第1章 绪论
1.1 特种电机的类型
有别于传统的交流电机和直流电机，特种电机通常是指工作原理、结构、技术性能或功能等有显著特点的电机。近半个世纪以来，随着电力电子技术、计算机技术、新材料技术及控制理论的发展，以及工业信息化和智能化的需求，一系列功能特殊、性能独特的有别于传统电机的新颖的机电能量转换装置相继出现。例如，利用压电材料的逆压电效应把电能转换成弹性体的超声振动，并通过摩擦传动方式而获取动力的超声波电机；将微波转换成机械能的微波电机；利用电场和电荷之间的动力而形成的超微电机；此外，还有磁致伸缩驱动器、非晶合金电机、分子电机、光热电机、仿生电机和记忆合金电机等。另外，应用于工业传动、交通运输、航空航天及国防尖端领域的传统电机也因越来越高的性能要求(如更高效、更高功率密度、更高速等)而发生了革命性的变化。例如，磁阻电机与电力电子器件相结合组成的开关磁阻电机；由电子换向电路取代机械换向器发展而来的无刷直流电动机；高速电机和磁轴承相结合构成的磁悬浮电机；功能集成化的起动发电一体电机，以及应用于高可靠性领域的容错电机等。这些电机的工作原理或性能已经突破了传统电机的范畴，也可称为特种电机。特种电机是目前电机技术中*活跃和*具发展潜力的领域，其发展与应用已成为衡量一个国家工业化发达程度的重要标志。
特种电机的种类繁多，功能多样化，对它进行严格的分类是困难的。本书结合特种电机已有的成果及其发展趋势，向读者介绍步进电动机、永磁无刷直流电动机、伺服电动机、直线电动机、特殊功能类电机(包括双凸极类电动机、磁悬浮电机、起动发电一体电机、混合励磁发电机和交流容错电动机)以及超声电机。
步进电动机(Stepping Motor)是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，因此步进电动机又称脉冲电动机。步进电动机在不需要数模变换的条件下，可以将数字脉冲信号直接转换成角位移或线位移，非常适合作为数字控制系统的执行元件。目前，步进电动机广泛应用于计算机外围设备、机床进给系统及其他数字控制系统。
永磁无刷直流电动机(Permanent Magnet Brushless DC Motor)可以看作一台用电子换向装置取代机械换向的永磁直流电动机，由永磁同步电动机本体、电力电子逆变器、转子位置检测器和控制器组成。永磁无刷直流电动机具有优良的调速性能，同时克服了传统直流电动机采用机械式换向装置所引起的换向火花、可靠性低等缺点，且运行效率高、功率密度大，广泛应用在航空航天、电动车辆、医疗器械、仪器仪表、伺服系统、数控机床、现代家用电器等领域。
伺服电动机(Servo Motor)也称为执行电动机，是指接收来自上位控制装置的指令信号，驱动被控对象快速、精准跟随指令运动的一类反馈控制电动机。很多情况下，伺服电动机输出量是机械位移(转角)、速度(角速度)等。根据使用电源的类型，伺服电动机可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机。和开环控制的步进电动机相比，通过闭环控制的伺服电动机具有宽广的调速范围、线性的机械特性和调节特性、快速响应和更高的控制精度等优良特性，应用领域更广。
双凸极类电动机(Doubly Salient Type Motor)是指一类定、转子均采用凸极结构形式的电动机，主要包括开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor)、双凸极电机(Doubly Salient Motor)和磁通切换型电机(Flux Switching Motor)。由于电机每相磁路的磁阻随转子位置而改变，因此在一些文献中双凸极类电动机也被称为可变磁阻电机(Variable Reluctance Motor)。开关磁阻电机由于功率密度和普通感应电机相近，在较宽的运行范围内保持高效率等优越性能，在许多领域得到成功应用。但开关磁阻电机的功率密度、转矩特性和效率与永磁电机相比尤显不足。为提高这类电机的性能，双凸极电机和磁通切换型电机等被相继推出，并引起了广泛的关注。双凸极类电动机的显著特点是：转子结构简单，定子采用集中绕组，成本较低，可控变量多，需和电力电子器件配合工作。但从原理上讲，这三种电机转矩产生的机理不同。开关磁阻电机是利用磁阻转矩运行，而双凸极电机和磁通切换型电机则主要依靠电磁转矩工作。这类电机目前*显著的缺陷是其转矩脉动、振动和噪声等问题。
