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內容簡介

本書是一本關於電磁裝置設計基本原理的教材，屬於“電氣工程及其自動化”一級學科強電類、工學（工程學）門類中的專業課程範疇。本書主要介紹由電與磁及其相互作用而構成的電磁裝置一般性問題的分析方法，在闡述電磁裝置設計基本原理的基礎上，選擇幾種典型的産品設計過程與方法為例做介紹，如變壓器、電感器、感應電機、永磁電機及開關永磁操作機構等，給讀者提供設計方法的基本知識。為瞭適應讀者進行現代設計方法數值計算的需要，本書還介紹瞭磁場數值計算基本原理和軟件使用方法與算例。
本書可作為高等學校電氣工程類核心專業課程教材使用，也可作為本專業的研究生參考書，讀者需具備電路理論、電磁場、電機學等學科基礎理論知識。本書也可供從事電磁裝置設計、運行和研究的技術人員參考使用。

作者簡介

李朗如，華中科技大學知名教授，博士生導師，從事電氣工程本科及研究生教學和科研50餘年，有豐富的教學和科研經驗。主要作品有《電機學》《變壓器的理論計算》《互感器電抗器的理論與設計》《中小型鏇轉電機設計手冊》《中國電氣工程大典》等。 陳喬夫，華中科技大學教授，博士生導師。全國變壓器標準化技術委員會委員，主持並參與完成多項科研項目（含國傢自然科學基金、博士點基金資助項目），獲國傢ji、省部級科研和教學成果奬5項，齣版專著教材4部。 周理兵，華中科技大學教授，博士生導師。中國電機工程學會大電機專委會委員，湖北省電工技術學會常務理事。主要從事電機及其控製理論與應用的教學和科研工作，先後主持和完成多項各類科研課題，曾獲得省部級科技進步奬三項，省級教學成果奬一項。主要研究方嚮為新型電機的運行理論及控製、電機驅動及其控製係統、電機與電器先進設計技術等。

