6年前，我從清華大學(xué)電機(jī)系博士畢業(yè)，來到吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院任教，并承擔(dān)了車輛工程專業(yè)卓越工程師班的本科生選修課《電機(jī)與驅(qū)動(dòng)》的教學(xué)工作。隨著混合動(dòng)力汽車及電動(dòng)汽車技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)及其控制系統(tǒng)的基本知識(shí)對(duì)于車輛工程專業(yè)的學(xué)生越來越重要，但車輛工程專業(yè)的學(xué)生一般缺乏電氣工程相關(guān)的基礎(chǔ)，所以起初這門課讓我覺得無從下手。傳統(tǒng)的電機(jī)學(xué)和交流電機(jī)傳動(dòng)這兩門專業(yè)課一般就需要上百學(xué)時(shí)，而這兩門專業(yè)課又是建立在電路原理、電磁場、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)等一系列專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)體系之上的，這一系列復(fù)雜的知識(shí)不可能在短短的32學(xué)時(shí)中講授給學(xué)生。經(jīng)過幾年來與學(xué)生們的交流和我在科研課題中的實(shí)踐體會(huì)，我將這門《電機(jī)與驅(qū)動(dòng)》的教學(xué)思路定位為“抓兩頭”，即重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)電機(jī)系統(tǒng)中“頂層體系”的介紹和電機(jī)系統(tǒng)中“底層物理概念”的介紹。所謂“頂層體系”，就是電機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)框架，讓學(xué)生知道遇到問題后應(yīng)該找哪方面的知識(shí)。例如：混合動(dòng)力汽車建模應(yīng)當(dāng)去找電機(jī)的外特性和效率特性；電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)該去看矢量控制；交流電壓調(diào)制應(yīng)該去看電力電子技術(shù)等。至于這些技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)和很多工程細(xì)節(jié)，則定義為需要課外的進(jìn)一步深化實(shí)踐。所謂“底層物理概念”，則是介紹電機(jī)系統(tǒng)中典型原理的基本物理背景。工程技術(shù)的變革日新月異，不斷有新技術(shù)產(chǎn)生，舊技術(shù)淘汰，但物理概念通常不會(huì)過時(shí)。所以在課程中我愿意更多地強(qiáng)調(diào)工程技術(shù)背后的物理本質(zhì)。例如：電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的物理背景是什么，開關(guān)調(diào)制電壓的本質(zhì)是什么，基本的磁路和電路分析方法是什么，交流電機(jī)中各種復(fù)雜的坐標(biāo)變換的原因又是什么。對(duì)于這樣的教學(xué)思路，很多選課的同學(xué)都給予了高度的肯定，但也表達(dá)了該課程學(xué)習(xí)過程中的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的專業(yè)課程。尤其是該課程知識(shí)面非常廣，且“抓兩頭”的講授體系與電機(jī)的專業(yè)課有明顯的區(qū)別，所以很難找到一本合適的參考書用于該課程的復(fù)習(xí)和拓展。正是在這樣的背景下，我萌生了寫這樣一本教材的想法。 
為了讓本書更貼近汽車系統(tǒng)工程應(yīng)用的實(shí)際，我邀請(qǐng)了中國科學(xué)院電工研究所的范濤副研究員和濰柴動(dòng)力股份有限公司的王宏宇部長與我共同完成本書的撰寫。范濤是我的大學(xué)同學(xué)，大學(xué)畢業(yè)后一直在中國科學(xué)院電工研究所從事車用電機(jī)及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析工作，已有十余年時(shí)間。他在2009年獲得中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位，對(duì)車用電機(jī)理論有著深刻的理解和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，所以承擔(dān)了本書交流電機(jī)基本原理相關(guān)內(nèi)容的撰寫。王宏宇部長在美國汽車行業(yè)工作十余年，曾就職于美國通用汽車公司和德爾福汽車公司。他2011年回到中國，并被評(píng)為國家千人計(jì)劃專家，現(xiàn)任濰柴動(dòng)力新能源系統(tǒng)工程部部長。王宏宇部長從產(chǎn)業(yè)化的角度為本書撰寫了車用電機(jī)測試及標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。