现代电机设计及分析方法 夏云彦 刘智慧 艾萌萌

本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。 

本书主要讲述电机设计的基础理论及现代电机设计常用的分析方法，全书共13章。首先，从教学和工程实际应用的角度出发，通过设置电机主要尺寸计算、绕组与铁心设计、磁路设计、参数计算、性能及发热冷却计算等关键知识构建电机设计的完整知识体系，深入透彻地讲解了电机设计的基本理论知识及电机设计流程，传授给读者系统的理论基础知识；其次，根据行业发展趋势，给出感应电动机及永磁电机典型机种的电机设计程序及算例，将理论与实践结合，提升读者电机设计的实践能力；最后，对电机设计过程中常用的现代分析方法进行讲解，可实现电机设计过程中电、磁及热等关键问题的精确分析，满足更广泛的学习需求，有助于读者借助计算机辅助手段实现电机的精确设计与性能分析。
本书内容由浅入深，从基础理论到典型设计实例分析再到现代设计分析方法，力求通俗易懂，可读性、实用性强，习题设置结合工程实际，有助于培养读者解决复杂工程问题的能力。本书可作为相关专业的教材和参考书，也可作为从事电机设计、科学研究、生产和应用等工作的科技人员的参考书。
本书为新形态教材，全书一体化设计，将授课讲义、授课视频、电机电磁计算程序等制作成二维码，扫描即可实现同步学习。

高等院校教师

前言
第1篇现代电机设计
第1章电机设计概述2
1.1电机行业近况及发展趋势2
1.1.1我国电机制造工业发展概况2
1.1.2国外电机制造工业发展概况2
1.1.3全球电力现状概况3
1.1.4电机行业发展趋势6
1.2电机设计的任务和依据8
1.3电机相关标准及系列化9
第2章电机主要尺寸之间的关系12
2.1电机的主要尺寸关系12
2.2电机的几何相似定律16
2.3电磁负荷的选择17
2.3.1电磁负荷的选择对电机的影响17
2.3.2电磁负荷选择的依据18
2.4电机主要尺寸的计算21
2.4.1电机的主要尺寸比21
2.4.2主要尺寸比的选择21
2.4.3主要尺寸的确定23
复习与思考题26
第3章电机绕组与铁心设计27
3.1交流电机的绕组结构及工作原理27
3.2交流绕组的磁势和磁场29
3.2.1单相集中整距绕组的磁场分布及
磁势29
3.2.2三相集中整距绕组的磁势31
3.2.3基波与谐波磁势32
3.2.4绕组的分布和短距对磁势的
影响33
3.2.5三相绕组的合成磁势34
3.3三相交流电机绕组35
3.3.1三相单层绕组35
3.3.2三相双层绕组36
3.3.3用磁势矢量图排列绕组37
3.3.4分数槽绕组38
3.3.5正弦绕组40
3.3.6变极绕组42
3.3.7感应电机转子绕组44
3.4补偿绕组44
3.5阻尼绕组45
3.6感应电机定子绕组及铁心设计47
3.6.1定子槽数的选择47
3.6.2节距的选择48
3.6.3每相串联导体数和每槽导体数的
计算48
3.6.4导体的规格与并绕48
3.6.5定子冲片的设计49
3.7感应电机转子绕组及铁心设计50
3.8永磁同步电机绕组及铁心设计53
3.8.1定子冲片尺寸和气隙长度的
确定53
3.8.2转子设计54
复习与思考题55
第4章磁路设计56
4.1磁路设计概述56
4.2气隙及气隙磁压降58
4.2.1空气隙的确定58
4.2.2气隙磁压降的计算59
4.3齿部磁压降的计算65
4.4轭部磁压降的计算69
4.5磁极磁压降的计算72
4.6磁化电流与空载特性计算74
4.7永磁体电机的磁路设计76
4.7.1永磁电机发展新趋势76
4.7.2永磁电机的磁路结构77
4.7.3永磁电机的等效磁路81
4.7.4永磁体工作点的计算及最佳
工作点87
4.7.5永磁体尺寸的确定90
复习与思考题92
第5章参数计算93
5.1绕组电阻的计算93
5.1.1直流电机电阻计算94
5.1.2交流电机电阻计算95
5.2绕组电抗的计算98
5.2.1绕组电抗的一般计算方法98
5.2.2主电抗的计算99
5.2.3漏抗的计算102
5.2.4漏抗的标幺值115
5.3永磁电机电抗计算116
5.3.1基本电磁关系117
5.3.2交、直轴电枢反应电抗计算120
复习与思考题123
第6章电机损耗125
6.1概述125
6.2电气损耗126
6.2.1绕组中的电气损耗126
6.2.2电刷接触损耗126
6.3基本铁损耗127
6.4空载时附加损耗130
6.5负载时附加损耗132
6.6机械损耗136
6.7效率及提高效率的方法136
复习与思考题137
第7章电机性能计算138
7.1三相感应电动机运行性能的计算138
7.2三相感应电动机起动性能的计算141
7.2.1饱和效应及其对漏抗的影响141
7.2.2趋肤效应及其对转子参数的
影响144
7.2.3起动电流及起动转矩145
7.3异步起动永磁同步电动机工作特性及
起动性能的计算147
7.3.1异步起动永磁同步电动机的工作
特性147
7.3.2异步起动永磁同步电动机的起动
性能149
复习与思考题151
第8章电机发热与冷却计算152
8.1温升限度152
8.2电冷却方式及计算154
8.2.1电机的冷却系统154
8.2.2流体力学基本理论155
8.2.3流体运动计算159
8.2.4风扇163
8.3传热及计算172
8.3.1传热基本定律172
8.3.2电机稳定温升的计算177
复习与思考题184
第9章电机设计实例185
9.1感应电机的设计实例185
9.1.1感应电机设计流程185
9.1.2中小型三相异步电机电磁设计185
9.2永磁电机的设计实例198
9.2.1永磁电机设计流程198
9.2.2永磁电机设计实例198第2篇现代电机分析方法
第10章电机的磁网络分析方法209
10.1等效磁网络的基本原理209
10.2等效磁导的计算210
10.2.1常值磁导210
10.2.2非线性磁导211
10.3等效磁势源的计算212
10.4感应电动机磁网络模型的建立213
10.4.1定、转子磁网络模型的
建立213
10.4.2气隙磁网络模型的建立214
10.5基于动态磁网络模型的非线性方程组
的建立与求解216
第11章电机的流体网络分析方法220
11.1流体网络建模基本原理220
11.1.1流体流动的数学模型220
11.1.2高压自起动永磁同步电动机
基本参数221
11.1.3流体网络建模的基本假设222
11.2流体网络模型的建立224
11.2.1电动机的压头元件224
11.2.2电动机的流阻225
11.2.3电动机的流体网络模型226
11.3流体网络模型求解228
第12章电机的热网络分析方法231
12.1热网络法基本原理231
12.2热网络模型的基本假设232
12.3热网络模型的建立233
12.3.1电动机的热阻233
12.3.2热源234
12.3.3热容237
12.4热网络法计算电机温度原理237
12.5计算流程238
12.6电动机的热网络模型的建立239
12.7热网络模型求解242
第13章坐标变换245
13.1电机矢量变换与坐标变换基本
理论245
13.2三相感应电动机两相坐标系下基本
方程246
13.2.1两相坐标系下的电压方程246
13.2.2两相坐标系下的磁链方程248
13.3三相感应电动机起动特性的计算249
13.3.1状态方程249
13.

