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内容简介

本书是一本关于电磁装置设计基本原理的教材，属于“电气工程及其自动化”一级学科强电类、工学（工程学）门类中的专业课程范畴。本书主要介绍由电与磁及其相互作用而构成的电磁装置一般性问题的分析方法，在阐述电磁装置设计基本原理的基础上，选择几种典型的产品设计过程与方法为例做介绍，如变压器、电感器、感应电机、永磁电机及开关永磁操作机构等，给读者提供设计方法的基本知识。为了适应读者进行现代设计方法数值计算的需要，本书还介绍了磁场数值计算基本原理和软件使用方法与算例。
本书可作为高等学校电气工程类核心专业课程教材使用，也可作为本专业的研究生参考书，读者需具备电路理论、电磁场、电机学等学科基础理论知识。本书也可供从事电磁装置设计、运行和研究的技术人员参考使用。

作者简介

李朗如，华中科技大学知名教授，博士生导师，从事电气工程本科及研究生教学和科研50余年，有丰富的教学和科研经验。主要作品有《电机学》《变压器的理论计算》《互感器电抗器的理论与设计》《中小型旋转电机设计手册》《中国电气工程大典》等。 陈乔夫，华中科技大学教授，博士生导师。全国变压器标准化技术委员会委员，主持并参与完成多项科研项目（含国家自然科学基金、博士点基金资助项目），获国家ji、省部级科研和教学成果奖5项，出版专著教材4部。 周理兵，华中科技大学教授，博士生导师。中国电机工程学会大电机专委会委员，湖北省电工技术学会常务理事。主要从事电机及其控制理论与应用的教学和科研工作，先后主持和完成多项各类科研课题，曾获得省部级科技进步奖三项，省级教学成果奖一项。主要研究方向为新型电机的运行理论及控制、电机驱动及其控制系统、电机与电器先进设计技术等。