本書的成書當(dāng)然也要?dú)w功于我成長道路上各位老師的指點(diǎn)和幫助。我首先要提到的是我在清華大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)的指導(dǎo)老師——邱阿瑞教授，是他打開了我通往電機(jī)及其控制系統(tǒng)領(lǐng)域的大門，讓我次建立電機(jī)模型，次控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，次完整地完成一篇學(xué)術(shù)論文的寫作。其次，我要感謝清華大學(xué)電機(jī)系的諸位老師，他們的辛勤工作為我日后的電機(jī)研究打下了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。我特別要感謝的是威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Robert. D. Lorenz教授。2008年，Lorenz教授接受我作為聯(lián)合培養(yǎng)博士生，在WEMPEC（Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium,威斯康星州電機(jī)和電力電子協(xié)會(huì)）學(xué)習(xí)生活。在WEMPEC的一年時(shí)間里，Lorenz教授的言傳身教對(duì)我影響巨大，讓我終身受益。我還要感謝與Lorenz教授同在WEMPEC的Johns教授和Giri教授，他們所講授的《ECE711�步涣麟姍C(jī)瞬態(tài)與控制》和《ECE412�搽娏﹄娮与娐贰�，讓我對(duì)電機(jī)與電力電子的理解有了大幅度的提升。本書也加入了部分我在這兩門課中的所學(xué)內(nèi)容。當(dāng)然我還要感謝清華大學(xué)、威斯康星大學(xué)和吉林大學(xué)一路走來的同學(xué)、同事以及我的研究生和朋友們，正是與他們的討論、交流才會(huì)有我目前對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的一點(diǎn)理解，正是他們一直以來的幫助，才促成了本書的成稿。感謝我的研究生邢增臻、孫科和李海湘，他們對(duì)本教材的整理和校對(duì)工作做出了重要的貢獻(xiàn)。后，我還要感謝我的父母和妻子，正是他們無微不至的關(guān)懷和陪伴，才讓我能安心努力的工作，完成本書的寫作，他們是這本書大的功臣。 
車用電機(jī)原理及應(yīng)用前言本書首先簡要地介紹了電機(jī)的基本概念及其與汽車相關(guān)的應(yīng)用，接下來的內(nèi)容主要分為四個(gè)部分：部分為2～4章，介紹直流電機(jī)；第二部分為5、6章，介紹電力電子技術(shù)；第三部分為7～12章，介紹交流電機(jī)；后一部分為13章，介紹車用電機(jī)的測試與標(biāo)準(zhǔn)。本書由袁新枚主編，范濤、王宏宇任副主編。參編人員有徐躍、周錦利、王闖、孫科、孫巍、邢增臻、刁慶華、李海湘和張建。其中第7、8章由范濤撰寫，第13章由王宏宇撰寫，第12章中矢量控制的仿真模型是基于中國科學(xué)院電工研究所博士生李鴻揚(yáng)的大量實(shí)驗(yàn)和仿真工作完成的，其余內(nèi)容由本人完成。 
部分的核心內(nèi)容可分為電機(jī)的原理與控制兩方面。在電機(jī)原理方面，著重強(qiáng)調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的基本原理，以及定子、轉(zhuǎn)子、電樞和勵(lì)磁等概念；在控制方面，著重強(qiáng)調(diào)電機(jī)系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)的物理意義及其對(duì)控制的影響，希望使讀者了解基本的電磁及機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的建模方法和電流/轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的基本控制結(jié)構(gòu)與原理。在第4章中選取的汽車系統(tǒng)中的起動(dòng)機(jī)和節(jié)氣門實(shí)例，主要希望使讀者更好地理解以上的電磁/機(jī)械系統(tǒng)建模方法的應(yīng)用。部分的內(nèi)容從某種意義上并非是特別針對(duì)直流電機(jī)的介紹，而是可通用于常見電磁控制系統(tǒng)的。 
第二部分介紹電力電子技術(shù)。在電氣工程中，電力電子技術(shù)是獨(dú)立的教程，相關(guān)內(nèi)容也極為廣泛，僅兩章的內(nèi)容很難觸及電力電子技術(shù)的核心。但電力電子技術(shù)與現(xiàn)代交流電機(jī)的控制不可分割，所以筆者在這部分內(nèi)容中只期望闡述“PWM”和“單極雙擲開關(guān)”兩個(gè)電力電子的基本概念�！癙WM”面向電壓的調(diào)制算法，是矢量控制中的空間矢量PWM（SVPWM）算法的介紹奠定基礎(chǔ)；“單極雙擲開關(guān)”面向電路拓?fù)�，是三相逆變電路的原理和�?shí)現(xiàn)提供基本的理論支撐。 