电机设计是电气工程及其自动化专业领域内电机与电器专业方向的一门重要课程。电机电器及其相关的控制工业是制造业的重要组成部分，随着行业的发展，高等教育急需为国家培养具备扎实的电机专业基础知识、较强的工程实践能力、较高的工程职业道德的应用型工程技术人才。
本教材根据企业实际中的电机设计流程及分析方法，将电机设计的基础理论知识、设计程序与电机现代分析方法相结合。在理论基础知识部分通过设置电机主要尺寸计算、绕组与铁心设计、磁路设计、参数计算、性能及发热冷却计算等关键知识构建电机设计的完整知识体系。通过对电机绕组部分的深入讲解，更直观地展示电机内部“电”与“磁”之间的关系，加深读者对理论知识理解的同时，能够更好地分析不同绕组设计对电机性能的影响。在理论知识讲解的基础上，通过对目前应用最广泛的典型机种的设计及实例分析，实现理论教学与实践的深度融合，达到电机设计教学过程中举一反三的目的，使学习者能够有效掌握电机的结构、尺寸、绕组、磁路、参数、损耗、发热冷却及性能指标之间的相互制约关系及变化规律。跟随计算方法的发展，通过设置“现代电机分析方法”部分讲解电机的计算机辅助设计方法，包括电机内物理场分析的网络设计方法及数值计算方法，本部分内容也是众多读者迫切需要的。本书包括讲义、重点知识的授课视频、电磁计算程序等数字资源，有助于实现高效学习。
全书共13章，可满足电机设计课程40～80学时的要求。本书的第3、6、7、10、13章和附录由夏云彦编写，第1、2、4、5、8章由刘智慧编写，第9、11、12章由艾萌萌编写。全书由夏云彦统稿、定稿。哈尔滨理工大学的孟大伟教授和徐永明教授在本书编写中提出了许多宝贵意见，在此表示衷心感谢。书中电机实例设计与分析过程部分的内容编写得到佳木斯电机厂有限责任公司刘文辉高工的帮助，在此深表谢意。在编写本书过程中参考了很多优秀教材和著作，编者向各位作者表示真诚的谢意。
由于编者水平有限，书中可能会有不足之处，恳切希望读者提出宝贵意见，以便进一步修正。联系邮箱：[email protected]。

编