電動機及其計算機仿真內容簡介

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，基于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；最后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(yè)知識和研究領域。

目 錄

第1章 緒論 1

1.1 電動機及電力傳動 1

1.2 負載特性及系統(tǒng)運動方程 4

1.2.1 生產機械的負載特性 4

1.2.2 電力拖動系統(tǒng)方程 5

1.3 電動機控制基礎 6

1.3.1 自動控制系統(tǒng) 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 電動機的有限元設計仿真 8

1.4.2 電動機控制的計算機數(shù)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(shù) 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(fā)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(lián)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系 45

3.1.3 三相同步電動機的功率關系與矩角特性 49

3.1.4 三相同步電動機功率因數(shù)的調節(jié) 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 基于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(tài)數(shù)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　矢量變換控制調速系統(tǒng) 72

4.2.4　數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)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(shù)學模型 81

第5章 電動機MATLAB和Ansoft仿真基礎 83

5.1 MATLAB的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)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Ansoft有限元仿真 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(chuàng)建 109

6.1.2 電動機仿真參數(shù)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(chuàng)建 117

6.2.2 電動機仿真參數(shù)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矩有限元仿真 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(shù)設置 129

6.3.3 仿真結果及分析 129

第7章　電動機MATLAB數(shù)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(shù)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(shù)設置 138

7.2.3　仿真結果及分析 140

7.3　交流電動機基于空間矢量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(shù)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(shù)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　電動機有限元模型 153

8.2.2　在三相坐標系下的數(shù)學模型 154

8.2.3　在任意速坐標系下的數(shù)學模型 156

8.2.4 兩相旋轉坐標系數(shù)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(shù)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 1742100433B

本書基于MATLAB/SIMULINK和ansoft仿真平臺，對不同電機通過原理分析與建模、仿真源代碼編寫、仿真結果與分析等步驟，對各種控制方法列舉了大量的仿真實例。通過這些實例的學習，讀者可以舉一反三，熟練掌握電機及系統(tǒng)的仿真。通過本教材的學習，讀者能夠熟練的將電機及系統(tǒng)的數(shù)學模型在MATLAB/SIMULINK和ansoft平臺上進行正確仿真即可，并不需要讀者掌握深厚的MATLAB和ansoft知識，這是編者編寫本書的基本原則。本書可用于高等學校電氣工程及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)電機控制方面的教材，也可供相關技術研究人員參考和使用

前言

第1章緒論

1 1什么是仿真

1 2模型與仿真

1 2 1物理模型和物理仿真

1 2 2數(shù)學模型和數(shù)學仿真

1 2 3建模與仿真

1 2 4系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計

1 3系統(tǒng)辨識的步驟及方法

1 3 1系統(tǒng)辨識步驟

1 3 2參數(shù)估計的基本方法——

最小二乘法

1 3 3加權最小二乘法

1 4仿真技術的應用

1 5計算機仿真技術

1 5 1模擬仿真

1 5 2數(shù)字仿真

1 5 3模擬仿真與數(shù)字仿真比較

1 5 4仿真穩(wěn)定性與步長選擇

1 6基本內容和學習方法

第2章仿真軟件基礎

2 1MATLAB介紹

2 1 1MATLAB的概況

2 1 2MATLAB產生的歷史背景

2 1 3MATLAB的語言特點

2 1 4MTALAB的功能

2 2MATLAB入門

2 2 1MATLAB的安裝與啟動

2 2 2MATLAB的運行環(huán)境

2 3Simulink環(huán)境和模型庫

2 3 1Simulink環(huán)境

2 3 2Simulink模型庫中的模塊

2 3 3電力系統(tǒng)模型庫

2 4MATLAB簡單仿真算例演示

2 5Ansoft介紹

2 5 1Ansoft的概況

2 5 2Ansoft各模塊的簡單介紹

2 5 3Ansoft的特點

2 6Ansoft入門

2 6 1Ansoft的安裝與啟動

2 6 2Ansoft的運行環(huán)境

2 7Ansoft電機仿真應用

2 7 1電機模型的建立

2 7 2材料屬性與管理

2 7 3邊界條件和激勵源

2 7 4網格剖分和求解

2 7 5電磁場特性的可視化

第3章直流電機系統(tǒng)的仿真

3 1直流電機開環(huán)系統(tǒng)的仿真

3 2轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真

3 2 1帶轉速負反饋的直流調速系統(tǒng)

3 2 2帶電流截止負反饋的直流調速

系統(tǒng)

