电机设计论文

第一篇：电机设计论文

12电机设计论文_电动机论文

一、选题的依据及意义

现在社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产、输送和使用等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。电机在国家经济建设，节约能源、环保和人民生中起着十分重要的作用。发电机主要用于移动电源、风力发电、小型发电设备中；电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，电动机主要用于驱动水泵、风机、机床、压缩机、冶金、石化、纺织、食品、造纸、建筑、矿山等机械产品上。随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电气化与自动化水平不断提高，国民经济各部门对异步电动机的需求量日益增加，对其性能，质量，技术经济指标也相应地提出了越来越高的要求。因此，对异步电动机品种，必须适时实地做出更新与发展，以适应各个新兴工业领域不同的特殊要求，特别是对需求量最大的中小型异步电动机，在保证其质量运行，寿命长和能满足使用要求的同时，进一步节约铜、铁等材料，提高效率和功率因数，以提高其经济技术指标与降低耗电量，是具有十分重要的意义。由于Y系列异步电动机具有体积小，重量轻，运行可靠，结构坚固耐用，外形美观等特点，具有较高的效率，有良好的节能效果，而且噪音低，寿命长，经久耐用。作为普遍用于拖动各种机械的动力设备，其用电量在总的电网的总的负荷中占有重要的一席。Y系列共有两个基本系列、十六个派生系列、九百多个规格，能满足国民经济各部门的不同需要。所以设计研究三相异步电动机意义重大。国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

1、现状

国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且也考虑电机制造成本的降低等国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业技术创新能力较弱

2、电机行业发展趋势 1）企业在改造中求发展

企业要自己选准位置，立足生求，真抓实干，稳步发展。我国中小电机生产销售受各种因素的影响，变化幅度比较大，企业要看准改革市场，并重点地去占领他，发挥企业自身的优势，例如，目前的稀土永磁电机，大量用于风机、水泵、1 机床、压缩机、城市交通及工矿电动车辆等变频调速装置，预测会有较大的发展前途。2）发展派生、专用系列电机

我们要开拓多用途、多品种派生和符合国外先进标准的电机产品。随着社会的不断前进，科技水平的不断提高，电机行业的不断发展，市场需求会不断变化，电机产品的外延和内涵也不断拓展，电机产品配套面广，它广泛地应用于能源、交通、石油、化工、冶金、矿山、建筑等各个领域，并且电机的通用性逐步向专用性方面发展，打破了过去同一类电机同时用于不性质、不同场合的局面。电机产品正向着专业性、特殊性、个性化方面发展，这也是国外企业发展的最新观点与动向。3）电机要高效、节能

我国中小型电机作为各种机械设备的动力源，其耗电总量已占全国发电量的70%左右。因此，发展中国高效电机，推广节能产品，是响应国家节能政策、实现节能降耗的重要举措。

在产品开发中，以前的科学院所、企业在产品设计采用了许多办法，如采用降低起动力矩、电容补偿、阻尼槽方法来节约电能，但这些都是在频率不变的条件下来实现的。自从有了逆变器后，电源的变频变压变的更加容易，从而可以调节异步电机在最佳工作点上运行，保证出力不变的情况下，可用最大效率和功率因数代替额定效率和额定功率因数，减小了电机尺寸，减轻了电机重量，降低了成本，提高了企业经济效益和社会效益。

4)机电一体化、智能化 随着科学技术的发展，机电一体化技术得到长足发展，同时，各种高新技术也为电机产品注入了新的活力，制造工艺和管理信息化技术通过微电子、计算机、网络技术的应用，国家政策的鼓励、各企业对科技的重视，使新产品开发的周期逐渐缩短，机电一体化、智能化电机（如交流变频调速电机是一种无级调速传动系统）应运而生，调速制造、虚拟制造等先进制造技术推广应用。我国的电机的技术性能水平与发达国家的水平相当。

2、发展趋势

随着国家宏观经济的调整以及市场需求的推动，二十世纪中小型电机的品种将得到更大的发展，尤其是对于发展高效率电机、高品位的出口电机和机电一体化的交流变频电机将会给予特别的重视，而一些新颖的电机，如永磁电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等，将进一步完善。同时，随着CAD技术、数控机床、专用加工设备、冷轧矽钢片、F级、H级绝缘材料等新技术、新材料的推广，电 2 机行业的生产方式也将出现新的重大的变化。电机的技术发展动向是向小型化、薄型化、轻量化、无刷化、智能化、静音化、高效化、节能化、环保化、可靠化、精密化、组合化，电机采用新型磁性、导电、绝缘材料。

二、本课题研究内容 本课题主要是研究设计Y802-4三相鼠笼式异步电动机---设计计算.首先根据给定的功率，功率因数，相数，频率及额定相电压确定异步发电机的主要规格。

本课题的主要计算过程如下： 1.额定数据及主要尺寸计算 2.磁路计算 3.参数计算 4.起动计算

根据Y802-4三相鼠笼式异步电动机各性能指标：效率?，功率因数cos?，TSTISTTmax 最大转矩倍数 TN，起动转矩倍数 TN，起动电流倍数 IN 计算出各个参数。

三、本课题研究方案

本课题的研究方案是根据设计任务书并结合所选机型的各参数指标进行复算，通过方案比较，确定电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定材料，并核算其电磁性能。最终算计出符合国家有关标准和技术要求的电机参数； 利用计算机进行辅助设计，提高功率因数，提高效率，提高电动机的工作能，节省制造材料。

四、研究目标、主要特色及工作进度

1.研究目标：在原复算方案的基础上既节省材料，又提高性能；将不同方案进行比较，以求得最佳结果。

2、主要特色

进行发电机的电磁设计时，先釆用手算的方法，使各项性能指标都满足。后釆用计算机编程的方法进行计算，得出最优方案。

3、工作进度 3

六、参考文献 [1] 陈世坤 电机设计［M］ 机械工业出版社 2000 [2] 李发海 电机学［M］ 科学出版社 1995 [3] 三相异步电动机设计、原理与试验 沈阳机电学院 [3] 张跃峰 AUTOCAD2004 入门与提高 清华大学出版社 4 目 录 摘

要........................................................................................................................I ABSTRACT..................................................................................................................II 前

言..........................................................................................................................1 第1章 概

述................................................................................................................2 1.1我国电机制造工业发展近况与发展趋势..........................................................2 1.2 电机的分类..........................................................................................................2 1.3三相异步电动机的结构和用途..........................................................................3 1.3.1异步电动机结构............................................................................................3 1.3.2异步电动机用途............................................................................................4 1.4三相异步电动机的基本工作原理和运行特性..................................................5 1.4.1 基本工作原理...............................................................................................5 1.4.2三相异步电动机的工作特性........................................................................5 1.5 三相异步电动机的起动与调速..........................................................................6 1.5.1三相异步电动机的起动................................................................................6 1.5.2三相异步电动机的调速................................................................................7 1.6 感应电动机的主要性能指标和额定参数........................................................8 1.7电机节能..............................................................................................................8 第2章 三相鼠笼式异步电动机的设计方法............................................................10 2.1 电磁负荷的选择与匹配....................................................................................10 2.1.1电磁负荷对电机性能和经济性的影响......................................................10 2.1.2 电磁负荷的选择.........................................................................................10 2.1.3 电荷负荷的匹配.........................................................................................11 2.2 主要尺寸、气隙长度的选取及绕组型式的选择............................................11 2.2.1主要尺寸的选择..........................................................................................11 2.2.2 气隙长度的选取及确定.............................................................................12 2.2.3铁心尺寸......................................................................................................12 2.2.4定子绕组形式和节距的选择......................................................................13 2.3 笼型转子的尺寸设计........................................................................................14 2.3.1 转子槽数选择及定转子槽配合问题.........................................................14 12电机设计论文_电动机论文 2.3.2 转子槽形的选择和槽形尺寸的确定.........................................................15 第3章 三相鼠笼式电动机电磁设计与方案调整....................................................17 3.1鼠笼式电动机电磁方案的设计........................................................................17 3.2电机调整方案....................................................................................................37 3.3 方案结果分析....................................................................................................40 3.4 提高电机工作性能的一些措施........................................................................41 第4章 计算机辅助工具在电机设计的应用............................................................43 结束语..........................................................................................................................45 致 谢.........................................................................................错误！未定义书签。参考文献......................................................................................................................45 Y802-4 0.75 kW三相鼠笼式异步电动机设计 摘 要

本文介绍了Y系列三相鼠笼异步电动机的设计方法,文章首先从异步电机的基本理论及工作特性着手，简单介绍了异步电机的发展近况、基本特性、类型、结构、用途、技术指标、工作原理及运行特性等，为电机设计的做好必要的理论准备。电机设计是个复杂的过程，因此需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。同时本文也详细阐述了三相鼠笼异步电动机的设计改进调整方案，以及计算机辅助工具的应用，这给电机设计和优化带来了新的契机。

