永磁直流电动机

永磁直流电动机（精选12篇）

永磁直流电动机 篇1

0 前言

电动机作为电力拖动装置, 在国民生产中占有很大比重。在日常生产生活中, 与三相异步电动机相比, 直流电动机具有更好的调速性能, 而且直流电动机的起动转矩大。随着电力电子技术和晶闸管技术的发展, 直流调速系统在经济和技术性能方面比电动机放大器调速系统和磁放大器调速系统更具有优越性, 故在日常生产中, 对电动机调速性能和起动性能要求较高的生产机械大都采用直流电动机拖动, 如龙门刨床、镗床、轧钢机、电力牵引设备等。

永磁直流电动机在各精密机床、自动化焊接设备、电工机械、橡塑机械、仪器包装机械、工业机器人、自动武器及雷达跟踪等多方领域得到广泛应用。在应用的过程中, 调速控制是永磁直流电动机经常遇到的问题之一。

现围绕永磁直流电动机的速度控制展开研究, 使其速度控制克服直流电动机复杂的结构、高昂的成本、难于维修、相对较差的可靠性等不足, 使永磁直流电动机的响应迅速、响应时间短、具有一定的抗干扰能力。

1 永磁直流电动机的数学模型及开环仿真

永磁直流电动机的等效电路如图1, 根据电路回路的Kirchhoff电压定律 (在这里假设电机轴为刚体没有扭转变形) 。

undefined (1)

式中:La——转子绕组的等效电感;

Ra ——转子绕组的等电效阻;

ia ——电枢回路中的电流;

ῶ ——转子旋转的角速度;

kb ——电势常数。

再根据电动机的力矩平衡关系。

undefined (2)

式中:km——由永磁体的磁通密度、转子绕组的数目以及铁芯的物理性质决定的力矩常数;

J ——转子和电动机负载的转动惯量;

b ——系统的阻尼系数/ (N·m·s) ;

Td ——电动机转矩。

因为电动机一般工作在恒转矩工作方式, 为使系统模型简单, 这里假设电动机也以恒转矩方式工作, 故Td是一恒定值, 为一常数, 对式 (2) 两边求导,

undefined (3)

对式 (1) 和式 (3) 进行Laplace变换, 整理得;

undefined

将给定的电动机参数km=10N·m/A, J=2 (kg·m2) /s2, Ra=1Ω, b=0.5N·m·s, La=1H, kb=0.1代入式 (4) , 从而得出永磁直流电动机的数学模型:

undefined (5)

式中:s为复频域函数的复变量。

得出了电动机的数学模型, 就可以对其开环特性进行分析。这里应用MatLsb仿真, 电动机的开环阶跃响应如图2所示。

从开环阶跃响应的仿真结果不难看出, 开环系统的峰值时间相对比较长, 在5s～6s之间, 而且超调量也相对比较大, 稳定时间也较长, 其稳定性能不是很好。因此需要引入闭环负反馈对系统进行校正。

2 单闭环转速负反馈调速系统

单闭环转速负反馈调速系统动态框图如图3。

由单闭环转速负反馈系统的动态框图, 可以得出系统的传递函数是:

undefined (6)

对单闭环转速负反馈调速系统进行MatLab仿真, 其阶跃响应如图4所示, Bode图如图5所示。

从单闭环转速负反馈系统的阶跃响应与Bode图, 可以看出, 系统基本稳定, 而且超调量也相对较小, 但是其稳定时间比较长, 相角裕度远远不够, 达不到要求。因此, 需要对系统进行超前校正, 使其相角裕度满足要求。

3 超前校正

利用Bode图的迭加特性, 可以很方便地添加超前校正网络的Bode图, 与原先单闭环转速负反馈系统的Bode图相迭加, 得到校正后的闭环系统的Bode图。

应用Bode图设计超前校正网络的步骤为:

1) 在保证稳妥态精度的前提下, 计算未校正系统的相角裕度;

2) 在允许的调节范围内, 确定所需的最小超前相角φm;

3) 利用公式undefined, 计算α;

4) 计算10logα, 在未校正系统的幅值增益曲线上, 确定与幅值增益-10logα对应的频率。当ω=ῶc=ῶm时, 超前校正网络提供10logα (db) 的幅值增益附加量, 因此经过校正后, 原幅值增益为-10logα的点将变成0db线的交点。这样对应的频率就是新的交点频率ῶc=ῶm;

5) 计算极点频率和零点频率;

6) 绘制校正后系统的Bode图, 确定是否满足设计要求。否则, 应重复上述步骤, 直至满足为止;

7) 确定系统的增益取值, 保持系统的稳态精度。

应用MatLab进行编程, 自动设计其超前校正网络参数并仿真出校正后系统的阶跃响应和Bode图, 如图6与图7所示。

从系统的Bode图和阶跃响应的仿真结果来看, 系统的相角增益满足设计要求, 系统的阶跃响应也比较稳定, 稳定时间较短, 超调量也在允许的范围内。

4 结语

通过给定的电动机参数, 建立电动机的数学模型, 然后利用MatLab对其开环系统进行仿真, 发现开环系统的性能不是很好, 引入单闭环转速负反馈后, 系统比较稳定, 但是相角裕度不够, 稳定时间也比较长。利用MatLab设计出超前校正网络对其进行超前校正, 使得系统的相角裕度满足要求。

参考文献

[1]汤蕴谬, 史乃.电机学[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[2]黄立培.电动机控制[M].北京:清华大学出版社, 2003.