目录

目 录
前言
第1 章 绪论 1
11 课程设置的意义与电磁装置的定义 1
111 课程设置的意义 1
112 电磁装置的定义 1
12 装置与系统 2
13 电磁装置的设计计算方法 3
第2 章 电磁装置设计的一般问题 5
21 概述 5
22 机电系统的能量关系 5
23 耦合磁场中的储能和余能 9
24 耦合系统中的广义电磁力 12
25 电磁功率与有效部分几何尺寸之间的关系 16
26 能量转换中的损耗与效率 20
261 基本铁损耗 20
262 基本铜损耗 22
27 发热计算基础 22
271 概述 22
272 均质物体的发热过程 23
273 等效热路法 24
第3 章 磁场、磁路及计算方法 27
31 磁场的基本概念和基本定律 27
32 电磁装置的磁场与磁路 30
33 磁路基本定律 31
34 气隙磁导计算 35
341 单独磁体的磁导 35
342 带气隙铁心柱间的气隙磁导 37
第4 章 变压器设计计算 42
41 变压器设计的一般问题 42
411 变压器的定额 43
412 铁心结构型式 44
413 绕组型式 45
42 变压器主要尺寸的基本关系式 47
43 主要尺寸的确定 49
44 铁心设计 49
45 绕组设计 50
451 导线和电流密度选择 50
452 绕组并联根数的选择 52
453 绕组轴向、辐向尺寸计算 58
46 变压器的主绝缘和纵绝缘 62
47 变压器绝缘半径计算 63
48 变压器漏电抗计算 64
481 同心式绕组的漏电抗计算 64
482 对称交错式绕组漏电抗计算 67
483 多层绕组的漏抗 69
484 磁场解析法推导罗果夫斯基系数 71
49 变压器的性能计算 74
491 铁心重量及空载损耗 74
492 铁耗计算 74
493 空载电流计算 75
494 负载损耗 76
410 温升计算 77
4101 圆筒式绕组温升计算 78
4102 饼式绕组温升计算 79
411 配电变压器设计实例 81
412 作业 84
第5 章 电感器设计计算 86
51 概述 86
52 铁心电感器的电感计算 87
521 磁路法计算主电抗 87
522 轴对称磁场解析法计算主电抗 90
523 磁路法分析计算漏磁场漏电抗 95
524 饱和时铁心电感器的电感计算 101
53 铁心电感器的电磁力 104
531 铁心电感器线圈上的作用力的方向 104
532 铁心电感器线圈上作用力的计算 105
533 铁心电抗器的设计计算程序及算例 107
54 空心电感器的设计与计算 116
541 空心电感器的自感计算 116
542 空心电感器的自感计算 119
543 空心电感器的自感与互感计算 119
544 空心电感器线圈上作用力的方向 123
545 空心电感器线圈上电磁力的计算 123
546 空心电感器线圈的机械应力 125
55 积分法计算空心线圈磁场 125
第6 章 感应电动机的电磁设计 130
61 概述 130
611 设计过程及内容 130
612 我国感应电动机分类和主要系列 130
613 感应电动机的主要性能指标和额定数据 132
62 主要尺寸和电磁负荷的选择 133
621 主要尺寸及其基本关系 133
622 电磁负荷的选择 133
623 主要尺寸比的选择 134
624 主要尺寸的确定 135
625 气隙长度的确定 136
63 定、转子槽数选配与绕组设计 136
631 定子槽数及定、转子槽配合 136
632 定子绕组设计 138
64 定、转子铁心槽形及槽尺寸的确定 141
641 定子槽形及槽尺寸 141
642 转子槽形及槽尺寸 142
65 感应电动机磁路计算 144
651 每极磁通 145
652 磁通密度和磁位降计算 145
653 励磁电流计算 149
66 参数计算 149
661 电阻计算 149
662 电抗计算 151
67 运行性能计算 161
671 定、转子额定电流 161
672 额定功率因数 162
673 额定效率 163
674 额定转差率 163
675 zui大转矩 164
68 起动性能计算 164
681 漏磁路饱和效应对漏抗的影响 164
682 挤流效应及其对转子参数的影响 167
69 中小型三相感应电动机电磁设计程序及算例 168
691 基本数据 168
692 磁路计算 171
693 参数计算 172
694 运行性能计算 175
695 起动计算 177
610 作业 179
第7 章 永磁同步电动机电磁设计 180
71 概述 180
72 永磁电机用永磁材料性能的基本要求 181
73 永磁同步电动机的基本结构型式 185
74 永磁电机的主要尺寸确定 186
75 永磁电机的磁路计算 190
751 永磁体激励的主磁路计算原理 190
752 混合励磁磁路的计算方法 194
753 漏磁导计算基本方法 198
76 永磁同步电动机的电磁设计计算程序及其说明与算例 199
761 基本数据 200
762 空载磁路计算 203
763 负载运行行为计算 210
764 损耗与效率 215
765 电负荷及过载能力计算 218
766 有效材料计算 219
767 起动特性计算 219
77 作业 225
第8 章 永磁操作机构及其特性计算 226
81 永磁机构的结构及工作原理 226
82 永磁机构的等效磁路及其计算 227
83 永磁机构的电磁力特性 229
84 永磁机构操作过程的动态特性 230
85 作业 232
第9 章 电磁装置磁场数值计算的基本原理和方法 233
91 概述 233
92 电磁场的基本方程 234
93 求解电磁场边值问题的有限元法 236
931 定解问题与相关泛函的极值问题 238
932 求解域的单元剖分 238
933 单元内近似解的选取——构造单元的插值函数 239
934 变分问题的离散化处理——单元分析 241
935 总体合成 244
94 求解电磁场边值问题的其他数值方法简介 246
95 有限元数值计算软件应用简介及实例 249
951 建立模型 249
952 赋予材料属性 250
953 施加边界条件和励磁 250
954 设定参数与求解 251
955 后处理 252
956 永磁同步电机二维瞬态磁场
仿真实例 252
附录 268
参考文献 291

