第一篇：多臺電機同時控制的電控系統設計的論文（大全）

摘要：變頻器加變頻電機這種調速方式，以低廉的價格和穩定的性能，很快的在自動化設備制造和設備改造中應用。PLC的功能強大、使用容易、可靠性高，常用于控制系統中。本文主要介紹一個變頻器控制兩個變頻電機，實現超寬速度調節的一種方法及電控設計。

關鍵詞：調速；變頻器；離合器PLC

隨著自動控制理論，工業網絡技術，計算機技術和通信技術的發展，在實際的工業生產過程中，單臺電機的控制已經不能滿足實際的需求，越來越多的生產設備需要多臺電機同時控制，所以多電機的控制問題已經成為控制行業發展研究的一個重要內容。

1背景介紹

近年來，隨著工業發展對各種機械性能，電控要求和產品質量越來越高，單臺電機的控制已經不能滿足工藝參數的要求。本文遇到的問題為：一個移動平臺有快速運動和慢速運動兩種模式，兩種速度的跨度非常大。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.經研究一臺電機是不能滿足該工況需求。同時面臨兩臺電機又怎樣控制一個輸出，是否能用一臺變頻器控制兩臺電機。

2機械系統設計

2.1機械機構組成系統由機械部分和電氣部分組成。其中機械系統由兩臺同型號同功率電機，兩個不同型號的擺線針減速器，兩個磁粉離合器，兩個聯軸器、一套絲杠和導向滑軌組成。其結構見圖1.2.2機械機構原理

由于兩種工位不會同時工作，本系統最終選擇一個變頻器控制兩臺電機，實現兩種工作狀態。

快速工況：快速慢速轉換開關切換到快速位，快速位磁粉離合器工作，連接輸出軸，按動正轉或者反轉按鈕，快速電機工作，調節調速旋鈕，實現快速工況速度調節。按動停止按鈕，電機停止工作。

慢速工況：快速慢速轉換開關切換到慢速位，慢速位磁粉離合器工作，連接輸出軸，按動正轉或者反轉按鈕，慢速電機工作，調節調速旋鈕，實現慢速工況速度調節。按動停止按鈕，電機停止工作。

3系統電控系統設計

3.1系統電氣控制原理

根據機械工作原理，其電控的基本原理見圖2.從圖2可以看出，如果采用傳統的接線，會產生大量的工作量，線路也容易出現問題，不便于后期的系統維護。PLC的出現，以可靠的性能，較強的抗干擾能力，擴充方便，組合靈活等特點慢慢的替代著傳統的控制電路。系統電控系統由PLC,按鈕，指示燈，接觸器，變頻器組成。

3.2 PLC系統電控設計

一臺變頻器控制兩臺同型號電機。PLC和變頻器通過RS485接口進行通信，通過接觸器的切換將變頻器的輸出分配到快慢電機。再通過輸入到PLC模擬量接口的電壓變化實現兩臺電機的快慢速調節。其PLC接線見圖3.4應用效果與結論

根據現場使用情況，該方法已經解決寬范圍調速的問題。通過使用PLC讓本來龐大的配電柜變得小巧而整齊，后期的維護和檢修也變得更加容易。但是快速和慢速切換的時候需要將電機停止后才能切換到另外一種工況。通過后期對控制系統的改進與提升可以不需停止的實現0.1 mm/min至700 mm/min的寬范圍調速。

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第二篇：電機控制論文.

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目前幾種比較常見的直接轉矩控制策略中，對于中小容量而言，控制方案重點在于進行轉矩、磁鏈無差拍控制和提高載波頻率。對大容量來說，其區別在于低速時采用了間接轉矩控制，從而達到低速時降低轉矩脈動的目的。

直接轉矩控制技術概述

相對于直流電機在結構簡單、維護容易、對環境要求低以及節能和提高生產力等方面具有足夠的優勢，使得交流調速已經廣泛運用于工農業生產、交通運輸、國防以及日常生活之中。隨著電力電子技術、微電子技術、控制理論的高速發展，交流調速技術也得到了長足的發展。目前在高性能的交流調速領域主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種。1968年Darmstader工科大學的Hasse博士初步提出了磁場定向控制(Field Orientation)理論，之后在1971年由西門子公司的F.Blaschke對此理論進行了總結和實現，并以專利的形式發表，逐步完善并形成了現在的各種矢量控制方法。特點

對于直接轉矩控制來說，一般文獻認為它由德國魯爾大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分別提出的。對于磁鏈圓形的直接轉矩控制來說，其基本思想是在準確觀測定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以及準確計算負載轉矩的條件下，通過控制電機的瞬時輸入電壓來控制電機定子磁鏈的瞬時旋轉速度，來改變它對轉子的瞬時轉差率，達到直接控制電機輸出的目的。在控制思想上與矢量控制不同的是直接轉矩控制通過直接控制轉矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復雜的坐標變換，因此具有結構簡單、轉矩響應快以及對參數魯棒性好等優點。控制

事實上，1977年A·B·Plunkett曾經在IEEE的工業應用期刊上提出了類似于目前直接轉矩控制的結構和思想的直接磁鏈和轉矩調節方法，在這種方法中，轉矩給定與反饋之差通過PI調節得到滑差頻率，此滑差頻率加上電機轉子機械速度得到逆變器應該輸出的電壓定子頻率；定子磁鏈給定與反饋之差通過積分運算得到一個電壓與頻率之比的量，并使之與定子頻率相乘得到逆變器應該輸出的電壓，最后通過SPWM方法對電機進行控制。

發電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發電機、電動

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機調速系統的主要缺點是需要增加兩臺與調速電動機相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大，維修困難等。

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洗衣機，出，根據電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉矩，使得轉子逆時針轉動。如果轉子轉到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。

此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產生的轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產生的轉矩的方向卻是不變的。[4]

實用中的直流電動機轉子上的繞組也不是由一個線圈構成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉矩的波動，繞組形式同發電機。

2.3直流電機的調速原理

眾所周知，直流電機轉速n的表達式為:

n?U?IR(22)

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Jd?????(24)式中Ke-反電動勢常數.電磁轉矩為:

Te=KT *Ia(2-5)式中KT-磁轉矩常數。[2]

動態工作特性是指實際的動作與相應的動作命令之間的響應關系。將式(2-2)、式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏變換，得到如下函數:

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

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圖5.5主控電路圖

5.3隔離單元模塊

為了防止電機驅動單元對數字控制單元的干擾，必須在兩者之間加隔離電路來防止干擾的產生。避免LMD18200的驅動電路對控制信號的干擾，對于LMD18200的引腳3(轉向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWMS、PWMM引腳之間通過光電耦合器6N137連接。

(l)光電耦合器的選型

LM629的PWMM腳輸出的調制信號如圖5.6所示，如果LM629接6MHz晶振，其最小輸出占空比（1/128）時的接通時間為: 4/fCLK=4/6*106s=0.67us 因此應選擇高速光耦。

而N6137的工作頻率可達到10MHZ，即它可用在開關周期為: l/l07s=0.1us 因此光耦可選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]);這樣編寫程序的好處就是略去模糊推理的判斷轉移程序，例如在某個時刻的誤差e對應為9.8，誤差變化率為8那么對于誤差隸屬度函數input[0][0][98]的取值必為0,input[0][1][98]同樣為0，只有input [0] [2] [98]的取值為0xFF；誤差變化率隸屬度函數值input [1] [0] [98]為0, input[1] [1] [98]為0, input[1] [2] [98]為0xFF，因此上式的會等價成：

KP=(0+0+0+0+255*40)/255 所以計算量不大并且省略掉了條件轉移相關程序。[24] 模糊控制流程圖如圖6.7所示。

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開始采樣兩次速度求誤差

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LM629控制程序的編寫、模糊控制程序的編寫、通訊程序的編寫及調試。實驗平臺的自行設計，在調速系統軟件設計中利用PID參數的模糊在線自整定，使其整定精度大于離線整定精度。

但到目前為止論文還有需待完善的地方：模糊規則的提取和選擇是一個復雜的過程，往往難免摻雜著一些主觀思維，在調試過程中難免要根據具體情況進行調整，這使得調試過程變得復雜和設計周期時間延長；本系統是采用模糊自整定PID參數控制技術，對于PID參數的常規整定也帶有很多主觀思維。在實際工作情況下對象模型和工作環境經常是差異很大的。

通過對本課題的研究我有以下幾個方面的收獲：

（1）學習與掌握了單片機的基本原理及其各種應用，對它的各種硬件接口與軟件設計方法有較深入的認識。

（2）對自動控制系統的動、靜態性能及其控制有了一定的認識。

（3）在調速系統上位機的開發中用到Visual Basic，因此對VB編程有了更深刻的理解和更熟練的應用。

（4）本設計重點在于應用，因此在設計過程中使自己的動手能力得到鍛煉，同時提高了解決實際問題的能力。

7.2研究展望

直流調速系統的控制方案層出不窮，并且控制效果也越來越好，有關模糊控制在直流調速中的應用還有以下方案值得研究：

(1)自適應模糊控制方法在直流傳動控制系統中應用的實用化研究。目前最具有工程應用前景、最能體現模糊控制優勢的，是能夠在線進行模糊模型辯識、在線根據模型變化進行控制規則和參數自調整的模糊控制算法，而如果能把這種辯識和控制算法簡化到可在單片機內實現，則模糊控制和智能控制的應用將會跨上一個新臺階。

(2)基于模糊神經網絡控制等自適應方法的研究。神經網絡和模糊控制的結合是智能控制的一個重要發展方向，但目前將其應用于直流傳動控制系統的研究還不多。其中一個重要的原因是模糊神經網絡控制方法復雜，計算量大，速度慢，實時性差且結構和機理尚未完全揭示，而直流傳動控制系統又對實時性和控制精度要求很高。但隨著模糊神經網絡理論的完善，以及模糊芯片和神經網絡芯片的

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日趨成熟，這將成為直流傳動系統控制的重要手段。

T.G.Habetler的空間矢量調制方法

把無差拍方法應用于直接轉矩控制首先是由美國人T.G.Habetler提出來的。這種方法的主要思想是在本次采樣周期得到轉矩的給定值與反饋值之差。

空間電壓矢量的幅值和相位是任意的，可以通過相鄰的兩個基本的電壓矢量合成而得。利用計算出來的空間電壓矢量可以達到轉矩和磁鏈無差拍的目的。

利用Habetler的無差拍方法，從理論上可以完全使磁鏈和轉矩誤差為零，從而消除轉矩脈動，可以彌補傳統DTC的Bang-Bang控制的不足，使電機可以運行于極低速下。另外，通過無差拍控制得到的空間電壓矢量可以使開關頻率相對于單一矢量大幅提高并且使之固定，這對于減少電壓諧波和電機噪聲是很有幫助的。

