《微特电机及系统》教材的编写思路与特点

《微特电机及系统》教材的编写思路与特点

程　明

（东南大学电气工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　微特电机融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、材料等多种高新技术，是现代武器装备自动化、工业自动化、办公自动化和家庭生活自动化等不可缺少的重要技术。为适应我国教育体制改革对教材所提出的新要求，充分反映微特电机技术发展的最新成果，我们编写出版了普通高等教育“十五”规划教材《微特电机及系统》一书。本文阐述了该教材的编写目的和编写思路，介绍了教材的主要内容和特点，供使用本教材的教师、学生以及广大读者参考。

【关键词】　微特电机及系统　微电机　控制电机　教材建设　教学改革

【中图分类号】　G642；TM38　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2005）02－0073－04

微特电机及系统在工农业生产、国防、航空航天，以及一切自动化领域具有非常广泛的用途，在课程体系上是电机学的延伸与深化，理论性与实践性均较强，一直是电气工程及其自动化、电机与电器、工业自动化、机电一体化等专业（方向）的一门重要的专业（方向）课。随着教学改革的不断深入，对教材建设也提出了新的更高的要求。

按照“面向21世纪，深化教学内容和课程体系改革，提高教育教学质量”的精神，由中国电力教育协会电气工程学科教学委员会审定，由笔者主编，林明耀、张润和参编的《微特电机及系统》教材^［1］，作为普通高等教育“十五”规划教材已由中国电力出版社于2004年10月出版，本文简要介绍该教材的编写思路、主要内容和主要特点。

1．编写目的与过程

微特电机技术融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械、材料等多种高新技术。随着科学技术的快速发展，微特电机的科学内涵发生了很大变化，主要体现在以下几个方面：

（1）一些传统的控制微电机的应用日趋减少或被淘汰。例如曾被作为功率放大元件在自动化系统中发挥过重要作用的电机放大机，由于功率半导体放大器的普及和性能的不断提高而被取代了。

（2）近年来随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术的发展以及新材料、新工艺的应用，出现了许多新型微特电机，如永磁无刷直流电机、双凸极电机、直线电机、超声波电机等等，由于这些新电机性能优良或在某个方面的性能特别优异，发展迅速，并在很多场合得到了应用。

（3）在自动化等诸多应用领域，已不再是伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器等传统控制电机的一统天下，各种新型微特电机如永磁同步电机、开关磁阻电机等正在伺服、驱动领域获得日益广泛的应用。

（4）微特电机由“元件”向“系统”方向发展。传统上，多是将微特电机作为一个控制元件来加以考虑，着重研究的是电机本身的性能。但随着技术的发展，自动化程度越来越高，为提高整个自动化系统的综合性能，需要从系统的高度来考虑每一个元件，包括微特电机。特别是大功率集成驱动器和微处理器在微特电机驱动与控制中的推广应用，使微特电机向集成化、智能化方向发展，从而改变微特电机作为元件使用的传统概念，微特电机作为一个小系统的设计、生产和使用的新概念正在建立起来。而对于新出现的一些微特电机，如永磁无刷直流电机、双凸极电机、超声波电机等，必须与电子控制装置配合才能正常工作，它们本身就是一个小系统。这也是本书定名为《微特电机及系统》的原因。

（5）随着教育体制改革的不断深化，更加重视学生基础知识和实践能力的培养。目前我国电气工程学科的本科生基本上都按大类招生，虽同为电气工程及其自动化专业，但各学校的培养目标、培养方案和培养方式不尽相同，相应的对教材提出了不同要求，不仅要理论联系实践，反映科学技术的最新成果，而且在内容上要有较大的选择余地。

基于以上考虑，我们提出了《微特电机及系统》教材的编写计划，以适应微特电机自身技术发展和教学改革的双重需要，并经中国电力教育协会电气工程学科教学委员会审定，列入普通高等教育“十五”规划教材出版计划，由中国电力出版社出版。

2．教材内容

在编写本书时，认定读者已经掌握电机学的一般原理和知识，因此，在分析微特电机原理和特性时，尽量以电机学的理论为依据。全书共11章，除第一章绪论外，可分为两大部分，前5章（第二～六章）依次是伺服电动机与伺服系统、测速发电机、步进电动机、自整角机、旋转变压器，属于传统控制电机的范畴，后5章（第七～十一章）依次是永磁无刷直流电动机、单相交流串励电动机、双凸极电机驱动系统、直线电动机和超声波电动机，属于比较新或比较特殊的电机。内容组织上，在介绍各类电机基本结构与工作原理、基本特性和基本应用的前提下，力求一个“新”字，注意吸收科技发展的最新成果，反映电气工程学科的发展趋势，符合当前工程实际的需要。

下面将该教材各章内容作一简要介绍。

第一章绪论介绍微特电机的基本用途、基本类型和基本要求，使学生对微特电机有一个总体认识；回顾微特电机发展历史，将我国微特电机工业的发展历程大致分为四个发展阶段^［2］，即起步阶段（1950—1965）、自行发展阶段（1966—1978）、初步壮大阶段（1979—1989）和快速发展阶段（1990年以后）；分析了微特电机技术的发展趋势。

第二章伺服电动机与伺服系统介绍直流伺服电动机、直流力矩电动机、交流异步和同步伺服电动机。因为同步电动机在伺服系统中的应用日益增多，本书将永磁式同步电动机、磁阻式同步电动机和磁滞式同步电动机作为伺服电动机的一大类——交流同步伺服电动机纳入本章。最后介绍近年来发展迅速并得到广泛应用的数字化交流伺服系统的类型、特点和基本构成。

