Magnetic Actuators and Sensors pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Brauer, John R.

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2006-3

价格:1361.00元

装帧:HRD

isbn号码:9780471731696

丛书系列:

图书标签:

磁驱动器
磁传感器
磁力学
MEMS
微机电系统
传感器技术
执行器技术
材料科学
电子工程
物理学

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具体描述

This practical text features computer-aided engineering methods for the design and application of magnetic actuators and sensors, using the latest software tools. John Brauer highlights the use of the electromagnetic finite element software package Maxwell? SV and introduces readers to applications using SPICE, MATLAB?, and Simplorer?. A free download of Maxwell? SV is available at the Ansoft site, and the software files for the examples are available at ftp://ftp.wiley.com/public/sci-tech-med/magnetic-actuators. The text is divided into four parts: Part One, Magnetics, offers an introduction to magnetic actuators and sensors as well as basic electromagnetics, followed by an examination of the reluctance method, the finite element method, magnetic force, and other magnetic performance parameters Part Two, Actuators, explores DC actuators, AC actuators, and magnetic actuator transient operation Part Three, Sensors, details Hall effect and magnetoresistance as they apply to sensing position. Readers are introduced to many other types of magnetic sensors Part Four, Systems, covers aspects of systems common to both magnetic actuators and sensors, including coil design and temperature calculations, electromagnetic compatibility, electromechanical finite elements, and electromechanical analysis using system models. The final chapter sets forth the advantages of electrohydraulic systems that incorporate magnetic actuators and/or sensors A major thrust of this book is teaching by example. In addition to solved examples provided by the author, problems at the end of each chapter help readers to confirm their understanding of new skills and techniques. References, provided in each chapter, help readers explore particular topics in greater depth. With its emphasis on problem solving and applications, this is an ideal textbook for electrical and mechanical engineers enrolled in upper-level undergraduate and graduate classes in electromechanical engineering.