3 3轉速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真

3 3 1按直流雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結構圖

的仿真

3 3 2使用Power System模塊的直流

雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真

3 4直流PWM M可逆調速系統(tǒng)仿真

3 4 1H型主電路的仿真

3 4 2雙極式控制直流PWM M可逆

調速系統(tǒng)仿真

3 4 3受限單極式PWM可逆系統(tǒng)

仿真

第4章異步電機系統(tǒng)的仿真

4 1坐標變換理論

4 1 1三相靜止坐標系和兩相靜止

坐標系的變換

4 1 2兩相靜止坐標系和兩相旋轉

坐標系的變換

4 1 3三相靜止軸系到兩相同步旋轉

軸系的變換

4 2感應電機性能的數(shù)字仿真

4 2 1數(shù)學模型的建立

4 2 2感應電機連接正弦電壓工作

4 2 3PWM變頻器 感應電機系統(tǒng)

仿真

4 3交流異步電機的磁鏈觀測

4 3 1轉子磁鏈計算的電流模型

4 3 2轉子磁鏈的電壓模型

4 3 3轉子磁鏈模型的仿真

4 4交流異步電機的矢量控制仿真

4 4 1轉差頻率控制的異步電機矢量

控制仿真

4 4 2帶轉矩內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)

矢量控制仿真

4 4 3無速度傳感器的矢量控制仿真

4 5異步電機的軟起動仿真

第5章基于有限元方法的電機

系統(tǒng)仿真

5 1電機模型建立

5 1 1CAD電機仿真模型的繪制

5 1 2創(chuàng)建項目

5 1 3構建幾何模型

5 1 4材料定義及分配

5 1 5激勵源的添加

5 1 6加載邊界條件

5 1 7運動選項設置

5 1 8求解選項參數(shù)設定

5 2空載電磁場分析

5 2 1空載場求解

5 2 2查看磁力線分布

5 2 3查看磁通密度云圖分布

5 2 4獲取氣隙磁場波形

5 3負載特性分析

5 3 1負載運行激勵源設定

5 3 2編輯外電路

5 3 3外電路與有限元連接

5 3 4負載仿真結果輸出

第6章永磁電機系統(tǒng)的仿真

6 1永磁同步電機的仿真

6 1 1永磁同步電機的數(shù)學模型

6 1 2基于PWM的永磁同步電機矢量

控制系統(tǒng)仿真

6 1 3無傳感器永磁同步電機直接轉矩

控制系統(tǒng)仿真

6 2永磁無刷直流電機的仿真

6 2 1永磁無刷直流電機的數(shù)學模型

6 2 2永磁無刷直流電機變頻調速

系統(tǒng)仿真

6 2 3無傳感器永磁無刷直流電機

系統(tǒng)仿真

第7章電機系統(tǒng)的精確線性化仿真

7 1永磁同步電動機的狀態(tài)反饋

精確線性化控制

7 1 1永磁同步電動機精確線性化

模型

7 1 2永磁同步電機非線性系統(tǒng)

精確線性化條件

7 1 3坐標變換及轉速輸出函數(shù)

7 1 4控制器設計

7 1 5模型仿真研究

7 1 6小結

7 2電機系統(tǒng)漸進輸出跟蹤控制

7 2 1局部漸近穩(wěn)定性

7 2 2漸近輸出跟蹤

7 2 3漸進跟蹤參考模型輸出

7 2 4永磁同步電機的參考模型

匹配控制

7 3電機系統(tǒng)的非交互式控制

7 3 1輸入輸出解耦不變性

7 3 2狀態(tài)反饋非交互式控制描述

7 3 3永磁同步電動機的非交互式

控制

參考文獻 2100433B

《計算機仿真技術及CAD》本書為普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材，在著重介紹計算機仿真基本理論、方法和技術的基礎上，以多領域的仿真需求為牽引，深入淺出地論述了計算機仿真應用系統(tǒng)的開發(fā)過程，旨在培養(yǎng)學生運用計算機仿真技術解決實際問題的能力。主要內容包括計算機仿真技術的基本概念，計算機仿真涉及的主要技術，仿真建模方法，連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)的計算機仿真，仿真與建模的校核、驗證和驗收，以及先進仿真技術；同時講述了連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)、協(xié)同仿真、模型庫和運輸調度仿真系統(tǒng)的開發(fā)工具以及應用實例。本書可作為大專院校本、專科學生的計算機仿真技術教材或學習參考書，其豐富的開發(fā)實例也可作為研究生和工程技術人員開發(fā)計算機仿真應用系統(tǒng)的參考資料。