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出版者:

作者:Borisavljevic, Aleksandar

出品人:

页数:236

译者:

出版时间:2012-12

价格:$ 145.77

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isbn号码:9783642334566

丛书系列:

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• 专业参考书
• Permanent Magnet Machines
• High-Speed Machines
• Modeling
• Design
• Control
• Finite Element Analysis
• Electromagnetic Field
• Optimization
• Power Electronics
• Electric Drives

《电力电子系统中的高级控制策略与优化设计》 本书简介 本书深入探讨了现代电力电子系统，特别是涉及永磁同步电机（PMSM）驱动的应用中，复杂控制策略的理论基础、建模方法以及面向实际工程的优化设计流程。全书内容紧密围绕提升系统性能、增强鲁棒性、降低能耗和优化系统集成度这四大核心目标展开，力求为高动态、高精度要求的工业驱动和新能源应用提供一套系统的技术框架。 本书的结构分为理论基础、先进控制技术、系统优化与集成、以及前沿应用探索四个主要部分，旨在引导读者从基本的系统辨识和建模入手，逐步过渡到复杂的非线性控制和智能优化算法的应用。 --- 第一部分：电力电子与电机驱动的系统建模基础 本部分着重于建立精确描述高速电机驱动系统动态特性的数学模型。我们首先回顾了三相电压源逆变器（VSI）和多电平变流器（MLI）的开关动态与平均模型，重点分析了开关损耗和共模电压对系统噪声的影响。 随后，详细阐述了永磁同步电机（PMSM）在不同坐标系下的数学描述，包括静止的$d-q$参考系以及电机本体坐标系。特别地，本书引入了考虑温度、饱和效应和空间谐波影响的高精度非线性模型的建立方法。对于高速运行工况，我们详细分析了气隙磁导率的变化（凸极效应）如何影响传统$L_d=L_q$模型的适用性，并提供了基于有限元分析（FEA）结果的参数辨识与模型修正技术。 此外，本部分专门辟出一章讨论扰动和不确定性的量化。这包括电感和电阻的温度漂移、电磁转矩脉动（Cogging Torque and Torque Ripple）的频率特性分析，以及负载侧机械动态（如齿轮箱的弹性与摩擦模型）如何耦合到电磁控制环路中。系统的精确建模是后续先进控制设计的前提，因此本部分对模型的验证和简化策略进行了详尽的讨论。 --- 第二部分：面向高性能的先进控制技术 这是本书的核心部分，聚焦于超越传统PI控制器的现代控制理论在电机驱动中的应用。 一、磁场定向控制（FOC）的深化与改进： 我们不仅重述了基于电流环的FOC结构，更深入探讨了如何通过先进的电流观测器来提高对转子位置的估计精度和对干扰的抑制能力。重点介绍了基于滑模观测器（SMO）、卡尔曼滤波器（EKF/UKF）在宽温区和低速（零速附近）电流精确控制中的应用及其参数整定难题。 二、无传感器技术与高动态控制： 针对高速和快速启停场景，本书详细剖析了高频注入（HF Injection）方法，包括直流注入、正弦波注入以及基于特定频率特征的信号处理技术，以实现零速起动和高速下的转子位置无漂移估计。此外，还探讨了利用磁链观测和基于模型参考自适应系统（MRAS）的无传感器方案。 三、非线性控制方法的应用： 考虑到电机系统内在的强非线性和耦合性，本书引入了基于Lyapunov函数的间接自适应控制，用于应对电机参数的在线变化。同时，系统地介绍了模型预测控制（MPC）在电流和磁链控制中的优势，特别是如何利用系统的状态预测能力来提前抑制开关噪声和优化换流时机，从而减小转矩脉动。 四、鲁棒性与抗扰动控制： 针对工业现场恶劣的电磁环境，我们专题研究了$H_{infty}$控制在设计电流环时如何保证在模型不确定性范围内的性能指标。此外，自抗扰控制（ADRC）作为一种不需要精确模型的方法，其在电机驱动中的结构设计、带宽选择和扩张状态观测器（ESO）的带宽整定被详尽阐述。 --- 第三部分：系统级优化与能效提升设计 本部分将控制理论的应用扩展到系统效率和热管理层面，关注如何通过控制策略的协同作用实现整体性能的最优化。 一、开关频率优化与脉冲宽度调制（PWM）： 本书超越了常规的正弦/SVPWM，详细分析了开关频率抖动（Jittering）对谐波辐射和声学噪声的影响。重点介绍了最佳电压矢量选择（Optimal Voltage Vector Selection）算法，以在满足磁链要求的同时，最小化开关损耗或降低特定高频谐波分量。对于空间矢量调制（SVM），本书提供了新型的非对称调制策略在高电压利用率和低谐波失真的折衷设计。 二、高效磁链分配与弱磁控制： 针对永磁电机的高速运行特性，本书提供了基于最优转矩每安培（MTPA）和最优磁链（Maximum Flux Weakening, MFW）策略的无缝切换算法。重点分析了在极限弱磁区，如何通过精确控制$d$轴电流来最大化输出功率同时避免磁链饱和，确保控制系统的稳定性。 三、基于实时感知的优化调度： 讨论了如何将系统的实时状态（如温度、电压裕度、负载预测）反馈到控制器中，实现自适应控制带宽调整和电压裕度动态管理，以确保系统在不同运行点都能工作在最高效或最安全的区间。 --- 第四部分：应用案例与前沿技术展望 最后一部分将理论与实践紧密结合，通过具体的工程实例展示所学技术的有效性，并展望未来的研究方向。 一、高速精密加工与伺服应用： 分析了在高速、低带宽伺服系统中，如何通过结合基于模型的控制（如MPC）和高频电流补偿技术，有效抑制由齿轮箱间隙和机械共振引起的振荡问题。 二、电动汽车（EV）牵引驱动系统： 重点探讨了在EV应用中，高压电池电压波动、快速扭矩响应需求以及宽泛转速范围下的效率优化挑战。阐述了如何设计一个分层控制架构，将能量管理策略与底层电机控制解耦。 三、容错控制的初步探索： 鉴于电力电子系统开关器件的失效风险，本书简要介绍了电流重构（Current Reconfiguration）和基于冗余执行器的容错控制概念，为系统可靠性设计提供初步思路。 本书面向高等院校研究生、电力电子与电机驱动领域的工程师以及从事相关研发工作的技术人员。要求读者具备电力电子学、自动控制理论和电机驱动基础知识。通过对本书的学习，读者将能独立完成高性能永磁电机驱动系统的建模、先进控制算法的设计、系统级性能优化与实际工程应用。