关键词 :三相异步电动机；设计；电磁路参数；工作性能；优化方案 Y802-4 0.75KW Three-phase Squirrel-cage Induction Motor Design Abstract In this paper, Y series three-phase squirrel-cage induction motor design method, the article first of all, from the basic theory of induction motor characteristics and the work to proceed, briefly introduced the latest development of the induction motor, the basic characteristics, type, structure, purpose, technical indicators, the working principle and operation characteristics, designed for the motor to make the necessary preparations for the theory.Electrical design is a complex process and therefore need to take into consideration to determine a lot of size and data.At the same time, this article also detailed three-phase squirrel-cage induction motor to improve the design of adjustment programs, as well as the application of computer-aided tools, this motor design and optimization to bring a new opportunity.Keyword: Three-phase asynchronous motor;design;electromagnetic parameters;performance;optimization program 前 言

现在社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产、输送和使用等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。中小型电机行业是机械工业的重要组成部分，在国民经济中起着举足轻重的作用。发电机主要用于移动电源、风力发电、小型发电设备中；三相异步电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，例如，在工业方面，它被广泛用于拖动各种机床。水泵、压缩机、搅拌机、起重机械等。在农业方面，他被广泛用于拖动排灌机械、脱粒机及各种农产品的加工机械。在家用电器和医疗器械和国防设施中，异步电动机也应用十分广泛，作为拖动各种机械的动力设备。随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电气化与自动化水平不断提高，国民经济各部门对异步三相异步电动机的需求量日益增加，对其性能，质量，技术经济指标也相应地提出了越来越高的要求。因此，对三相异步电动机性能提出了许多新的更新的要求，必须适时实地做出更新与发展，以适应各个新兴工业领域不同的特殊要求，特别是对需求量最大的中小型三相异步电动机，在保证其质量运行，寿命长和能满足使用要求的同时，进一步节约铜、铁等材料，提高效率和功率因数，以提高其经济技术指标与降低耗电。三相异步电动机已有近20年多年的研制开发、设计和生产史。尤其近些年来,随着研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善，如集成化技术、智能化技术、网络化技术、虚拟技术等，设计出 ―更快、更精、更净‖的产品。第1章 概 述

1.1我国电机制造工业发展近况与发展趋势

电动机制造是我国机械工业中较大的行业之一，它既是关系到各行各业自动化的重要基础产品，又是与人类生活密切相关的面广量大、品种繁多的通用产品。电动机是把电能转变为机械能的主要执行部件，国内60%～70%的发电量被电机所消耗。因此，电机产品的品种、数量和质量各种性能水平的提高和发展，都会直接影响国民经济各部门成套设备的发展水平。

20世纪40年代以前，我国电机制造工业极端落后。50年代以仿制国外产品为主，60年代起走上自行设计的道路。在此之前只能生产一般中小型电机，而且批量小，品种单一。我国所生产的电动机大多是六十年代发展的产品, 部分是七、八十年代引进的国外移植产品,与国外同行业相比, 其技术水平、产品质量、结构工艺、制造能力、自动化程度等均偏低,仍有不小的差距。

解放五十多年来，国内的电机制造业通过广大工程技术人员的不懈努力，在非常落后的基础上逐步建立起较为完整的电机制造工业体系，无论是在发展品种、提高产品质量方面，还是在数量方面，都取得了世人瞩目的成绩，为工业的发展和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。我国已能独立自主地生产各种中小型电机，国内产品已经发展到100 多个系列，500多个品种，年生产能力达到5500万kW以上，基本上满足了社会各个方面对电机产品的需求。

随着电机理论的不断完善，高新技术的快速发展，可以预言：未来的电机产品将朝着高性能化、智能化、微型化和网络化的方向发展。1.2 电机的分类

电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。电机在国民经济各个领域得到广泛应用。需要的电机的种类各不相同，性能各异。电机的分类方法也用很多，故电机的种类也有很多。

1）按工作电源分类： 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。2）按结构及工作原理分类： 根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。12电机设计论文_电动机论文

3)按转子的结构分类： 根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。

4)按用途分类： 可分为驱动用电动机和控制用电动机。

我国目前生产的三相异步电动机月100个系列额，500多个品种，500多个规格。按电机尺寸分成大、中、小型。

大型：中心高H > 0.63m,定子铁心外径Di > 1m,功率范围在400KW以上，电压为300 V和600 V。

中型：中心高H =(0.355——0.63)m,定子铁心外径Di =（0.5——1.0）m,功率范围在（45——1250）KW以上，电压为380 V和3000 V和6000 V。

小型：中心高H =(0.08——0.315)m,定子铁心外径Di =（0.12——0.5）m,功率范围在（0.55——132）KW以上，电压为380 V。Y（IP44）系列的中心高H =(0.08——0.28)m,定子铁心外径Di =（0.12——0.445）m，共11个机座，功率范围为（0.55——90）KW，电压380V。1.3三相异步电动机的结构和用途 1.3.1异步电动机结构

（1）固定部分有定子绕组、定子铁心、机壳、端盖、风罩。

定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电产生旋转磁场的绕组。由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子铁心是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。通常是用轧成厚0.5或0.35毫米的硅钢片叠成的（如图1）。机壳是用来支撑定子铁心和电动机端盖。端盖是用来支撑电动机的转动部分（一般指转子）。风罩保护风叶同时又起到通风的风路作用。图1 定子铁心

（2）转动部分有转子铁心、转子鼠笼、转轴、起动开关、轴承、风叶。转子铁心是整个电动机磁路的一部分，一般使用硅钢片DR510-50，DR280-35。转子鼠笼起转子绕组的作用转子的导条均由鼠笼的端环所短路，形成一个多相的电路（如图2）。鼠笼的材料一般采用高纯铝L01～L05。转轴是作为支撑转子铁心和传递力矩最不可缺少的结构部分。轴承主要是连接转动部分与不动部分。风叶主要是冷却电动机。图2 鼠笼转子（3）其他部分有出线盒、铭牌、起动或工作电容器。（4）三相异步电动机的总结构图 图3 封闭式三相笼型异步电动机结构图

1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心； 7—转子；

8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇 1.3.2异步电动机用途

对于小型异步电动机来说，用途是十分广泛的，常作为各类机械中的主要动力元件。Y系列小型异步电动机根据需要，既可以用于正常的工作环境，又可在潮湿、多尘、湿热、多霉和日晒雨淋、严寒酷暑，冲击波动，有爆炸危险和腐蚀性环境中使用，既可恒速传动，又可变速传动。这类电机既可连续工作，有可断续工作。因此广泛用于各种机床，风机，水泵，压缩机和传输机，农业食品加工 等各类机械设备。

1.4三相异步电动机的基本工作原理和运行特性 1.4.1 基本工作原理

电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全 电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。如 右图4是三相交流异步电动机转子转动的原理图(图中只示出两根导条)，当磁极沿顺时针方向旋 转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出 电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运 动是相对的，假如磁极不动，转子导 条 沿逆时针

方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：

定子绕组通入三相交流电流?产生旋转磁场?切割转子绕组? 转子绕组产生感应电势?转子中产生感应电流?转子电流与磁场作用?产生电磁转矩?运行。

1.4.2三相异步电动机的工作特性

异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。1转差率特性 ○ 通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率，用s表示。关于转差率的定义如下：当电机的定子绕组接电源时，站在

s?定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：n1?n；n1 如果两者转向相反，则：s?n1?n。式中的n1、n都理解为转速的绝对值s是n1 一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。2转矩特性 ○

异步电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。3电流特性 ○

空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。4效率特性 ○

其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。5功率因数特性 ○

空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。1.5 三相异步电动机的起动与调速 1.5.1三相异步电动机的起动（1）直接起动

直接起动是用闸刀开关或接触器把电机的定子绕组直接接到具有额定电压的电源上。是一种最简单而应用广泛的起动方法。1）优点：无需附加起动设备，操作方便；

2)缺点：起动电流大，起动转矩小，须足够大的电源； 3)适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。（2）降压起动

用降低电机端电压的方法限制制动起动电流，待电机转速接近正常转速后，再将端电压升高到额定电压。如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。1)Y-Δ降压起动 2)自耦变压器降压起动 3)电阻降压或电抗降压起动 4)延边三角形降压起动（3）软起动

软起动就是在电动机(鼠笼式)定子回路串入有限流作用的电力器件来实现电机的起动。通过这种方法降低起动电流。软起动是采用软件控制方式来平滑起动电动机，一方面在控制方式上以软件控制强电，另一方面在控制结果上将电动机的起动特性由―硬‖平滑变为―软‖。软起动过程中产生高次谐波，对周边环境要求比较高，同时起动设备投资非常大；但它起动时无冲击电流，可保持平滑起动，并且可根据负载情况实现自由无级的起动。软起动方式：○1 液阻式软起动 ○2 磁控式软起动 ○3 智能式软起动。

1.5.2三相异步电动机的调速

三相异步电动机转速公式为： n?60f1?1?s? p 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。异步电动机的调速主要有三种方法.1、变极调速 n1?60f1，异步电动机正常运行时，转子转速n略低于n1，所以，一旦p p改变，n1改变，n也随着改变。1）Y→YY 变极调速 属于恒转矩调速方式 2）Δ→YY变极调速 属于恒功率调速方式

2、变频调速 异步电动机的转速：n?60f1?1?s?。当转差率S变化不大时，n近似正p 比于频率f1，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。常用的异步电动机变频调速控制方式通常有两种，即恒转矩变频调速和恒功率变频调速。