但是，空間電壓矢量作用時間可能會大于采樣周期，這說明不能同時滿足磁鏈和轉矩無差拍控制。因此作者提出了三個步驟，首先是否轉矩滿足無差拍，如果不滿足再看是否磁鏈滿足無差拍，如果還不滿足就按照原有直接轉矩控制矢量表來選取下一周期的單一電壓矢量。因此按照Habetler的無差拍方法最大的計算量有四個步驟，這將耗費很大的計算資源，不易實現，另外在整個計算過程中對電機參數的依賴性比較大，這將降低控制的魯棒性。轉矩或磁鏈的預測控制方法

在T·G·Habetler的無差拍的直接轉矩控制方法中，由于計算量很大而不易實現，因此出現了一系列的簡化的無差拍直接轉

交流電機-韓國SPG交流電機全系列

矩控制，比較典型的是轉矩跟蹤預測方法。在這種方法中，分析了低速轉矩脈動的情況，得出轉矩脈動鋸齒不對稱的結論。

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非零電壓矢量和零電壓矢量對轉矩變化的作用是不同的，前者可以使轉矩上升或下降，而后者總是使轉矩下降。另外，在不同的速度范圍內二者對轉矩作用產生的變化率也在變化。在轉矩預測控制方法中，電壓矢量在空間的位置是固定不變的，合成在兩個單一電壓矢量的中間，但是電壓矢量不是作用整個采樣周期，而是有一定的占空比，在一個采樣周期中可以分為非零電壓矢量和零電壓矢量。如果使下一采樣周期非零電壓矢量和零電壓矢量共同作用產生的轉矩變化等于本周期計算出來的轉矩誤差。

將消除轉矩誤差，達到轉矩無差拍控制的目的。即使出現計算出來的電壓矢量作用時間超出采樣周期，也可以用滿電壓矢量來代替，因此是非常易于實現的，從實驗結果來看，轉矩脈動的鋸齒基本上對稱，說明轉矩的脈動已經大為減少。上法認為磁鏈被準確控制或變化緩慢，而沒有考慮磁鏈的無差拍控制，在文獻中對磁鏈也進行了預測控制。預測控制

在這種方法中，通過磁鏈的空間矢量和電壓矢量關系可近似得到：

其中ΔΨS是在電壓矢量作用下的磁鏈幅值改變量，θVΨ是二者的空間角度。設

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制，所需的電機參數只有定子電阻和電感，對電機參數變化的魯棒性比較好，從實驗結果來看，系統的動態響應性能是比較好的。但是在這種方法中，需要檢測電機的相電壓，這增加的系統硬件的復雜性，另外，計算量也比較大。

基于幾何圖形的無差拍控制

在文獻中，對定子磁鏈方程、轉子磁鏈方程以及由定、轉子磁鏈表達的轉矩方程進行離散化，之后把前兩個方程帶入到轉矩方程中去。通過離散的轉矩方程分析可以知道施加電壓矢量可以使轉矩誤差為零，轉矩變化到平面上的一條直線上，這條直線與轉子磁鏈矢量方向平行。采取同樣的方法可以分析知道施加電壓矢量可以使磁鏈誤差為零，磁鏈變化到平面上的一個園上，這個園與與磁鏈園同心。于是利用直線和園的交點就可以得到使轉矩和磁鏈無差拍控制的電壓矢量，當然這個電壓矢量受到逆變器所能輸出的電壓大小的限制。

把幾何圖形引入到無差拍的控制中來是一個比較好的思路，可以得到最優的無差拍控制的電壓矢量，同時也有助于理論上的分析。但是就如何把圖形方式和數字化控制結合起來從實現方式上來說還是存在有一定的難度。

離散空間矢量調制(DSVM)方法

無差拍的直接轉矩控制從理論上可以最大化地消除轉矩和磁鏈的的誤差，克服了Bang-Bang控制不精確性的弱點，但是需要比較大的計算量，并且這些計算都是與電機參數有關，容易引起計算上的誤差。因此在文獻中提出了既不需要多少計算，又能提高轉矩和磁鏈控制精度的離散空間矢量調制方法。

在離散空間矢量調制方法中，通過對兩電平逆變器輸出的六個基本電壓矢量中的相鄰電壓矢量和零電壓矢量進行有規律的合成，如圖3是使用相鄰的單一矢量2和單一矢量3以及零電壓矢量合成出來的空間電壓矢量。從圖3中可以看出其合成方法是把整個采樣周期平均分為3段，每一段由非零電壓矢量或零電壓矢量組成，如空間電壓矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零電壓矢量各作用1/3采樣周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中沒說明)，利用這種有規律的合成方法一共可以合成出10個電壓矢量。

細化的電壓矢量可以對轉矩和磁鏈進行更精確的控制，文獻中對磁鏈使用了傳統的2級滯環Bang-Bang控制，而考慮到轉

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交流電機-韓國SPG小型電機感應電機系列

矩需要動態響應快，對其劃分了5級滯環Bang-Bang控制，如圖4所示，不同的誤差帶內使用不同的電壓矢量表。另外，作者通過推導得到電壓矢量對轉矩變化的影響式子如下所示：

從式(10)中可以看出同一電壓矢量在低速和高速對轉矩變化的影響是不同的。因此，在不同的速度范圍使用了不同的電壓矢量，如圖3所示。從另一方面看，低速使用幅值小的電壓矢量以及高速使用幅值大的電壓矢量也是符合V/f=C這一規律的。傳統的直接轉矩控制在低速時連續使用較多的零電壓矢量使開關頻率很低，轉矩脈動大。而按照離散空間矢量調制的方法由于低速使用幅值小的電壓矢量，因此連續使用的零電壓矢量少，開關頻率高，轉矩脈動小。另外，由于高速時的電壓矢量比較多，可以劃分12個扇區，使用兩個電壓矢量表，這樣可以進行更精確的控制。

從以上分析可以看出，離散的空間矢量調制方法易于實現，不需要有無差拍控制那樣多的計算，保持了傳統Bang-Bang控制的優點，因此魯棒性好，但相對于傳統的直接轉矩控制又可以提高轉矩和磁鏈控制精度，減小低速轉矩脈動。但是控制精度越提高，矢量劃分就越細，電壓矢量控制表就越多越大，這將增加控制的復雜性。因此，如果能讓離散的空間矢量調制與無差拍控制結合起來，將會有助于克服這個缺點。由PI調節器輸出空間電壓矢量的方法

在直接轉矩控制中，如果能獲得任意相位的空間電壓矢量，將有助于減小低速下的轉矩脈動，達到矢量控制在低速下的穩態性能。

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顯然這個空間電壓矢量在空間位置上的相位是任意的。從結構上看基于PI調節的直接轉矩控制相似于定子磁鏈定向的矢量控制，但二者是有區別的，定子磁鏈定向的矢量控制基于同步旋轉坐標系，定向于定子磁鏈d軸，q軸磁鏈為零，另外在d軸方向還要對磁鏈和和q軸方向上的電流進行解耦，而這些對于基于PI調節的直接轉矩控制不需要，其中只需要使轉矩輸出和定子磁鏈反饋通過PI調節方法來跟隨上給定即可，因此從實現上是比較簡單的，同時魯棒性也比較好，并且相對于傳統的直接轉矩控制可以提高開關頻率，減小了低速下的轉矩脈動，但是在這種方法當中需要選取合適的PI參數，否則會影響控制系統的動、靜態性能。除了以上這種PI調節的直接轉矩控制外，在文獻中還在A·B·Plunkeet的直接轉矩和磁鏈調節法的基礎上做了進一步的研究，使用空間電壓矢量的方式輸出，此處不詳細敘述。

注入高頻抖動提高開關頻率

在前面的各種直接轉矩控制策略中都談到提高低速下的開關頻率可以降低轉矩脈動，同時也可以降低噪聲。在文獻中，提出了一種在傳統的直接轉矩控制基礎上注入高頻抖動的方法提高開關頻率，其中作者用圖表的方式顯示了開關頻率隨轉矩和磁鏈滯環寬度的減小而提高，但是這種提高是有限的，一個最主要的原因是磁鏈和轉矩控制上的延遲，滯后越大開關頻率就越低。例如從仿真來看10μs延遲有14kHz的開關頻率，但當有20μs的延遲時只有8kHz的開關頻率。文獻中提出的提高開關頻率方法是在轉矩和磁鏈滯環內疊加上高頻的三角波，其幅值與滯環寬度相當。

當反饋值大于三角波時電壓矢量減小，當反饋值小于三角波時電壓矢量增大，因此，即使控制上有延遲，但隨著三角波頻率的增大，開關頻率

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謝辭

本文是在李軍紅老師的悉心指導下完成的。在從大二以來的兩年時間里，李老師給我提供了良好的實驗條件和動手的機會，并在學習和生活上給予充分的指導和幫助，對我在學習生活中取得的成績給予充分的肯定。在和李老師討論問題的過程中，他嚴謹、求實的治學態度、對科學持之以恒的鉆研精神和正直、寬厚的為人之道對我產生了非常深刻的影響。在此我向他表示最誠摯的敬意和深深的感謝。另外我在進行論文工作期間，得到了自動化教研室許多老師的指導，在此向同樣他們表示誠摯的謝意。

感謝已畢業的師兄曾力對我的關心和幫助，他在多年來一直在教我如何面對學習和生活。同時感謝朱哲、雷波等同學在論文撰寫過程中給予的關心與支持。沒有他們的幫助要想完成此論文是不可能的。

最后感謝我的家人多年來對我的理解、支持與鼓勵，并把此文獻給他們。

曾廣璽

2008年5月于南華大學

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第三篇：電機設計論文

12電機設計論文_電動機論文

一、選題的依據及意義

現在社會中，電能是使用最廣泛的一種能源，在電能的生產、輸送和使用等方面，作為動力設備的電機是不可缺少的一部分。電機在國家經濟建設，節約能源、環保和人民生中起著十分重要的作用。發電機主要用于移動電源、風力發電、小型發電設備中；電動機在生產和交通運輸中得到廣泛使用，電動機主要用于驅動水泵、風機、機床、壓縮機、冶金、石化、紡織、食品、造紙、建筑、礦山等機械產品上。隨著科學技術的不斷創新和工農業的迅猛發展，電氣化與自動化水平不斷提高，國民經濟各部門對異步電動機的需求量日益增加，對其性能，質量，技術經濟指標也相應地提出了越來越高的要求。因此，對異步電動機品種，必須適時實地做出更新與發展，以適應各個新興工業領域不同的特殊要求，特別是對需求量最大的中小型異步電動機，在保證其質量運行，壽命長和能滿足使用要求的同時，進一步節約銅、鐵等材料，提高效率和功率因數，以提高其經濟技術指標與降低耗電量，是具有十分重要的意義。由于Y系列異步電動機具有體積小，重量輕，運行可靠，結構堅固耐用，外形美觀等特點，具有較高的效率，有良好的節能效果，而且噪音低，壽命長，經久耐用。作為普遍用于拖動各種機械的動力設備，其用電量在總的電網的總的負荷中占有重要的一席。Y系列共有兩個基本系列、十六個派生系列、九百多個規格，能滿足國民經濟各部門的不同需要。所以設計研究三相異步電動機意義重大。國內外研究現狀及發展趨勢（含文獻綜述）