直线电动机(Linear Motor)是一种将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换装置(如旋转电动机和机械传动装置)的特种电机。在许多场合，其结构更为简单、性能更好、成本更低，直线电动机得到了越来越多的应用。例如，在交通运输领域的地铁和轻轨车、磁悬浮列车；在物流输送领域的各种流水生产线，以及需要进行各种水平和垂直运动的一些机电设备中，如数控机床的进给机构、冲压机，扫描仪和平面绘图仪，直线电梯和电动门等。在军事领域，利用直线电动机制成各种电磁炮、飞机电磁弹射器及其他电磁推进系统。从原理上讲，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，所以直线电机的分类与旋转电机大致相同。本书重点介绍常用的直线感应电动机和永磁直线电动机。
磁悬浮电机(Magnetic Levitation Motor)是一种将电机和磁轴承集成来实现电机转子无机械摩擦悬浮运行的电机。磁悬浮电机分成磁轴承电机(Magnetically Suspended Motor)和无轴承电机(Bearingless Motor)。其中，磁轴承电机主要是指高速磁悬浮电机，当然，还有一些低速重载电机也采用磁轴承技术。无轴承电机则是利用磁轴承和电机结构的相似性，将磁轴承控制绕组功能集成在电机的电枢绕组中，利用电力电子技术和微机控制实现同时具有驱动与自悬浮双重功能的一种新型电机，也称自悬浮支承电机(Self-bearing Motor)。由于不再需要独立的径向磁轴承，可*大限度地减少轴向空间，可微型化，拓宽了磁悬浮电机的应用领域。
起动发电一体电机(Starter Generator)是一种在传统的电起动机、发动机和发电机推进系统的构架基础上，利用电机可逆原理实现电起动机和发电机的集成的特种电机。起动发电一体电机在发动机稳定工作前作为电动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火，使发动机进入自行稳定工作状态；此后，发动机反过来带动电机，使其成为发电机向飞机(或车辆、舰艇等)用电设备供电。一台电机具有双重功能，从而大幅度减小了推进系统的体积和重量，提高了可靠性、维修性并降低了成本，是未来飞机(或车辆、舰船等)发展的必然趋势。起动发电一体电机类型较多，本书重点讲授航空三级式同步起动发电一体电机、开关磁阻起动发电一体电机、异步起动发电一体电机、磁通切换型起动发电一体电机和双凸极起动发电一体电机。
混合励磁发电机(Hybrid Excitation Generator)是一种在保持电机较高效率和功率密度的前提下，通过改变电机的拓扑结构，由永磁励磁源和电励磁源共同产生电机主磁场，实现电机的气隙磁场调节和控制，从而改善发电机输出特性的一类新型发电机。一般而言，励磁源主要由永磁磁势提供，而电励磁磁势主要起调节气隙磁场的作用。从永磁磁势和电励磁磁势的相互作用关系来看，混合励磁发电机可分成串联磁势式、并联磁势式和并列磁势式三大类，本书重点讲授这三类混合励磁发电机的工作原理、控制方式和输出特性。
