本教材立足于電磁學的基本物理概念，通過理論和實踐相結合的方式，重點介紹直流電機及永磁同步電機的原理、設計及控制方法。其中，在直流電機相關章節中，面向電機的建模與轉矩控制，建立基本的電機系統控制的概念，同時輔以后續電力電子基礎知識的介紹，使讀者可以掌握電機控制系統的基本框架，滿足汽車專業相關人員對電機系統了解的需求。在交流電機相關章節中，本教材則詳細的分析了現代交流電機的磁場、特性及控制原理，為從事電機系統開發或電動汽車相關開發的人員提供實用的技術支撐。為了與汽車應用相結合，本教材在后的章節中還介紹了車用電機的標準及測試方法，以供相關人員參考。
6年前，我從清華大學電機系博士畢業，來到吉林大學汽車工程學院任教，并承擔了車輛工程專業卓越工程師班的本科生選修課《電機與驅動》的教學工作。隨著混合動力汽車及電動汽車技術的快速發展，電機及其控制系統的基本知識對于車輛工程專業的學生越來越重要，但車輛工程專業的學生一般缺乏電氣工程相關的基礎，所以起初這門課讓我覺得無從下手。傳統的電機學和交流電機傳動這兩門專業課一般就需要上百學時，而這兩門專業課又是建立在電路原理、電磁場、自動控制原理、電力電子技術等一系列專業基礎知識體系之上的，這一系列復雜的知識不可能在短短的32學時中講授給學生。經過幾年來與學生們的交流和我在科研課題中的實踐體會，我將這門《電機與驅動》的教學思路定位為“抓兩頭”，即重點強調電機系統中“頂層體系”的介紹和電機系統中“底層物理概念”的介紹。所謂“頂層體系”，就是電機系統的知識框架，讓學生知道遇到問題后應該找哪方面的知識。例如：混合動力汽車建模應當去找電機的外特性和效率特性；電機轉矩控制應該去看矢量控制；交流電壓調制應該去看電力電子技術等。至于這些技術的具體實現和很多工程細節，則定義為需要課外的進一步深化實踐。所謂“底層物理概念”，則是介紹電機系統中典型原理的基本物理背景。工程技術的變革日新月異，不斷有新技術產生，舊技術淘汰，但物理概念通常不會過時。所以在課程中我愿意更多地強調工程技術背后的物理本質。例如：電機產生轉矩的物理背景是什么，開關調制電壓的本質是什么，基本的磁路和電路分析方法是什么，交流電機中各種復雜的坐標變換的原因又是什么。對于這樣的教學思路，很多選課的同學都給予了高度的肯定，但也表達了該課程學習過程中的難度遠遠大于傳統的專業課程。尤其是該課程知識面非常廣，且“抓兩頭”的講授體系與電機的專業課有明顯的區別，所以很難找到一本合適的參考書用于該課程的復習和拓展。正是在這樣的背景下，我萌生了寫這樣一本教材的想法。
為了讓本書更貼近汽車系統工程應用的實際，我邀請了中國科學院電工研究所的范濤副研究員和濰柴動力股份有限公司的王宏宇部長與我共同完成本書的撰寫。范濤是我的大學同學，大學畢業后一直在中國科學院電工研究所從事車用電機及其系統的設計和分析工作，已有十余年時間。他在2009年獲得中國科學院研究生院博士學位，對車用電機理論有著深刻的理解和豐富的實踐經驗，所以承擔了本書交流電機基本原理相關內容的撰寫。王宏宇部長在美國汽車行業工作十余年，曾就職于美國通用汽車公司和德爾福汽車公司。他2011年回到中國，并被評為國家千人計劃專家，現任濰柴動力新能源系統工程部部長。王宏宇部長從產業化的角度為本書撰寫了車用電機測試及標準的相關內容。本書的成書當然也要歸功于我成長道路上各位老師的指點和幫助。我首先要提到的是我在清華大學攻讀博士學位時的指導老師——邱阿瑞教授，是他打開了我通往電機及其控制系統領域的大門，讓我次建立電機模型，次控制電機旋轉，次完整地完成一篇學術論文的寫作。其次，我要感謝清華大學電機系的諸位老師，他們的辛勤工作為我日后的電機研究打下了扎實的理論基礎。我特別要感謝的是威斯康星大學麥迪遜分校的Robert. D. Lorenz教授。2008年，Lorenz教授接受我作為聯合培養博士生，在WEMPEC（Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium,威斯康星州電機和電力電子協會）學習生活。在WEMPEC的一年時間里，Lorenz教授的言傳身教對我影響巨大，讓我終身受益。我還要感謝與Lorenz教授同在WEMPEC的Johns教授和Giri教授，他們所講授的《ECE711交流電機瞬態與控制》和《ECE412電力電子電路》，讓我對電機與電力電子的理解有了大幅度的提升。本書也加入了部分我在這兩門課中的所學內容。當然我還要感謝清華大學、威斯康星大學和吉林大學一路走來的同學、同事以及我的研究生和朋友們，正是與他們的討論、交流才會有我目前對電機系統的一點理解，正是他們一直以來的幫助，才促成了本書的成稿。感謝我的研究生邢增臻、孫科和李海湘，他們對本教材的整理和校對工作做出了重要的貢獻。后，我還要感謝我的父母和妻子，正是他們無微不至的關懷和陪伴，才讓我能安心努力的工作，完成本書的寫作，他們是這本書大的功臣。