1、現狀

國外公司注重新產品開發，在電機的安全、噪聲、電磁兼容等方面很重視。國外的先進水平主要體現在電機的可靠性高，壽命長，通用化程度高，電機效率不斷提高，噪聲低，重量輕，電機外形美觀，絕緣等級采用F級和H級，而且也考慮電機制造成本的降低等國內雖有部分產品已達90年代初的國際水平，但相當部分的產品可靠性差，重量重，體積大和噪聲大，綜合水平只相當于80年代初期國際水平，其主要原因是制造工藝落后，關鍵材料的質量和品種不能滿足要求，科研和設計工作沒有跟上，科研投入少，新產品開發資金匱乏，企業技術創新能力較弱

2、電機行業發展趨勢 1）企業在改造中求發展

企業要自己選準位置，立足生求，真抓實干，穩步發展。我國中小電機生產銷售受各種因素的影響，變化幅度比較大，企業要看準改革市場，并重點地去占領他，發揮企業自身的優勢，例如，目前的稀土永磁電機，大量用于風機、水泵、1 機床、壓縮機、城市交通及工礦電動車輛等變頻調速裝置，預測會有較大的發展前途。2）發展派生、專用系列電機

我們要開拓多用途、多品種派生和符合國外先進標準的電機產品。隨著社會的不斷前進，科技水平的不斷提高，電機行業的不斷發展，市場需求會不斷變化，電機產品的外延和內涵也不斷拓展，電機產品配套面廣，它廣泛地應用于能源、交通、石油、化工、冶金、礦山、建筑等各個領域，并且電機的通用性逐步向專用性方面發展，打破了過去同一類電機同時用于不性質、不同場合的局面。電機產品正向著專業性、特殊性、個性化方面發展，這也是國外企業發展的最新觀點與動向。3）電機要高效、節能

我國中小型電機作為各種機械設備的動力源，其耗電總量已占全國發電量的70%左右。因此，發展中國高效電機，推廣節能產品，是響應國家節能政策、實現節能降耗的重要舉措。

在產品開發中，以前的科學院所、企業在產品設計采用了許多辦法，如采用降低起動力矩、電容補償、阻尼槽方法來節約電能，但這些都是在頻率不變的條件下來實現的。自從有了逆變器后，電源的變頻變壓變的更加容易，從而可以調節異步電機在最佳工作點上運行，保證出力不變的情況下，可用最大效率和功率因數代替額定效率和額定功率因數，減小了電機尺寸，減輕了電機重量，降低了成本，提高了企業經濟效益和社會效益。

4)機電一體化、智能化 隨著科學技術的發展，機電一體化技術得到長足發展，同時，各種高新技術也為電機產品注入了新的活力，制造工藝和管理信息化技術通過微電子、計算機、網絡技術的應用，國家政策的鼓勵、各企業對科技的重視，使新產品開發的周期逐漸縮短，機電一體化、智能化電機（如交流變頻調速電機是一種無級調速傳動系統）應運而生，調速制造、虛擬制造等先進制造技術推廣應用。我國的電機的技術性能水平與發達國家的水平相當。

2、發展趨勢

隨著國家宏觀經濟的調整以及市場需求的推動，二十世紀中小型電機的品種將得到更大的發展，尤其是對于發展高效率電機、高品位的出口電機和機電一體化的交流變頻電機將會給予特別的重視，而一些新穎的電機，如永磁電機、無刷直流電機、開關磁阻電機等，將進一步完善。同時，隨著CAD技術、數控機床、專用加工設備、冷軋矽鋼片、F級、H級絕緣材料等新技術、新材料的推廣，電 2 機行業的生產方式也將出現新的重大的變化。電機的技術發展動向是向小型化、薄型化、輕量化、無刷化、智能化、靜音化、高效化、節能化、環保化、可靠化、精密化、組合化，電機采用新型磁性、導電、絕緣材料。

二、本課題研究內容 本課題主要是研究設計Y802-4三相鼠籠式異步電動機---設計計算.首先根據給定的功率，功率因數，相數，頻率及額定相電壓確定異步發電機的主要規格。

本課題的主要計算過程如下： 1.額定數據及主要尺寸計算 2.磁路計算 3.參數計算 4.起動計算

根據Y802-4三相鼠籠式異步電動機各性能指標：效率?，功率因數cos?，TSTISTTmax 最大轉矩倍數 TN，起動轉矩倍數 TN，起動電流倍數 IN 計算出各個參數。

三、本課題研究方案

本課題的研究方案是根據設計任務書并結合所選機型的各參數指標進行復算，通過方案比較，確定電機電磁性能有關的尺寸和數據，選定材料，并核算其電磁性能。最終算計出符合國家有關標準和技術要求的電機參數； 利用計算機進行輔助設計，提高功率因數，提高效率，提高電動機的工作能，節省制造材料。

四、研究目標、主要特色及工作進度

1.研究目標：在原復算方案的基礎上既節省材料，又提高性能；將不同方案進行比較，以求得最佳結果。

2、主要特色

進行發電機的電磁設計時，先釆用手算的方法，使各項性能指標都滿足。后釆用計算機編程的方法進行計算，得出最優方案。

3、工作進度 3

六、參考文獻 [1] 陳世坤 電機設計［M］ 機械工業出版社 2000 [2] 李發海 電機學［M］ 科學出版社 1995 [3] 三相異步電動機設計、原理與試驗 沈陽機電學院 [3] 張躍峰 AUTOCAD2004 入門與提高 清華大學出版社 4 目 錄 摘

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

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

述................................................................................................................2 1.1我國電機制造工業發展近況與發展趨勢..........................................................2 1.2 電機的分類..........................................................................................................2 1.3三相異步電動機的結構和用途..........................................................................3 1.3.1異步電動機結構............................................................................................3 1.3.2異步電動機用途............................................................................................4 1.4三相異步電動機的基本工作原理和運行特性..................................................5 1.4.1 基本工作原理...............................................................................................5 1.4.2三相異步電動機的工作特性........................................................................5 1.5 三相異步電動機的起動與調速..........................................................................6 1.5.1三相異步電動機的起動................................................................................6 1.5.2三相異步電動機的調速................................................................................7 1.6 感應電動機的主要性能指標和額定參數........................................................8 1.7電機節能..............................................................................................................8 第2章 三相鼠籠式異步電動機的設計方法............................................................10 2.1 電磁負荷的選擇與匹配....................................................................................10 2.1.1電磁負荷對電機性能和經濟性的影響......................................................10 2.1.2 電磁負荷的選擇.........................................................................................10 2.1.3 電荷負荷的匹配.........................................................................................11 2.2 主要尺寸、氣隙長度的選取及繞組型式的選擇............................................11 2.2.1主要尺寸的選擇..........................................................................................11 2.2.2 氣隙長度的選取及確定.............................................................................12 2.2.3鐵心尺寸......................................................................................................12 2.2.4定子繞組形式和節距的選擇......................................................................13 2.3 籠型轉子的尺寸設計........................................................................................14 2.3.1 轉子槽數選擇及定轉子槽配合問題.........................................................14 12電機設計論文_電動機論文 2.3.2 轉子槽形的選擇和槽形尺寸的確定.........................................................15 第3章 三相鼠籠式電動機電磁設計與方案調整....................................................17 3.1鼠籠式電動機電磁方案的設計........................................................................17 3.2電機調整方案....................................................................................................37 3.3 方案結果分析....................................................................................................40 3.4 提高電機工作性能的一些措施........................................................................41 第4章 計算機輔助工具在電機設計的應用............................................................43 結束語..........................................................................................................................45 致 謝.........................................................................................錯誤！未定義書簽。參考文獻......................................................................................................................45 Y802-4 0.75 kW三相鼠籠式異步電動機設計 摘 要

本文介紹了Y系列三相鼠籠異步電動機的設計方法,文章首先從異步電機的基本理論及工作特性著手，簡單介紹了異步電機的發展近況、基本特性、類型、結構、用途、技術指標、工作原理及運行特性等，為電機設計的做好必要的理論準備。電機設計是個復雜的過程，因此需要考慮的因素、確定的尺寸和數據很多。同時本文也詳細闡述了三相鼠籠異步電動機的設計改進調整方案，以及計算機輔助工具的應用，這給電機設計和優化帶來了新的契機。

關鍵詞 :三相異步電動機；設計；電磁路參數；工作性能；優化方案 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

現在社會中，電能是使用最廣泛的一種能源，在電能的生產、輸送和使用等方面，作為動力設備的電機是不可缺少的一部分。中小型電機行業是機械工業的重要組成部分，在國民經濟中起著舉足輕重的作用。發電機主要用于移動電源、風力發電、小型發電設備中；三相異步電動機在生產和交通運輸中得到廣泛使用，例如，在工業方面，它被廣泛用于拖動各種機床。水泵、壓縮機、攪拌機、起重機械等。在農業方面，他被廣泛用于拖動排灌機械、脫粒機及各種農產品的加工機械。在家用電器和醫療器械和國防設施中，異步電動機也應用十分廣泛，作為拖動各種機械的動力設備。隨著科學技術的不斷創新和工農業的迅猛發展，電氣化與自動化水平不斷提高，國民經濟各部門對異步三相異步電動機的需求量日益增加，對其性能，質量，技術經濟指標也相應地提出了越來越高的要求。因此，對三相異步電動機性能提出了許多新的更新的要求，必須適時實地做出更新與發展，以適應各個新興工業領域不同的特殊要求，特別是對需求量最大的中小型三相異步電動機，在保證其質量運行，壽命長和能滿足使用要求的同時，進一步節約銅、鐵等材料，提高效率和功率因數，以提高其經濟技術指標與降低耗電。三相異步電動機已有近20年多年的研制開發、設計和生產史。尤其近些年來,隨著研制開發技術的不斷創新、迅速發展和完善，如集成化技術、智能化技術、網絡化技術、虛擬技術等，設計出 ―更快、更精、更凈‖的產品。第1章 概 述