（1）恒转矩变频调速。电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转，T?TTeNTeN矩调速时，有。

（2）恒功率变频调速。电机变频调速前后它的电磁功率相等，即 ''。Pem?TTem?1?TTem?1 12电机设计论文_电动机论文

3、转子回路串电阻调速

转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。串电阻前后保持转子电流不变，则有： R2R2?R?，cos?2?cos?2N ?SNS 电磁转矩为： Tem?CM?mI2cos?2，保持不变，即属于恒转矩调速。1.6 感应电动机的主要性能指标和额定参数 感应电动机的主要性能指标、基准值和额定参数。1.7电机节能

电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。中小型三相异步电动机是电力机械的最主要的原动机。目前中国电动机消耗的电量约占全国用电量的60％，而中小型电动机占到全国电动机功率的75％，若把中小型电动机的效率平均提高一个百分点，一年可节电20多亿kWh。由此可见，电动机的节能潜力巨大，提高中小型电动机的能源效率是工业终端设备节能的一个重要方面。一般采取的节能措施如下：

1、选用节能电动机 Y系列三相异步电动机是全国统一设计的新系列小型鼠笼转子电动机。Y系列电动机效率较高，全系列加权平均效率为88.27%，比J02系列高0.41%,起动转矩比J02系列平均提高30%，因此有利于用户既满 足对起动转矩要求高而又

可选用容量较小的电动机。这有利于提高节电效果。

2、合理选择电动机容

一般电动机负载的系数在0.5-1范围内为高效区。电动机容量要根据生产机械需要的功率来决定。但实际中往往会出现―大马拉小车‖的现象，由于容量选择不合理，使电动机经常处于轻载状态，致使功率因数降低，增加线路损耗。所以要根据不同负载合理选择电动机。

3、异步电动机采取调速节电

目前，风机与泵类设备常用调节阀门或挡板开启度的方法来调节流量，电能浪费很大。而用电动机调速来调节流量，可使风机、泵长期在高效率状态运行，节电可达30%-60%a。表1列出异步电动机几种常用的调速方式及特点。在工农业生产中可根据电机、场地、调速要求等情况选择调速方案。对于不同的负载类型选用不同类型的电动机，可以获得良好的节电效果。

(1)可变转矩型异步电动机。其最大转矩和额定转矩都和转速成正比，故低速时最大转矩和额定转矩都只有高速时的一半(倍极比电动机)，而额定功率只有高速额定功率的1/4。这类电动机适合泵、风机使用，因它的特性基本上与负载特性配合。接线方式是低速时为串联Y,高速时为并联Y。

(2)恒转矩型异步电动机。其最大转矩和额定转矩近似地保持不变，额定功率正比于转速。这类电动机适合传送带、压缩机和机床进给机构使用接线方式是:低速时为串联0,高速时为并联Y(3)恒功率型异步电动机。其最大转矩和额定转矩反比于转速。这类电动机适合于金属切削机床、卷扬机等。接线方式是:低速时为并联Y,高速时为串联△。

第2章 三相鼠笼式异步电动机的设计方法 2.1 电磁负荷的选择与匹配

2.1.1电磁负荷对电机性能和经济性的影响

/由于正常电机中系数?p、KNM、与Kdp实际上变化不大，因此在计算功率P/ 与转速n一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷A、B?。电磁负荷越高，电机尺寸将越小，重量越轻，成本也越低。这就是在一般可能情况下，一般希望选取较高电磁负荷和B?的原因。但电磁负荷选取与众多因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量，而且对电机参数、起动和运行性能、可靠性都有重要影响。（1）线负荷A较高，气隙磁密B?不变 1 电机体积和尺寸的减小，可节约钢铁材料 ○ 2 B?一定时，由于铁心重量减小，铁耗随之减小 ○ 3 绕组用铜量增加 ○ 增大了电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高 ○ 5 影响电机参数和电机特性 ○（2）气隙磁密B?高，线负荷A不变 电机体积和尺寸的减小，可节约钢铁材料 ○ 2 电枢基本铁耗增大 ○ 气隙磁位降和磁路饱和程度增大 ○ 4 影响电机参数和电机特性 ○ 2.1.2 电磁负荷的选择

电磁负荷与预防护等级、冷却方式、转子结构、绝缘等级及电压有直接关系。决定电磁负荷时。对于小型电机而言，各种产品之间磁密的波动范围不大。只是对于断续运行电机或者最大转矩要求高、功率数允许略低的产品，磁密可以略高。但电密及热负荷AJ1波动较大。当磁密及J1选定后，根据电磁负荷的匹配关系，求取转子电密及调整定子齿部、轭部的磁密，电磁负荷选得高，就节省材料，但它受效率?,cos?及温升约束，不能选得过高。在推荐的范围内： A 随功率增加而增加，减少A可提高过载能力； ○ 2 B? 随极数增加面增加，降低B?可提高cos?； ○ J1 则随功率增加而减小，随散热能力提高而提高。同时绕线转子的J1要比○

笼型转子的J1选低5%——10%；断续运行的可比连续的选的高些。2.1.3 电荷负荷的匹配

电磁负荷的匹配直接影响电机的温升（定子绕阻温升），尽管随着电机类型不同，温度场分而亦不同，但仍有一个共同的规律。就散热而言，转子热量有很大一部分要先传给定子，再经机座或通风道，与定子热量汇集在一起传给周围介质。

对于Y系列电机而言，磁负荷亦应遵循类似的规则，转子部分损耗很小，转子部分磁密只要在推荐范围内选取，其损耗可忽略不计。电机总的铁耗可以以为仅由定子齿部铁耗及定子轭部铁耗两部分构成。当铁心尺寸确定后，铁耗随磁密的增加而增加。对于4极电机而言，齿、轭磁密相近时，由于轭部体积较大，其铁耗常常是齿部好几倍。所以设计人员常将轭部磁密选项得较低，齿部选得较高，这从计算结果看是合适的，但在散热途径中齿部的散热不如轭部；同时，齿部磁密偏高，这会使其脉振损耗显著增加，这些从计算结果很难察觉，但却往往导致温升增高，因此齿部磁密不宜偏高。

2.2 主要尺寸、气隙长度的选取及绕组型式的选择 2.2.1主要尺寸的选择

设计的主要任务是确定电动机的主要尺寸，选择定转子磁路结构，设计定转子冲片和选择绕组数据，然后利用有关公式对初始设计方案进行较核，调整电动机的某些设计参数，直至电动机的电磁设计方案符合技术经济指标求。

三相鼠笼异步电动机的主要尺寸包括定子内径Di1和电枢计算长度lef 6.11P'P' 决定电机主要尺寸的基本关系式：Dl?'.?CAABnnapKNmKdp1?2i1ef 其中感应电动机的计算功率P/为：P'?m1E1I1 由于感应电动机额定功率为：PN?m1UN?I1?cos? 比较上两式，则有P'?E1iPN UN??.cos? 在生产实际中，设计感应电机时往往只需参考已经制定的同类型、相近规格电机的尺寸。一般来说，三相异步电动机的设计可有如下两种情况：(1)直接利用某特定的定子冲片，以提高电动机定子冲片的通用性和缩短电动机的研制周期。在此情况下，由给定的定子冲片，即可知道定子冲片内径，再由电动机的功率和电机常数选取电枢计算长度。

(2)在给定电动机的性能指标，而无其他限制。此时根据预估的电磁负荷，有电动机的功率和转速可选定电动机的Di21Lef，然后凭经验选取一定的主要尺寸比Lef ?1，得出电机的主要尺寸。2.2.2 气隙长度的选取及确定

气隙?的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。异步电动机的气隙长度是影响制造成本和性能的重要设计参数，它的取值范围很宽，选得小，可使励磁电流降低而提高功率因数，但槽漏抗也随之增加，使起动转矩、最大转矩降低。过小的气隙也容易招致定、转子相擦。但若选得大，则情况刚好相反。在异步电动机设计选取气隙时，需考虑多种影响。

从电抗去磁能力考虑，较小的?对提高抗去磁能力有利，但由于制造和装配工艺的限制，气隙不能取的太小。与材料有关，较小时，抗去磁能力相对较差?宜取小些。极数是选取? 值需考虑的重要因数。2.2.3铁心尺寸 铁心的尺寸指定子铁心外径、内径、转子铁心内径及铁心长。铁芯冲片一般由相互绝缘的0.5mm厚硅钢片冲成，冲片内圈有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕线。当冷却方式、工作制不同时，可参考下列关系选取铁心尺寸。

自冷式（不带内、外风扇）电机，当上列其他特征与自扇冷（IC0104）产品的相同时，若维持相同的输出功率，应选比后者高2——3个功率等级的电机铁心尺寸。

断续运行（以S3、FC=40%工作制为代表）电机，当上列其他特征均与连续

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运行的相同，并维持相同的功率时，可选取比连续的低约1个功率等级的铁心尺寸。若为工作制时，FC分别为15%、25%、60%，则应分别在40%的基础上乘以1.4、1.19及0.845，即为在同一铁心下分别对应的输出功率。若维持功率不变，可据此近似地推算出铁心尺寸。2.2.4定子绕组形式和节距的选择