机械系统中的智能驱动与感知技术本书探讨了现代工程领域中，如何利用先进的电磁和机械原理，实现对复杂系统的精确控制与实时监测。全书聚焦于驱动器与传感器在机械系统集成中的核心技术，旨在为研究人员、工程师以及高级学生提供一套系统且深入的理论框架与实际应用指南。第一部分：智能驱动系统基础与设计本部分着重于驱动技术的基本原理、关键组件的特性分析以及系统集成的方法论。我们将详细阐述如何设计出高效、精确且适应性强的执行机构，以满足现代机械对动态响应和能效的严苛要求。第一章：驱动技术概述与分类本章首先对驱动技术在自动化、机器人学和精密机械制造中的作用进行宏观界定。随后，我们将深入剖析各种主流驱动方式的物理基础、优势与局限性，包括：传统机电驱动系统（如直流/交流电机系统）：详细分析电机学理论，着重探讨永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BLDC）在高性能场合的应用，包括绕组设计、磁路优化及功率电子接口。流体动力驱动系统（液压与气动）：介绍流体动力学基础，重点分析伺服阀的设计、泵的脉动抑制技术，以及如何通过闭环控制实现高精度定位与力矩输出。新兴驱动技术：探讨压电驱动器（Piezoelectric Actuators）在纳米级精度定位中的应用，以及形状记忆合金（SMA）驱动器在轻量化和柔顺性方面的潜力。第二章：驱动器建模与非线性控制精确的数学模型是实现复杂驱动系统控制的前提。本章致力于建立多物理场耦合下的驱动器模型，并介绍先进的控制策略：动力学建模：建立考虑摩擦、弹性变形和电磁饱和效应的非线性动力学模型。特别关注摩擦模型的辨识与补偿（如Stribeck模型、洛伦兹模型）。线性化与鲁棒控制：介绍在工作点附近的线性化方法，并应用经典控制理论（PID、LQR）。随后转向非线性控制，重点讨论滑模控制（SMC）在应对模型不确定性和外部扰动方面的应用。自适应与优化控制：阐述基于神经网络或模糊逻辑的自适应控制方法，用于实时修正模型参数。同时，介绍模型预测控制（MPC）在约束优化和前馈补偿中的应用。第三章：驱动器热管理与可靠性工程驱动器在长期高负荷运行中，热效应是影响性能和寿命的关键因素。本章关注如何通过设计和控制手段，确保驱动系统的热稳定性与运行可靠性：热建模与仿真：建立集成了电磁损耗、绕组发热和散热介质传导的瞬态热模型。利用有限元分析（FEA）工具对关键部件（如定子、转子、功率开关管）进行热流密度评估。温度感应与闭环热控制：讨论集成温度传感器（如热敏电阻、半导体传感器）的选择与布局。设计基于温度反馈的电流限制与频率调节策略，实现“热安全”运行。疲劳分析与寿命预测：探讨机械应力与热应力循环对材料和绝缘系统的影响，引入基于损伤累积的寿命预测模型，指导预防性维护计划的制定。第二部分：高精度传感器技术与数据融合本部分深入研究用于监测和反馈的关键传感器技术，包括其工作原理、信号调理电路以及如何将多源异构数据转化为可操作的系统状态信息。第四章：位置与速度测量技术精确的位置和速度反馈是闭环控制的基础。本章详述了从接触式到非接触式传感器的技术细节：光学编码器原理：深入解析增量式和绝对式光学编码器的结构、分辨率的确定（光栅刻线密度、插补算法），以及如何补偿光强度变化导致的信号漂移。磁阻传感器的应用：探讨霍尔效应传感器、磁阻随机存取存储器（MRAM）和各向异性磁阻（AMR）传感器在电机反电势估计和磁场定位中的应用，尤其关注其在恶劣环境下的鲁棒性。电容式与激光测距技术：介绍精密位移测量中电容式传感器的电场耦合原理及其在微纳定位中的优势。激光三角测量和TOF（Time-of-Flight）传感器在远程或高速距离测量中的原理与精度影响因素。第五章：力、扭矩与应力传感力学量传感是实现人机交互、碰撞检测和过程控制的核心环节。应变片技术与桥路电路：详细介绍应变片的工作机理、材料选择（如薄膜应变片与体硅应变片）以及惠斯通桥电路的搭建、补偿与信号放大技术。分析温度漂移的线性与非线性补偿方法。压电与压阻式力传感器：阐述压电材料在动态力测量中的高频响应特性，以及压阻传感器在静态或准静态力矩测量中的应用。讨论电荷放大器在低频信号采集中的重要性。扭矩传感器设计：重点分析非接触式扭矩测量方法，例如利用磁场变化测量轴上的扭转应变（基于磁弹性效应），以及光纤布拉格光栅（FBG）传感器在分布式应变监测中的集成方案。第六章：状态监测与数据融合现代机械系统的健康管理高度依赖于对系统状态的全面感知。本章聚焦于多传感器数据的有效集成与信息提炼：振动与声学监测：介绍加速度计（IEPE/Piezoresistive）的选型、抗混叠滤波器的设计，以及傅里叶变换（FFT）在故障特征提取中的应用。讨论包络解调技术在早期轴承故障诊断中的作用。传感器信号调理与标准化：讨论模数转换器（ADC）的关键参数（分辨率、采样率），以及抗干扰措施（如屏蔽、差分传输）。讲解如何对不同单位和量程的传感器信号进行标准化处理。卡尔曼滤波与扩展融合：深入讲解扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在融合位置、速度、电流和温度等异构数据方面的理论与实践。构建一个多传感器状态估计器，实现对驱动器内部状态的实时、高精度重构。第三部分：驱动与感知系统的集成与应用本部分将前两部分的理论知识应用于实际工程场景，探讨软硬件协同设计以及特定行业中的解决方案。第七章：嵌入式控制硬件与实时通信高效的驱动与感知依赖于强大的实时计算平台和可靠的通信架构。高性能微控制器与DSP：比较基于Cortex-M系列的微控制器与专用的数字信号处理器（DSP）在电机控制算法实现上的性能差异。讨论浮点运算单元（FPU）对控制精度的影响。现场总线与实时网络：介绍工业以太网（如EtherCAT, PROFINET IRT）和CAN/CANopen协议在驱动器与上位机之间的同步通信机制。重点分析时间戳和同步机制如何保证控制回路的确定性。驱动器固件架构：讨论模块化和分层级的固件设计，包括实时内核的调度策略、I/O驱动的设计以及故障安全机制的实现。第八章：典型应用案例分析本章通过剖析具体应用，展示驱动与感知系统集成的挑战与最佳实践：高精度运动平台（CNC/光刻设备）：分析在纳米级运动控制中，如何通过前馈补偿结合高频编码器反馈，抑制静差和周期误差。讨论伺服系统对机床动态刚度的影响。电动汽车驱动系统（EV Drivetrain）：探讨高压大功率驱动器的热管理挑战，以及如何利用电机内部传感器实现扭矩矢量控制和再生制动策略。柔性机器人与人机协作系统：介绍力/触觉传感器在实现机器人顺应性控制中的作用。讨论阻抗控制、导纳控制的实现细节，以及如何利用先进的力矩反馈实现安全交互。第九章：未来趋势与展望本章展望了驱动与感知技术领域的前沿发展方向，包括对可持续性、自主性和智能化水平的提升。边缘计算在传感器网络中的应用：探讨将数据预处理和基础诊断算法部署到传感器端（“智能传感器”）以减少通信延迟和数据负荷的趋势。磁场工程与新型材料：介绍用于提高能量密度的新型磁性材料（如非稀土永磁体）的研究进展，以及微纳尺度磁场源的集成技术。数字孪生与闭环优化：阐述如何利用高保真度的数字孪生模型，在虚拟环境中测试和优化驱动与感知系统的控制策略，以加速产品迭代周期。