1.1我國電機制造工業發展近況與發展趨勢

電動機制造是我國機械工業中較大的行業之一，它既是關系到各行各業自動化的重要基礎產品，又是與人類生活密切相關的面廣量大、品種繁多的通用產品。電動機是把電能轉變為機械能的主要執行部件，國內60%～70%的發電量被電機所消耗。因此，電機產品的品種、數量和質量各種性能水平的提高和發展，都會直接影響國民經濟各部門成套設備的發展水平。

20世紀40年代以前，我國電機制造工業極端落后。50年代以仿制國外產品為主，60年代起走上自行設計的道路。在此之前只能生產一般中小型電機，而且批量小，品種單一。我國所生產的電動機大多是六十年代發展的產品, 部分是七、八十年代引進的國外移植產品,與國外同行業相比, 其技術水平、產品質量、結構工藝、制造能力、自動化程度等均偏低,仍有不小的差距。

解放五十多年來，國內的電機制造業通過廣大工程技術人員的不懈努力，在非常落后的基礎上逐步建立起較為完整的電機制造工業體系，無論是在發展品種、提高產品質量方面，還是在數量方面，都取得了世人矚目的成績，為工業的發展和人民生活水平的提高做出了巨大的貢獻。我國已能獨立自主地生產各種中小型電機，國內產品已經發展到100 多個系列，500多個品種，年生產能力達到5500萬kW以上，基本上滿足了社會各個方面對電機產品的需求。

隨著電機理論的不斷完善，高新技術的快速發展，可以預言：未來的電機產品將朝著高性能化、智能化、微型化和網絡化的方向發展。1.2 電機的分類

電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉換的電力機械。電機在國民經濟各個領域得到廣泛應用。需要的電機的種類各不相同，性能各異。電機的分類方法也用很多，故電機的種類也有很多。

1）按工作電源分類： 根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。2）按結構及工作原理分類： 根據電動機按結構及工作原理的不同，可分為直流電動機，異步電動機和同步電動機。直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。12電機設計論文_電動機論文

3)按轉子的結構分類： 根據電動機按轉子的結構不同，可分為籠型感應電動機和繞線轉子感應電動機。

4)按用途分類： 可分為驅動用電動機和控制用電動機。

我國目前生產的三相異步電動機月100個系列額，500多個品種，500多個規格。按電機尺寸分成大、中、小型。

大型：中心高H > 0.63m,定子鐵心外徑Di > 1m,功率范圍在400KW以上，電壓為300 V和600 V。

中型：中心高H =(0.355——0.63)m,定子鐵心外徑Di =（0.5——1.0）m,功率范圍在（45——1250）KW以上，電壓為380 V和3000 V和6000 V。

小型：中心高H =(0.08——0.315)m,定子鐵心外徑Di =（0.12——0.5）m,功率范圍在（0.55——132）KW以上，電壓為380 V。Y（IP44）系列的中心高H =(0.08——0.28)m,定子鐵心外徑Di =（0.12——0.445）m，共11個機座，功率范圍為（0.55——90）KW，電壓380V。1.3三相異步電動機的結構和用途 1.3.1異步電動機結構

（1）固定部分有定子繞組、定子鐵心、機殼、端蓋、風罩。

定子繞組是電動機的電路部分，通入三相交流電產生旋轉磁場的繞組。由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規律分別嵌放在定子各槽內。定子鐵心是電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。通常是用軋成厚0.5或0.35毫米的硅鋼片疊成的（如圖1）。機殼是用來支撐定子鐵心和電動機端蓋。端蓋是用來支撐電動機的轉動部分（一般指轉子）。風罩保護風葉同時又起到通風的風路作用。圖1 定子鐵心

（2）轉動部分有轉子鐵心、轉子鼠籠、轉軸、起動開關、軸承、風葉。轉子鐵心是整個電動機磁路的一部分，一般使用硅鋼片DR510-50，DR280-35。轉子鼠籠起轉子繞組的作用轉子的導條均由鼠籠的端環所短路，形成一個多相的電路（如圖2）。鼠籠的材料一般采用高純鋁L01～L05。轉軸是作為支撐轉子鐵心和傳遞力矩最不可缺少的結構部分。軸承主要是連接轉動部分與不動部分。風葉主要是冷卻電動機。圖2 鼠籠轉子（3）其他部分有出線盒、銘牌、起動或工作電容器。（4）三相異步電動機的總結構圖 圖3 封閉式三相籠型異步電動機結構圖

1—軸承；2—前端蓋；3—轉軸；4—接線盒；5—吊環；6—定子鐵心； 7—轉子；

8—定子繞組；9—機座；10—后端蓋；11—風罩；12—風扇 1.3.2異步電動機用途

對于小型異步電動機來說，用途是十分廣泛的，常作為各類機械中的主要動力元件。Y系列小型異步電動機根據需要，既可以用于正常的工作環境，又可在潮濕、多塵、濕熱、多霉和日曬雨淋、嚴寒酷暑，沖擊波動，有爆炸危險和腐蝕性環境中使用，既可恒速傳動，又可變速傳動。這類電機既可連續工作，有可斷續工作。因此廣泛用于各種機床，風機，水泵，壓縮機和傳輸機，農業食品加工 等各類機械設備。

1.4三相異步電動機的基本工作原理和運行特性 1.4.1 基本工作原理

電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全 電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上的。如 右圖4是三相交流異步電動機轉子轉動的原理圖(圖中只示出兩根導條)，當磁極沿順時針方向旋 轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出 電動勢。電動勢的方向由右手定則來確定。因為運 動是相對的，假如磁極不動，轉子導 條 沿逆時針

方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。異步電動機的工作原理用箭頭式子可以簡單的表示如下：

定子繞組通入三相交流電流?產生旋轉磁場?切割轉子繞組? 轉子繞組產生感應電勢?轉子中產生感應電流?轉子電流與磁場作用?產生電磁轉矩?運行。

1.4.2三相異步電動機的工作特性

異步電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量轉差率，轉矩電流，效率，功率因數等隨輸出功率變化的關系曲線。1轉差率特性 ○ 通常把同步轉速n1和電動機轉子轉速n二者之差與同步轉速n1的比值叫做轉差率，用s表示。關于轉差率的定義如下：當電機的定子繞組接電源時，站在

s?定子邊看，如果氣隙旋轉磁通密度與轉子的轉向一致，則轉差率s為：n1?n；n1 如果兩者轉向相反，則：s?n1?n。式中的n1、n都理解為轉速的絕對值s是n1 一個沒有單位的數，它的大小能反映電動機轉子的轉速。隨著負載功率的增加，轉子電流增大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。2轉矩特性 ○

異步電動機的輸出轉矩：轉速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉速略有下降，轉矩曲線為一個上翹的曲線（近似直線）。3電流特性 ○

空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大。4效率特性 ○

其中銅耗隨著負載的變化而變化（與負載電流的平方正比）；鐵耗和機械損耗近似不變；效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗時，電機達到最大效率。異步電動機額定效率載74-94%之間；最大效率發生在(0.7-1.0)倍額定效率處。5功率因數特性 ○

空載時，定子電流基本上用來產生主磁通，有功功率很小，功率因數也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數逐漸升高；在額定功率附近，功率因數達到最大值。如果負載繼續增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率正比），從而引起功率因數下降。1.5 三相異步電動機的起動與調速 1.5.1三相異步電動機的起動（1）直接起動

直接起動是用閘刀開關或接觸器把電機的定子繞組直接接到具有額定電壓的電源上。是一種最簡單而應用廣泛的起動方法。1）優點：無需附加起動設備，操作方便；

2)缺點：起動電流大，起動轉矩小，須足夠大的電源； 3)適用條件：小容量電動機帶輕載的情況起動。（2）降壓起動

用降低電機端電壓的方法限制制動起動電流，待電機轉速接近正常轉速后，再將端電壓升高到額定電壓。如果電源容量不夠大，可采用降壓起動。即起動時，降低加在電動機定子繞組電壓，起動時電壓小于額定電壓，待電動機轉速上升到一定數值后，再使電動機承受額定電壓，可限制起動電流。1)Y-Δ降壓起動 2)自耦變壓器降壓起動 3)電阻降壓或電抗降壓起動 4)延邊三角形降壓起動（3）軟起動

軟起動就是在電動機(鼠籠式)定子回路串入有限流作用的電力器件來實現電機的起動。通過這種方法降低起動電流。軟起動是采用軟件控制方式來平滑起動電動機，一方面在控制方式上以軟件控制強電，另一方面在控制結果上將電動機的起動特性由―硬‖平滑變為―軟‖。軟起動過程中產生高次諧波，對周邊環境要求比較高，同時起動設備投資非常大；但它起動時無沖擊電流，可保持平滑起動，并且可根據負載情況實現自由無級的起動。軟起動方式：○1 液阻式軟起動 ○2 磁控式軟起動 ○3 智能式軟起動。

1.5.2三相異步電動機的調速

三相異步電動機轉速公式為： n?60f1?1?s? p 從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可太到改變轉速的目的。異步電動機的調速主要有三種方法.1、變極調速 n1?60f1，異步電動機正常運行時，轉子轉速n略低于n1，所以，一旦p p改變，n1改變，n也隨著改變。1）Y→YY 變極調速 屬于恒轉矩調速方式 2）Δ→YY變極調速 屬于恒功率調速方式

2、變頻調速 異步電動機的轉速：n?60f1?1?s?。當轉差率S變化不大時，n近似正p 比于頻率f1，可見改變電源頻率就可改變異步電動機的轉速。常用的異步電動機變頻調速控制方式通常有兩種，即恒轉矩變頻調速和恒功率變頻調速。

（1）恒轉矩變頻調速。電機變頻調速前后額定電磁轉矩相等，即恒轉，T?TTeNTeN矩調速時，有。

（2）恒功率變頻調速。電機變頻調速前后它的電磁功率相等，即 ''。Pem?TTem?1?TTem?1 12電機設計論文_電動機論文

3、轉子回路串電阻調速

轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。串電阻前后保持轉子電流不變，則有： R2R2?R?，cos?2?cos?2N ?SNS 電磁轉矩為： Tem?CM?mI2cos?2，保持不變，即屬于恒轉矩調速。1.6 感應電動機的主要性能指標和額定參數 感應電動機的主要性能指標、基準值和額定參數。1.7電機節能

電動機廣泛應用于工業、商業、公用設施和家用電器等各個領域，作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種設備的動力。中小型三相異步電動機是電力機械的最主要的原動機。目前中國電動機消耗的電量約占全國用電量的60％，而中小型電動機占到全國電動機功率的75％，若把中小型電動機的效率平均提高一個百分點，一年可節電20多億kWh。由此可見，電動機的節能潛力巨大，提高中小型電動機的能源效率是工業終端設備節能的一個重要方面。一般采取的節能措施如下：