目錄

目 錄
前言
第1 章 緒論 1
11 課程設置的意義與電磁裝置的定義 1
111 課程設置的意義 1
112 電磁裝置的定義 1
12 裝置與係統 2
13 電磁裝置的設計計算方法 3
第2 章 電磁裝置設計的一般問題 5
21 概述 5
22 機電係統的能量關係 5
23 耦閤磁場中的儲能和餘能 9
24 耦閤係統中的廣義電磁力 12
25 電磁功率與有效部分幾何尺寸之間的關係 16
26 能量轉換中的損耗與效率 20
261 基本鐵損耗 20
262 基本銅損耗 22
27 發熱計算基礎 22
271 概述 22
272 均質物體的發熱過程 23
273 等效熱路法 24
第3 章 磁場、磁路及計算方法 27
31 磁場的基本概念和基本定律 27
32 電磁裝置的磁場與磁路 30
33 磁路基本定律 31
34 氣隙磁導計算 35
341 單獨磁體的磁導 35
342 帶氣隙鐵心柱間的氣隙磁導 37
第4 章 變壓器設計計算 42
41 變壓器設計的一般問題 42
411 變壓器的定額 43
412 鐵心結構型式 44
413 繞組型式 45
42 變壓器主要尺寸的基本關係式 47
43 主要尺寸的確定 49
44 鐵心設計 49
45 繞組設計 50
451 導綫和電流密度選擇 50
452 繞組並聯根數的選擇 52
453 繞組軸嚮、輻嚮尺寸計算 58
46 變壓器的主絕緣和縱絕緣 62
47 變壓器絕緣半徑計算 63
48 變壓器漏電抗計算 64
481 同心式繞組的漏電抗計算 64
482 對稱交錯式繞組漏電抗計算 67
483 多層繞組的漏抗 69
484 磁場解析法推導羅果夫斯基係數 71
49 變壓器的性能計算 74
491 鐵心重量及空載損耗 74
492 鐵耗計算 74
493 空載電流計算 75
494 負載損耗 76
410 溫升計算 77
4101 圓筒式繞組溫升計算 78
4102 餅式繞組溫升計算 79
411 配電變壓器設計實例 81
412 作業 84
第5 章 電感器設計計算 86
51 概述 86
52 鐵心電感器的電感計算 87
521 磁路法計算主電抗 87
522 軸對稱磁場解析法計算主電抗 90
523 磁路法分析計算漏磁場漏電抗 95
524 飽和時鐵心電感器的電感計算 101
53 鐵心電感器的電磁力 104
531 鐵心電感器綫圈上的作用力的方嚮 104
532 鐵心電感器綫圈上作用力的計算 105
533 鐵心電抗器的設計計算程序及算例 107
54 空心電感器的設計與計算 116
541 空心電感器的自感計算 116
542 空心電感器的自感計算 119
543 空心電感器的自感與互感計算 119
544 空心電感器綫圈上作用力的方嚮 123
545 空心電感器綫圈上電磁力的計算 123
546 空心電感器綫圈的機械應力 125
55 積分法計算空心綫圈磁場 125
第6 章 感應電動機的電磁設計 130
61 概述 130
611 設計過程及內容 130
612 我國感應電動機分類和主要係列 130
613 感應電動機的主要性能指標和額定數據 132
62 主要尺寸和電磁負荷的選擇 133
621 主要尺寸及其基本關係 133
622 電磁負荷的選擇 133
623 主要尺寸比的選擇 134
624 主要尺寸的確定 135
625 氣隙長度的確定 136
63 定、轉子槽數選配與繞組設計 136
631 定子槽數及定、轉子槽配閤 136
632 定子繞組設計 138
64 定、轉子鐵心槽形及槽尺寸的確定 141
641 定子槽形及槽尺寸 141
642 轉子槽形及槽尺寸 142
65 感應電動機磁路計算 144
651 每極磁通 145
652 磁通密度和磁位降計算 145
653 勵磁電流計算 149
66 參數計算 149
661 電阻計算 149
662 電抗計算 151
67 運行性能計算 161
671 定、轉子額定電流 161
672 額定功率因數 162
673 額定效率 163
674 額定轉差率 163
675 zui大轉矩 164
68 起動性能計算 164
681 漏磁路飽和效應對漏抗的影響 164
682 擠流效應及其對轉子參數的影響 167
69 中小型三相感應電動機電磁設計程序及算例 168
691 基本數據 168
692 磁路計算 171
693 參數計算 172
694 運行性能計算 175
695 起動計算 177
610 作業 179
第7 章 永磁同步電動機電磁設計 180
71 概述 180
72 永磁電機用永磁材料性能的基本要求 181
73 永磁同步電動機的基本結構型式 185
74 永磁電機的主要尺寸確定 186
75 永磁電機的磁路計算 190
751 永磁體激勵的主磁路計算原理 190
752 混閤勵磁磁路的計算方法 194
753 漏磁導計算基本方法 198
76 永磁同步電動機的電磁設計計算程序及其說明與算例 199
761 基本數據 200
762 空載磁路計算 203
763 負載運行行為計算 210
764 損耗與效率 215
765 電負荷及過載能力計算 218
766 有效材料計算 219
767 起動特性計算 219
77 作業 225
第8 章 永磁操作機構及其特性計算 226
81 永磁機構的結構及工作原理 226
82 永磁機構的等效磁路及其計算 227
83 永磁機構的電磁力特性 229
84 永磁機構操作過程的動態特性 230
85 作業 232
第9 章 電磁裝置磁場數值計算的基本原理和方法 233
91 概述 233
92 電磁場的基本方程 234
93 求解電磁場邊值問題的有限元法 236
931 定解問題與相關泛函的極值問題 238
932 求解域的單元剖分 238
933 單元內近似解的選取——構造單元的插值函數 239
934 變分問題的離散化處理——單元分析 241
935 總體閤成 244
94 求解電磁場邊值問題的其他數值方法簡介 246
95 有限元數值計算軟件應用簡介及實例 249
951 建立模型 249
952 賦予材料屬性 250
953 施加邊界條件和勵磁 250
954 設定參數與求解 251
955 後處理 252
956 永磁同步電機二維瞬態磁場
仿真實例 252
附錄 268
參考文獻 291