[3][美]Richard C.Dorf, Robert H.Bishop.MODERN CONTROLSYSTEM[M].谢卫红, 等译.北京:高等教育出版社, 2001.

[4]赵文峰.MATLAB控制系统设计与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

永磁直流电动机 篇2

直流电动机 教案一

（一）教学目的

1．知道直流电动机的原理和主要构造。

2．知道换向器在直流电动机中的作用。

3.了解直流电动机的优点及其应用。

4．培养学生把物理理论应用于实际的能力。

（二）教具

如课本图12—10的挂图和模型，两个箭头标志（可用饮料盒铝片制作），自制直流电动机模型（参见图12—2），直流电动机原理挂图一幅，小型直流电动机一台，学生电源一台。

（三）教学过程

1．复习

提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。

提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变）

提问：出示如课本12—10甲的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab边受力向上，cd边受力向下）

提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动）

提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能）

2．引入新课

教师陈述：电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书：

〈第五节直流电动机〉

3．进行新课

(1)使磁场中的通电线圈能连续转动的办法

很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。

提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置）

提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平

衡位置后，ab边受力仍朝上，cd边受力仍朝下，正是这一对力使线圈转回来的）

提问：要使线圈不转回来，应该在线圈刚转过平衡位置时就改变线圈的受力方向，即使线圈刚转过平衡位置就使ab边受力变为向下，cd边受力变为向上。怎样才能使线圈受力方向发生这样的改变呢？

引导学生回忆影响受力方向的两个因素，从而得出：应该在此时改变电流方向，或者改变磁感线方向。进一步引导学生分析：改变磁感线方向就是要及时交换磁极，显然这不容易做到；实际的直流电动机是靠及时改变电流方向来改变受力方向的。

板书：〈1．使磁场中的通电线圈连续转动，就要每当线圈刚转过平衡位置，就改变一次电流方向。〉

(2)换向器

提问：怎样才能使线圈刚转过平衡位置时就及时改变电流方向呢？

让学生想办法并开展讨论，教师下

去了解学生的情况并鼓励和指导。

教师出示：两个半圆铝环和电刷，指出：靠这两样东西就可以解决问题。待学生思考片刻，教师出示已准备的与课本图12—12相似的模型，说明铝环与线圈的连接情况和铝环与电刷的配合过程。

引出换向器的概念并板书：

〈2．换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。〉

让学生仔细观察课本图12—12，进一步弄清楚线圈转动过程，重点是甲图和丙图，回答教师填空式的提问：

甲图：电流方向是a→b→c→d，受力方向是ab边受力向上，cd边受力向下，转动方向是顺时针。

丙图：电流方向是d→c→b→a，受力方向是ab边受力向下，cd边受力向上，转动方向是顺时针。

(3)直流电动机的构造

出示：直流电动机，介绍主要构造：磁极、线圈、换向器、电刷。

板书：〈3．直流电动机的构造〉

演示：给直流电动机通电转动，提高学生兴趣（若时间不允许，可省些演示）。告诉学生：下节课同学们将自己装一台小直流电动机，进一步弄清楚它的有关知识。

让学生阅读课文最后两个自然段，了解直流电动机的优点和应用。

4．小结（略）

5.作业：（不要求笔做）

(1)预习下节内容。

(2)比较直流电动机和交流发电机，从原理、构造和能量转化等方面说出它们的区别。

（四）说明

1．本节采用程序性的提问和讨论，启发学生弄清线圈受力情况和转回来的原因，以及解决问题的办法，可以培养学生的思维和创造能力。

2．换向器是教学的难点，制作放

大的直观模型很有必要。靠这一节课教学，一部分学生可能还没有完全弄清楚，下节课学生将进一步认识它。

直流电动机工作原理教案设计 篇3

1.书上彩图一下子给出线框受力方向，学生觉得突兀；

2.没有实际器材，换向器究竟什么样，怎样起作用不形象.

3.学生动手少，缺少理论与实践结合，枯燥，觉得学无所用.

经过思考，紧扣物理课程标准中对注重联系实际和过程与方法的渗透，再结合初中学生形象思维仍占优势，逻辑思维需要感性经验的直接支持的特点，我设计了这个教案，其基本设计思路如下：

1.通过实验对比，设置障碍，激发学生的学习兴趣.

2.铺设台阶，及时引导学生发现问题，从而寻求解决问题的途径，理解电动机工作原理.