1、選用節能電動機 Y系列三相異步電動機是全國統一設計的新系列小型鼠籠轉子電動機。Y系列電動機效率較高，全系列加權平均效率為88.27%，比J02系列高0.41%,起動轉矩比J02系列平均提高30%，因此有利于用戶既滿 足對起動轉矩要求高而又

可選用容量較小的電動機。這有利于提高節電效果。

2、合理選擇電動機容

一般電動機負載的系數在0.5-1范圍內為高效區。電動機容量要根據生產機械需要的功率來決定。但實際中往往會出現―大馬拉小車‖的現象，由于容量選擇不合理，使電動機經常處于輕載狀態，致使功率因數降低，增加線路損耗。所以要根據不同負載合理選擇電動機。

3、異步電動機采取調速節電

目前，風機與泵類設備常用調節閥門或擋板開啟度的方法來調節流量，電能浪費很大。而用電動機調速來調節流量，可使風機、泵長期在高效率狀態運行，節電可達30%-60%a。表1列出異步電動機幾種常用的調速方式及特點。在工農業生產中可根據電機、場地、調速要求等情況選擇調速方案。對于不同的負載類型選用不同類型的電動機，可以獲得良好的節電效果。

(1)可變轉矩型異步電動機。其最大轉矩和額定轉矩都和轉速成正比，故低速時最大轉矩和額定轉矩都只有高速時的一半(倍極比電動機)，而額定功率只有高速額定功率的1/4。這類電動機適合泵、風機使用，因它的特性基本上與負載特性配合。接線方式是低速時為串聯Y,高速時為并聯Y。

(2)恒轉矩型異步電動機。其最大轉矩和額定轉矩近似地保持不變，額定功率正比于轉速。這類電動機適合傳送帶、壓縮機和機床進給機構使用接線方式是:低速時為串聯0,高速時為并聯Y(3)恒功率型異步電動機。其最大轉矩和額定轉矩反比于轉速。這類電動機適合于金屬切削機床、卷揚機等。接線方式是:低速時為并聯Y,高速時為串聯△。

第2章 三相鼠籠式異步電動機的設計方法 2.1 電磁負荷的選擇與匹配

2.1.1電磁負荷對電機性能和經濟性的影響

/由于正常電機中系數?p、KNM、與Kdp實際上變化不大，因此在計算功率P/ 與轉速n一定時，電機的主要尺寸決定于電磁負荷A、B?。電磁負荷越高，電機尺寸將越小，重量越輕，成本也越低。這就是在一般可能情況下，一般希望選取較高電磁負荷和B?的原因。但電磁負荷選取與眾多因素有關，不但影響電機有效材料的耗用量，而且對電機參數、起動和運行性能、可靠性都有重要影響。（1）線負荷A較高，氣隙磁密B?不變 1 電機體積和尺寸的減小，可節約鋼鐵材料 ○ 2 B?一定時，由于鐵心重量減小，鐵耗隨之減小 ○ 3 繞組用銅量增加 ○ 增大了電樞單位表面上銅耗，繞組溫升增高 ○ 5 影響電機參數和電機特性 ○（2）氣隙磁密B?高，線負荷A不變 電機體積和尺寸的減小，可節約鋼鐵材料 ○ 2 電樞基本鐵耗增大 ○ 氣隙磁位降和磁路飽和程度增大 ○ 4 影響電機參數和電機特性 ○ 2.1.2 電磁負荷的選擇

電磁負荷與預防護等級、冷卻方式、轉子結構、絕緣等級及電壓有直接關系。決定電磁負荷時。對于小型電機而言，各種產品之間磁密的波動范圍不大。只是對于斷續運行電機或者最大轉矩要求高、功率數允許略低的產品，磁密可以略高。但電密及熱負荷AJ1波動較大。當磁密及J1選定后，根據電磁負荷的匹配關系，求取轉子電密及調整定子齒部、軛部的磁密，電磁負荷選得高，就節省材料，但它受效率?,cos?及溫升約束，不能選得過高。在推薦的范圍內： A 隨功率增加而增加，減少A可提高過載能力； ○ 2 B? 隨極數增加面增加，降低B?可提高cos?； ○ J1 則隨功率增加而減小，隨散熱能力提高而提高。同時繞線轉子的J1要比○

籠型轉子的J1選低5%——10%；斷續運行的可比連續的選的高些。2.1.3 電荷負荷的匹配

電磁負荷的匹配直接影響電機的溫升（定子繞阻溫升），盡管隨著電機類型不同，溫度場分而亦不同，但仍有一個共同的規律。就散熱而言，轉子熱量有很大一部分要先傳給定子，再經機座或通風道，與定子熱量匯集在一起傳給周圍介質。

對于Y系列電機而言，磁負荷亦應遵循類似的規則，轉子部分損耗很小，轉子部分磁密只要在推薦范圍內選取，其損耗可忽略不計。電機總的鐵耗可以以為僅由定子齒部鐵耗及定子軛部鐵耗兩部分構成。當鐵心尺寸確定后，鐵耗隨磁密的增加而增加。對于4極電機而言，齒、軛磁密相近時，由于軛部體積較大，其鐵耗常常是齒部好幾倍。所以設計人員常將軛部磁密選項得較低，齒部選得較高，這從計算結果看是合適的，但在散熱途徑中齒部的散熱不如軛部；同時，齒部磁密偏高，這會使其脈振損耗顯著增加，這些從計算結果很難察覺，但卻往往導致溫升增高，因此齒部磁密不宜偏高。

2.2 主要尺寸、氣隙長度的選取及繞組型式的選擇 2.2.1主要尺寸的選擇

設計的主要任務是確定電動機的主要尺寸，選擇定轉子磁路結構，設計定轉子沖片和選擇繞組數據，然后利用有關公式對初始設計方案進行較核，調整電動機的某些設計參數，直至電動機的電磁設計方案符合技術經濟指標求。

三相鼠籠異步電動機的主要尺寸包括定子內徑Di1和電樞計算長度lef 6.11P'P' 決定電機主要尺寸的基本關系式：Dl?'.?CAABnnapKNmKdp1?2i1ef 其中感應電動機的計算功率P/為：P'?m1E1I1 由于感應電動機額定功率為：PN?m1UN?I1?cos? 比較上兩式，則有P'?E1iPN UN??.cos? 在生產實際中，設計感應電機時往往只需參考已經制定的同類型、相近規格電機的尺寸。一般來說，三相異步電動機的設計可有如下兩種情況：(1)直接利用某特定的定子沖片，以提高電動機定子沖片的通用性和縮短電動機的研制周期。在此情況下，由給定的定子沖片，即可知道定子沖片內徑，再由電動機的功率和電機常數選取電樞計算長度。

(2)在給定電動機的性能指標，而無其他限制。此時根據預估的電磁負荷，有電動機的功率和轉速可選定電動機的Di21Lef，然后憑經驗選取一定的主要尺寸比Lef ?1，得出電機的主要尺寸。2.2.2 氣隙長度的選取及確定

氣隙?的數值基本上決定于定子內徑、軸的直徑和軸承間的轉子長度。異步電動機的氣隙長度是影響制造成本和性能的重要設計參數，它的取值范圍很寬，選得小，可使勵磁電流降低而提高功率因數，但槽漏抗也隨之增加，使起動轉矩、最大轉矩降低。過小的氣隙也容易招致定、轉子相擦。但若選得大，則情況剛好相反。在異步電動機設計選取氣隙時，需考慮多種影響。

從電抗去磁能力考慮，較小的?對提高抗去磁能力有利，但由于制造和裝配工藝的限制，氣隙不能取的太小。與材料有關，較小時，抗去磁能力相對較差?宜取小些。極數是選取? 值需考慮的重要因數。2.2.3鐵心尺寸 鐵心的尺寸指定子鐵心外徑、內徑、轉子鐵心內徑及鐵心長。鐵芯沖片一般由相互絕緣的0.5mm厚硅鋼片沖成，沖片內圈有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞線。當冷卻方式、工作制不同時，可參考下列關系選取鐵心尺寸。

自冷式（不帶內、外風扇）電機，當上列其他特征與自扇冷（IC0104）產品的相同時，若維持相同的輸出功率，應選比后者高2——3個功率等級的電機鐵心尺寸。

斷續運行（以S3、FC=40%工作制為代表）電機，當上列其他特征均與連續

12電機設計論文_電動機論文

運行的相同，并維持相同的功率時，可選取比連續的低約1個功率等級的鐵心尺寸。若為工作制時，FC分別為15%、25%、60%，則應分別在40%的基礎上乘以1.4、1.19及0.845，即為在同一鐵心下分別對應的輸出功率。若維持功率不變，可據此近似地推算出鐵心尺寸。2.2.4定子繞組形式和節距的選擇

繞組的形式，連同其結構參數對電機的所有電氣性能均產生不同程度的影響。不同的形式的繞組按照各自的特性有不同的適用范圍。

1、單層鏈式繞組

優點：○1 槽內無層間絕緣，槽利用率高，散熱好； ○2 同一槽內的導線都屬于同一相，在槽內不會發生相間擊穿。3 線圈總數比雙層少一半，嵌線比較方便，節約嵌線工時； ○ 缺點：○1 不易做成短距，磁勢波形比雙層繞組差； 2 電機導線較粗時，繞組嵌放和端部的整形比較困難； ○

圖 5 24槽 節距1—6 單層鏈式

通過改善磁動勢波形是使氣隙磁動勢分布接近正弦波，即其諧波含量減少了，由此帶來的效果是附加損耗，電磁噪聲減小了；T-S曲線與的形狀也改善了，即減少了附加轉矩，提高了起動過程的最小轉矩；提高繞阻系數則意味著使Bg下降，cos? 及效率都得到提高，或者保持Bg不變，適當減少匝數，或者縮短 鐵心，即收到節銅或硅鋼片的效果。

2.3 籠型轉子的尺寸設計 2.3.1 轉子槽數選擇及定轉子槽配合問題 籠型轉子感應電機在選取轉子槽數時，必須與定子槽數有恰當的配合。如果配合不當，會使電機性能惡化。下面就槽配合對附加損耗、附加轉矩、振動與噪聲等的影響作扼要的介紹。（1）槽配合對附加損耗的影響 感應電機的附加損耗主要由氣隙諧波磁通引起。這些諧波磁通在定轉子鐵心中產生高頻損耗（表面損耗和齒部脈振損耗），在籠型轉子中產生高頻電流損耗。其中以定、轉子齒諧波的作用最為顯著。

當定、轉子槽數相等時，定子齒諧波磁通不會在轉子中產生高頻電流損耗。當定、轉子槽數很接近時，轉子齒中由定子齒諧波磁通引起的脈振較小，脈振損耗也就較小。同理，定子齒中由轉子齒諧波磁通引起的脈振損耗也較小。（2）槽配合對異步附加轉矩的影響

