多相永磁同步电机及其驱动： 原理、设计和控制 [英]诸自强 王沈晟 邵博 燕罗成 梁大为 双三相永磁同步电机 磁场定向控制

英国皇家工程院院士诸自强教授，作为国际顶尖电机专家声名卓著，是名副其实的华人之光。难能可贵的是，诸院士虽身在英国多年，仍心系祖国：他深度合作多个国内企业如美的、中车、新能源汽车国创中心；更是为国内培养了众多优秀的博士、博士后、访问学者。《永磁同步电机无位置传感器控制》《永磁同步电机参数辨识》《多相永磁同步电机及其驱动： 原理、设计和控制》这三本书都是诸院士多年研究成果的总结，对于从事电机及其驱动控制研究的人员，以及从事风力发电、电动汽车、飞机、电力机车、船舶、工业驱动器、自动化系统、机器人、家用电器等领域研究的人员，都是不可多得的佳作。为了帮助更多的国内电机研究者，诸院士百忙中亲自组织编译，很多事情他都亲力亲为；译者除了诸院士本人，也都是他非常杰出的学生。3本书都是不可多得的宝藏图书，强烈推荐！！！

中文版序
我开始专注多相永磁同步电机及其控制完全出于偶然。虽然2005年以来我一直有博士生从事五相永磁同步电机的设计和分析，但并没有专门做多相永磁同步电机方向的研究。我有一个来自越南的博士生Khoa Dang Hoang，2011年他在博士快毕业的时候给我看了他做着玩的双三相永磁同步电机仿真电流波形，波形非常差，并且文献中的波形也很差。凭我的直觉，既然电流波形这么差，那必然值得进一步研究。所以我让博士生任远做双三相永磁同步电机的脉宽调制、磁场定向（矢量）控制和直接转矩控制研究，让沙特政府资助的博士生Ali Almarhoon做双三相永磁同步电机的无位置传感器控制研究。我们在这方面取得了很大的进展，吸引了西门子、中国中车集团、Protean、日产、丰田、中国新能源汽车国创中心、劳斯莱斯和美的等公司的兴趣，分别资助了我的博士生许培林、李焱鑫、徐进、Javier Riedemann(博士后)、刘天翼、邵博、燕罗成、王沈晟、陈阳、何佳璐和Furkan Tokgoz，系统深入地进行双三相永磁同步电机及其控制的研究。
2022年，英国杜伦大学的荣休教授Peter Tavner向IET出版社推荐我写一本多相永磁同步电机的专著。在王沈晟、邵博、燕罗成及梁大为的协助下，我把20年来我和20位谢菲尔德大学博士生/博士后一起在多相永磁同步电机特别是双三相永磁同步电机设计和控制领域的研发成果总结成书，2024年8月交由IET出版社出版。与此同时，机械工业出版社李小平编辑邀请我组织本书的中文翻译。中文翻译的章节具体分工如下：梁大为(2022届博士/2022至今博士后）负责翻译第1、6章和全书所有图，陈阳(2025届博士/2025至今博士后）负责翻译第9章、附录、符号表，李杨(2023级博士生）负责翻译第2、3、5章，任远(2015届博士)负责翻译第7章，许培林(2017届博士)负责翻译第4章，吴溪蒙(2020届博士/2020—2023博士后)负责翻译第8章，李恒晖(2023级博士生)负责翻译第10章。校对和新材料补充均由我完成。
孔子说“学而时习之，不亦悦乎”，王阳明说“知行合一”、“致良知”。学习的过程就是“知行合一致良知”的过程，是不断自我提升的过程，也是大道至简的过程。
诸自强
英国皇家工程院院士
香港理工大学讲座教授
原英国谢菲尔德大学顶级教授
谢菲尔德西门子风电研发中心创建主任
美的上海电机与驱动控制研发中心创建主任