绕组的形式，连同其结构参数对电机的所有电气性能均产生不同程度的影响。不同的形式的绕组按照各自的特性有不同的适用范围。

1、单层链式绕组

优点：○1 槽内无层间绝缘，槽利用率高，散热好； ○2 同一槽内的导线都属于同一相，在槽内不会发生相间击穿。3 线圈总数比双层少一半，嵌线比较方便，节约嵌线工时； ○ 缺点：○1 不易做成短距，磁势波形比双层绕组差； 2 电机导线较粗时，绕组嵌放和端部的整形比较困难； ○

图 5 24槽 节距1—6 单层链式

通过改善磁动势波形是使气隙磁动势分布接近正弦波，即其谐波含量减少了，由此带来的效果是附加损耗，电磁噪声减小了；T-S曲线与的形状也改善了，即减少了附加转矩，提高了起动过程的最小转矩；提高绕阻系数则意味着使Bg下降，cos? 及效率都得到提高，或者保持Bg不变，适当减少匝数，或者缩短 铁心，即收到节铜或硅钢片的效果。

2.3 笼型转子的尺寸设计 2.3.1 转子槽数选择及定转子槽配合问题 笼型转子感应电机在选取转子槽数时，必须与定子槽数有恰当的配合。如果配合不当，会使电机性能恶化。下面就槽配合对附加损耗、附加转矩、振动与噪声等的影响作扼要的介绍。（1）槽配合对附加损耗的影响 感应电机的附加损耗主要由气隙谐波磁通引起。这些谐波磁通在定转子铁心中产生高频损耗（表面损耗和齿部脉振损耗），在笼型转子中产生高频电流损耗。其中以定、转子齿谐波的作用最为显著。

当定、转子槽数相等时，定子齿谐波磁通不会在转子中产生高频电流损耗。当定、转子槽数很接近时，转子齿中由定子齿谐波磁通引起的脉振较小，脉振损耗也就较小。同理，定子齿中由转子齿谐波磁通引起的脉振损耗也较小。（2）槽配合对异步附加转矩的影响

异步附加转矩是某一极对数的定子谐波磁场与由它感应于转子中的电流所建立的同一极对数的谐波磁场相互作用而产生的。这两个磁场之间有直接的依赖关系。定子?次谐波磁势产生的异步附加转矩最大值与基波磁势产生的起动转矩之比： Tvmax Tst 1Xm?K2vKskv???。'?2vR2KK?21sk1? 2（3）槽配合对同步附加转矩的影响

如果定子某一个谐波磁场感应于转子中的电流所建立的某一谐波磁场的极对数，等于另一个定子谐波磁场的极对数，则在某一转速下，这两个极对数相等的定转子磁场可以在空间上同步旋转而相对静止，因此它们相互作用而产生一个象同步电机一样的转矩，称为同步附加转矩。同步附加转矩迭加在电动机的异步转矩上，使电机的转矩特性曲线发生畸变，影响电机的起动性能。其中，由定子齿谐波磁场和转子齿谐波磁场所构成的附加同步转矩最严重。（4）槽配合对振动和噪声的影响 当槽配合符合下列条件时，定、转子齿谐波磁场将引起电机振动和噪声： Z1?Z1?i ? ??i?1,2,3......? Z2=Z1?2p?i? 同样，定、转子相带谐波磁场与转子一阶齿谐波引起振动和噪声的条件为： Z1?2pm1k1? ??k1?0,i?1,2,3......? Z2=2pm1k1?i?（5）感应电机定、转子槽配合的选择

定、转子槽配合对感应电机附加损耗、附加转矩、振动和噪声等影响很大。通常在选择槽配合时主要考虑下列原则： 1）为了减小附加损耗，应采取少槽近槽配合

2）为了避免在起动过程中产生较强的异步附加转矩，应使

z2?1.25?z1?p?。3）为了避免在起动过程中，产生较强的同步附加转矩、振动和噪声，应避免采用下表1第4项所列的槽配合。表1 2.3.2 转子槽形的选择和槽形尺寸的确定

（1）转子槽形 感应电动机笼型转子槽型种类很多。如下图6 图 6 感应电动机笼型转子常用槽型

a）、b）平行齿 c）、d）平行槽e）凸形槽f）刀型槽 g）、h)闭口槽i）双笼转子槽j）梯形槽（2）转子槽形尺寸的确定

转子槽形尺寸对电动机的一系列性能参数如：起动电流、起动转矩、最大转矩、起动过程中的转矩（即T-s曲线的形状）、转差率、转子铜耗、功率因数、效率和温升等有相当打的影响。其中起动转矩、起动电流、最大转矩和转差率与转子槽型尺寸的关系最为密切。此外还要重点考虑起动性能的要求；估算转子导条电流；初步给定导条电流密度；计算导条截面积；由导条截面积、槽形以及转子齿、轭部磁密，确定转子槽具体尺寸，槽口部分主要由工艺确定。（3）端环的设计

转子端环的设计与转子槽的设计相类似，在保证是够起动转力的前提下应尽使端环原型小一点，以节约铝材料和提高电动机的品质因数。1）类似槽形尺寸确定

2）为利于散热，电流密度低于导条电密 图 7 端环设计尺寸图 第3章 三相鼠笼式电动机电磁设计与方案调整 本章详细阐述Y90S—4 0.75 kW异步电动机的设计，该电机为一般用途的鼠笼式全封闭自扇冷式三相异步电动机，定子绕组为铜线，绝缘等级为B级，其基本结构防护要求达到国家电工委员会外壳防护等级IP44的要求。满足国内标准，向某些国际表准及某些发达国家标准靠拢，贯彻―三化‖——标准化、系列化及通用化的要求。3.1鼠笼式电动机电磁方案的设计

一、额定数据及主要尺寸 1．输出功率P2 P2=0.75kW 2．外施相电压U1 U1=220V 3．功电流IKW I? P2?1030.75?103 KW m=1?U1 3?220=1.1363636A 4．效率?? ??=0.77 5．功率因数cos?? cos??=0.763 6．极数p p=4 7．定子槽数Q1 Q1=24 转子槽数Q2 Q2=22 8．定子每极槽数 QP1? Q1p=24 4=6 转子每极槽数 QQ222P2? p=4 =5.5 9．定、转子冲片尺寸见右图8，图9 单位（mm）图 8 定子冲片尺寸 P2=0.75 kW U1=220 V IKW=1.13636A ??=0.77 cos??=0.763 p=4 Q1=24 Q2=22 QP1=6 QP2=5.5 图 9 转子尺寸

12电机设计论文_电动机论文 10．极距?P ?P? ??Di1= ??75 p 4 =58.9049 11．定子齿距t1 t1??75 1? ??DiQ= =9.8175 1 24 12．转子齿距t2 t??D22? = ??74.5 Q2 22 =10.6385 13．节距y y=5 14．转子斜槽宽bSK bSK=9.8175 15．每槽导体数16．每相串联导体数 ZQ1?Z1Z?1? ?1 m=24?103

Z1 Z1=103 1?a1 3?1=824 式中：

a1=1 17．绕组线规（估算）式中： 导线并绕根数·截面积 N?? I?1 1?S1? N?? 1?S1（mm22）a 1??1 = 1.9342 1?6.19 =0.3125 定子电流初步估算值 I? IKW1.1363636 I/1?1 ???cos??=0.77?0.763=1.9342 定子电流密度?? 1 ??? 21查表得?1=6.19A/MM 18．槽满率（1）槽面积 2R?bS1??? ?R2 SS?2hS?h?2 =2?3.9?5.7??3.92?2 8.6?2??2 =70.2023mm2 18 ?P=58.9049 mm t1=9.8175mm t2=10.6385mm y=5 bSK=9.8175mm Z1=103 Z?1=824 a1=1 N??S? 11=0.3125 ?? 1=6.19 A/mm2 SS=70.2023mm2（2）槽绝缘占面积（3）槽有效面积（4）槽满率

绝缘厚度Ci 导体绝缘后外 槽契厚度h 19．铁心长l 铁心有效长 净铁心长lFe 铁心压装系数KFe 20．绕组系数（1）分布系数 式中： S? i?Ci???2hS??R??? =0.25（2*8.6+?*3.9）=7.5845 mm2 Se?SS?S =70.2023-7.5845=62.6178 mm2 SN1?Z1?d21*103*0.f? S=69 =0.7831 e 62.6178Ci=0.25 mm d=0.69 h=2 无径向通风道leff?l?2g =80+0.25*2 =80.5 无径向通风道lFe?KFe?l =0.95*80=76 KFe?0.95 Kdp1?Kd1?Kp1 =0.9659265*1=0.965926 sinq? ?30?1?sin??2?Kd1 ? ?2?=?2?q30 1?sin 2 2?sin2=0.965926 q1? Q124 mp= 3*4 ?2 1???p?Q=30 1 19 S2i=7.5845 mm Se=62.6178 mm2 Sf=0.7831 Ci=0.25mm d=0.69mm h=2mm leff=80.5mm lFe=76mm KFe?0.95 Kdp1=0.965926 Kd1=0.965926 q1=2 ??30（2）短距系数 Kp1?sin???90?? =1 式中： ?? y5 Q=?0.8333 p16 21．每相有效串联导体Z?1?Kdp1?Z?1?Kdp1 数 =824*0.965926 =796