異步附加轉矩是某一極對數的定子諧波磁場與由它感應于轉子中的電流所建立的同一極對數的諧波磁場相互作用而產生的。這兩個磁場之間有直接的依賴關系。定子?次諧波磁勢產生的異步附加轉矩最大值與基波磁勢產生的起動轉矩之比： Tvmax Tst 1Xm?K2vKskv???。'?2vR2KK?21sk1? 2（3）槽配合對同步附加轉矩的影響

如果定子某一個諧波磁場感應于轉子中的電流所建立的某一諧波磁場的極對數，等于另一個定子諧波磁場的極對數，則在某一轉速下，這兩個極對數相等的定轉子磁場可以在空間上同步旋轉而相對靜止，因此它們相互作用而產生一個象同步電機一樣的轉矩，稱為同步附加轉矩。同步附加轉矩迭加在電動機的異步轉矩上，使電機的轉矩特性曲線發生畸變，影響電機的起動性能。其中，由定子齒諧波磁場和轉子齒諧波磁場所構成的附加同步轉矩最嚴重。（4）槽配合對振動和噪聲的影響 當槽配合符合下列條件時，定、轉子齒諧波磁場將引起電機振動和噪聲： Z1?Z1?i ? ??i?1,2,3......? Z2=Z1?2p?i? 同樣，定、轉子相帶諧波磁場與轉子一階齒諧波引起振動和噪聲的條件為： Z1?2pm1k1? ??k1?0,i?1,2,3......? Z2=2pm1k1?i?（5）感應電機定、轉子槽配合的選擇

定、轉子槽配合對感應電機附加損耗、附加轉矩、振動和噪聲等影響很大。通常在選擇槽配合時主要考慮下列原則： 1）為了減小附加損耗，應采取少槽近槽配合

2）為了避免在起動過程中產生較強的異步附加轉矩，應使

z2?1.25?z1?p?。3）為了避免在起動過程中，產生較強的同步附加轉矩、振動和噪聲，應避免采用下表1第4項所列的槽配合。表1 2.3.2 轉子槽形的選擇和槽形尺寸的確定

（1）轉子槽形 感應電動機籠型轉子槽型種類很多。如下圖6 圖 6 感應電動機籠型轉子常用槽型

a）、b）平行齒 c）、d）平行槽e）凸形槽f）刀型槽 g）、h)閉口槽i）雙籠轉子槽j）梯形槽（2）轉子槽形尺寸的確定

轉子槽形尺寸對電動機的一系列性能參數如：起動電流、起動轉矩、最大轉矩、起動過程中的轉矩（即T-s曲線的形狀）、轉差率、轉子銅耗、功率因數、效率和溫升等有相當打的影響。其中起動轉矩、起動電流、最大轉矩和轉差率與轉子槽型尺寸的關系最為密切。此外還要重點考慮起動性能的要求；估算轉子導條電流；初步給定導條電流密度；計算導條截面積；由導條截面積、槽形以及轉子齒、軛部磁密，確定轉子槽具體尺寸，槽口部分主要由工藝確定。（3）端環的設計

轉子端環的設計與轉子槽的設計相類似，在保證是夠起動轉力的前提下應盡使端環原型小一點，以節約鋁材料和提高電動機的品質因數。1）類似槽形尺寸確定

2）為利于散熱，電流密度低于導條電密 圖 7 端環設計尺寸圖 第3章 三相鼠籠式電動機電磁設計與方案調整 本章詳細闡述Y90S—4 0.75 kW異步電動機的設計，該電機為一般用途的鼠籠式全封閉自扇冷式三相異步電動機，定子繞組為銅線，絕緣等級為B級，其基本結構防護要求達到國家電工委員會外殼防護等級IP44的要求。滿足國內標準，向某些國際表準及某些發達國家標準靠攏，貫徹―三化‖——標準化、系列化及通用化的要求。3.1鼠籠式電動機電磁方案的設計

一、額定數據及主要尺寸 1．輸出功率P2 P2=0.75kW 2．外施相電壓U1 U1=220V 3．功電流IKW I? P2?1030.75?103 KW m=1?U1 3?220=1.1363636A 4．效率?? ??=0.77 5．功率因數cos?? cos??=0.763 6．極數p p=4 7．定子槽數Q1 Q1=24 轉子槽數Q2 Q2=22 8．定子每極槽數 QP1? Q1p=24 4=6 轉子每極槽數 QQ222P2? p=4 =5.5 9．定、轉子沖片尺寸見右圖8，圖9 單位（mm）圖 8 定子沖片尺寸 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 圖 9 轉子尺寸

12電機設計論文_電動機論文 10．極距?P ?P? ??Di1= ??75 p 4 =58.9049 11．定子齒距t1 t1??75 1? ??DiQ= =9.8175 1 24 12．轉子齒距t2 t??D22? = ??74.5 Q2 22 =10.6385 13．節距y y=5 14．轉子斜槽寬bSK bSK=9.8175 15．每槽導體數16．每相串聯導體數 ZQ1?Z1Z?1? ?1 m=24?103

Z1 Z1=103 1?a1 3?1=824 式中：

a1=1 17．繞組線規（估算）式中： 導線并繞根數·截面積 N?? I?1 1?S1? N?? 1?S1（mm22）a 1??1 = 1.9342 1?6.19 =0.3125 定子電流初步估算值 I? IKW1.1363636 I/1?1 ???cos??=0.77?0.763=1.9342 定子電流密度?? 1 ??? 21查表得?1=6.19A/MM 18．槽滿率（1）槽面積 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）槽絕緣占面積（3）槽有效面積（4）槽滿率

絕緣厚度Ci 導體絕緣后外 槽契厚度h 19．鐵心長l 鐵心有效長 凈鐵心長lFe 鐵心壓裝系數KFe 20．繞組系數（1）分布系數 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 無徑向通風道leff?l?2g =80+0.25*2 =80.5 無徑向通風道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）短距系數 Kp1?sin???90?? =1 式中： ?? y5 Q=?0.8333 p16 21．每相有效串聯導體Z?1?Kdp1?Z?1?Kdp1 數 =824*0.965926 =796

二、磁路計算 22．每極磁通 ?? 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．齒部截面積（1）定子 ST1?bT1?lFe?QP1 =4.7569*76*6 =2169.16（2）轉子 ST2?bT2?lFe?QP2 =4.99495*76*5.5 =2068.89 24．軛部截面積（1）定子 S? C1?hC1?lFe =10.2667*76 =780.2667 mm2 式中：定子軛部磁路計? ?D1?Di11 算高度h? hC1 C1 2?hS?3 R 圓底槽 ? 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）轉子

式中：轉子軛部磁路計? SC2?hC2?lFe =11.75*76 Sc2=893 算高度h? C2平底槽

25．空氣隙面積26．波幅系數

27．定子齒磁密28．轉子齒磁密29．定子軛磁密30．轉子軛磁密31．空氣隙磁密=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．查附錄Vl得 220261.7 =6758.6 GS 4741.8 atT1=17.8 atT2=26.7 atC1=13.2 atC2=7.22 33．齒部磁路計算長度 定子: 半開口平底槽 轉子: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．軛部磁路計算長 定子: ? lC1?? ? ???D1?hC1?? 轉子: 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．有效氣隙長度 式中： 定、轉子卡氏系數KC1、KC2 半閉口槽和半開口槽 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： 齒距為 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電機設計論文_電動機論文 槽口寬bo K10.2667 C2? ?4.4*0.25?0.75*1? 10.2667 4.4*0.25?0.75*1?12 =1.0535 36．齒部所需安匝 定子: AT?at? T1T1?hT1 =17.8×1.04667=18.6307 mm2 轉子: AT? T2?atT2?hT2 =26.7×1.2=32.04 mm2 37．軛部所需安匝 定子 ATC? C1?1?atC1?lC1 =0.353×13.2×4.30922 =20.0792 mm2 軛部磁路長度校正系C1=0.353 數C1 轉子 AT?

第四篇：交流伺服電機的探究控制電機論文

XX

大

學

控制電機報告

課

程

控制電機

題

目

交流伺服電機的探究

院

系

電氣信息工程學院電氣系

專業班級

電氣

學生姓名

學生學號

指導教師

2015年

X月

X日

目　錄

一、引言

二、交流伺服電動機的結構特點

三、伺服電動機的工作原理

21、交流伺服電機

22、永磁交流伺服電機的控制過程

43、永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較

四、交流伺服電機的應用

61、交流伺服驅動系統

62、交流伺服控制策略

73、電機模型

五、結束語

六、參考文獻

一、引言

用作自動控制裝置中執行元件的微特電機。又稱執行電動機。其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。伺服：一詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構”當個得心應手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉子靜止不動；訊號來到之后，轉子立即轉動；當訊號消失，轉子能即時自行停轉。由于它的“伺服”性能，因此而得名。

交流伺服電動機結構簡單,無炭刷,效率高,響應快,速比大,不需要經常維護,非常引人注目,在許多領域有取代直流伺服電動機之勢。

交流伺服電動機控制系統包括;

控制交流伺服電動機轉速和輸出轉矩的逆變器,控制逆變器與變換器之間接點處直流電壓的變換器和一個控制器。

當轉速低于額定轉速時,該直流電壓被控制為恒定電壓:

而當轉速超過額定轉速時,該直流電壓被控制成與轉速成比例的一個增加電壓,以便使伺服電動機的輸出轉矩保持一個恒定轉矩。

永磁交流伺服電動機的定子三相繞組由SPWM正弦脈寬調制電源供電，故又稱正弦波驅動無刷電動機。其特點是:

伺服性能好，可采用數字控制，運行平穩、轉矩波動小、過載能力強;

無普通直流伺服電動機電刷換向器磨損問題，維護簡單、壽命長、工作可靠;

能適應高速大力矩驅動要求;

繞組安裝在定子上，散熱好;

軸上位置傳感器多用光電編碼器、無接觸式旋轉變壓器等。

二、交流伺服電動機的結構特點

作為交流伺服電動機使用的有異步型和同步型兩種,異步型交流伺服電動機定子放置線圈,轉子為鼠籠型,大量用作機床和通用工業機器的驅動元件;

同步型交流伺服電動機定子放置線圈,轉子為永久磁鋼,根據磁極位置從電機外部進行換向,也可稱為無刷直流電動機。永久磁鋼的交流伺服電動機按其勵磁方式和供電方式的不同又可分為兩類:一類電機的永久磁鐵勵磁磁場為正弦波,定子繞組感應出來的反電動勢為正弦波,逆變器提供正弦波電流;