本书是目前多相永磁同步电机（特别是双三相永磁同步电机）以及驱动系统控制领域最全面和最前沿的一本参考书。本书系统深入地介绍了多相（包括多三相）永磁同步电机及其控制的基本原理和前沿技术，重点介绍了英国谢菲尔德大学研发的许多新技术和全球最新的研究成果，幵提供了大量的实验和仿真结果。
　　本书由永磁同步电机及其控制领域的国际著名专家诸自强教授等编写。主要内容包括多相永磁同步电机（特别是多三相永磁同步电机）的原理、电机拓扑、绕组类型、建模和优化设计方法、调制和控制技术，涵盖磁场定向控制、直接转矩控制、模型预测控制、无位置传感器控制和容错控制，以及电流谐波和转矩脉动抑制技术。
　　对于电机及其驱动控制领域的研究人员，以及风力发电、电动汽车、飞机、电力机车、船舶、工业驱动器等领域的研究人员，本书是一本不可多得的佳作。

诸自强教授，英国皇家工程院院士，美国国家发明家科学院院士，美国IEEE学会会士、英国IET学会会士、中国电机工程学会会士、中国电工技术学会会士。期刊IET Electric Power Applications主编。
荣获2024全球能源奖 (Global Energy Prize)、2021 IEEE尼古拉·特斯拉奖、2019 IEEE工业应用学会杰出成就奖，并获42项最佳论文奖(包括8项IEEE/IET学报最佳论文奖)。
1977年考入浙江大学电机系，1981届电机专业本科、1984届电机专业硕士，并留校任助教及讲师。1988年赴英国加盟谢菲尔德大学电力和电子学院，1991年获博士学位，先后担任英国文化委员会资助访问学者(1988-1989)、Research Associate (1989-1992)、高级研究科学家(1992-2000，教授级1997-2000)、教授(2000-2025)、顶级教授(2014-2025)、英国皇家工程院/西门子特聘教授(2014-2023)、电机与驱动研究团队负责人(2008-2025)。现任香港理工大学讲座教授(2025-)。
长期从事新型永磁电机及其系统和先进控制关键技术的基础和应用研究，致力于在电气化交通（电动汽车、高铁、多电飞机）、海上风力发电、家用电器、机器人和自动化系统等领域的应用，做出了许多原创性和突破性的贡献。主持的科研项目由英国政府和国际著名公司资助，开发的技术被英国、德国、法国、丹麦、日本、美国和中国等国家的工业界(包括劳斯莱斯、西门子、丰田、日产、法莱奥、Brose、ZF TRW、Protean、中国中车和美的等)广泛采用并商业化。
拥有200多项授权和登记的发明专利，发表7本专著、5本编辑著作、1500多篇学术论文，其中600多篇发表于IEEE/IET期刊，被国际同行和教科书广泛引用（Google引用>60000，h-index=124）。共指导45名博士后和115名已毕业博士生，其中50多位学生在中国高校和企业工作。

王沈晟博士
2015年和2018年分别获南京师范大学和东南大学电气工程及其自动化学士和硕士学位，2023年获英国谢菲尔德大学电气工程博士学位。主要从事多相永磁同步电机设计。
邵博博士
2015年和2017年分别获哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学士和硕士学位，2022年获英国谢菲尔德大学电气工程博士学位；2022—2023年为英国谢菲尔德大学博士后。主要从事多相永磁同步电机控制。
燕罗成博士
2016年和2019年分别获重庆大学电气工程及其自动化学士和硕士学位，2022年获英国谢菲尔德大学电气工程博士学位。主要从事多相永磁同步电机控制。
梁大为博士
2014年获哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学士学位，2018年获德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）电气工程硕士学位，2022年获英国谢菲尔德大学电气工程博士学位；2022年至今为英国谢菲尔德大学博士后。主要从事永磁同步电机分析和热管理。

