3　节能型与省资源型电动机设计技术644

4.3.1　节能型电动机设计技术644

4.3.2　省资源型电动机设计技术653

4.3.3　易于再循环的电动机设计657

4.3.4　电动机的再循环技术661

应用篇677

第1章 电动机系统的构筑方法677

1.1　电动机的选择677

1.1.1　基本方法677

1.1.2　电动机的规格、定额与容量选择680

1.2　负载转矩及转动惯量的计算682

1.2.1　必要转矩682

1.2.2　负载转矩的计算682

1.2.4　转动惯量的计算684

1.2.3　加速转矩的计算684

1.3　控制用电动机的选择685

1.3.1　步进电动机685

1.3.2　伺服电动机689

1.4　电动机的技术标准694

1.4.1　技术标准的分类及主要技术标准694

1.4.2　JIS的部门分类及其代号695

1.4.3　电子设备及电工机械部门（JIS C）的分类项目及其序号695

1.4.4　绝缘等级、极限温度及绝缘材料举例697

1.4.5　可供参考的其他标准698

第2章　在FA机器中的应用701

2.1　FA机器用电动机的技术动向701

2.1.1　最近的动向701

2.1.2　今后的动向702

2.2.1　半导体制造设备用电动机703

2.2　在半导体制造设备中的应用703

2.2.2　半导体制造工艺704

2.2.3　硅片制作704

2.2.4　掩膜制作705

2.2.5　硅片加工705

2.2.6　半导体装配707

2.2.7　电子器件制造与加工装置709

2.2.8　电子器件装配装置709

2.3　在工业机器人中的应用710

2.3.1　工业机器人的构成710

2.3.2　对工业机器人用电动机的性能要求712

2.3.3　工业机器人用AC伺服电动机的结构712

2.3.4　工业机器人用电动机技术712

2.4.1　用于数控机床的电动机716

2.4.2　进给轴用伺服电动机716

2.4　在数控机床中的应用716

2.4.4　主轴用电动机720

2.4.5　主轴电动机的种类与特性721

2.4.6　未来的数控机床与电动机723

2.5　在注塑机械中的应用724

2.5.1　注塑机的构成与运行特性724

2.5.2　电动式注塑机的优缺点726

2.5.3　电动式注塑机的大型化、高速化及其快速响应728

2.6　直线电动机在FA机器中的应用730

2.6.1　直线电动机驱动机构的设计方法731

2.6.2　直线电动机驱动的应用举例733

第3章　在OA装置与信息装置中的应用737

3.1　数字复印机的感光鼓驱动737

3.1.1　数字彩色复印机的特点737

3.1.2　感光鼓驱动740

3.1.3　转印鼓方式的鼓驱动742

3.1.4　4鼓串联方式的鼓驱动743

3.2　激光打印机用扫描电动机747

3.2.1　激光扫描光学系统747

3.2.2　对扫描电动机特性的要求748

3.2.3　扫描电动机748

3.2.4　扫描电动机的轴承749

3.3　BJ打印机的驱动电动机753

3.3.1　电动机技术在喷墨打印机中的应用753

3.3.2　晶体管主电路的工作原理755

3.3.3　电动机控制电路758

3.3.4　打印机控制758

3.4　照相机中的微型电动机761

3.4.1　照相机中的微型电动机的作用与功能761

3.5　在CD-ROM、CD-R/RW、DVD-ROM中的应用768

3.5.1　概述768

3.5.2　芯轴电动机的主要技术数据769

3.5.3　芯轴电动机的结构与特性771

3.5.4　成本的降低774

3.5.5　芯轴电动机的有关课题及其解决对策774

3.6　在移动电话机中的应用（来电话报知用振动电动机）776

3.6.1　旋转型振子的形态777

3.6.2　旋转振动力与振动的稳定性778

3.6.3　扁平型振子的构成780

3.6.4　振子电动机的主要技术要求781

第4章 在AV装置中的应用783

4.1　在CD/DVD中的应用783

4.1.1　CD/DVD装置的概要与动向783

4.1.2　装置的规格与电动机的作用784

4.1.3　电动机的结构与特点786

4.1.4　装置的种类与电动机使用类型789

4.1.5　今后有关电动机的课题790

4.2　在MD中的应用791

4.2.1　MD概要及其发展动向791

4.2.2　便携型MD中使用的电动机792

4.2.3　主轴电动机所要求的性能与功能792

4.2.4　螺纹电动机所要求的性能与功能795

4.2.5　电动机特点及其应用实例796

4.3　在VHS摄录机中的应用797