前言/序言

前言
电气科学与工程学科是一门传统学科，属于强电类，传统上曾经内设多个二级学科，如电力系统及自动化、电机与电器、高电压工程、电力电子技术、电磁测量技术、理论电工等。随着我国的对外开放与教育的国际化，1997 年教育部重新修订了我国普通高等学校的本科专业目录，取消了原来的二级学科设置，而按一级学科电气工程及其自动化招生与培养人才，即按宽口径“通才教育”模式培养，设置相应的课程，以适应社会经济发展对人才的需求。
电气工程及其自动化专业属于工学（工程学）门类中电气工程的强电类专业，专业基础知识除了电路理论、电磁场、电机学等必不可少的学科基础理论知识之外，各学校淡化了相应的有关二级学科的专业课程，原来二级学科的核心专业课程难以适应现在宽口径人才培养需要。然而，在电气工程领域的实际应用中，广泛存在着由电与磁及其相互作用的基本原理，为实际应用而构成的各种系统或装置（元件或器件），作为电气工程及其自动化专业的大学本科毕业生，应该具备对此类装置构成与设计原理的基本知识。为此，我们提出并设置了一门具有通用性的课程《电磁装置设计原理》，作为专业选修课程。并于2002 年9 月编写了讲义，在校内试用，至今已修订了五稿，选修的学生比较踊跃，这样可以扩大学生的专业知识面。
本书共分9 章，第1 章定义电磁装置，有广义的，也有狭义的，有传统的，也有现代的。第2 章讨论电磁装置设计的一般问题，涉及机电系统的能量关系，电磁力的广义计算方法，如何决定装置的几何尺寸，与装置的内功率有什么关系等。第3 章磁场、磁路及计算方法，是设计电磁相互作用构成装置的理论基础。第4 章变压器设计计算，现代变压器品种较多，本章主要讨论中小功率干式变压器的设计计算方法。第5 章电感器设计计算，主要讨论带铁心电感器的设计计算方法。第6 章感应电动机的电磁设计，这是一种旋转电机，因为电机的类型很多，它的设计涉及内容面较宽，有电磁的、机械结构的、力学的、发热与散热的、流体的等，本章主要讨论感应电机的电磁设计计算方法，这也是设计各类电机的基础。第7 章永磁同步电动机电磁设计，这也是一种旋转电机，由于其励磁源采用永久磁体材料，其计算方法有特殊性，学生学习与掌握了本章内容后，对于进一步了解与开展永磁励磁的其他装置的设计与运用，可以打下一个基础。第8 章永磁操作机构及其特性计算，这是现代永磁材料用在开关操作机构的新发展，主要讨论有永磁和电励磁情况下，静态与动态磁路的计算方法。第9 章电磁装置磁场数值计算的基本原理和方法。在电磁装置设计的历史进程中，有两种设计方法：一种是基于“路”理论的方法，这是现在仍然沿用的传统设计方法；另一种是基于“场”理论的方法，这是伴随着现代电子技术和数值计算技术的发展而出现的新设计方法，可以提高设计计算精度，而且现代电磁装置的设计已进入“全方位”设计，尤其对于大型的、系统中的关键装置，必须进行电磁的、热传导的、流体的（通风冷却）以及力学的（强度、刚度和振动问题）综合物理场的稳态和瞬态设计计算。现在的学生在学习和研究中，已广泛应用数值计算的商用软件，如果对软件依据的基本原理和处理方法没有一个基本认知，对计算结果的正确与否，可能会出现茫然无法判定。本章的目的在于给学生提供对数值计算基本原理的认识，提高其对运用计算软件和计算结果的判断能力。
由于电磁装置的应用范围宽广，种类繁多，特性要求各异，本书只是在阐述电磁装置设计基本原理的基础上，选择几种典型的产品设计过程与方法为例做介绍，给学生提供设计方法的基本入门知识，至于准备从事有关电磁装置设计与运用的专业工作者，则在此基础上需进一步参考有关专业书籍。
本书的编写分工为：第1、第2、第7 和第9 章由李朗如执笔，第3、第4 和第5 章由陈乔夫完成，李朗如进行了部分修整，第6、第8 章由周理兵执笔，全书由李朗如统稿。
本书在编写过程中，王晋博士提供了第9 章磁场数值计算的程序使用方法说明与算例。
在本书前期讲义的使用过程中，孙建波博士和本校其他教师提出了许多宝贵意见。马志云教授对本书进行了详细校核。在此一并表示感谢，同时感谢电磁工程与新技术国家重点实验室对本书出版的支持。
由于我们水平有限，错误在所难免，希望读者不吝指正。
编 者
2017 年9 月于喻家山
附注：
本书作者在此声明：本书在作为讲义教材使用过程中，部分章节被2011 年2 月由其他人编著的《变压器与电感器设计方法及应用实例》（ISBN9787115244772）一书抄袭侵权，双方通过法律诉讼，侵权方承认了侵权事实，并达成了停止其侵权行为、赔礼道歉、赔偿损失的和解协议。
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