目录
中文版序
原著前言
原著作者
符号表
缩略语
第1章概述
1.1引言
1.2单三相、双三相、多三相与多相驱动系统
1.3永磁转子结构
1.4定子绕组结构
1.5多相永磁同步电机文献总结
1.6本书范围
参考文献
第2章多相永磁同步电机的绕组结构
2.1引言
2.2双三相永磁同步电机的绕组分配及绕组系数
2.2.1槽星形图
2.2.2分布系数和相移角
2.2.3线圈节距和节距系数
2.2.4合成绕组系数
2.3两套绕组之间的衰减系数
2.3.1空间偏移导致的衰减系数
2.3.2空间和时间偏移导致的衰减系数
2.4有限元与实验结果
2.4.1电机和绕组结构
2.4.2有限元结果
2.4.3实验结果
2.5总结
参考文献
第3章整数槽重叠绕组双三相永磁同步电机
3.1引言
3.2单三相/双三相绕组永磁同步电机的绕组结构
3.2.1绕组结构
3.2.2绕组规格
3.3电磁性能
3.3.1绕组系数
3.3.2开路性能
3.3.3转矩性能
3.3.4损耗与效率
3.4实验结果
3.5总结
参考文献
第4章分数槽集中绕组双三相永磁同步电机
4.1引言
4.2分数槽绕组跨距为1个槽距的双三相永磁同步电机
4.2.1角位移分析
4.2.224槽/22极双三相永磁同步电机的绕组结构
4.2.324槽/22极双三相永磁同步电机的电磁性能
4.3分数槽绕组跨距为2个槽距的双三相永磁同步电机
4.3.1角位移分析
4.3.224槽/10极双三相永磁同步电机的绕组结构
4.3.324槽/10极双三相永磁同步电机的电磁性能
4.4模块化双三相永磁同步电机
4.5总结
参考文献
第5章多相永磁同步电机的建模
5.1引言
5.2单三相和多相永磁同步电机的建模
5.2.1单三相永磁同步电机
5.2.2多相永磁同步电机
5.3双三相永磁同步电机的建模
5.3.1双dq模型
5.3.2矢量空间解耦(VSD)模型
5.3.3双dq模型与VSD模型的对比
5.4单三相永磁同步电机的转矩分解
5.4.1解析模型
5.4.2转矩分解方法
5.5双三相永磁同步电机的转矩分解
5.5.1解析模型
5.5.2转矩分解方法
5.6单三相和双三相永磁同步电机中转矩分量的对比
5.6.1电机拓扑
5.6.2双三相单层绕组电机的转矩分解
5.6.3单三相和双三相永磁同步电机中转矩分量的对比
5.7总结
参考文献
第6章多相永磁同步电机的优化设计与对比
6.1引言
6.2单三相、五相、六相(双三相)和九相永磁同步电机的设计优化
6.2.1内置式永磁同步电机的优化参数
6.2.2设计常数与限值
6.2.3多相电机可行的槽/极数配合
6.3优化后电机的电磁性能对比
6.3.1单三相电机的对比
6.3.2多相电机的对比
6.4多相电机驱动逆变器的对比
6.4.1功率开关
6.4.2直流母线电容器
6.5成本分析与讨论
6.5.1电机本体
6.5.2逆变器
6.5.3讨论
6.6总结
参考文献
第7章多相永磁同步电机的调制策略
7.1引言
7.2单三相永磁同步电机的控制算法
7.2.1磁场定向控制
7.2.2直接转矩控制
7.3多相永磁同步电机的FOC和SVM-DTC调制策略
7.3.1双三相永磁同步电机的FOC和SVM-DTC概述
7.3.2双三相永磁同步电机的FOC调制策略
7.3.3双三相永磁同步电机的SVM-DTC调制策略
7.3.4其他多相永磁同步电机的FOC和SVM-DTC调制策略
7.4多相永磁同步电机的ST-DTC调制策略
7.4.1双三相永磁同步电机的ST-DTC
7.4.2虚拟电压矢量合成技术
7.4.3双三相永磁同步电机的ST-DTC调制策略
7.4.4其他多相永磁同步电机的ST-DTC调制策略
7.5多相电机驱动系统的过调制技术
7.5.1单三相永磁同步电机的过调制技术
7.5.2多相永磁同步电机的过调制技术
7.6总结
参考文献
第8章多相永磁同步电机的控制策略
8.1引言
8.2多相永磁同步电机的磁场定向控制
8.2.1双三相永磁同步电机的磁场定向控制
8.2.2其他多相永磁同步电机的矢量控制
8.3多相永磁同步电机的直接转矩控制
8.3.1双三相永磁同步电机的开关表DTC策略
8.3.2双三相永磁同步电机的占空比调节DTC策略
8.3.3双三相永磁同步电机的空间矢量DTC策略
8.3.4多相永磁同步电机的空间矢量DTC策略
8.4多相永磁同步电机的模型预测控制
8.4.1单三相永磁同步电机的模型预测控制
8.4.2双三相永磁同步电机的模型预测控制
8.4.3其他多相永磁同步电机的模型预测控制
8.5总结
参考文献
第9章多相永磁同步电机的无位置传感器控制
9.1引言
9.2基于基波模型的无位置传感器控制方法
9.2.1单三相永磁同步电机
9.2.2双三相永磁同步电机
9.3基于凸极跟踪的无位置传感器控制方法
9.3.1单三相永磁同步电机
9.3.2双三相永磁同步电机
9.3.3基于载波信号注入的无位置传感器控制技术比较
9.4低转速与高转速之间的切换
9.5总结
参考文献
第10章多相永磁同步电机的容错控制
10.1引言
10.2多相永磁同步电机驱动系统中的故障分类
10.2.1多相永磁同步电机驱动系统中的逆变器故障
10.2.2多相永磁同步电机驱动系统中的传感器故障
10.2.3多相永磁同步电机驱动系统中的电机故障
10.3多相永磁同步电机的故障诊断
10.3.1基于模型的故障诊断方法
10.3.2基于信号的故障诊断方法
10.3.3基于数据的故障诊断方法
10.4多相永磁同步电机的容错控制
10.4.1双三相永磁同步电机的容错控制
10.4.2其他多相永磁电机的容错控制
10.5总结
参考文献
附录电机样机与实验平台的参数