另一類電機的永久磁鐵勵磁磁場為方波,定子繞組感應出來的反電動勢為梯形波,逆變器提供方波電流。

三、伺服電動機的工作原理

1、交流伺服電機

（1）交流伺服電機的工作原理交流伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U

/

V

/

W

三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

交流伺服電機的工作原理和單相感應電動機無本質上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉”現象，即無控制信號時，它不應轉動，特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它應能立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續轉動。

當電機原來處于靜止狀態時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉磁場。這兩個圓形旋轉磁場以同樣的大小和轉速，向相反方向旋轉，所建立的正、反轉旋轉磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉子轉不起來。一旦控制系統有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應的控制電壓。在一般情況下，電機內部產生的磁場是橢圓形旋轉磁場。一個橢圓形旋轉磁場可以看成是由兩個圓形旋轉磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉磁場幅值不等（與原橢圓旋轉磁場轉向相同的正轉磁場大，與原轉向相反的反轉磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉。它們切割轉子繞組感應的電勢和電流以及產生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉者大，反轉者小）合成力矩不為零，所以伺服電機就朝著正轉磁場的方向轉動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉磁場及其力矩增大，反轉磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負載力矩不變，轉子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相1

0

°，旋轉磁場的轉向相反，因而產生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產生的磁場將是脈動磁場，轉子很快地停下來。

為使交流伺服電機具有控制信號消失，立即停止轉動的功能，把它的轉子電阻做得特別大，使它的臨界轉差率S

k

大于1

。在電機運行過程中，如果控制信號降為“零”，勵磁電流仍然存在，氣隙中產生一個脈動磁場，此脈動磁場可視為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場的合成。一旦控制信號消失，氣隙磁場轉化為脈動磁場，它可視為正向旋轉磁場和反向旋轉磁場的合成，電機即按合成特性曲線運行。由于轉子的慣性，運行點由A

點移到B

點，此時電動機產生了一個與轉子原來轉動方向相反的制動力矩。負載力矩和制動力矩的作用下使轉子迅速停止。

必須指出，普通的兩相和三相異步電動機正常情況下都是在對稱狀態下工作，不對稱運行屬于故障狀態。而交流伺服電機則可以靠不同程度的不對稱運行來達到控制目的。這是交流伺服電機在運行上與普通異步電動機的根本區別。

（2）交流伺服電機使用時應注意

伺服電機驅動器接收電機編碼器的反饋信號，并和指令脈沖進行比較，從而構成了一個位置的半閉環控制。所以伺服電機不會出現丟步現象，每一個指令脈沖都可以得到可靠響應。

調節伺服電機有幾種方式，使用T

w

i

nLine

軟件對電機的PID

參數、電機參數、電子齒輪比等進行調節。

對伺服電機進行機械安裝時，應特別注意，由于每臺伺服電機后端部都安裝有旋轉編碼器，它是一個十分易碎的精密光學器件，過大的沖擊力肯定會使其損壞。

（3）交流伺服電機的控制

為了使控制系統改變不大，應選用數字式伺服系統，可采用原來的脈沖控制方式；由于伺服電機都有一定過載能力，所以在選擇伺服電機時，經驗上可以按照所使用的步進電機輸出扭矩的1

/

來參考確定伺服電機的額定扭矩；伺服電機的額定轉速比步進電機的轉速要高的多，為了充分發揮伺服電機的性能，最好增加減速裝置，讓伺服電機工作在接近額定轉速下，這樣也可以選擇功率更小的電機，以降低成本。

用脈沖方式控制伺服電機，一是可靠性高，不易發生飛車事故。用模擬電壓方式控制伺服電機時，如果出現接線接錯或使用中元件損壞等問題時，有可能使控制電壓升至正的最大值。這種情況是很危險的。如果用脈沖作為控制信號就不會出現這種問題。二是信號抗干擾性能好。數字電路抗干擾性能是模擬電路難以比擬的。

當然目前由于伺服驅動器和運動控制器的限制，用脈沖方式控制伺服電機也有一些性能方面的弱點。一是伺服驅動器的脈沖工作方式脫離不了位置工作方式，二是運動控制器和驅動器如何用足夠高的脈沖信號傳遞信息。這兩個根本的弱點使脈沖控制伺服電機有很大限制。一是控制的靈活性大大下降；二是控制的快速性速度不高。

伺服驅動器工作在位置方式下，位置環在伺服驅動器內部。這樣系統的P

I

D

參數修改起來很不方便。當用戶要求比較高的控制性能時實現起來會很困難。從控制的角度來看，這只是一種很低級的控制策略。如果控制程序不利用編碼器反饋信號，事實上成了一種開環控制。如果利用反饋控制，整個系統存在兩個位置環，控制器很難設計。在實際中，常常不用反饋控制，但不定時的讀取反饋進行參考。這樣的一個開環系統，如果運動控制器和伺服驅動器之間的信號通道上產生干擾，系統是不能克服的。

2、永磁交流伺服電機的控制過程

永磁交流伺服電動機可利用坐標變換進行矢量控制，這就使得永磁交流伺服電動機的控制變得同直流伺服電動機一樣方便。其控制過程如下:

(1)

給定控制，將給定信號分解成兩個互相垂直的直流信號、;

(2)

直/交變換，將、變換成兩相信號、;

(3)

/3

變換，得到三相交流控制信號、、去控制逆變器;

(4)

電流反饋反映負載情況，使直流信號中的轉矩分量iT能隨負載而變，從而模擬直流電動機工作情況;

(5)

速度反饋反映給定與實際轉速差，并進行矯正;

(6)

閉環控制信號由軸上所帶編碼器反饋，整個過程由數字信號處理器(DSP)

進行全數字化處理。

永磁交流伺服電動機的另一種控制模式是直接轉矩控制。具體方法是:

在定子坐標系下分析電動機數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下，對電動機轉矩直接進行控制，不用坐標變換。

3、永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較

0

世紀8

0

年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機和伺服驅動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機。9

0

年代以后，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發展日新月異。

交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。

永磁交流伺服電動機同直流伺服電動機比較，主要優點有：

（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。

（2）定子繞組散熱比較方便。

（3）慣量小，易于提高系統的快速性。

（4）適應于高速大力矩工作狀態。

（5）同功率下有較小的體積和重量。

到目前為止，高性能的電伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅動器多采用快速、準確定位的全數字位置伺服系統。典型生產廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。交流伺服電機傳動技術卻能以較低的成本獲取極高的位置控制精度，世界上許多知名電機制造商如松下，三洋，西門子等公司紛紛推出自己的交流伺服電機和伺服驅動器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳＡ系列為比較典型的一種。

四、交流伺服電機的應用

1、交流伺服驅動系統

交流伺服驅動系統的發展與伺服電動機的不同發展階段密切相關，從直流電機的發明到現在已經有一百多年的歷史。直流電機雖然最早發明，但是由于當時鐵磁材料以及晶閘管技術的限制，發展很是緩慢，一直到

1960

年以后隨著可控硅的發明以及各種電機材料的改良，直流電動機才得到迅速發展，并在七十年代成為各種伺服系統中最重要的驅動設備。在直流電機快速發展以前的一段時期內步進電機應用最為廣泛，受當時蘇聯以及日本等方面因素的影響，磁阻式步進電機快速發展并應用到數控機床設備中，在此時期由于生產要求低、技術落后，伺服控制系統多為開環控制。從

世紀

年代到現在，由于直流伺服電機同功率情況下自身體積較大及換向電刷問題的存在，在很多場合不能滿足環境要求。隨著電動機生產技術及其永磁體制造材料、現代控制理論、電機控制原理的突飛猛進，出現了方波、正弦波驅動的各種新型永磁同步電動機，逐漸開始替代直流伺服電動機市場。根據對控制系統高性能的要求，現如今的大部分交流伺服系統采用閉環控制方式。

現代交流伺服驅動系統，已經逐漸向數字時代轉變，數字控制技術已經無孔不入，如信號處理技術中的數字濾波、數字控制器、各種先進智能控制技術的應用等，把功能更加強大的控制器芯片以及各種智能處理模塊應用到工業機器人交流伺服驅動系統當中，可以實現更好的控制性能。分析多年來交流伺服控制系統的發展特色，總結市場上客戶對其性能的要求，可以概括出交流伺服控制系統有以下幾種熱門發展方向：

（1）數字化

隨著微電子技術的發展，處理速度更迅速、功能更強大的微控制器不斷涌現，控制器芯片價格越來越低，硬件電路設計也更加簡單，系統硬件設計成本快速下降，且數字電路抗干擾能力強，參數變化對系統影響小，穩定性好；采用微處理器的數字控制系統，更容易與上位機通訊，在不變更硬件系統結構的前提下，可隨時改變控制器功能。在相同的硬件控制系統中，可以有多種形式的控制功能，不同的系統功能可以通過設計不同的軟件程序來實現，且可以根據控制技術的發展把最新的控制算法通過軟件編程實時的更新控制系統。

（2）智能化

為了適應更為惡劣的控制環境和復雜的控制任務，各種先進的智能控制算法已經開始應用在交流伺服驅動系統中。其特點是根據環境、負載特性的變化自主的改變參數，減少操作人員的工作量。目前市場上已經出現比較成熟的專用智能控制芯片，其控制動靜態特性優越，在交流伺服驅動控制系統中被廣大技術人員所采用。

（3）通用化

當前，伺服控制系統一般都配置有多種控制功能參數，這有利于操作人員在不改變系統硬件電路設計的前提下方便地設置成恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制等多種工作模式，應用領域十分廣泛，另外可以控制異步、同步等不同類型的電動機，適應于各種閉環或開環控制系統，交流伺服控制系統的通用化將會在以后的伺服驅動系統發展的道路中越走越遠。

2、交流伺服控制策略

最近幾十年來，借助于電機控制理論及智能控制理論的不斷完善，交流伺服控制理論也隨之蓬勃發展起來；由于微電子技術的進步，各種方便用戶開發的微控制器與數字信號處理器件大量涌現市場，為各種先進的智能控制算法在控制系統中的應用提供了可能。現如今，各種新型的伺服控制策略大量涌現，大有與傳統控制策略一較高低的趨勢，下面對幾種常用的伺服控制策略進行分析比較：

（1）恒壓頻比控制

在工廠控制領域中使用最為廣泛的仍然是恒壓頻比控制方式，此方法是通過控制輸出電壓與頻率的比是常數，確保電動機的磁通量為定值，從而控制電動機的速度。這種控制方法在低速運行時轉矩能力較弱，必須對定子電壓壓降進行補償處理，另外因為此控制方法不能直接控制電磁轉矩，因此性能較低。但由于恒壓頻比控制具有實現簡單、運行穩定、調速方便等優點，因此在一些對動態性能要求比較低的場合應用比較廣泛。

