Advancements in Electric Machines pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Gieras, Jacek F.

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:

价格:919.00 元

装帧:

isbn号码:9781402090066

丛书系列:

图书标签:

• Electric Machines
• Electrical Engineering
• Power Systems
• Motor Drives
• Renewable Energy
• Energy Conversion
• Machine Design
• Control Systems
• Electromagnetism
• Electric Vehicles

动态能源转换：电动机械的革新与未来 在当今世界，能源的有效利用和可持续发展已成为刻不容缓的全球性议题。从微小的传感器到庞大的工业驱动系统，电动机械作为能量转换的核心，其性能的提升直接关系到能源效率、环境友好性以及技术创新的深度。本书并非聚焦于“电动机械的进展”，而是深入探讨电动机械背后那股驱动其不断革新的力量——动态能源转换的原理、方法及其在各个领域的深远影响。 我们生活的世界，无处不体现着能量的流动与转化。无论是太阳能电池板将光能转化为电能，风力涡轮机捕捉风能驱动发电机，还是我们日常使用的手机、电脑中微型电机驱动的精密部件，抑或是工厂里重型电机驱动的庞大生产线，其根本都在于高效、可靠的动态能量转换。本书将带领读者穿越传统电磁学和机电一体化的概念边界，去审视那些驱动电动机械不断超越自我的核心动力。 第一篇：能量转换的物理基础与数学表达 本书的起点，是对能量转换基本物理原理的深刻剖析。我们将从麦克斯韦方程组出发，探寻电场与磁场在时间与空间中的动态耦合关系，理解能量如何在不同形式之间以何种方式进行传递和转化。这并非仅仅是公式的罗列，而是通过对这些基本定律的直观解读，揭示能量转换过程中的内在机制。例如，我们不会仅仅讨论感应电机的电磁感应现象，而是会深入分析电磁场强度、导体运动速度以及材料特性如何共同决定能量转换的效率和功率密度。 在此基础上，我们将引入一系列强大的数学工具，用于精确描述和分析动态能量转换过程。这包括但不限于： 拉格朗シー（Lagrangian）和哈密顿（Hamiltonian）力学： 这些框架提供了一种更为抽象和普适的方式来描述系统的能量状态和演化，尤其适用于处理复杂的耦合系统和非保守力。我们将展示如何利用这些方法来构建电磁与机械系统的统一模型，从而揭示能量流动的内在路径。 变分法与最优化理论： 能量转换的效率往往是设计的核心目标。本书将探讨如何运用变分法来寻找使能量转换效率最大化或能量损耗最小化的设计参数和控制策略。这涵盖了从宏观的设备结构设计到微观的材料选择，再到实时运行中的控制算法优化。 傅里叶分析与信号处理： 动态过程意味着信号的周期性或非周期性变化。通过傅里叶分析，我们将深入理解电动机械在不同频率下的响应特性，识别谐波干扰，并设计出能够抑制噪声、提高信号质量的滤波与控制系统。这对于理解交流电机中的运行特性、电力电子变换器的工作原理至关重要。 有限元分析（FEA）与多物理场耦合： 现代电动机械的设计往往需要考虑电磁、热、机械等多物理场之间的相互作用。我们将介绍如何利用有限元方法来精确模拟这些复杂的耦合效应，预测设备在实际运行中的性能表现，并指导优化设计，避免潜在的失效模式。 第二篇：能量转换的实现技术与器件创新 理解了能量转换的内在原理，我们将聚焦于如何将这些原理转化为实际的工程应用。本篇将深入探讨构成电动机械的各类核心器件的演进及其背后的能量转换技术。 磁性材料的革新与应用： 磁性材料是电动机械的灵魂。从传统的硅钢片到高性能的非晶态合金，再到纳米晶材料和稀土永磁体，材料科学的每一次突破都直接推动了电机功率密度、效率和工作频率的提升。本书将详细阐述不同磁性材料的微观结构、磁畴壁运动、磁滞损耗等特性，以及它们如何影响能量转换的效率和损耗。我们将探讨软磁材料在高频应用中的优势，以及硬磁材料在永磁电机中发挥的关键作用。 导体材料与拓扑结构优化： 铜、铝等导体材料的导电性能直接影响着欧姆损耗。除了材料本身的优化（如高纯度铜），导体材料的排列方式（如线圈绕组的拓扑结构）也对能量转换效率有着显著影响。