多台电机同时控制的电控系统设计的论文（大全）

第一篇：多台电机同时控制的电控系统设计的论文（大全）

摘要：变频器加变频电机这种调速方式，以低廉的价格和稳定的性能，很快的在自动化设备制造和设备改造中应用。PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常用于控制系统中。本文主要介绍一个变频器控制两个变频电机，实现超宽速度调节的一种方法及电控设计。

关键词：调速；变频器；离合器PLC

随着自动控制理论，工业网络技术，计算机技术和通信技术的发展，在实际的工业生产过程中，单台电机的控制已经不能满足实际的需求，越来越多的生产设备需要多台电机同时控制，所以多电机的控制问题已经成为控制行业发展研究的一个重要内容。

1背景介绍

近年来，随着工业发展对各种机械性能，电控要求和产品质量越来越高，单台电机的控制已经不能满足工艺参数的要求。本文遇到的问题为：一个移动平台有快速运动和慢速运动两种模式，两种速度的跨度非常大。慢速工位要求0.1 mm/min至5mm/min,快速工位要求200 mm/min至700 mm/min.经研究一台电机是不能满足该工况需求。同时面临两台电机又怎样控制一个输出，是否能用一台变频器控制两台电机。

2机械系统设计

2.1机械机构组成系统由机械部分和电气部分组成。其中机械系统由两台同型号同功率电机，两个不同型号的摆线针减速器，两个磁粉离合器，两个联轴器、一套丝杠和导向滑轨组成。其结构见图1.2.2机械机构原理

由于两种工位不会同时工作，本系统最终选择一个变频器控制两台电机，实现两种工作状态。

快速工况：快速慢速转换开关切换到快速位，快速位磁粉离合器工作，连接输出轴，按动正转或者反转按钮，快速电机工作，调节调速旋钮，实现快速工况速度调节。按动停止按钮，电机停止工作。

慢速工况：快速慢速转换开关切换到慢速位，慢速位磁粉离合器工作，连接输出轴，按动正转或者反转按钮，慢速电机工作，调节调速旋钮，实现慢速工况速度调节。按动停止按钮，电机停止工作。

3系统电控系统设计

3.1系统电气控制原理

根据机械工作原理，其电控的基本原理见图2.从图2可以看出，如果采用传统的接线，会产生大量的工作量，线路也容易出现问题，不便于后期的系统维护。PLC的出现，以可靠的性能，较强的抗干扰能力，扩充方便，组合灵活等特点慢慢的替代着传统的控制电路。系统电控系统由PLC,按钮，指示灯，接触器，变频器组成。

3.2 PLC系统电控设计

一台变频器控制两台同型号电机。PLC和变频器通过RS485接口进行通信，通过接触器的切换将变频器的输出分配到快慢电机。再通过输入到PLC模拟量接口的电压变化实现两台电机的快慢速调节。其PLC接线见图3.4应用效果与结论

根据现场使用情况，该方法已经解决宽范围调速的问题。通过使用PLC让本来庞大的配电柜变得小巧而整齐，后期的维护和检修也变得更加容易。但是快速和慢速切换的时候需要将电机停止后才能切换到另外一种工况。通过后期对控制系统的改进与提升可以不需停止的实现0.1 mm/min至700 mm/min的宽范围调速。

参考文献：

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[4]魏召刚。工业变频器原理及应用[M].电子工业出版社，2006.

第二篇：电机控制论文.

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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

交流电机-韩国SPG交流电机全系列

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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交流电机-韩国SPG小型电机感应电机系列

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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参考文献

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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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第三篇：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

12电机设计论文_电动机论文

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?