二、磁路计算 22．每极磁通 ?? E1?108 2.22f?Z ?1?Kdp1 ?194.596*1082.22*50*796 =220261.7 式中： E?? 1???1??L??? U1 ??1?0.115475 ?*220=194.6 23．齿部截面积（1）定子 ST1?bT1?lFe?QP1 =4.7569*76*6 =2169.16（2）转子 ST2?bT2?lFe?QP2 =4.99495*76*5.5 =2068.89 24．轭部截面积（1）定子 S? C1?hC1?lFe =10.2667*76 =780.2667 mm2 式中：定子轭部磁路计? ?D1?Di11 算高度h? hC1 C1 2?hS?3 R 圆底槽 ? 120?752?13.5?1 3 *3.8 ?10.266720 Kp1?1 ??0.83333 Z?1?Kdp1=796 ?=220261.7 E1=194.6 V ST1=2169.16 ST2=2068.89 SC1=780.2667 h? C1? 10.2667 mm（2）转子

式中：转子轭部磁路计? SC2?hC2?lFe =11.75*76 Sc2=893 算高度h? C2平底槽

25．空气隙面积26．波幅系数

27．定子齿磁密28．转子齿磁密29．定子轭磁密30．转子轭磁密31．空气隙磁密=893 mm2 h? ?D2?Di2C2 2?h?2R3 dK2 74.5?26 ? 2 ?12.5 ?11.75mm Sg??p?leff =58.9049*80.5 =4747.84mm2 F最大? S?平均? =1.455 B? T1?FSS T1 ?1.455* 220261.7 2169.16 =14774.4 GS B? T2?FSS T2 ?1.455* 220261.7 2068.89 =15490.4 GS BC1?12??S C1 ? 12*220261.7780.2667 =14114.5 GS B1?C2?2?S C2 ? 1220261.72*893 =12332.7 GS B? g?FS S g 21 S?=4747.84 FS=1.455 BT1=14774.4 GS BT2=15490.4 GSBC1=14114.5 GS BC2=12332.7 GSBg=6758.6 GS ?1.455* 32．查附录Vl得 220261.7 =6758.6 GS 4741.8 atT1=17.8 atT2=26.7 atC1=13.2 atC2=7.22 33．齿部磁路计算长度 定子: 半开口平底槽 转子:平底槽 =9.2+ ? hT1?hS1?hS2 'hT1=10.4667mm 1 *3.8=10.4667 mm 3 'hT2=12 mm ? hT2?hR1?hR2=12 mm 34．轭部磁路计算长 定子: ? lC1?? ? ???D1?hC1?? 转子: 2p ??120?10.2667?? 8 ?43.0922mm ? ???Di2?hC2? lC2? 2p ??26?11.75?? 8 ?14.8244mmge?g?KC1?KC2 ? 'lC1=43.0922 mm 'lC2=14.8244 mm 35．有效气隙长度 式中： 定、转子卡氏系数KC1、KC2 半闭口槽和半开口槽 ge=0.33509 =0.25 * 1.05 * 1.3404 =0.33509 KC? t?4.4g?0.75bo?t4.4g?0.75bo?bo 2 KC=1.3404 即KC?KC1*KC2 式中： 齿距为 t KC1? ?4.4*0.25?0.75*2.5?9.8175 4.4*0.25?0.75*2.5?2.529.8175 KC1=1.2722 =1.2722 22 12电机设计论文_电动机论文 槽口宽bo K10.2667 C2? ?4.4*0.25?0.75*1? 10.2667 4.4*0.25?0.75*1?12 =1.0535 36．齿部所需安匝 定子: AT?at? T1T1?hT1 =17.8×1.04667=18.6307 mm2 转子: AT? T2?atT2?hT2 =26.7×1.2=32.04 mm2 37．轭部所需安匝 定子 ATC? C1?1?atC1?lC1 =0.353×13.2×4.30922 =20.0792 mm2 轭部磁路长度校正系C1=0.353 数C1 转子 AT?

第二篇：电机拖动论文

电机与拖动论文

班级：班班班班班班班班班班

姓名：某某某

学号：000000000000

异步电机的现状与发展

电能是国民经济中应用最广泛的能源，而电能的生产、传输、分配和使用等各个环节都依赖于各种各样的电机。电力拖动是国民经济各部门中采用最多最普遍的拖动方式，是生产过程电气化、自动化的重要前提。由此可见，电机及电力拖动在国名经济中起着极其重要的作用。

电机的分类

1、按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2、按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3、按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。

4、按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等用电动机）、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等用电动机）及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等用电动机）。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5、按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6、按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻。

电动机技术发展现状

电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是随着生产力的发展，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机一个多世纪以来，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能、经济指标等方面也都有了很大的改进和提高。而且随着自动控制系统和计算机技术的发展在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机。控制电动机具有高可靠性、好精确度、快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。

电动机的功能是将电能转换成机械能。它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。

在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动、液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单、调节性能好、耗损小、经济、能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式。19世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用。但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动、制动、正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来在可逆、可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动。而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。

虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制，如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用，其电压等级、额定转速、单机容量的发展也受到了限制。所以在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展调速电动机。半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速、无换向器电动机调速等使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽、稳态精度高、动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良、维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。

异步电机的发展

异步电机是一种交流电机，也叫感应电机，主要作电动机使用。异步电动机广泛应用于工农业生产中，例如机床、水泵、冶金、矿山设备与轻工业机械等都用它作为原动机，其容量从几千瓦到几千千瓦。日益普及的家用电器，例如在洗衣机、风扇、电冰箱、空调器中采用单向异步电动机，其容量从几瓦到几千瓦。在航天、计算机等高科技领域控制电机得到广泛应用。异步电机也可以作为发电机使用，例如小水电站、风力发电机也可采用异步电机。

异步电机之所以得到广泛应用。主要由于它有如下优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用，而且有较高的效率和相当好的工作特性。异步电机主要的缺点是目前尚不能经济的在较大范围内平滑调速以及它必须从电网吸收滞后的无功功率。虽然异步电机的交流调速已有长足进展，但成本较高，尚不能广泛使用。在电网负载中，异步电机所占比重较大，这个滞后的无功功率对电网是一个相当重的负担。它增加了线路损耗、妨碍了有功功率的输出。当负载要求电动机容量较大而电网功率因数又较低的情况下，最好采用同步电动机来拖动。

异步发电机的发展对发电机产业产生了较大的冲击力。主电容器是用来使发电机建立空载电压的电容器。一般是将它们联结成一组，并接于发电机出线端。附加电容器要根据实际负荷的大小进行投，所以它们必需分成若干组分别接入电路。附加电容器是用来使发电机由空载至满载，维持发电机额定电压不变的电容器。

2013年我国异步发电机行业面对新的发展形势，因为新进入企业不断增多、上游原材料价格持续上涨、发电机租赁行业发展的也相当不错。导致行业利润降低，因此我国异步发电机行业市场竞争也日趋激烈。必需并联恰当数值的励磁电容。固然受金融危机影响使得异步发电机行业近两年发展速度略有减缓。但跟着我国国民经济的快速发展以及国际金融危机的逐渐消退，我国异步发电机行业重新迎来良好的发展机遇。异步发电机在水轮机的驱动下，当其转速达到额定值时，利用其剩磁建立微小的剩磁电压。

异步电念头加上适量的电容器，便成为一台异步发电机，也就是将所需要的电容器。并接在异步电念头定子出线端即可。对于感性负荷则应将其附加，电容器并接在负荷之上，随负荷的投入而投入。面临这一现状，异步发电机行业业内企业要积极应对，注重培养立异能力，不断进步自身出产技术，加强企业竞争上风。于此同时异步发电机行业内企业还应全面掌握该行业的市场运行态势，不断学习该行业最新出产技术，了解该行业国家政策法规走向，把握同行业竞争对手的发展动态。只有如斯才能使企业充分了解该行业的发展动态及自身在行业中所处地位，并制定准确的发展策略以使企业在残酷的市场竞争中取得领先上风。

空载励磁和负载并联电容量的选择。准确选择空载励磁并联电容量很重要，假如电容量选择过大则造成空载电压太高，可能损坏设备，选得过小，空载电压又太低，选择空载励磁电容应使发电机产生的电压不超过铭牌划定的额定电压。自励式异步电机的选择和发电所要具备的前提，为了同时知足动力及照明负荷的用电，通常应选择“Y”型接法的异步电念头，以便于引出中性线。电念头转速的选择应略低于原念头转速，原念头转速一般比电念头同期转速高出5%～10%左右为宜。

在农村将异步电念头改为发电机的经验如下：发电机的励磁方式，发电机励磁方式有两种，一种叫他励方式，这种方式是电网供应励磁电流来建立磁场。为了降低造价，应选择容量在15kW以内，电压为 380/220V的异步电念头为宜。该剩磁电压加在接于定子出线真个电容器上，产生一个容性电流，该电流便成为发电机的励磁电流。电念头转子上必需有一定的剩磁。