原 著 前 言
在各类电机中，永磁同步电机由于采用永磁体励磁，具有更高效率和更高功率/转矩密度。
迄今为止，大多数电机和驱动系统为单三相。不过，多相(相数超过三相)电机和驱动系统具有许多优点，譬如卓越的容错能力、良好的功率分配能力、高转矩密度、低转矩脉动、多自由度控制、低直流母线电容需求、易模块化制造和维修。对那些需要高可靠性和/或大功率的应用场景，如风力发电、船舶、飞机、电动汽车和电力机车等，多相电机和驱动系统有特别大的吸引力并得到了广泛的应用。其中，多三相电机，特别是双三相电机更为常见，因为可以采用模块化技术并充分利用相对成熟的三相逆变器及其控制技术。
本书系统深入地讲解了多相永磁同步电机（特别是双三相永磁同步电机）的原理、电机拓扑、绕组类型、建模和优化设计方法、调制和控制技术，涵盖磁场定向控制、直接转矩控制、模型预测控制、无位置传感器控制和容错控制，以及电流谐波和转矩脉动抑制技术，详细介绍了英国谢菲尔德大学在这方面研发的许多新技术和全球最新的研究成果。
2005年以来，我一直和我的博士生/博士后一起持续地从事多相永磁同步电机(特别是双三相永磁同步电机)的设计和控制。借此机会，我要感谢其中已经毕业的18位博士/博士后和两位在读博士生在这方面的贡献，包括Arwyn Thomas博士、Khoa Dang Hoang博士、王凯博士、任远博士、胡亚山博士、Beomseok Lee博士、Ali Almarhoon博士、许培林博士、李焱鑫博士、刘越博士、徐进博士、Javier Riedemann博士、刘天翼博士、梁大为博士、邵博博士、燕罗成博士、王沈晟博士、陈阳博士，以及何佳璐和Furkan Tokgoz。同时感谢Ian Parmenter先生校阅了本书的英文。
我要感谢我们研究项目的资助者，特别是英国政府-英国工程和自然科学研究委员会“海上风电繁荣合作计划”（项目号：EP/R004900/1)，以及在风电(西门子)、航空（劳斯莱斯）、高铁（中国中车集团）、电动汽车（中国新能源汽车国创中心、美的、Protean、日产和丰田）多相永磁同步电机设计和控制应用领域的工业界资助者和合作者。
我和本书的共同作者期待本书能对工业界的工程师和研发人员，以及大学的教授、博士后、博士生和其他学生有所帮助。
诸自强 (Z.Q. Zhu)
英国皇家工程院院士
美国IEEE会士、英国IET会士
中国电机工程学会会士、中国电工技术学会会士
2024年8月于英国谢菲尔德原著作者