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这本《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》在我眼中，简直是一本为解决我长期以来在高速永磁电机设计领域所面临的实际工程问题而量身打造的指南。我一直在思考，如何才能在有限的空间内实现更高的功率输出，同时又不牺牲电机的效率和寿命？这个问题，在高转速电机设计中尤为突出。在高转速下，传统的电机设计理论往往会遇到瓶颈。例如，电磁损耗，特别是涡流损耗，会随着转速的平方而急剧增加，这不仅降低了效率，还会产生大量的热量，对永磁体的性能和绝缘材料的寿命造成严重威胁。同时，转子的高速旋转所产生的离心力，也对转子的结构强度和稳定性提出了严峻的挑战。这本书的书名，精准地概括了我所关注的核心问题：“Limits”代表了对这些设计挑战的深入剖析，“Modeling”则意味着能够通过科学的数学模型和仿真工具来量化这些问题，“Design”则指向了如何将这些理论知识转化为实际可行的工程解决方案。我非常期待书中能够详细阐述如何进行精确的电磁场建模，特别是在高频下的电磁损耗计算，以及如何通过优化绕组的结构和材料来抑制这些损耗。同时，对于转子结构的优化设计，如材料选择、磁轭设计以及应力分析，我也充满了强烈的求知欲。这本书的出现，对我来说，就像是拨开了迷雾，指引我走向更高效、更可靠的高速永磁电机设计之路。