4.3.1　VHS摄录机所用电动机的类型797

4.3.2　VHS走带电动机所要求的性能与功能797

4.3.3　VHS磁鼓电动机所要求的性能与功能800

4.4　在8mm摄录机及DVC（Digital Video Cassette，数字视频盒式）摄像机中的应用804

4.4.1　视频一体型摄像机用电动机概要及其发展动向804

4.4.2　摄录机用电动机的作用与结构804

4.4.3　对摄录机用电动机所要求的性能及其实现方法807

4.4.4　电动机设计上和使用上的注意点809

4.5　在数码相机中的应用810

4.5.1　PM型步进电动机概要811

4.5.2　DSC用电动机812

第5章　在汽车中的应用819

5.1　对形势的认识及电动机的技术动向819

5.1.1　电动机用途的扩大819

5.1.2　电动机的种类819

5.1.3　最新电动机技术820

5.1.4　今后的课题820

5.2　在电子节流装置中的应用821

5.2.1　电子节流化的背景821

5.2.2　电子节流概要821

5.2.3　电子节流系统的构成821

5.2.4　基于无传感器无刷直流电动机的节流控制方法822

5.3.1　EPS的特点827

5.2.5　今后的发展动向827

5.3　在辅助动力驾驶中的应用827

5.3.2　EPS的种类828

5.3.3　EPS的系统构成829

5.3.4　EPS电动机的使用方法829

5.3.5　对EPS电动机的性能要求831

5.3.6　EPS电动机的安全性832

5.3.7　EPS电动机的特点833

5.4　在汽车起动机中的应用834

5.4.1　起动机用电动机的特点834

5.4.2　起动机的输出特性835

5.4.3　起动机的结构836

第6章　在电动汽车中的应用841

6.1　总论841

6.1.1 电动汽车的发展动向841

6.1.2 电动汽车用各种电动机的特性比较845

6.1.3　变速驱动系统与控制技术846

6.1.4　具有电动汽车特色的控制技术850

6.2　电动汽车用电动机及其特性853

6.2.1　电动汽车中使用的电动机853

6.2.2　感应电动机854

6.2.3　PM电动机858

6.3　感应电动机在电动汽车中的应用865

6.3.1 电动机最高转速与质量的关系865

6.3.2　感应电动机与PM电动机的效率比较866

6.3.3　混合型汽车用感应电动机867

6.3.4　电动车辆用感应电动机868

6.3.5　感应电动机用变频器869

6.4　PM电动机在电动汽车中的应用870

6.4.1　纯电动汽车及其所用PM电动机的开发举例870

6.4.2　混合型电动汽车及其所用PM电动机的开发举例874

第7章　在家用电器中的应用879

7.1　家电用电动机的动向879

7.2　空调器用电动机881

7.3　电冰箱用电动机890

7.4　洗衣机用电动机899

7.5　与家用电器再循环法相适应905

第8章　在输送、搬运设备中的应用909

8.1　在铁路中的应用909

8.1.1　高速列车用旋转电机909

8.1.2　常电导直线电动机车辆912

8.1.3　超电导直线电动机车辆914

8.2　在工厂用搬运机械中的应用917

8.2.1　AGV用电动机917

8.2.2　直线电动机搬运919

8.2.3　物流分类装置921

8.2.4　单轨式搬运机926

8.3　在实验室等特殊环境中的应用928

8.3.1　直线电动机方式的半导体搬运装置928

8.3.2　DD电动机在自律无人车中的应用931

8.3.3　医院用传送装置933

8.4　在其他运输机械中的应用935

8.4.1　轮内型电动机935

第9章　在特殊环境中的应用940

9.1　在宇宙、航空中的应用940

9.1.1　卫星与电动机940

9.2　在核能设施中的应用948

9.2.1　核反应堆堆芯部分的保护装置949

9.2.2　水中目视检查机器人951

9.2.3　BWR再循环系统内循环泵953

9.3.1　概要956

9.3　在医疗器械（X射线管驱动）中的应用956

9.3.2　原理与结构957

9.3.3　要求的性能与特性959

9.3.4　特点960

9.3.5　今后的动向961

第10章　机械传动与支承机构962

10.1　机械传动机构962

10.1.1　齿轮减速机962

10.1.2　滚珠螺旋机构972

10.1.3　其他传动机构982

10.2　轴承支承机构987

10.2.1　滚动轴承（球轴承）987

10.2.2　直线导向机构997

10.2.3　其他类型轴承1002

索引1009