車用電機原理及應用前言本書首先簡要地介紹了電機的基本概念及其與汽車相關的應用，接下來的內容主要分為四個部分：部分為2～4章，介紹直流電機；第二部分為5、6章，介紹電力電子技術；第三部分為7～12章，介紹交流電機；后一部分為13章，介紹車用電機的測試與標準。本書由袁新枚主編，范濤、王宏宇任副主編。參編人員有徐躍、周錦利、王闖、孫科、孫巍、邢增臻、刁慶華、李海湘和張建。其中第7、8章由范濤撰寫，第13章由王宏宇撰寫，第12章中矢量控制的仿真模型是基于中國科學院電工研究所博士生李鴻揚的大量實驗和仿真工作完成的，其余內容由本人完成。
部分的核心內容可分為電機的原理與控制兩方面。在電機原理方面，著重強調電機轉矩產生的基本原理，以及定子、轉子、電樞和勵磁等概念；在控制方面，著重強調電機系統的建模和模型參數的物理意義及其對控制的影響，希望使讀者了解基本的電磁及機械運動系統的建模方法和電流/轉速雙閉環的基本控制結構與原理。在第4章中選取的汽車系統中的起動機和節氣門實例，主要希望使讀者更好地理解以上的電磁/機械系統建模方法的應用。部分的內容從某種意義上并非是特別針對直流電機的介紹，而是可通用于常見電磁控制系統的。
第二部分介紹電力電子技術。在電氣工程中，電力電子技術是獨立的教程，相關內容也極為廣泛，僅兩章的內容很難觸及電力電子技術的核心。但電力電子技術與現代交流電機的控制不可分割，所以筆者在這部分內容中只期望闡述“PWM”和“單極雙擲開關”兩個電力電子的基本概念。“PWM”面向電壓的調制算法，是矢量控制中的空間矢量PWM（SVPWM）算法的介紹奠定基礎；“單極雙擲開關”面向電路拓撲，是三相逆變電路的原理和實現提供基本的理論支撐。
第三部分介紹交流電機，這部分內容是當前電機控制的熱點。具體到車用驅動電機，目前多以交流永磁同步電機為主，所以在該部分內容的設置上也主要集中于交流永磁同步電機。這部分內容本書也有自身的特色，第7章講解了交流電機的基本概念，包括工作原理、結構及分類。在介紹電機結構時，引用了作者在長期電機研發過程中的大量實物照片，力圖使讀者更加容易地建立起電機的形象概念，為第8章講解電機的模型建立一個感觀基礎。第8章將對電機的感觀認識提升為理性認知層面，即電機的數學模型。從電路和磁路兩個視角對電機進行建模。考慮到國內電機學教材在磁路方面介紹的相對欠缺，而磁路相比電路能更加本質地反映電機內部的物理構成，在本章中用更多的磁路語言描述電機原理。同時，通過有限元仿真的方法使電機磁場形象化，特別是在電機學和電機控制理論中占有重要地位的“dq軸”概念，使其不再是一個抽象的數學概念，而是一個實在的物理存在。以相量模型為基礎，本章還介紹了電機的轉矩特性、外特性和效率特性，掌握這些特性對應用電機大有幫助。第9章利用長達一章的篇幅推導得到了永磁同步電機在轉子同步坐標系下的“dq軸”模型，重點希望讀者看到交流電機坐標變換的思路及“任意”坐標系下交流電機模型的表達形式，從而能對“dq軸”模型在第8章的基礎上從控制角度進行更為深刻的認識；關于交流永磁同步電機矢量控制相關的算法和電路都匯集于第10章，從該章中可以相對集中地獲得實際車用驅動電機控制系統的基本原理；第11章介紹了感應電機的建模與控制，對于磁場定向控制，感應電機和永磁同步電機沒有本質區別，所以該章相比傳統電機專業教材中對感應電機大篇幅的介紹，內容是相對簡略的。第12章中給出了兩個交流電機的實例，個模型詳細描述了旋轉坐標系下的交流永磁同步電機模型及其矢量控制算法，該模型可以直接應用于實際矢量控制算法開發；第二個電機模型是從能量角度出發對電機外特性的建模，這種建模方法也是實際在電動汽車及混合動力汽車系統開發中經常使用的。
第四部分內容面向車用電機的產業化，介紹車用電機的測試方法與標準。由于相關內容更新較快，且不同國家體系標準也存在著一定差異，所以該部分內容旨在起到一個索引的作用，使讀者在需要面向產業化應用時，可以方便快速地找到所需的電機測試要求及標準。
本書的使用不僅局限于車輛工程專業，對其他專業了解電機及其控制系統同樣是適用的，所以它既可以作為本科高年級及研究生的課程教材，也可以作為電氣工程專業及相關領域工程師的參考書。
由于時間有限，書中內容難免有不當之處，敬請有關專家和各位讀者給予批評指正。