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当我看到《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书的题目时，我的眼前立刻浮现出无数在高速运行环境下，电机性能所能达到的极限，以及如何通过精妙的建模和设计来突破这些极限的场景。作为一名在电力驱动领域从事研发工作的工程师，我深知高速永磁电机在未来能源转型中的关键作用。然而，在高转速下，电机的设计难度呈指数级增长。例如，电磁损耗，尤其是涡流损耗和磁滞损耗，在高频下会变得异常显著，如何有效地抑制这些损耗，是提高效率的关键。同时，高速旋转产生的巨大离心力，会对转子结构，特别是永磁体的固定方式，提出极高的要求。如何确保在极端载荷下，转子能够保持稳定，并且永磁体不会脱落或损坏，是设计中的重中之重。我非常希望这本书能够深入探讨这些“Limits”——即高速电机设计中所面临的物理和工程上的极限，并提供一套系统性的“Modeling”方法，例如，如何利用先进的数值仿真技术，如有限元分析（FEA），来准确预测电机的电磁特性、热特性以及机械应力。更重要的是，我期待书中能够提供一套切实可行的“Design”策略，指导我们如何根据具体的应用需求，选择合适的电机拓扑结构、永磁体材料、绕组设计以及散热方案。这本书的出现，对我而言，无疑是一份宝贵的财富，它有望帮助我更深入地理解高速永磁电机设计的精髓，并为我未来的技术创新提供坚实的基础。

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初次接触《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书，我便被其严谨的学术气息和深入的行业洞察力所吸引。作为一名在电机制造行业摸爬滚打多年的技术人员，我深知高速永磁电机设计所面临的挑战与机遇并存。在日常工作中，我们经常会遇到客户提出一些极端性能要求，例如在极小的体积内实现极高的功率输出，或者在苛刻的运行环境下保持稳定的性能。这些都对我们的设计能力提出了严峻的考验。我一直认为，要在这个领域取得突破，必须深入理解设计中的“极限”——即当前技术能够达到的物理和工程边界，以及如何在这种边界条件下进行优化。这本书的题目恰好点明了这一点。我迫切希望书中能够详细阐述高速永磁电机在设计过程中可能遇到的各种限制因素，例如材料的磁饱和特性、绝缘击穿电压、热辐射能力，以及机械结构的强度极限等等。我希望书中能够提供一套严谨的建模方法，能够准确地预测这些限制因素对电机性能的影响，并在此基础上，提供一套系统性的设计流程和优化策略。特别地，我希望书中能够深入探讨如何进行多物理场耦合仿真，例如电磁场、温度场和结构场的耦合分析，以更全面地评估设计方案的优劣。此外，对于高速电机特有的损耗机制，如涡流损耗、磁滞损耗以及机械损耗，我希望书中能够提供详细的计算模型和抑制技术。这本书的出现，无疑为我们提供了一个学习和借鉴的宝贵平台，我期待它能帮助我们更深入地理解高速永磁电机设计的精髓，并为我们未来的技术创新提供理论指导和实践参考。

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这本《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》的出现，对于那些和我一样，在理论和实践之间游走，渴望将所学知识转化为实际创新成果的工程师来说，简直是一份珍贵的礼物。我一直对永磁电机，尤其是高速运行下的永磁电机，抱有浓厚的兴趣。我深知，随着能源效率和功率密度的需求日益增长，高速电机正扮演着越来越重要的角色，从电动汽车的驱动系统到航空航天领域的应用，无处不在。然而，在实际设计过程中，我常常感到力不从心，尤其是在处理高速运行带来的复杂电磁效应和机械挑战时。例如，涡流损耗在高速运转下会急剧增加，如何有效抑制它们，是提升效率的关键。同时，高速旋转产生的离心力也会对永磁体和转子结构造成巨大的机械应力，如何设计出能够承受这些极端条件的结构，是我一直在思考的问题。我非常希望这本书能够提供一套系统性的解决方案，从基础的电磁理论出发，详细讲解各种损耗的产生机制，以及相应的抑制方法。同时，对于结构设计方面，我希望能看到关于转子材料选择、磁轭设计、以及如何应对高速旋转引起的热应力等方面的深入探讨。这本书的书名中的“Modeling”部分，也让我对其内容充满了期待。我希望它能详细介绍如何利用先进的仿真技术，如有限元分析（FEA），来精确预测电机的性能，并指导设计优化。通过参数化建模和多物理场耦合仿真，我希望能够更有效地探索设计空间，找到最优的设计方案。这本书的存在，对我而言，不仅仅是一本技术手册，更是一次学习和成长的契机，我希望它能帮助我突破技术瓶颈，实现更高效、更可靠的高速永磁电机设计。