（2）矢量控制

上個世紀，矢量控制技術的提出，為交流伺服驅動系統的快速進步提供了理論支持。矢量控制技術的主要原理為：以轉子旋轉磁場作為參考系，將電動機定子矢量電流經過兩次坐標變換分解為直軸電流和交軸電流分量，且使兩電流分量相互正交，同時對交直軸電流分量的幅值和相位進行控制，可以獲得像直流電機一樣優越、甚至比直流電動機更好的動態控制性能，另外，矢量控制經過半個世紀的發展已經十分成熟，在伺服驅動系統中應用最為廣泛；矢量控制技術的優點主要是原理簡單，動態控制性能良好，缺點是在控制實現過程中要進行各種坐標變換，計算量比較大，另外此種控制方法會實時受到電動機定子電阻、電感以及轉動慣量變化的影響，基本上不可能實現完全解耦，從而影響系統的動態性能，使控制效果變差。解決方法是加入各種先進的控制算法，對控制器進行智能化改進，從而提高伺服驅動系統的動態性能與魯棒性。

（3）直接轉矩控制

二十世紀八十年代中期，德國專家提出“直接自控制”的高性能交流電動機控制策略，此種控制策略不需要像矢量控制那樣對電動機定子矢量電流進行大量而復雜的解耦變換，再通過控制解耦獲得的交軸電流分量來間接的控制電動機電磁轉矩，它采用定子磁場定向的控制方式，對交流電機的電磁轉矩進行直接控制。此方式只受到電動機定子繞組阻值的影響，對電動機除定子繞組阻值之外的其他參數的變動穩定性好，解決了矢量控制受電動機本體參數影響大的缺點。1995

年，ABB

公司首先把直接轉矩控制技術應用到了變頻器當中，并作為一種高端產品出現在市場中，對矢量變頻器提出了挑戰。20

世紀末，開始有部分專家學者通過深入研究把直接轉矩控制理論引入到交流同步電動機當中，完成了直接轉矩控制技術在交流同步電動機伺服驅動領域的重大突破。直接轉矩控制的優點是轉矩動態響應快，缺點是在轉速較低時轉矩脈動較大。

（4）智能控制

智能控制理論是最近幾十年來的一種新興學科，它的迅速發展為交流永磁伺服控制技術的進步注入了新鮮血液。智能控制技術由于其自身的理論特點，在非線性控制領域中比經典控制理論更具有優勢，在很多場合將會實現比經典控制理論更好的控制特性。

3、電機模型

如圖

2-2

所示，給出了

PMSM的簡單模型。其中，A、B、C分別為

PMSM三相定子繞組，它們把整個空間均分為三份。在此，根據永磁同步電動機的簡單模型以及其坐標變換關系圖，獲得電的機的理想數學模型，不過要想獲得精確理想的電機數學模型是很難實現的，因此在建立數學模型之前，我們首先要對電動機數學模型影響很小的量進行相應的忽略及假設：

（1）忽略磁路鐵芯的磁飽和現象；

（2）忽略鐵芯磁滯與渦流損耗；

（3）忽略轉子上的阻尼繞組；

（4）不計溫度影響；

（5）假設氣隙磁場呈理想正弦分布。

圖1

PMSM

結構簡化模型

當

PMSM

三相定子繞組中通入三相交流電時，根據電磁感應定律和基爾霍夫定律可得

PMSM的定子電壓、定子磁鏈和轉子耦合磁鏈的方程分別如式所示：

式中、、——定子繞組相電壓；、、——定子繞組相電流；、、——定子繞組總磁鏈；、、——各繞組耦合磁鏈；

——定子繞組電阻；

——定子繞組電感；

——轉子磁鏈幅值。

電磁轉矩是電動機對外輸出能量的重要依據，交流伺服驅動控制系統是否能快速穩定的輸出給定的電磁轉矩是評價電動機動態響應性能的重要指標，PMSM的電磁轉矩方程表述如式所示：

將磁鏈方程代入上式中可得方程如下式所示：

在隱極式永磁同步電動機中，=，代入上式中可以得到方程如下式所示：

由上式可以看出，通過對定子電流的控制，就可以控制

PMSM的轉矩。作用到電機軸上的電磁轉矩與電動機轉速、負載轉矩以及電動機轉動慣量之間的變化關系可以用下面的電機運動方程式來表示：

五、結束語

（1）交流伺服電動機作為數控機床的新型執行元件在國外已取得了很大的進展,在我國提供性能好和可靠性高的交流伺服電動機,滿足數控系統發展的需要,是當前的一個關鍵問題。

（2）從國外交流伺服電動機的發展趨勢來看,應優先發展成本較低的同步型轉速可控的直流無刷電動機。

（3）交流伺服電動機的性能在很大程度上取決于電子控制技術的水平。應力求采用數字控制和計算機控制,以克服交流伺服電動機的不足之處。

（4）隨著交流伺服系統應用領域的不斷擴大,交流伺服電動機將會有很大的發展。在我國,交流伺服電動機潛力的發掘和發展,尚需我們做大量的工作。

六、參考文獻

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（2)

第五篇：開題報告-船舶柴油機電控系統設計

開題報告

電氣工程及自動化

船舶柴油機電控系統設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

現代船舶工業是典型的綜合加工裝配工業，是綜合工業之首。船舶工業對國民經有直接的消耗，還直接為我國的能源運輸，國際航運，海洋開發等產業提供必要的裝備和信息，形成國民經濟的一條重要產業。

當前，船舶動力仍以柴油機為主。柴油機因具有功率覆蓋面寬、效率高、能耗低、使用維修方便等特點。經過幾十年尤其是最近十多年的發展，現在的船用柴油機已經發展到一個新的高度。但隨著世界能源危機，環境污染和自動化水平的日益提高，對柴油機提出了更高的要求。因此柴油機的優勢地位也提出了新的挑戰。由此以后研究柴油機主要是提高經濟性研究，降低柴油機排放研究。柴油機排放的限制使得經濟性提高更加困難，這個也是柴油機發展中的新課題：提高可靠性和耐久性的研究：電子控制技術的研究等。據資料表明，船舶產品平均構造比例：造船30%，原材料20%，配套設施50%。由此可見，船舶配套設施對船舶工業的重要性。船舶柴油機是船舶的主要配套設備，它應用于船舶推進動力裝置和船舶電站。在船舶成本中分別占10%—15%和3%—5%。因此，建設性能提供性能優良，質量可靠，品種齊全，數量充足船舶柴油機制造業，對我國工業快速穩定健康發展不可或缺。我國船用柴油機發展關系到國家重大的政治與經濟安全戰略，其近年來的發展嚴重滯后的現狀已引起各方面的重視。2003

年以來，國家十分重視并充分肯定了船舶工業在國民經濟發展中的積極作用，尤其是2004

年宏觀調控的背景下對船舶工業更快、更大發展寄予殷切期望。

目前國內大功率船舶柴油機船舶套配件沒有自主的知識產權，關鍵技術受制于人，已經成為我國船舶發展的重要瓶頸，為了達到未來的造船大國強國時對船舶配套件的需求，實現國輪國造，國輪國配，必須盡快改變我國柴油機落后的狀況。電子控制系統是柴油機重要的配套產品，我國長期以來電控系統一直以來進口。

隨著國際船舶配套技術飛速發展，世界上各個大船舶柴油機公司近幾年相繼推出新型船舶柴油機，都大量的采用最新的科技成果和設計理念，如模塊化設計技術，高效率增壓技術，智能技術等。主要體現以下幾個方面：

1船舶柴油機系統集成技術。

柴油機發展不僅要求提高綜合效率，而且要求提高柴油機整體性能和各種工作狀況下的適應性。主要研究內容，船舶柴油機動力系統總體匹配設計技術研究，模塊化設計研究，船舶柴油機動力系統集成優化。

2船舶柴油機虛擬設計研究技術

虛擬技術將用于船舶柴油機設計，制造，裝配，運行和維修全過程。以發動機數據庫為基礎，應用相關軟件，技術和手段開展船舶柴油機設計開發研究。

3智能化電子控制技術

開展船舶柴油機電控系統開發和工程化應用技術，電子控制系統，電子調速器設計技術。船舶柴油機運行電子管理系統等方面的研究。

4船舶柴油機可靠性技術

柴油機零部件活著模塊件將有更高的水平發展，即受到更高的重視，因此，需開展可靠性技術的研究，故障分析診斷等方面的研究。

5船舶柴油機代用燃料技術

大功率船舶柴油機燃料向多元化發展，可以使用重油等清潔燃料等，對于LNG.LPG等燃料運輸船，開展可方便利用所運輸的燃料的單燃料或雙燃料氣體發動機。

6全生命周期性和低排放技術

開展船舶柴油機性能以及燃料技術的研究，重點是突破高增壓技術，高壓共軌燃油噴射技術等，以解決船舶柴油機低負荷性能和全工況乃至全生命周期經濟性問題。結合船舶柴油機結構模式，工作要求，運行環境等多類實際情況，開展全生命周期和低排放技術的研究可以滿足世界環境提出的進一步嚴格要求。

21世紀是海洋的世紀，我國作為一個經濟騰飛的發展中國家，必將在21世紀進入高速發展階段。我國將會越來越多的向海洋這個人類的大寶庫索取生物，化學，動力和能源礦產和廣闊的生存空間，探索海洋和開發海洋將成為我國重要的生產活動之一。船舶將會成為這一生產重要工具和得力助手。目前我國現役船舶中主要以船舶柴油機作為主動力，因此柴油機作為一種原動力在我國海洋開發和船舶運輸及海洋開發占有十分重要的地位。是我國船舶的基本動力，開展船舶配套設施的研究具有重大的經濟效益和發展前景。

電控系統被稱為柴油機的“大腦”，是柴油機的重要組成部分，對提高柴油機的自動化水平、經濟性、動力性和改善排放等具有重要作用。柴油機電控技術水平的高低已經成為衡量柴油機先進性的重要標志，是柴油機產品核心競爭力的重要體現。

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

研究基本內容：

1：了解柴油機電控系統的基本功能和工作環境。

2：對柴油電控系統進行分析。

3：冷卻水溫控制。

解決主要問題：

1：電子調速的建模。

2：相繼增壓系統增壓器的切換控制需要參考柴油機轉速、增壓器轉速與負荷情況等因素。

3：了解故障診斷的工作原理。

4：水溫控制的設計。

三、研究步驟、方法及措施：

步驟及方法：

1：了解國內外船舶柴油機的發展狀況。

2：對柴油機電控系統進行了解和認識。

3：重點研究船舶柴油機電控系統理論及其應用，建立合適的模型。

4：得出結論。

措施：

圖書館查找相關的書籍、期刊、雜志等，通過上網尋找相關的一些資料，查看當代對該技術的研究成果和最新的動態。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理

解設計所需的相關知識。在設計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。

四、參考文獻

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