袁新枚2016年2月長春
序１
序２
前言
第1章導論1
1.1電機發展簡史1
1.2電機的基本概念及分類2
1.3電機在汽車中的應用4
第2章直流電機概述5
2.1直流電機及其用途5
2.2電、磁、力與速度6
2.3直流電機的工作原理8
第3章直流電機的建模與控制11
３.１等效電路與勵磁分類11
3.2數學模型12
３.３轉矩控制13
3.4速度/位置控制18
3.5狀態反饋控制20
第4章車用直流電機實例22
4.1起動機建模與特性分析22
4.2電子節氣門建模25
第5章PWM技術28
5.1PWM原理28
5.2將模擬信號轉化為PWM的方法30
5.3PWM的實現31
5.4PWM在直流調制中的應用33
第6章電力電子技術36
6.1電力電子技術概述36
6.2典型的電力電子器件38
6.2.1二極管38
6.2.2MOSFET39
6.2.3IGBT40
6.2.4小結41
6.3單極雙擲開關的實現42
6.4整流電路與逆變電路43
6.4.1整流電路44
6.4.2逆變電路45
6.5電力電子器件的損耗與散熱46
第7章交流電機概述49
7.1交流電機的概念及其用途49
7.2交流電機的工作原理50
7.3交流電機的結構及分類52
7.3.1交流電機的結構52
7.3.2交流電機的分類54
第8章永磁同步電機分析56
8.1永磁同步電機的模型觀56
8.2永磁同步電機的磁路分析56
8.2.1簡單磁路分析56
8.2.2電機磁路分析59
8.3永磁同步電機的電路分析68
8.3.1電機電感模型68
8.3.2電機相量模型68
8.3.3電機轉矩模型73
8.4永磁同步電機的效率特性與外特性74
8.4.1永磁同步電機的效率特性74
8.4.2永磁同步電機的外特性76
車用電機原理及應用目錄第9章面向控制的永磁同步電機的建模78
9.1自然坐標系下的電機電壓方程78
9.2正交坐標系與旋轉坐標系的變換80
9.3旋轉坐標系下的電機模型84
第10章永磁同步電機的控制87
10.1永磁同步電機矢量控制原理87
10.1.1直流電機的轉矩控制與永磁同步電機的轉矩控制87
10.1.2永磁同步電機的矢量控制方法88
10.2永磁同步電機磁場的控制89
10.2.1最大轉矩電流比控制90
10.2.2弱磁控制90
10.3交流電機控制的功率電路與SPWM93
10.3.1三相逆變電路拓撲93
10.3.2三相逆變電路的實現94
10.3.3三相逆變電路的六階梯波調制94
10.3.4三相逆變電路的PWM97
10.4空間矢量PWM技術98
10.4.1電壓空間矢量原理98
10.4.2電壓空間矢量PWM原理99
10.4.3SVPWM與SPWM101
10.4.4電壓空間矢量PWM的常見軟件實現算法102
第11章感應電機的建模與控制105
11.1傳統感應電機的描述及控制方法105
11.1.1感應電機的穩態等效電路105
11.1.2感應電機的機械特性曲線106
11.1.3傳統感應電機的調速方法108
11.2感應電機的矢量控制原理110
11.2.1感應電機與永磁同步電機控制上的區別110
11.2.2感應電機在同步旋轉坐標系下的等效電路與數學模型111
11.2.3感應電機的直接矢量控制原理114
11.2.4感應電機的間接矢量控制原理116
11.3感應電機的直接轉矩控制原理117
第12章車用交流電機應用實例120
１２.1車用永磁同步電機矢量控制系統建模與仿真120
12.1.1電機系統及模型框架120
12.1.2派克變換與克拉克變換121
12.1.3電機模型122
12.1.4逆變器模型123
12.1.5控制器模型124
12.1.6模型的初始化與仿真結果的處理127
12.1.7仿真結果127
12.2純電動汽車縱向動力學模型129
12.2.1純電動汽車系統及模型框架130
12.2.2電池模型130
12.2.3電機系統模型131
12.2.4傳動系統模型133
12.2.5整車動力學模型133
12.2.6駕駛員模型134
12.2.7仿真結果134
第13章車用電機測試及標準137
13.1車用電機測試方法137
13.1.1電機測試臺架的基本組成137
13.1.2車用電機的技術要求及試驗方法138
13.2車用電機標準142
13.2.1標準組織簡介142
13.2.2電動汽車電機系統標準匯總144
參考文獻146
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