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当我翻开《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》时，我仿佛置身于一个精密而充满挑战的工程领域。作为一名致力于开发下一代高效能源转换系统的研究人员，我一直关注着高速永磁电机的发展动向。这些电机凭借其高功率密度和高效率的特性，在航空航天、电动汽车以及工业驱动等领域展现出巨大的潜力。然而，要真正实现其价值，就必须克服一系列严峻的设计挑战。例如，在高转速下，电磁损耗会急剧增加，涡流效应和集肤效应的影响尤为显著；同时，巨大的离心力会对转子结构和永磁体产生极大的机械应力，对材料的选择和结构的设计提出了极高的要求。此外，散热问题也变得愈发关键，过高的温度会降低永磁体的性能，甚至造成永久性损坏。我非常希望这本书能够深入探讨这些“极限”问题，并提供一套系统性的建模和设计方法。我期待书中能够详细介绍各种先进的仿真技术，如多物理场耦合分析，用以准确预测电机的电磁性能、热性能和机械性能，并指导设计优化。例如，如何通过优化绕组结构来降低涡流损耗，如何选择高强度、耐高温的永磁材料和转子材料，以及如何设计高效的散热系统，这些都是我非常感兴趣的内容。这本书的出现，为我提供了一个宝贵的学习机会，我希望它能帮助我更深入地理解高速永磁电机设计的原理和方法，并为我未来的研究和开发工作提供有力的支持。

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在浩瀚的书海中，《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书的出现，无疑如同一股清流，为我这个对高速永磁电机充满热情却又常常感到理论知识不足的工程师，指明了方向。我一直深信，要设计出真正优秀的高速电机，绝不能仅仅停留在表面的公式和计算，而是要深入理解其背后的物理原理和工程限制。这本书的题目就直击了我的痛点：“Limits”代表着对技术极限的探索，而“Modeling and Design”则意味着将其转化为可行的工程解决方案。我非常渴望在这本书中找到答案，例如，当电机转速不断攀升时，永磁体的剩磁会受到多大的影响？绕组的集肤效应和邻近效应又会带来怎样的损耗增加？散热问题如何才能真正有效地解决，以避免过热导致性能下降甚至损坏？这本书能否提供一套科学的建模方法，帮助我们用最少的试错成本，去预测并优化电机的各项性能指标？我希望书中能够详细介绍各种数值计算方法，例如有限元分析（FEA），以及如何将其应用于高速电机的设计中，从而更精确地模拟电磁场、温度场以及机械应力。我对于书中关于如何处理高速运行下的瞬态效应、如何选择高性能的永磁材料和绝缘材料，以及如何进行合理的转子结构设计等方面的讨论，充满了期待。总而言之，这本书对我来说，不仅仅是一本技术书籍，更是一份探索未知、突破极限的指南，我希望能从中汲取养分，将理论知识转化为实际的设计能力，为推动高速电机技术的发展贡献一份力量。

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《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书的题目，瞬间就击中了我的痛点，让我感受到一种即将解决长期困扰的工程难题的希望。在我的职业生涯中，我曾多次接触到需要高性能高速永磁电机的项目，但每一次的设计过程都充满了挑战。例如，在极高的转速下，电机的电磁性能会受到许多非线性效应的影响，传统的线性模型往往无法准确预测其行为。涡流损耗和磁滞损耗在高速运转下会显著增加，如何有效地控制这些损耗，以提高电机的效率和可靠性，是我一直在探索的问题。同时，高速旋转对转子结构产生的巨大离心力，也对材料的选择和结构设计提出了极高的要求。如何设计出能够承受如此巨大载荷，同时又保持轻量化和高刚度的转子，是技术上的一个重要难关。我非常希望这本书能够深入地探讨这些“Limits”，即高速电机设计中所面临的各种物理和工程上的限制。我期待书中能够提供一套严谨而实用的“Modeling”方法，能够帮助我准确地模拟和预测高速电机在不同运行条件下的性能，例如，如何利用先进的数值计算方法，如多物理场耦合仿真，来分析电磁场、温度场和结构场之间的相互影响。更重要的是，我期望书中能够提供一套清晰的“Design”思路，指导我如何根据具体的应用需求，选择合适的电机拓扑、永磁体材料、绕组结构以及冷却方案，从而实现最优的设计。这本书的出现，对我来说，就像是一座知识的灯塔，照亮了我前进的方向，我渴望从中学习到宝贵的经验和技术，以应对未来更具挑战性的设计任务。

