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》的教學(xué)工作。隨著混合動力汽車及電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，電機(jī)及其控制系統(tǒng)的基本知識對于車輛工程專業(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、自動控制原理、電力電子技術(shù)等一系列專業(yè)基礎(chǔ)知識體系之上的，這一系列復(fù)雜的知識不可能在短短的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，我將這門《電機(jī)與驅(qū)動》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)的知識框架，讓學(xué)生知道遇到問題后應(yīng)該找哪方面的知識。例如：混合動力汽車建模應(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，我邀請了中國科學(xué)院電工研究所的范濤副研究員和濰柴動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，并被評為國家千人計(jì)劃專家，現(xiàn)任濰柴動力新能源系統(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）學(xué)習(xí)生活。在WEMPEC的一年時(shí)間里，Lorenz教授的言傳身教對我影響巨大，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、交流才會有我目前對電機(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，他們對本教材的整理和校對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)的物理意義及其對控制的影響，希望使讀者了解基本的電磁及機(jī)械運(yùn)動系統(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章將對電機(jī)的感觀認(rèn)識提升為理性認(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“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；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，從該章中可以相對集中地獲得實(shí)際車用驅(qū)動電機(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)教材中對感應(yīng)電機(jī)大篇幅的介紹，內(nèi)容是相對簡略的。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)對電機(jī)外特性的建模，這種建模方法也是實(shí)際在電動汽車及混合動力汽車系統(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，敬請有關(guān)專家和各位讀者給予批評指正。 
袁新枚2016年2月長春