第三篇：电机拖动论文

电机与拖动读书报告

1.电机的分类与介绍

1.1 电机的分类

（1）同步型电机：交流同步电机；永磁同步电机；无刷直流电机；步进电动机；开关磁阻电动机；

（2）异步型（感应型）电机：三相笼型转子异步电动机；单相异步电动机；三相绕线转子异步电动机；（3）排斥型电机。

下面具体介绍三相笼型转子异步电动机和单相异步电动机两种电机。

1.2 三相笼型转子异步电动机

结构组成图

1.2.1定子

电动机的静止部分称为定子，主要包括定子铁心、定子绕组和机座等。

（1）定子铁心

作用：磁路一部分；放置定子绕组。

材料：0.35~0.5mm硅钢片叠装

槽的类型：半闭口型（小 型）

半开口型（中大型）

开口型（高压型）（2）定子绕组

作用：产生旋转磁场

材料：高强度漆包线（小型）绝缘处理的铜条（大中型）

接法：星形或三角形（六个出线端）

（3）机座

作用：固定定子铁心，保护整台电机

材料：铸铁（中小型）钢板（大型）

1.2.2 转子

电动机的旋转部分为转子，由转子铁心、转子绕组、转轴及风叶等组成。

（1）转子铁心

作用：电动机磁路一部分

材料：0.5mm相互绝缘硅钢片（2）转子绕组

作用：产生感应电流和电动势，在旋转 磁场作用下产生电磁转矩

分类：a、笼型转子

结构：单笼型、双笼型、深槽式，其中单笼型又分铸铝和铜条转子。

1.2.3其他附件：

1、端盖

2、轴承和轴承盖

3、风扇和风罩

1.3 单相异步电动机

1.3.1 基本结构

（1）定子：电动机的定子由定子铁心和定子绕组构成，如图2-2所示。

（2）转子：转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成，如图2-3所示。转子绕组一般有笼形转子和绕线式转子绕组两种。

（3）其他部件：单相异步电动机的其他部件还有机壳、前后端盖、风叶等。

1.3.2 工作原理

设磁极按逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，置于旋转磁场中的转子导条切割磁感应线，产生感应电动势，由于笼型转子绕组是闭合结构，所以转子绕组中产生感应电流。根据右手定则，可以判断出位于N极下的导条感应电流方向为进入纸面；而位于 S 极下的导条感应电流方向为穿出纸面。又因为载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，根据左手定则可判断出位于 N 极下的导条受力方向向左；位于 S 极下的导条受力方向向右。这样，在笼型转子上就形成一个逆时针方向的电磁转矩，从而驱动转子跟随旋转磁场按顺时针方向转动起来。

若磁极按顺时针方向旋转，同理，转子也会改变方向朝顺时针方向转动。另外，磁场若加快旋转切割转子速度，转子上感应电流及电磁转矩将增大，则转子转速加快。

“异步”解释：异步电动机的转子转向与旋转磁场转向一致，如果转子与旋转磁场转速相等，则转子与旋转磁场之间没有相对运动，转子导条不再切割磁感应线，没有电磁感应，感应电流和电磁转矩为零，转子失去旋转动力，在固有阻力矩的作用下，转子转速必然低于旋转磁场转速，所以称其为异步电动机。

如果电动机转子与旋转磁场以相同的转速旋转，这种电动机称为同步电动机。异步电动机旋转磁场转速（也称同步转速 n0）与转子转速 n 之差称为转差，转差与同步转速 n0 的比值用“转差率” s 表示：

0

0

nnsn1.3.3 基本分类

（1）电阻起动式异步电动机（2）电容起动式异步电动机

（3）电容运转式异步电动机

（4）电容起动运转式异步电动机（5）罩极式电动机

2.异步电动机的起动方法

2.1 直接起动

直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的1.02.0倍。其特点是:电机端子少(一般为三端子电机)，可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。

直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。具有起动设备简单，起动速度快的优点, 而且起动转矩比采用降压起动时大。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜．因为操纵控制方便，而且比较经济。

其危害很大电网冲击大。过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。

因此尽管直接起动方法简单．起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。

图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。三相交流电源经由组合开关K，熔断器F1、F2、F3，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。

2.2 降压起动

降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。

降压起动适用于容量大于或等于20Kw并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。

在研究起动时，可以用短路阻抗Rk+jRk来等效异步电动机。电机的起动电流（即流过Rk+jRk上的电流）与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。

3.变频器

3.1 通用变频器 3.1.1 基本结构

主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端（R、S、T），接电动机的频率、电压连续可调的输出端（U、V、W）;二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信借口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。结构原理示意图如下：

通用变频器由主电路和控制电路组成，其基本构成如下图所示。其中，给异步电动机提供调压调频的店里变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波电路）和逆变器等。

（1）整流器。电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变成直流电源。三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪通过电压，从而避免浪涌侵入，导致步电压而损坏变频器。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。电压型变频器的整流电路属于不可控整流桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的2倍。

（2）逆变器。负载侧的变流器为逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所需求频率的交流功率。逆变器最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和管断，可以得到任意频率的三相交流输出波形。

（3）中间直流环节。中间直流环节实际上是中间直流储能环节，另一个作用是承担对整流电路输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。此外，由于异步电动机制动的需要，在直流中间电路中还设有制动电阻及其他辅助电路，这就是直流中间电路的作用。电压型变频器的直流中间电路的主要元器件是大容量电解电容，而电流型变频器则主要由大容量电感器组成。

控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等组成。其主要任务是完成对逆变器的开完控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能等。

通用变频器中的制动电路是为了满足异步电动机制动的需要而设置的，对于大、小容量的通用变频器来说，为了阶跃能源，一般采用电源再生单元讲上述能量回馈给供电电源。而对于小容量通用变频器来说，则通常采用只懂电路，讲异步电动机反馈回来的能量在制动电路上消耗掉。

3.1.2 基本分类

通用变频器按其主电路结构形式可分为交-交变频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有主流中间环节的称为交-交变频器。按其工作方式有电压型变频器和直流型变频器。按其工作方式有电压型变频器和之流行变频器；按其逆变器开关方式有PAM控制方式、PWM控制方式和高频载波SPWM控制方式三种；按其逆变器控制方式有U/f控制方式。转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等。

3.2 西门子变频器（以440为例）

3.2.1 主要特性

（1）易于安装，参数设置和调试（2）易于调试

（3）牢固的 EMC 设计

（4）可由 IT（中性点不接地）电源供电（5）对控制信号的响应是快速和可重复的

（6）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置（7）电缆连接简便

（8）具有多个继电器输出

（9）具有多个模拟量输出(0 － 20 mA)（10）6个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线（11）2个模拟输入：

♦ AIN1：0 － 10 V，0 － 20 mA 和-10 至 +10 V ♦ AIN2：0 － 10 V，0 － 20 mA（12）2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入

（13）BiCo(二进制互联连接)技术

（14）模块化设计，配置非常灵活

（15）脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低（16）详细的变频器状态信息和全面的信息功能

（17）有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板(BOP)，高级操作面板(AOP)，用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块

3.2.2 基本结构

4.电机的选型

4.1 步进电机的选型

4.1.1 选择步进电机的几个原则

对步进电机的初步选型，主要考虑三方面的问题：第一，步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求；第二，步进电机的最大静力矩要满足进给传动系统的空载快速启动力矩要求；第三，步进电机的启动矩频特性和工作矩频特性必须满足进给传动系统对启动力矩与启动频率、工作运行力矩与运行频率的要求。总之，应遵循以下原则：

(1)应使步距角和机械系统相匹配，以得到机床所需的脉冲当量。有时为了在机械传动过程中得到更小的脉冲当量，一是改变丝杠的导程，二是通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不能改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定的。

(2)．要正确计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频特性能满足机械负载要求并有一定的余量，保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般来说，最大静力矩大的电机，其承受的负载力矩也大。

(3)应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。(4)合理确定脉冲当量和传动链的传动比。

4.1.2 计算折算到电机轴上的空载启动力矩和切削时的负载力矩(1)计算负载力矩

电机轴上的负载力矩一般由三部分组成，其一是由切削分力产生的切削负载力矩；其二是由导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩；其三是由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。每种负载力矩的计算方法不同。

①切削负载力矩 Tc(N·m)的计算

TcFL 2i式中：F 为在切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力，N；L为电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离m；为进给传动系统的总效率，取0．90。

②摩擦负载力矩 Tu(N·m)的计算 TuFL 2i式中：F 为在不切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力(即为空载时的导轨摩擦力)。

③ 由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf(N·m)的计算

TfFL(102)

2i式中：F 为滚珠丝杠螺母副的预紧力；L为滚珠丝杠螺母副的基本导程;为滚珠丝杠螺母副的效率，取=0．98。

④折算到电机轴上的负载力矩(N·m)的计算 空载(快进)时 T=Tu+Tf 切削(工进)时 T=Tc+Tf(2)计算电机轴上的加速力矩Top(N·m)29.8n(JmJd)

Top60980t式中：n 为运动部件以最快速度运动时电机的最高转速；Jm为电机的转动惯量。；Jd 为机械系统折算到电机轴上的负载惯量；t为加速时间。

(3)计算折算到电机轴上的加速力矩

该加速力矩Tq 就是电机轴上所需的加速力矩。一般有二种情况，一是机床移动部件空载快速启动时，系统所需要的空载启动加速力矩Tq。二是在机床切削状态下，进给速度突然变化时，系统所需要的切削时的加速力矩Tq。