第四篇：交流伺服电机的探究控制电机论文

XX

大

学

控制电机报告

课

程

控制电机

题

目

交流伺服电机的探究

院

系

电气信息工程学院电气系

专业班级

电气

学生姓名

学生学号

指导教师

2015年

X月

X日

目　录

一、引言

二、交流伺服电动机的结构特点

三、伺服电动机的工作原理

21、交流伺服电机

22、永磁交流伺服电机的控制过程

43、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较

四、交流伺服电机的应用

61、交流伺服驱动系统

62、交流伺服控制策略

73、电机模型

五、结束语

六、参考文献

一、引言

用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。

交流伺服电动机结构简单,无炭刷,效率高,响应快,速比大,不需要经常维护,非常引人注目,在许多领域有取代直流伺服电动机之势。

交流伺服电动机控制系统包括;

控制交流伺服电动机转速和输出转矩的逆变器,控制逆变器与变换器之间接点处直流电压的变换器和一个控制器。

当转速低于额定转速时,该直流电压被控制为恒定电压:

而当转速超过额定转速时,该直流电压被控制成与转速成比例的一个增加电压,以便使伺服电动机的输出转矩保持一个恒定转矩。

永磁交流伺服电动机的定子三相绕组由SPWM正弦脉宽调制电源供电，故又称正弦波驱动无刷电动机。其特点是:

伺服性能好，可采用数字控制，运行平稳、转矩波动小、过载能力强;

无普通直流伺服电动机电刷换向器磨损问题，维护简单、寿命长、工作可靠;

能适应高速大力矩驱动要求;

绕组安装在定子上，散热好;

轴上位置传感器多用光电编码器、无接触式旋转变压器等。

二、交流伺服电动机的结构特点

作为交流伺服电动机使用的有异步型和同步型两种,异步型交流伺服电动机定子放置线圈,转子为鼠笼型,大量用作机床和通用工业机器的驱动元件;

同步型交流伺服电动机定子放置线圈,转子为永久磁钢,根据磁极位置从电机外部进行换向,也可称为无刷直流电动机。永久磁钢的交流伺服电动机按其励磁方式和供电方式的不同又可分为两类:一类电机的永久磁铁励磁磁场为正弦波,定子绕组感应出来的反电动势为正弦波,逆变器提供正弦波电流;

另一类电机的永久磁铁励磁磁场为方波,定子绕组感应出来的反电动势为梯形波,逆变器提供方波电流。

三、伺服电动机的工作原理

1、交流伺服电机

（1）交流伺服电机的工作原理交流伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U

/

V

/

W

三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。

当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相1

0

°，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。

为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率S

k

大于1

。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由A

点移到B

点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。

必须指出，普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。

（2）交流伺服电机使用时应注意

伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。

调节伺服电机有几种方式，使用T

w

i

nLine

软件对电机的PID

参数、电机参数、电子齿轮比等进行调节。

对伺服电机进行机械安装时，应特别注意，由于每台伺服电机后端部都安装有旋转编码器，它是一个十分易碎的精密光学器件，过大的冲击力肯定会使其损坏。

（3）交流伺服电机的控制

为了使控制系统改变不大，应选用数字式伺服系统，可采用原来的脉冲控制方式；由于伺服电机都有一定过载能力，所以在选择伺服电机时，经验上可以按照所使用的步进电机输出扭矩的1

/

来参考确定伺服电机的额定扭矩；伺服电机的额定转速比步进电机的转速要高的多，为了充分发挥伺服电机的性能，最好增加减速装置，让伺服电机工作在接近额定转速下，这样也可以选择功率更小的电机，以降低成本。

用脉冲方式控制伺服电机，一是可靠性高，不易发生飞车事故。用模拟电压方式控制伺服电机时，如果出现接线接错或使用中元件损坏等问题时，有可能使控制电压升至正的最大值。这种情况是很危险的。如果用脉冲作为控制信号就不会出现这种问题。二是信号抗干扰性能好。数字电路抗干扰性能是模拟电路难以比拟的。

当然目前由于伺服驱动器和运动控制器的限制，用脉冲方式控制伺服电机也有一些性能方面的弱点。一是伺服驱动器的脉冲工作方式脱离不了位置工作方式，二是运动控制器和驱动器如何用足够高的脉冲信号传递信息。这两个根本的弱点使脉冲控制伺服电机有很大限制。一是控制的灵活性大大下降；二是控制的快速性速度不高。

伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部。这样系统的P

I

D

参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。

2、永磁交流伺服电机的控制过程

永磁交流伺服电动机可利用坐标变换进行矢量控制，这就使得永磁交流伺服电动机的控制变得同直流伺服电动机一样方便。其控制过程如下:

(1)

给定控制，将给定信号分解成两个互相垂直的直流信号、;

(2)

直/交变换，将、变换成两相信号、;

(3)

/3

变换，得到三相交流控制信号、、去控制逆变器;

(4)

电流反馈反映负载情况，使直流信号中的转矩分量iT能随负载而变，从而模拟直流电动机工作情况;

(5)

速度反馈反映给定与实际转速差，并进行矫正;

(6)

闭环控制信号由轴上所带编码器反馈，整个过程由数字信号处理器(DSP)

进行全数字化处理。

永磁交流伺服电动机的另一种控制模式是直接转矩控制。具体方法是:

在定子坐标系下分析电动机数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下，对电动机转矩直接进行控制，不用坐标变换。

3、永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较

0

世纪8

0

年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。9

0

年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：

（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

（2）定子绕组散热比较方便。

（3）惯量小，易于提高系统的快速性。

（4）适应于高速大力矩工作状态。

（5）同功率下有较小的体积和重量。

到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度，世界上许多知名电机制造商如松下，三洋，西门子等公司纷纷推出自己的交流伺服电机和伺服驱动器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳＡ系列为比较典型的一种。

四、交流伺服电机的应用

1、交流伺服驱动系统

交流伺服驱动系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段密切相关，从直流电机的发明到现在已经有一百多年的历史。直流电机虽然最早发明，但是由于当时铁磁材料以及晶闸管技术的限制，发展很是缓慢，一直到

1960

年以后随着可控硅的发明以及各种电机材料的改良，直流电动机才得到迅速发展，并在七十年代成为各种伺服系统中最重要的驱动设备。在直流电机快速发展以前的一段时期内步进电机应用最为广泛，受当时苏联以及日本等方面因素的影响，磁阻式步进电机快速发展并应用到数控机床设备中，在此时期由于生产要求低、技术落后，伺服控制系统多为开环控制。从

世纪

年代到现在，由于直流伺服电机同功率情况下自身体积较大及换向电刷问题的存在，在很多场合不能满足环境要求。随着电动机生产技术及其永磁体制造材料、现代控制理论、电机控制原理的突飞猛进，出现了方波、正弦波驱动的各种新型永磁同步电动机，逐渐开始替代直流伺服电动机市场。根据对控制系统高性能的要求，现如今的大部分交流伺服系统采用闭环控制方式。

现代交流伺服驱动系统，已经逐渐向数字时代转变，数字控制技术已经无孔不入，如信号处理技术中的数字滤波、数字控制器、各种先进智能控制技术的应用等，把功能更加强大的控制器芯片以及各种智能处理模块应用到工业机器人交流伺服驱动系统当中，可以实现更好的控制性能。分析多年来交流伺服控制系统的发展特色，总结市场上客户对其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系统有以下几种热门发展方向：

（1）数字化

随着微电子技术的发展，处理速度更迅速、功能更强大的微控制器不断涌现，控制器芯片价格越来越低，硬件电路设计也更加简单，系统硬件设计成本快速下降，且数字电路抗干扰能力强，参数变化对系统影响小，稳定性好；采用微处理器的数字控制系统，更容易与上位机通讯，在不变更硬件系统结构的前提下，可随时改变控制器功能。在相同的硬件控制系统中，可以有多种形式的控制功能，不同的系统功能可以通过设计不同的软件程序来实现，且可以根据控制技术的发展把最新的控制算法通过软件编程实时的更新控制系统。

（2）智能化

为了适应更为恶劣的控制环境和复杂的控制任务，各种先进的智能控制算法已经开始应用在交流伺服驱动系统中。其特点是根据环境、负载特性的变化自主的改变参数，减少操作人员的工作量。目前市场上已经出现比较成熟的专用智能控制芯片，其控制动静态特性优越，在交流伺服驱动控制系统中被广大技术人员所采用。