交流容错电动机(AC Fault Tolerant Motor)是一种在系统发生故障时，不采取备份式控制策略，且仍能具备良好输出特性的电机。交流容错电动机有两个典型特点：一是采用多相交流电机(大于三相)；二是具备故障隔离能力，即电机绕组或功率管发生断路或者短路故障时，故障相不影响其他相的正常工作。有别于传统的具有多套绕组和功率变换器备份的余度电机，交流容错电动机只有一套绕组和一套功率变换器。当电机控制系统的某一相绕组或者功率管发生故障时，交流容错电动机控制系统仅需要切除故障相绕组及其变换器支路，由剩下的不对称绕组和变换器支路结合容错控制算法来满足输出特性的要求，而不必如余度电机那样切除包含故障相的一整套绕组(如三相对称绕组)和一整套功率变换器。因此，交流容错电动机在对功率密度和可靠性要求极高的航空航天领域具有重要的应用价值。本书重点讲授开关磁阻容错电机、永磁同步容错电机以及磁通切换型容错电机。
超声电机(Ultrasonic Motor)是利用压电材料(压电陶瓷)的逆压电效应，把电能转换成弹性体的超声振动，并通过定、转子之间摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种电机一般工作在20kHz以上的频率，这个频率已超出人耳的可听频率范围(2～20kHz)，因此称为超声电机，也是近年来发展起来的一种非电磁原理电机。超声电机具有低速大扭矩、优良的动态响应性能以及良好的电磁兼容性等一系列优点，主要应用于照相机、精密仪器、汽车、航空航天、机器人等领域。
1.2 特种电机的发展概况和发展趋势
特种电机技术是集电机技术、精密机械及传感技术、材料科学、计算机技术、电力电子技术、控制技术、微电子技术、网络技术等诸多现代科学技术于一体的综合技术，目前的发展呈现如下趋势。
(1) 机电一体化。
机电一体化就是将传统电机和电力电子技术、传感器技术、计算机技术、现代控制理论相结合，*终实现电机的智能化。电机的应用已从传统简单的提供动力为目的发展到对其速度、位置和转矩等物理量的精确控制。为适应日益发展的智能化需求，机电一体化是必由之路。这样一来，改变了特种电机作为一个部件使用的传统概念，确立了特种电机作为一个系统来设计、制造和应用的新概念，标志着特种电机发展已步入一个新的阶段。
(2) 功能集成化。
在机电一体化的基础上，随着对电机的性能、价格多方面的综合需求，功能集成化也是特种电机发展中一直值得关注的方向。例如，将变频器和电机结构集成的变频电机；电动机和发电机功能集成的起动发电一体电机；磁轴承和电机结构集成的磁轴承电机；磁轴承和电机功能集成的无轴承电机；集直流发电机和交流发电机于一体的交直流发电机；电机转子和叶片集成的电动泵等。由于原理和结构的制约，各功能之间常常不可避免地存在相互制约或者耦合，而利用先进的控制策略实现多功能之间的协调或者解耦是目前特种电机的热门研究之一。
(3) 小型化和微型化。
在信息类产品和消费类产品、国防产品、医疗设备和航空航天装备中，对与之配套的电机提出了小型化和微型化的要求，如存储驱动器、微型摄像机、数码相机、微型收录机及移动手机等采用的小型或者微型的永磁无刷直流电机，应用于国防领域的微、轻、薄的永磁直流力矩电动机，应用于微型飞行器中的超薄型超声电动机，穿行于人体血管的亚毫米级微型电动机，以及用于控制药物释放速度的纳米级电机。
(4) 大功率化。
在工业传动、航空航天及舰船领域，特种电机呈现大功率化的趋势。目前，应用于舰船电力推进系统的稀土永磁电机的单台容量已超过30MW，工业传动中开关磁阻电机的单台容量已超过5MW。我国开发的高效稀土永磁电动机的功率达到1120kW，而用于高铁动车的永磁牵引系统功率达690kW。
(5) 高速化和高功率密度化。
随着现代工业的飞速发展，在新能源汽车、透平机械和航空航天领域，特种电机呈现高速化和高功率密度化的发展趋势。新型陶瓷轴承、油膜轴承、空气箔片轴承和磁轴承的技术进步为电机的高速化创造了条件，而永磁材料和电工材料的进步、电力电子技术的发展以及先进的电机系统设计手段则为高功率密度电机的发展铺平了道路。
(6) 新原理突破。
随着特种电机应用领域的拓宽以及新原理、新材料和新技术的发展，开发具有非电磁原理的特种电机已成为电机发展的一个重要方向。例如，利用压电
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