①空载启动加速力矩 TQ(N·m)的计算 Tq=Taq+cjT=Taq+Tu+Tf ②切削时的加速力矩 Tt(N·m)的计算 Tt=Tat+Tcj =Tat+Tc+Tf 4.2 直流力矩电机的选型

4.2.1 基本介绍

4.2.2 选用实例

在计算力矩电机各参数时个参数之间的关系如下：

电压与转速成正比，电流与转矩成正比，同一电压下转速与转矩成反比； 在不同电压下计算转速时计算方法如下：

按上表参数计算10V时空载转速： 计算方法如下：n运行电压最大空载转速=518r/min

峰值堵转电压运行电压峰值堵转转矩=0.01163N.m

峰值电压计算10V时堵转转矩：M27V转速100转时的转矩和电流：

M（1—）峰值堵转转矩=0.2915N.m 最大空载转速运行转速I（1—最大转速）峰值堵转电流=1.66A 最大空载转速已知转矩或电流计算转速：

（1—计算方法如下：n

已知电流/转矩）最大空载转速

峰值堵转转矩/电流

第四篇：故障电机论文

电气设备故障诊断综合实验设计

姓名： 学号：

专业与班级:电气工程及其自动化2011-6班

设计题目：利用小波包分析并结合FFT变换

来诊断电机故障

时间：2013 ～ 2014学年第（2）学期

成 绩： 日 期：

利用小波包分析并结合FFT变换来诊断电机故障

摘要：根据电机发生不同故障时，电流频谱中会出现不同程度、不同形式的特征分量的特点，利用MATLAB软件对所测得的电流数据进行FFT变换后得到频谱图，分析并判断故障类型。

关键字：特征分量、MATLAB、故障检测、FFT、小波变换

引言：三相鼠笼式异步电动机因其结构简单、使用方便、成本较低等优点在工业生产中得到广泛的应用。但是由于工作环境恶劣，或者频繁起动等原因，异步电机有很大一部分故障属于转子故障，其中，最容易发生的故障主要是转子气隙偏心、笼条断裂、端环开裂和绕组过热等。而过热故障直接导致过热部位的绝缘老化加剧，最终形成匝间短路，会造成更加严重的后果。因此，如何防止电机严重故障的发生，改变现有的电机维修检修制度，降低维护成本，已经成为工程上具有安全和经济两方面重大意义的事情。

1、不同故障下电机一相电流波形比较

好电机一相电流波形图1.510.50-0.5-1-1.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91

一根断条满载时一相电流波形图2.521.510.50-0.5-1-1.5-200.10.20.30.40.50.60.70.80.91一根断条空载时一相电流波形图1.510.50-0.5-1-1.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91三根断条时一相电流波形图1.510.50-0.5-1-1.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91气隙偏心时一相电流波形图0.250.20.150.10.050-0.05-0.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91

分析及结论：由图可知好电机的一相电流波形与发 5000HZ)生一根断条、三根断条故障时的电流波形几乎没有差异，因此，通过简单的观察电机定子电流波形不能准确地分辨出电机是否故障和故障类型。

2、基于电流频谱图来判断电机故障

2.1 转子故障特征分量

理想的异步电动机定子电流的频率是单一的，即电源频率。但是当转子回路出现故障时，定子电流频谱上，在与电源频率相差两倍转差频率（2sf1）的位置上将各出现一个边频带，并且，变频带分量随负载增加和故障严重程度加重而增大。实际上还可能出现两倍转差频率（2sf1）的其他整数倍变频分量，这样转子断条故障的特征频率可表示为：fbb(12ks)f1。所以可以根据有无这一特征频率判 断电机是否故障。电机转子断条数目可由式：N2Z2/(I1/I22P)来估计，其中，I1和I2分别表示f和(12s)f频谱幅值，Z2表示转子铁心槽数，P表示电机极对数，N表示转子断条数目。

2.2 FFT变换和SFFT变换

计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省越明显。

传统的基于傅立叶变换的FFT频谱分析对平稳随机信号分析和处理很有效，而在工程实践中（包括故障诊断），信号的局部或突变特征是关注的重点，这时，FFT就表现出明显的不足：缺乏对信号局部特征的描述能力，即缺乏空间（时间）局部性，换言之，变换F()在任何有限频段上的信息都不足以确定任意小范围的函数f(t)。后来采用加窗FFT也就是STFT(短时FFT)。它的基本思想是把信号分成很多段，每段近似为平稳信号。但是STFT是单分辨率的分析方法，适用于分析具有固定不变带宽的突变信号，无法对非平稳信号进行完全的分析。

2.3 分析各个故障状态下的频谱图

利用MATLAB中现有的fft函数对采样得到的离散电流值进行FFT变换得到电流频谱图，并根据故障特征频率的有无和该频率下的幅值大小判断电机是否故障和故障的严重程度。（采样频率为

好电机*********708090100一根断条满载*********708090100三根断条*********708090100分析及结论：比较上述三幅图知，当电机正常时，曲线只在电源频率50HZ处出现峰值；而当电机出现一根断条和三根断条故障时，不仅50HZ处出现

对节点（12,104）重构系数进行快速傅里叶变换。

峰值，50HZ左右两侧分别都出现了小峰值。因此，可以通过对不同电机或不同状态下电机的电流频谱图比较，判断在电机供电频率左右是否存在故障特征频率，从而断定电机是否故障，并且特征频率下的幅值越大，故障越严重。

3、小波包分析转子断条故障信号 3.1 直接频谱分析的不足对于转子断条故障，可以对稳定的定子电流信号直接进行频谱分析，根据频谱中是否存在(12s)f频率分量来判断转子有无断条。由于转子轻微断条时，(12s)f频率分量的幅值相对于f频率分量的幅值非常小（二者之比约为0.02-0.05），同时异步电动机运行时转差率s很小，(12s)f与f这两个频率非常接近，因而用快速傅里叶变换直接作频谱分析时，f频率分量的泄露会淹没(12s)f频率分量，从而使检测(12s)f频率分量是否存在变得非常困难。而近几年提出的小波包和小波分析法可以克服这一困难。3.2 小波包分析

小波理论是在傅里叶变换和短时傅里叶变换的基础上发展起来的，它具有多分辨分析的特点，在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力，是信号时频分析的优良工具。小波变换的基函数随着尺度的减小，其时域窗口的宽度也减小，而相应的频域窗口宽度增大。但是在实际中，许多问题我们只对某些特定的时间段或频域段的信号感兴趣，只需提取这些特定时间及频率上的点的信息而已，所以我们希望在感兴趣的频率点上最大可能的提高频域分辨率，在感兴趣的时间点上最大可能的提高时间分辨率。在这种场合下正交小波变换的这种时频窗口的固定分布却不是一种最优选择。而小波包分析是小波分析的延伸，可以利用它找到最适于待分析信号的时频窗口或最优基。下面我就利用小波包分析提取故障电机特征频率，判断电机故障。3.3 小波包结合FFT分析断条电流信号

采用一种小波包分解分析结合快速傅里叶变换的方法对定子电流仿真信号进行分析，步骤如下： 1)以sym8为小波包基对电流信号进行12层分解，提取能体现故障特征的节点（12,104）的小波包分解系数； 2)重构（12,104）小波包分解系数；

好电机*********708090100一根断条*********708090100三根断条*********708090100参考文献

[1]张建文.电气设备故障诊断技术.中国水利水电出版社，2006 [2]方荣惠.电机原理及拖动基础.中国矿业大学，2012 [3]刘蕾蕾.基于小波分析的电机故障诊断研究.硕士学位论文,2007 [4]许允之等，基于启动电流的异步电机转子故障小波分析.实验技术与管理，2012 [5]姜建国等，用自适应方法提取鼠笼异步电机转子断条特征分量.电工技术学报，1996 [6]杨国安，电动机故障诊断实用技术.中国石化出版社,2012 [7]沈标正.电机故障诊断技术[M].北京:机械工业出版社,2001.附录（程序)：

1、画不同故障下电机一相电流波形图 Fs=5000;y1 = xlsread('C:MATLAB7work三根断条.xls','A13:A5012');t=1/5000:1/5000:1;plot(t,y1)title('三根断条时一相电流波形图');

2、画不同故障下的电流频谱图 Fs=5000;y1 = xlsread('C:MATLAB7work三根断条.xls','A13:A20068');N=length(y1);Fy1=abs(fft(y1,N));%傅里叶变换 figure(2)%打开一个新窗口

plot((1:N)*Fs/N,Fy1(1:N))%画出频谱图形 axis([0 100 0 1000]);%选定坐标范围 title('三根断条')

3、画不同故障下经小波包分析处理后的电流频谱图

x = xlsread('C:MATLAB7work一根断条满载.xls','A1:A20056');x1 = xlsread('C:MATLAB7work

好

电

%用全局阈值进行信号的去噪

Data_Used1=wpdencmp(x1,sorh,3,'sym8',ct,thr,keep);

wpt=wpdec(Data_Used,12,'sym8');wpt1=wpdec(Data_Used1,12,'sym8');s1=wprcoef(wpt,[12,106]);s2=wprcoef(wpt1,[12,106]);Fs=5000;

N=length(Data_Used);

Fs1=abs(fft(s1,N));%傅里叶变换 figure(2)%打开一个新窗口

plot((1:N)*Fs/N,Fs1(1:N))%画出频谱图形 axis([0 100 0 1000]);%选定坐标范围 Fs2=abs(fft(s2,N));%傅里叶变换 figure(3)%打开一个新窗口

plot((1:N)*Fs/N,Fs2(1:N))%画出频谱图形 axis([0 100 0 1000]);%选定坐标范围 机.xls','A1:A20056');

[thr,sorh,keep,ct]=ddencmp('den','wp',x);%用全局阈值进行信号的去噪

Data_Used=wpdencmp(x,sorh,3,'sym8',ct,thr,keep);

[thr,sorh,keep,ct]=ddencmp('den','wp',x1);

第五篇：电机控制论文.