第三部分介紹交流電機(jī)，這部分內(nèi)容是當(dāng)前電機(jī)控制的熱點(diǎn)。具體到車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，目前多以交流永磁同步電機(jī)為主，所以在該部分內(nèi)容的設(shè)置上也主要集中于交流永磁同步電機(jī)。這部分內(nèi)容本書也有自身的特色，第7章講解了交流電機(jī)的基本概念，包括工作原理、結(jié)構(gòu)及分類。在介紹電機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，引用了作者在長期電機(jī)研發(fā)過程中的大量實(shí)物照片，力圖使讀者更加容易地建立起電機(jī)的形象概念，為第8章講解電機(jī)的模型建立一個(gè)感觀基礎(chǔ)。第8章將對(duì)電機(jī)的感觀認(rèn)識(shí)提升為理性認(rèn)知層面，即電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。從電路和磁路兩個(gè)視角對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模�？紤]到國內(nèi)電機(jī)學(xué)教材在磁路方面介紹的相對(duì)欠缺，而磁路相比電路能更加本質(zhì)地反映電機(jī)內(nèi)部的物理構(gòu)成，在本章中用更多的磁路語言描述電機(jī)原理。同時(shí)，通過有限元仿真的方法使電機(jī)磁場形象化，特別是在電機(jī)學(xué)和電機(jī)控制理論中占有重要地位的“dq軸”概念，使其不再是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)概念，而是一個(gè)實(shí)在的物理存在。以相量模型為基礎(chǔ)，本章還介紹了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性、外特性和效率特性，掌握這些特性對(duì)應(yīng)用電機(jī)大有幫助。第9章利用長達(dá)一章的篇幅推導(dǎo)得到了永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)系下的“dq軸”模型，重點(diǎn)希望讀者看到交流電機(jī)坐標(biāo)變換的思路及“任意”坐標(biāo)系下交流電機(jī)模型的表達(dá)形式，從而能對(duì)“dq軸”模型在第8章的基礎(chǔ)上從控制角度進(jìn)行更為深刻的認(rèn)識(shí)；關(guān)于交流永磁同步電機(jī)矢量控制相關(guān)的算法和電路都匯集于第10章，從該章中可以相對(duì)集中地獲得實(shí)際車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理；第11章介紹了感應(yīng)電機(jī)的建模與控制，對(duì)于磁場定向控制，感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)沒有本質(zhì)區(qū)別，所以該章相比傳統(tǒng)電機(jī)專業(yè)教材中對(duì)感應(yīng)電機(jī)大篇幅的介紹，內(nèi)容是相對(duì)簡略的。第12章中給出了兩個(gè)交流電機(jī)的實(shí)例，個(gè)模型詳細(xì)描述了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交流永磁同步電機(jī)模型及其矢量控制算法，該模型可以直接應(yīng)用于實(shí)際矢量控制算法開發(fā)；第二個(gè)電機(jī)模型是從能量角度出發(fā)對(duì)電機(jī)外特性的建模，這種建模方法也是實(shí)際在電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)開發(fā)中經(jīng)常使用的。 
第四部分內(nèi)容面向車用電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化，介紹車用電機(jī)的測試方法與標(biāo)準(zhǔn)。由于相關(guān)內(nèi)容更新較快，且不同國家體系標(biāo)準(zhǔn)也存在著一定差異，所以該部分內(nèi)容旨在起到一個(gè)索引的作用，使讀者在需要面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)，可以方便快速地找到所需的電機(jī)測試要求及標(biāo)準(zhǔn)。 
本書的使用不僅局限于車輛工程專業(yè)，對(duì)其他專業(yè)了解電機(jī)及其控制系統(tǒng)同樣是適用的，所以它既可以作為本科高年級(jí)及研究生的課程教材，也可以作為電氣工程專業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域工程師的參考書。 
由于時(shí)間有限，書中內(nèi)容難免有不當(dāng)之處，敬請(qǐng)有關(guān)專家和各位讀者給予批評(píng)指正。 
袁新枚2016年2月長春