Advancements in Electrical Machines_by J.F.Gieras_2008

Ludi · 发表于 2014-3-29 22:44

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书籍名称：Advancements in Electrical Machines
作者：J.F.Gieras
出版：Springer, 2008年
格式：PDF
语言：English

Content

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Why electric machines continue to naturally grow . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Status of electric motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 A.c. motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.2.2 Brushless PM motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.2.3 Stepping motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4 Switched reluctance motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Servo motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Progress in electric machines technology . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Mechatronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Microelectromechanical systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.7 Solid state converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8 Energy conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
1.9 Power quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1.10 Recyclable electric machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

2 Material engineering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
2.1 Laminated silicon steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 High saturation ferromagnetic alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Amorphous ferromagnetic materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Soft magnetic powder composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.5 Permanent magnets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5.1 Characteristics of PM materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
2.5.2 Rare-earth permanent magnets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  44
2.5.3 Halbach array. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Wire insulation with heat activated adhesives . . . . . . . . . . . . . .48
2.7 High temperature materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7.1 High temperature ferromagnetic materials . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7.2 High temperature insulating materials and conductors . . . . . . . . . 49
2.8 Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.8.1 Classification of HTS wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.8.2 HTS wires manufactured by American Superconductors . . . . . . . . . . 53
2.8.3 HTS wires manufactured by SuperPower . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.8.4 Bulk superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.9 Nanostructured materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.1 Carbon nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.9.2 Soft magnetic nanocrystalline composites . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.10 Magnetic shape memory materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3 High power density machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3.1 Permanent magnet transverse flux motors . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3.2 Permanent magnet disc type motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
3.3 Permanent magnet motors with concentrated non-overlapping coils  . . . . 77
3.4 Motors for refrigeration compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5 Induction motors with cryogenic cooling system . . . . . . . . . . . . . 79

4 High speed machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
4.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Microturbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
4.3 Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
4.4 Aircraft generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
4.5 High speed multimegawatt generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
4.5.1 Directed energy weapons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
4.5.2 Airborne radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.3 Megawatt airborne generator cooling system . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6 Comparison of cooling techniques for high speed electric machines .. . . 102
4.7 Induction machines with cage rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.8 Induction machines with solid rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5 Other types of novel motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
5.1 Written pole motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2 Piezoelectric motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3 Bearingless motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.4 Slotless motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.5 Coreless stator permanent magnet brushless motors. . . . . . . . . . . . 123
5.5.1 Disc type coreless motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.5.2 Cylindrical type motors with coreless stator winding . . . . . . . . . 126
5.6 Integrated starter generator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
5.7 Integrated electromechanical drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
5.8 Induction motors with copper cage rotor . . . . . . . . . . . . . . . . .131

6 Electric motors for medical and clinical applications . . . . . . . . . . .135
6.1 Electric motors and actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135
6.2 Material requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
6.3 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
6.4 Implanted blood pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140
6.5 Motorized catheters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.6 Plaque excision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.7 Capsule endoscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.8 Minimally invasive surgery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
6.9 Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

7 Generators for portable power applications . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1 Miniature rotary generators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.1.1 Mini generators for soldiers at battlefields and unmanned vehicles . . 157
7.1.2 Coreless stator disc type microgenerators . . . . . . . . . . . . . . .163
7.2 Energy harvesting devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164

8 Superconducting electric machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1 Low speed HTS machines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
8.1.1 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1.2 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.1.3 HTS synchronous motor for ship propulsion rated at 5MW . . . . . . . . 174
8.1.4 Test facility for 5 MW motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.1.5 HTS motor for ship propulsion rated 36.5 MW . . . . . . . . . . . . . .180
8.1.6 Superconducting synchronous generators . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.1.7 Dynamic synchronous condenser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
8.1.8 HTS synchronous generators developed by Siemens . . . . . . . . . . . .185
8.1.9 Japanese HTS machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189
8.1.10 Bulk HTS machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.1.11 HTS synchronous generator built in Russia . . . . . . . . . . . . . . 198
8.1.12 HTS d.c. homopolar generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199
8.2 High speed HTS generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202
8.2.1 First prototype of high speed superconducting generators. . . . . . . .202
8.2.2 Homopolar generators with stationary superconducting winding . . . . . 205
8.2.3 Design of HTS rotors for synchronous generators . . . . . . . . . . . .207
8.3 Market readiness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

9 Naval electric machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
9.1 Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213
9.2 Power train of electric ships. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.3 Propulsion units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .218
9.3.1 Shaft propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.3.2 Azimuth thrusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .219
9.3.3 Pod propulsors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.3.4 Integrated motor-propeller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
9.4 Generators for naval applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
9.5 Electric motors for naval applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.5.1 Large induction motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.5.2 Large wound rotor synchronous motors. . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.5.3 Large PM motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225
9.5.4 Axial flux disc type PM brushless motors. . . . . . . . . . . . . . . .226
9.5.5 Transverse flux motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
9.5.6 IMP motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.5.7 Superconducting motors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234

10 Scenario for nearest future. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
10.1 Computer hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.1.1 Hard disc drive motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235
10.1.2 Cooling fan motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237
10.2 Residential and public applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.2.1 Residential applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238
10.2.2 Public life applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241
10.2.3 Automotive applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.3 Land, sea and air transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242
10.3.1 Hybrid electric and electric vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . 242
10.3.2 Marine propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
10.3.3 Electric aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.4 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271

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