南华大学电气工程学院毕业设计

目前几种比较常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量而言，控制方案重点在于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。

直接转矩控制技术概述

相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。特点

对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。控制

事实上，1977年A·B·Plunkett曾经在IEEE的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率；定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。

发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动

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机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。

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洗衣机，出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。[4]

实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

2.3直流电机的调速原理

众所周知，直流电机转速n的表达式为:

nUIR(22)

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Jd(24)式中Ke-反电动势常数.电磁转矩为:

Te=KT *Ia(2-5)式中KT-磁转矩常数。[2]

动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。将式(2-2)、式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏变换，得到如下函数:

Ua(s)=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)

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图5.5主控电路图

5.3隔离单元模块

为了防止电机驱动单元对数字控制单元的干扰，必须在两者之间加隔离电路来防止干扰的产生。避免LMD18200的驱动电路对控制信号的干扰，对于LMD18200的引脚3(转向输入)、引脚5(PWM输入)与LM629的PWMS、PWMM引脚之间通过光电耦合器6N137连接。

(l)光电耦合器的选型

LM629的PWMM脚输出的调制信号如图5.6所示，如果LM629接6MHz晶振，其最小输出占空比（1/128）时的接通时间为: 4/fCLK=4/6*106s=0.67us 因此应选择高速光耦。

而N6137的工作频率可达到10MHZ，即它可用在开关周期为: l/l07s=0.1us 因此光耦可选6N137。

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KP=(input[0][0][e*10]*KP_memf[4]+((input[0][1][e*10]>input[1][0][ec*10])?input[1][0][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[3]+((input[0][1][e*10]>input[1][1][ec*10])?input[1][1][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[2]+((input[0][1][e*10]>input[1][2][ec*10])?input[1][2][ec*10]:input[0][1][e*10])*KP_memf[1]+input[0][2][e*10]*KP_memf[0])/(input[0][0][e*10]+((input[0][1][e*10]>input[1][0][ec*10])?input[1][0][ec*10]:input[0][1][e*10])+((input[0][1][e*10]>input[1][1][ec*10])?input[1][1][ec*10]:input[0][1][e*10])+((input[0][1][ e*10]>input[1][2][ec*10])?input[1][2][ec*10]:input[0][1][e*10])+input [0] [2] [e*10]);这样编写程序的好处就是略去模糊推理的判断转移程序，例如在某个时刻的误差e对应为9.8，误差变化率为8那么对于误差隶属度函数input[0][0][98]的取值必为0,input[0][1][98]同样为0，只有input [0] [2] [98]的取值为0xFF；误差变化率隶属度函数值input [1] [0] [98]为0, input[1] [1] [98]为0, input[1] [2] [98]为0xFF，因此上式的会等价成：

KP=(0+0+0+0+255*40)/255 所以计算量不大并且省略掉了条件转移相关程序。[24] 模糊控制流程图如图6.7所示。

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开始采样两次速度求误差

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LM629控制程序的编写、模糊控制程序的编写、通讯程序的编写及调试。实验平台的自行设计，在调速系统软件设计中利用PID参数的模糊在线自整定，使其整定精度大于离线整定精度。

但到目前为止论文还有需待完善的地方：模糊规则的提取和选择是一个复杂的过程，往往难免掺杂着一些主观思维，在调试过程中难免要根据具体情况进行调整，这使得调试过程变得复杂和设计周期时间延长；本系统是采用模糊自整定PID参数控制技术，对于PID参数的常规整定也带有很多主观思维。在实际工作情况下对象模型和工作环境经常是差异很大的。

通过对本课题的研究我有以下几个方面的收获：

（1）学习与掌握了单片机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件设计方法有较深入的认识。

（2）对自动控制系统的动、静态性能及其控制有了一定的认识。

（3）在调速系统上位机的开发中用到Visual Basic，因此对VB编程有了更深刻的理解和更熟练的应用。

（4）本设计重点在于应用，因此在设计过程中使自己的动手能力得到锻炼，同时提高了解决实际问题的能力。

7.2研究展望

直流调速系统的控制方案层出不穷，并且控制效果也越来越好，有关模糊控制在直流调速中的应用还有以下方案值得研究：

(1)自适应模糊控制方法在直流传动控制系统中应用的实用化研究。目前最具有工程应用前景、最能体现模糊控制优势的，是能够在线进行模糊模型辩识、在线根据模型变化进行控制规则和参数自调整的模糊控制算法，而如果能把这种辩识和控制算法简化到可在单片机内实现，则模糊控制和智能控制的应用将会跨上一个新台阶。

(2)基于模糊神经网络控制等自适应方法的研究。神经网络和模糊控制的结合是智能控制的一个重要发展方向，但目前将其应用于直流传动控制系统的研究还不多。其中一个重要的原因是模糊神经网络控制方法复杂，计算量大，速度慢，实时性差且结构和机理尚未完全揭示，而直流传动控制系统又对实时性和控制精度要求很高。但随着模糊神经网络理论的完善，以及模糊芯片和神经网络芯片的

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日趋成熟，这将成为直流传动系统控制的重要手段。

T.G.Habetler的空间矢量调制方法

把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差。

空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。

利用Habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。

但是，空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有四个步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。转矩或磁链的预测控制方法

在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转

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矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论。

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非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同的，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差。

将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制。预测控制

在这种方法中，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到：

其中ΔΨS是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ是二者的空间角度。设

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制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。

基于几何图形的无差拍控制

在文献中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程进行离散化，之后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以知道施加电压矢量可以使转矩误差为零，转矩变化到平面上的一条直线上，这条直线与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误差为零，磁链变化到平面上的一个园上，这个园与与磁链园同心。于是利用直线和园的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变器所能输出的电压大小的限制。

把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。但是就如何把图形方式和数字化控制结合起来从实现方式上来说还是存在有一定的难度。

离散空间矢量调制(DSVM)方法

无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了Bang-Bang控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。

在离散空间矢量调制方法中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成，如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。

细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环Bang-Bang控制，而考虑到转

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矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环Bang-Bang控制，如图4所示，不同的误差带内使用不同的电压矢量表。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示：

从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图3所示。从另一方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合V/f=C这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量，因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压矢量比较多，可以划分12个扇区，使用两个电压矢量表，这样可以进行更精确的控制。

从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样多的计算，保持了传统Bang-Bang控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此，如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。由PI调节器输出空间电压矢量的方法

在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。

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显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于PI调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链d轴，q轴磁链为零，另外在d轴方向还要对磁链和和q轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于PI调节的直接转矩控制不需要，其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过PI调节方法来跟随上给定即可，因此从实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的PI参数，否则会影响控制系统的动、静态性能。除了以上这种PI调节的直接转矩控制外，在文献中还在A·B·Plunkeet的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究，使用空间电压矢量的方式输出，此处不详细叙述。

注入高频抖动提高开关频率

在前面的各种直接转矩控制策略中都谈到提高低速下的开关频率可以降低转矩脉动，同时也可以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs延迟有14kHz的开关频率，但当有20μs的延迟时只有8kHz的开关频率。文献中提出的提高开关频率方法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当。

当反馈值大于三角波时电压矢量减小，当反馈值小于三角波时电压矢量增大，因此，即使控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率

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谢辞

本文是在李军红老师的悉心指导下完成的。在从大二以来的两年时间里，李老师给我提供了良好的实验条件和动手的机会，并在学习和生活上给予充分的指导和帮助，对我在学习生活中取得的成绩给予充分的肯定。在和李老师讨论问题的过程中，他严谨、求实的治学态度、对科学持之以恒的钻研精神和正直、宽厚的为人之道对我产生了非常深刻的影响。在此我向他表示最诚挚的敬意和深深的感谢。另外我在进行论文工作期间，得到了自动化教研室许多老师的指导，在此向同样他们表示诚挚的谢意。

感谢已毕业的师兄曾力对我的关心和帮助，他在多年来一直在教我如何面对学习和生活。同时感谢朱哲、雷波等同学在论文撰写过程中给予的关心与支持。没有他们的帮助要想完成此论文是不可能的。

最后感谢我的家人多年来对我的理解、支持与鼓励，并把此文献给他们。

曾广玺

2008年5月于南华大学

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