前言/序言

前言
電氣科學與工程學科是一門傳統學科，屬於強電類，傳統上曾經內設多個二級學科，如電力係統及自動化、電機與電器、高電壓工程、電力電子技術、電磁測量技術、理論電工等。隨著我國的對外開放與教育的國際化，1997 年教育部重新修訂瞭我國普通高等學校的本科專業目錄，取消瞭原來的二級學科設置，而按一級學科電氣工程及其自動化招生與培養人纔，即按寬口徑“通纔教育”模式培養，設置相應的課程，以適應社會經濟發展對人纔的需求。
電氣工程及其自動化專業屬於工學（工程學）門類中電氣工程的強電類專業，專業基礎知識除瞭電路理論、電磁場、電機學等必不可少的學科基礎理論知識之外，各學校淡化瞭相應的有關二級學科的專業課程，原來二級學科的核心專業課程難以適應現在寬口徑人纔培養需要。然而，在電氣工程領域的實際應用中，廣泛存在著由電與磁及其相互作用的基本原理，為實際應用而構成的各種係統或裝置（元件或器件），作為電氣工程及其自動化專業的大學本科畢業生，應該具備對此類裝置構成與設計原理的基本知識。為此，我們提齣並設置瞭一門具有通用性的課程《電磁裝置設計原理》，作為專業選修課程。並於2002 年9 月編寫瞭講義，在校內試用，至今已修訂瞭五稿，選修的學生比較踴躍，這樣可以擴大學生的專業知識麵。
本書共分9 章，第1 章定義電磁裝置，有廣義的，也有狹義的，有傳統的，也有現代的。第2 章討論電磁裝置設計的一般問題，涉及機電係統的能量關係，電磁力的廣義計算方法，如何決定裝置的幾何尺寸，與裝置的內功率有什麼關係等。第3 章磁場、磁路及計算方法，是設計電磁相互作用構成裝置的理論基礎。第4 章變壓器設計計算，現代變壓器品種較多，本章主要討論中小功率乾式變壓器的設計計算方法。第5 章電感器設計計算，主要討論帶鐵心電感器的設計計算方法。第6 章感應電動機的電磁設計，這是一種鏇轉電機，因為電機的類型很多，它的設計涉及內容麵較寬，有電磁的、機械結構的、力學的、發熱與散熱的、流體的等，本章主要討論感應電機的電磁設計計算方法，這也是設計各類電機的基礎。第7 章永磁同步電動機電磁設計，這也是一種鏇轉電機，由於其勵磁源采用永久磁體材料，其計算方法有特殊性，學生學習與掌握瞭本章內容後，對於進一步瞭解與開展永磁勵磁的其他裝置的設計與運用，可以打下一個基礎。第8 章永磁操作機構及其特性計算，這是現代永磁材料用在開關操作機構的新發展，主要討論有永磁和電勵磁情況下，靜態與動態磁路的計算方法。第9 章電磁裝置磁場數值計算的基本原理和方法。在電磁裝置設計的曆史進程中，有兩種設計方法：一種是基於“路”理論的方法，這是現在仍然沿用的傳統設計方法；另一種是基於“場”理論的方法，這是伴隨著現代電子技術和數值計算技術的發展而齣現的新設計方法，可以提高設計計算精度，而且現代電磁裝置的設計已進入“全方位”設計，尤其對於大型的、係統中的關鍵裝置，必須進行電磁的、熱傳導的、流體的（通風冷卻）以及力學的（強度、剛度和振動問題）綜閤物理場的穩態和瞬態設計計算。現在的學生在學習和研究中，已廣泛應用數值計算的商用軟件，如果對軟件依據的基本原理和處理方法沒有一個基本認知，對計算結果的正確與否，可能會齣現茫然無法判定。本章的目的在於給學生提供對數值計算基本原理的認識，提高其對運用計算軟件和計算結果的判斷能力。
由於電磁裝置的應用範圍寬廣，種類繁多，特性要求各異，本書隻是在闡述電磁裝置設計基本原理的基礎上，選擇幾種典型的産品設計過程與方法為例做介紹，給學生提供設計方法的基本入門知識，至於準備從事有關電磁裝置設計與運用的專業工作者，則在此基礎上需進一步參考有關專業書籍。
本書的編寫分工為：第1、第2、第7 和第9 章由李朗如執筆，第3、第4 和第5 章由陳喬夫完成，李朗如進行瞭部分修整，第6、第8 章由周理兵執筆，全書由李朗如統稿。
本書在編寫過程中，王晉博士提供瞭第9 章磁場數值計算的程序使用方法說明與算例。
在本書前期講義的使用過程中，孫建波博士和本校其他教師提齣瞭許多寶貴意見。馬誌雲教授對本書進行瞭詳細校核。在此一並錶示感謝，同時感謝電磁工程與新技術國傢重點實驗室對本書齣版的支持。
由於我們水平有限，錯誤在所難免，希望讀者不吝指正。
編 者
2017 年9 月於喻傢山
附注：
本書作者在此聲明：本書在作為講義教材使用過程中，部分章節被2011 年2 月由其他人編著的《變壓器與電感器設計方法及應用實例》（ISBN9787115244772）一書抄襲侵權，雙方通過法律訴訟，侵權方承認瞭侵權事實，並達成瞭停止其侵權行為、賠禮道歉、賠償損失的和解協議。
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