我们将分析不同绕组结构（如集中绕组、分布式绕组、同心绕组）在提高功率因数、降低损耗方面的差异，以及如何通过先进的制造技术（如3D打印）实现更优化的导体布局。 绝缘材料与散热技术： 高温是限制电动机械性能提升的主要因素之一。本书将审视高性能绝缘材料在耐高温、抗电痕迹以及绝缘击穿方面的最新进展，以及先进的散热技术，如液冷、相变冷却等，如何有效地将运行过程中产生的热量导出，从而提升功率密度和延长设备寿命。 电力电子器件的集成与控制： 现代电动机械的性能很大程度上取决于与其配合的电力电子变换器。本书将探讨半导体器件（如IGBT、MOSFET、SiC、GaN）的功率处理能力、开关速度和效率的提升，以及如何通过先进的控制算法（如空间矢量脉宽调制SPWM、直接转矩控制DTC）来实现对电机精确、高效的控制，最大化能量转换的效益。 微型化与纳米级能量转换： 随着物联网、可穿戴设备和生物医学技术的发展，对微型化和纳米级能量转换器件的需求日益增长。本书将展望MEMS（微机电系统）驱动的微型电机、压电陶瓷能量收集器、热电发电机等在能量转换领域的潜力，以及其在微纳尺度上的能量损失与获取机制。 第三篇：能量转换系统的集成与智能化 电动机械并非孤立的器件，而是集成到更广泛的能源系统中的一部分。本篇将聚焦于如何将单个器件的性能优势转化为整个系统的整体效能。 多能流耦合与系统建模： 现实中的电动机械系统往往涉及电、磁、热、力、流体等多种能量形式的相互耦合。本书将介绍如何构建多能流耦合模型，全面准确地评估系统的整体性能，发现瓶颈，并优化设计。例如，电动汽车中的电机、电池、电机控制器以及传动系统之间的能量流如何协同工作，以及如何通过系统集成优化来提升续航里程和加速性能。 先进控制策略与自适应能力： 传统的PID控制已无法满足日益复杂的运行需求。本书将深入探讨各种先进控制策略，如模糊逻辑控制、神经网络控制、模型预测控制（MPC）等，以及它们如何在动态变化的工况下，实现对能量转换过程的精确调节，提高系统的鲁棒性和自适应能力。例如，风力发电机如何根据风速的变化实时调整桨叶角度和发电机的输出，以实现最大化能量捕获。 故障诊断与健康管理： 确保电动机械的可靠运行是其广泛应用的关键。本书将介绍基于模型和基于数据驱动的故障诊断技术，以及如何利用传感器数据和机器学习算法来预测潜在故障，提前进行维护，从而最大程度地减少停机时间和延长设备寿命。 能源互联网与分布式能源管理： 随着可再生能源的普及，能量转换系统正日益分布式化和网络化。本书将探讨电动机械在构建智能电网、分布式能源系统中的作用，以及如何通过智能化控制实现能源的优化调度和高效利用。例如，电动汽车的V2G（Vehicle-to-Grid）技术如何充当移动储能单元，平衡电网的供需。 人机交互与人机工程学： 在某些应用中，电动机械的运行也与人类的交互息息相关。本书将探讨如何通过优化设计，提升人机交互的顺畅性和安全性，例如在机器人、自动驾驶系统中的应用。 第四篇：未来的展望与挑战 在本书的最后，我们将目光投向电动机械能量转换技术的未来。我们将讨论当前面临的主要挑战，并展望未来的发展趋势。 更高效率与更低损耗： 永无止境的追求效率提升是电动机械发展的驱动力。我们将探讨理论上的极限效率，以及如何通过材料、结构和控制的协同创新来不断逼近这些极限。 更优的功率密度与更小的体积： 在许多应用场景下，减小设备的体积和重量，同时提高其功率输出，是至关重要的。我们将关注如何通过高集成度、新型结构设计和更高效的散热技术来实现这一目标。 更强的可持续性与环境友好性： 从原材料的获取到设备的回收，整个生命周期的可持续性将成为未来电动机械发展的核心考量。我们将讨论如何设计更易回收、可降解的材料，以及如何减少生产过程中的环境影响。 更广泛的跨学科融合： 电动机械的发展将越来越依赖于与其他学科的交叉融合，例如人工智能、量子计算、生物材料等，这将为能量转换技术带来前所未有的机遇。 新兴应用领域： 从太空探索到深海钻探，从虚拟现实到增强现实，新的应用场景将不断涌现，对电动机械的性能提出新的、更高的要求。 本书旨在为读者提供一个关于动态能量转换的全面视角，揭示驱动电动机械不断革新的底层逻辑与前沿技术。通过深入剖析物理原理、创新技术、系统集成以及未来发展趋势，本书将帮助读者理解电动机械在塑造我们能源未来中的关键作用，并激发对更高效、更智能、更可持续的能量转换解决方案的探索。

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