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《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书的题目本身就充满了吸引力，特别是“Limits”这个词，它暗示着对技术边界的深入探索和挑战。作为一名在精密仪器制造领域工作的工程师，我深知高速旋转部件的精度和可靠性至关重要。而高速永磁电机正是实现这些高性能要求的重要技术之一。然而，在实际的设计过程中，我们经常会遇到各种各样的限制因素。例如，在高转速下，电磁场的分布会发生显著变化，导致损耗增加，效率降低；同时，巨大的离心力也会对转子结构造成巨大的机械应力，如何设计出能够承受这种极端载荷的转子，是我们需要解决的关键问题。我非常希望这本书能够提供一套系统性的方法论，帮助我们理解和克服这些设计中的“极限”。我期待书中能够详细介绍各种先进的建模技术，例如如何利用有限元分析（FEA）来精确预测电机的电磁性能、热性能以及机械性能，并且能够进行多物理场耦合分析，以更全面地评估设计方案的优劣。此外，对于如何选择合适的永磁材料、如何优化绕组结构以降低损耗，以及如何设计高效的散热系统，我也充满了期待。这本书的存在，对我来说，就像是一张藏宝图，我希望能从中挖掘出宝贵的知识和技术，帮助我设计出更精确、更可靠、更高效的高速永磁电机，从而推动我们产品性能的进一步提升。

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拿到《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》这本书，我立刻被其所涵盖的深度和广度所吸引。作为一名在新能源汽车领域工作的工程师，我对电机性能的要求一直非常苛刻，尤其是功率密度和效率。而高速永磁电机正是实现这些目标的关键技术之一。然而，在实际的设计过程中，我常常会遇到一些理论上的瓶颈。例如，如何准确地预测和控制高速运行下的电磁损耗，如何设计出能够承受巨大离心力的转子结构，以及如何有效地进行热管理，这些都是困扰我的难题。这本书的题目“Limits, Modeling and Design”正是我迫切需要的内容。我希望它能够深入剖析高速电机设计中的各种限制因素，包括材料特性、电磁效应、机械强度以及热力学限制等，并提供一套系统性的分析方法。我尤其关注书中在“Modeling”部分是否会详细介绍各种先进的仿真技术，如多物理场耦合仿真，以及如何利用这些工具来优化设计参数，例如绕组布局、转子结构和散热系统。同时，我对书中在“Design”部分关于如何根据具体的应用需求，选择合适的电机拓扑结构、永磁体材料以及制造工艺的建议，也充满了期待。这本书的存在，无疑为我提供了一个绝佳的学习平台，我希望它能够帮助我更深入地理解高速永磁电机设计的精髓，突破技术瓶颈，并最终设计出更具竞争力的高性能电机。

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作为一名刚入行不久的电机设计工程师，我在寻找一本能够深入理解高速永磁电机设计精髓的书籍时，无意间翻开了《Limits, Modeling and Design of High-Speed Permanent Magnet Machines》。这本书的题目就立刻抓住了我的眼球，"Limits" 这个词暗示着对技术边界的探索，而 "Modeling and Design" 则直接点出了核心内容。我一直对高速电机领域充满好奇，特别是那些能够突破传统限制，实现更高功率密度和效率的电机。在实际工作中，我常常会遇到一些理论上的瓶颈，比如如何准确地预测高速运行下的损耗，如何优化绕组设计以减小涡流效应，以及如何处理因高速旋转而带来的机械应力问题。市面上现有的教材往往侧重于基础理论，对于高速电机特有的挑战和解决方案介绍得不够深入。我希望这本书能够提供一套系统性的方法论，从物理学的基本原理出发，逐步过渡到工程实际应用，帮助我构建一个清晰的设计框架。我尤其关注书中是否会详细讲解电磁场的有限元分析（FEA）在高速电机建模中的应用，以及如何通过仿真来优化设计参数。此外，永磁材料在高温和高速下的性能衰减也是一个棘手的问题，我希望能从中找到关于材料选择和热管理策略的宝贵建议。这本书的出现，无疑为我打开了一扇通往高速电机设计前沿的大门，我迫不及待地想去探索它所包含的知识宝库，希望它能成为我解决实际工程难题的得力助手，并为我未来的职业发展打下坚实的基础。我对书中对“Limits”部分的阐述充满了期待，它能否揭示出当前技术所面临的终极挑战，以及未来可能的突破方向，这对我而言至关重要。

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