（3）通用化

当前，伺服控制系统一般都配置有多种控制功能参数，这有利于操作人员在不改变系统硬件电路设计的前提下方便地设置成恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等多种工作模式，应用领域十分广泛，另外可以控制异步、同步等不同类型的电动机，适应于各种闭环或开环控制系统，交流伺服控制系统的通用化将会在以后的伺服驱动系统发展的道路中越走越远。

2、交流伺服控制策略

最近几十年来，借助于电机控制理论及智能控制理论的不断完善，交流伺服控制理论也随之蓬勃发展起来；由于微电子技术的进步，各种方便用户开发的微控制器与数字信号处理器件大量涌现市场，为各种先进的智能控制算法在控制系统中的应用提供了可能。现如今，各种新型的伺服控制策略大量涌现，大有与传统控制策略一较高低的趋势，下面对几种常用的伺服控制策略进行分析比较：

（1）恒压频比控制

在工厂控制领域中使用最为广泛的仍然是恒压频比控制方式，此方法是通过控制输出电压与频率的比是常数，确保电动机的磁通量为定值，从而控制电动机的速度。这种控制方法在低速运行时转矩能力较弱，必须对定子电压压降进行补偿处理，另外因为此控制方法不能直接控制电磁转矩，因此性能较低。但由于恒压频比控制具有实现简单、运行稳定、调速方便等优点，因此在一些对动态性能要求比较低的场合应用比较广泛。

（2）矢量控制

上个世纪，矢量控制技术的提出，为交流伺服驱动系统的快速进步提供了理论支持。矢量控制技术的主要原理为：以转子旋转磁场作为参考系，将电动机定子矢量电流经过两次坐标变换分解为直轴电流和交轴电流分量，且使两电流分量相互正交，同时对交直轴电流分量的幅值和相位进行控制，可以获得像直流电机一样优越、甚至比直流电动机更好的动态控制性能，另外，矢量控制经过半个世纪的发展已经十分成熟，在伺服驱动系统中应用最为广泛；矢量控制技术的优点主要是原理简单，动态控制性能良好，缺点是在控制实现过程中要进行各种坐标变换，计算量比较大，另外此种控制方法会实时受到电动机定子电阻、电感以及转动惯量变化的影响，基本上不可能实现完全解耦，从而影响系统的动态性能，使控制效果变差。解决方法是加入各种先进的控制算法，对控制器进行智能化改进，从而提高伺服驱动系统的动态性能与鲁棒性。

（3）直接转矩控制

二十世纪八十年代中期，德国专家提出“直接自控制”的高性能交流电动机控制策略，此种控制策略不需要像矢量控制那样对电动机定子矢量电流进行大量而复杂的解耦变换，再通过控制解耦获得的交轴电流分量来间接的控制电动机电磁转矩，它采用定子磁场定向的控制方式，对交流电机的电磁转矩进行直接控制。此方式只受到电动机定子绕组阻值的影响，对电动机除定子绕组阻值之外的其他参数的变动稳定性好，解决了矢量控制受电动机本体参数影响大的缺点。1995

年，ABB

公司首先把直接转矩控制技术应用到了变频器当中，并作为一种高端产品出现在市场中，对矢量变频器提出了挑战。20

世纪末，开始有部分专家学者通过深入研究把直接转矩控制理论引入到交流同步电动机当中，完成了直接转矩控制技术在交流同步电动机伺服驱动领域的重大突破。直接转矩控制的优点是转矩动态响应快，缺点是在转速较低时转矩脉动较大。

（4）智能控制

智能控制理论是最近几十年来的一种新兴学科，它的迅速发展为交流永磁伺服控制技术的进步注入了新鲜血液。智能控制技术由于其自身的理论特点，在非线性控制领域中比经典控制理论更具有优势，在很多场合将会实现比经典控制理论更好的控制特性。