第三章测速发电机介绍直流测速发电机、交流异步测速发电机以及霍尔无刷直流测速发电机等，重点是交流异步测速发电机的工作原理、特性以及主要技术指标等。

第四章步进电动机介绍反应式步进电动机的结构与工作原理、反应式步进电动机的静态特性和动态特性、步进电动机的驱动电源以及步进电动机的控制与应用。根据工程应用中的实际情况，对混合式步进电动机也做了较详细的介绍，并专门介绍了集成化驱动电路在驱动电源中的应用等。

第五章自整角机介绍力矩式自整角机、控制式自整角机、差动式自整角机以及多台自整角接收机的并联运行等。

第六章旋转变压器介绍正余弦旋转变压器、线性旋转变压器，讨论了旋转变压器的误差及改进措施；还介绍了双通道测角系统与多极旋转变压器、感应移相器和感应同步器。针对高性能数字驱动系统中需要提供数字式位置信号的需要，介绍了数字式旋转变压器，并以较常用的转换芯片AD2S83为例讨论了数字式旋转变压器的构成方法和特点以及与DSP的接口设计等。

第七章永磁无刷直流电动机介绍永磁无刷直流电动机的基本结构和工作原理、运行特性、控制方法和专用集成驱动电路。

第八章单相交流串励电动机介绍单相交流串励电动机的基本结构和工作原理、工作特性、调速方法、产生的干扰及抑制措施等。

第九章双凸极电机驱动系统，双凸极电机主要指开关磁阻电机和双凸极永磁电机。分别介绍开关磁阻电机和双凸极永磁电机的结构与工作原理、控制系统构成、控制方法、转子位置检测等。

第十章直线电动机介绍直线感应电动机、直线直流电动机以及直线和平面步进电动机的基本结构和工作原理。

第十一章超声波电动机，超声波电动机不是基于电磁效应原理，而是以压电材料的逆压电效应为激励而工作的一种新型特种微电机。本章介绍超声波电机的运动形成机理，以环形行波型超声波电机为例介绍电机的结构与工作原理、速度控制方法、驱动电路构成，以及其他类型的超声波电机等。

最后，依据国家标准GB／T10405－2001，以附录形式介绍了控制微电机的型号命名方法、产品名称代号、性能参数代号以及驱动微电机的型号命名方法。

3．主要特点

（1）内容新。本书在保留传统控制电机基本内容的基础上，力求反映当前科技发展的最新成果，内容上新增了多种新型特种电机，如双凸极电机驱动系统、超声波电动机、单交流串励电机、永磁无刷直流电机等，其中多数内容在以前的教科书中是没有或很少的。即使对传统的控制电机，在内容组织上也有所创新和发展，充实了新的技术成果。比如，在伺服电动机与伺服系统一章中，增加了数字化交流伺服系统的介绍；在旋转变压器一章中，增加了数字式旋转变压器一节；在步进电动机一章中，根据工程应用中的实际情况，加大了混合式步进电动机的篇幅。

（2）在组织体系方面也有所创新。比如，在伺服电动机与伺服系统一章中，根据在交流伺服系统中小型交流同步电动机应用日益增多的趋势，将交流同步电动机纳入伺服电动机；而永磁无刷直流电动机在以前一些教材中多是作为伺服电动机的一小节，本书则单独列为一章等。

（3）考虑到多数学生学习本课程的目的是今后在工作实践中应用，本书重点放在基本概念、基本原理、基本方法和基本特性的介绍上，并且避免过于复杂的数学公式和推导。

（4）全书插图均采用计算机绘制，对于一些曲线类插图，如正余弦曲线、指数曲线、异步电机的机械特性等，尽量依据严格的数学关系绘制，避免徒手描绘。因此，图形的数学关系准确、清晰美观。

（5）在每一章后都给出了数量不等的应用实例，以期使学生对该种电机在自动化等工程实践中的应用情况有一个感性认识。

（6）每章都有适当数量的思考题和练习题，以帮助读者巩固和加深对所学内容的理解与掌握。

（7）对主要名词术语都给出了英文译名，以便于读者阅读参考外文图书和资料。

（8）书末较详细地列出了50篇主要参考文献，特别是反映最新研究成果的期刊文献，以期对有兴趣追踪和深入研究相关电机的读者有所裨益。

4．对使用本教材的几点建议

全书37万字，在保留传统控制电机基本内容的基础上，吸收了科技最新成果，充实了多种相对较新或较为特殊的电机，为不同专业、不同层次的读者选取学习内容留有较大空间和灵活性，既可作电气工程及其自动化等专业本科教材，也可作相关专业高职高专教材，还可供相关专业研究生和工程技术人员参考。在选用本教材时，可根据不同专业、办学层次和培养方案作合理选取和安排。

随着技术的发展，自动化程度越来越高，一个自动化系统综合性能的好坏，不仅取决于微特电机的固有特性，而且与所采用的控制系统结构、控制方法和控制算法密切相关，要从系统的高度来考虑每个元件（包括微特电机），而不应孤立地只讲电机本身。对于如永磁无刷电机、双凸极电机等新型电机，其正常运行更离不开电机控制系统。因此，建议以系统的观点组织教学，与自动控制系统、电力电子技术等相融合，联系工程实际，以提高学生的学习兴趣和热情，为提高教学效果，还应开设适量的实验。

5．结束语

《微特电机及系统》教材已与读者见面，尽管编者在编写本书过程中努力贯彻既定的指导思想，但由于水平所限，加之经验不足，时间也比较仓促，书中难免存在一些错误和不当之处，竭诚欢迎广大教师和读者批评指正，以便今后改进。

参考文献：

［1］　程明．微特电机及系统［M］．北京：中国电力出版社，2004

［2］　牒正文．微特电机工业现状及发展概况［J］．微电机，2003，36（3）：45－51

（原载于《电气电子教学学报》，2005年第2期）