3、电机模型

如图

2-2

所示，给出了

PMSM的简单模型。其中，A、B、C分别为

PMSM三相定子绕组，它们把整个空间均分为三份。在此，根据永磁同步电动机的简单模型以及其坐标变换关系图，获得电的机的理想数学模型，不过要想获得精确理想的电机数学模型是很难实现的，因此在建立数学模型之前，我们首先要对电动机数学模型影响很小的量进行相应的忽略及假设：

（1）忽略磁路铁芯的磁饱和现象；

（2）忽略铁芯磁滞与涡流损耗；

（3）忽略转子上的阻尼绕组；

（4）不计温度影响；

（5）假设气隙磁场呈理想正弦分布。

图1

PMSM

结构简化模型

当

PMSM

三相定子绕组中通入三相交流电时，根据电磁感应定律和基尔霍夫定律可得

PMSM的定子电压、定子磁链和转子耦合磁链的方程分别如式所示：

式中、、——定子绕组相电压；、、——定子绕组相电流；、、——定子绕组总磁链；、、——各绕组耦合磁链；

——定子绕组电阻；

——定子绕组电感；

——转子磁链幅值。

电磁转矩是电动机对外输出能量的重要依据，交流伺服驱动控制系统是否能快速稳定的输出给定的电磁转矩是评价电动机动态响应性能的重要指标，PMSM的电磁转矩方程表述如式所示：

将磁链方程代入上式中可得方程如下式所示：

在隐极式永磁同步电动机中，=，代入上式中可以得到方程如下式所示：

由上式可以看出，通过对定子电流的控制，就可以控制

PMSM的转矩。作用到电机轴上的电磁转矩与电动机转速、负载转矩以及电动机转动惯量之间的变化关系可以用下面的电机运动方程式来表示：

五、结束语

（1）交流伺服电动机作为数控机床的新型执行元件在国外已取得了很大的进展,在我国提供性能好和可靠性高的交流伺服电动机,满足数控系统发展的需要,是当前的一个关键问题。

（2）从国外交流伺服电动机的发展趋势来看,应优先发展成本较低的同步型转速可控的直流无刷电动机。

（3）交流伺服电动机的性能在很大程度上取决于电子控制技术的水平。应力求采用数字控制和计算机控制,以克服交流伺服电动机的不足之处。

（4）随着交流伺服系统应用领域的不断扩大,交流伺服电动机将会有很大的发展。在我国,交流伺服电动机潜力的发掘和发展,尚需我们做大量的工作。

六、参考文献

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（2)

第五篇：开题报告-船舶柴油机电控系统设计

开题报告

电气工程及自动化

船舶柴油机电控系统设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

现代船舶工业是典型的综合加工装配工业，是综合工业之首。船舶工业对国民经有直接的消耗，还直接为我国的能源运输，国际航运，海洋开发等产业提供必要的装备和信息，形成国民经济的一条重要产业。

当前，船舶动力仍以柴油机为主。柴油机因具有功率覆盖面宽、效率高、能耗低、使用维修方便等特点。经过几十年尤其是最近十多年的发展，现在的船用柴油机已经发展到一个新的高度。但随着世界能源危机，环境污染和自动化水平的日益提高，对柴油机提出了更高的要求。因此柴油机的优势地位也提出了新的挑战。由此以后研究柴油机主要是提高经济性研究，降低柴油机排放研究。柴油机排放的限制使得经济性提高更加困难，这个也是柴油机发展中的新课题：提高可靠性和耐久性的研究：电子控制技术的研究等。据资料表明，船舶产品平均构造比例：造船30%，原材料20%，配套设施50%。由此可见，船舶配套设施对船舶工业的重要性。船舶柴油机是船舶的主要配套设备，它应用于船舶推进动力装置和船舶电站。在船舶成本中分别占10%—15%和3%—5%。因此，建设性能提供性能优良，质量可靠，品种齐全，数量充足船舶柴油机制造业，对我国工业快速稳定健康发展不可或缺。我国船用柴油机发展关系到国家重大的政治与经济安全战略，其近年来的发展严重滞后的现状已引起各方面的重视。2003

年以来，国家十分重视并充分肯定了船舶工业在国民经济发展中的积极作用，尤其是2004

年宏观调控的背景下对船舶工业更快、更大发展寄予殷切期望。

目前国内大功率船舶柴油机船舶套配件没有自主的知识产权，关键技术受制于人，已经成为我国船舶发展的重要瓶颈，为了达到未来的造船大国强国时对船舶配套件的需求，实现国轮国造，国轮国配，必须尽快改变我国柴油机落后的状况。电子控制系统是柴油机重要的配套产品，我国长期以来电控系统一直以来进口。

随着国际船舶配套技术飞速发展，世界上各个大船舶柴油机公司近几年相继推出新型船舶柴油机，都大量的采用最新的科技成果和设计理念，如模块化设计技术，高效率增压技术，智能技术等。主要体现以下几个方面：

1船舶柴油机系统集成技术。

柴油机发展不仅要求提高综合效率，而且要求提高柴油机整体性能和各种工作状况下的适应性。主要研究内容，船舶柴油机动力系统总体匹配设计技术研究，模块化设计研究，船舶柴油机动力系统集成优化。

2船舶柴油机虚拟设计研究技术

虚拟技术将用于船舶柴油机设计，制造，装配，运行和维修全过程。以发动机数据库为基础，应用相关软件，技术和手段开展船舶柴油机设计开发研究。

3智能化电子控制技术

开展船舶柴油机电控系统开发和工程化应用技术，电子控制系统，电子调速器设计技术。船舶柴油机运行电子管理系统等方面的研究。

4船舶柴油机可靠性技术

柴油机零部件活着模块件将有更高的水平发展，即受到更高的重视，因此，需开展可靠性技术的研究，故障分析诊断等方面的研究。

5船舶柴油机代用燃料技术

大功率船舶柴油机燃料向多元化发展，可以使用重油等清洁燃料等，对于LNG.LPG等燃料运输船，开展可方便利用所运输的燃料的单燃料或双燃料气体发动机。

6全生命周期性和低排放技术

开展船舶柴油机性能以及燃料技术的研究，重点是突破高增压技术，高压共轨燃油喷射技术等，以解决船舶柴油机低负荷性能和全工况乃至全生命周期经济性问题。结合船舶柴油机结构模式，工作要求，运行环境等多类实际情况，开展全生命周期和低排放技术的研究可以满足世界环境提出的进一步严格要求。

21世纪是海洋的世纪，我国作为一个经济腾飞的发展中国家，必将在21世纪进入高速发展阶段。我国将会越来越多的向海洋这个人类的大宝库索取生物，化学，动力和能源矿产和广阔的生存空间，探索海洋和开发海洋将成为我国重要的生产活动之一。船舶将会成为这一生产重要工具和得力助手。目前我国现役船舶中主要以船舶柴油机作为主动力，因此柴油机作为一种原动力在我国海洋开发和船舶运输及海洋开发占有十分重要的地位。是我国船舶的基本动力，开展船舶配套设施的研究具有重大的经济效益和发展前景。

电控系统被称为柴油机的“大脑”，是柴油机的重要组成部分，对提高柴油机的自动化水平、经济性、动力性和改善排放等具有重要作用。柴油机电控技术水平的高低已经成为衡量柴油机先进性的重要标志，是柴油机产品核心竞争力的重要体现。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

研究基本内容：

1：了解柴油机电控系统的基本功能和工作环境。

2：对柴油电控系统进行分析。

3：冷却水温控制。

解决主要问题：

1：电子调速的建模。

2：相继增压系统增压器的切换控制需要参考柴油机转速、增压器转速与负荷情况等因素。

3：了解故障诊断的工作原理。

4：水温控制的设计。

三、研究步骤、方法及措施：

步骤及方法：

1：了解国内外船舶柴油机的发展状况。

2：对柴油机电控系统进行了解和认识。

3：重点研究船舶柴油机电控系统理论及其应用，建立合适的模型。

4：得出结论。

措施：

图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理

解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献

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