3.激发求证心理，理论与实践相结合.

4.通过变式型设计，调动学生创造发明的积极性.

实践证明，效果很好，与大家分享一下.

导入：实验展示：给两个直流电动机通电，一个可以持续转动，而另一个不可以.学生自然产生疑问，为什么第一个不能持续转动呢？（其中一个电动机的线圈两端与电刷用导线焊接上，相当于两个铜环）学生带着疑问开始了本节课的学习.

第一环节：找出为什么不能持续转动

师：展示模型如图1：对线框的各个边分析，告诉学生左边一条边受到的力（由于初中生没有学习安培定则），让同学们分析对边受力情况.

学生运用磁场对通电导线的作用力的方向与电流方向有关，可以得出力的方向与左边方向相反.

（在两边线框上固定两根细线在图1F处，便于沿着力的方向拉动.）

师：线框将如何转动？

师：通电展示改动过的直流电动机模型，跟大家想的一样.生喜悦.

生：线圈转动怎么停下了？

师：转动模型如图2，这时右边受力有无变化？

生：右边受力无变化，仍向上，因为磁场和电流方向都不变.

师：拉动细线展示.

师：让线圈转到图3所示位置，上边受力变化吗？上下边受力有什么特点？

生：这两个力是一对平衡力，所以静止.

师：通电线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受到磁场的作用力是一对平衡力，我们把这个位置称作平衡位置.

通过展示，将过程放大，便于学生发现电动机不转的原因，为下面解决问题埋下伏笔.

第二环节：怎样才能持续转动

师：用手转动模型，缓慢展示回到平衡位置的情况，那么怎样才能继续转呢？

生：改变力的方向.

师：追问：如何改变？

生：改变磁场方向、改变电流方向.

生：磁场.

师：展示实验，对调磁极.

生：大笑.（因为不断调动磁极不可能）

生：改变电流.

生：对调电源正、负极.

生：也一样.

生沉默……

师：展示模型如图4遮去电源部分.

生：好奇，开始比较两个模型不同之处

生：加了两个半环.

生：皱眉，这样能行吗？

师：展示模型如图4，转动模型至相反位置，如图5：让大家再次受力分析.

生：可以转了.在体会真神奇时，学生也就体会了换向器如何改变电流方向问题.

师：我们把这两个半环叫做换向器.

师：通电展示，电动机持续转动.

第三环节：寻找直流电动机模型换向器的改装

师：展示不能持续转动的换向器的改动.让学生寻找不能持续转动电动机的改动部分，进一步了解换向器的功能.

这时学生动手欲望很强，便于积极培养学生动手能力.

第四环节：学生自己动手安装直流电动机模型

1.安装直流电动机模型，可以持续转动.

2.改变电流方向，观察线圈转动方向.

3.对调磁极，观察线圈转动.

这个实验重在让学生体会自己能让电动机持续转动的愉悦.老师课前要调试好直流电动机模型，部分小组电刷和换向器之间稍微紧些.这样便于培养小组合作精神.实验只要布置（1），（2）、（3）不需老师提醒，学生自己就忙上了，等不及了！我们何不抓住机遇，顺水推舟，这样既培养了动手能力，又调动了积极性.

第五环节：总结直流电动机工作原理

师：请大家试着总结一下直流电动机工作原理.

生：磁场对线圈的作用，换向器改变电流方向，通电线圈……

师：线圈为什么会越过平衡位置？

生：由于惯性.

师：直流电动机的工作原理：通电线圈在磁场中受到力的作用而转动，由于惯性线圈越过平衡位置，通过换向器及时改变电流方向，从而能够持续转动.

边总结边转动模型.

第六环节：应用性设计

师：如图6所示是最简单的直流电动机模型，怎样使小电动机持续转动？想一想，通电后线圈将怎样运动？为什么能持续转动？请大家用漆包线和收音机扬声器后的磁体亲自做一做.这个设计取材容易，操作简单，课后容易实现.

这样处理的好处：

1.先给出一个线框受到的力，学生容易判断另一个线框的力，又能复习磁场对通电导线的力的方向与电流方向和磁场方向有关.

2.学生身临其境的参与了为什么用换向器的过程，所以换向器的结构及功能就很清晰了.

3.学生亲自动手让电动机转起来，不但培养了学生的动手能力，同时学生觉得学有所用，有强烈的喜悦感.

4.会灵活运用直流电动机的工作原理解决问题，不需死记硬背就能形象的掌握了.

直流无刷电动机的工作原理 篇4

一、直流无刷电动机的数学模型

直流无刷电动机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置检测器等组成, 其转子采用特殊磁路设计永久磁铁, 可获得梯形波的气隙磁场, 定子采用整距集中绕组, 由逆变器供给方波电流。其一相气隙磁场感应的反电动势和供电电流之间的关系如图1所示。

此时, 直流无刷电动机的三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方程表达:

undefined

由电动机结构决定, 在一个360°电角度内 (机械上为一对磁极距) , 转子的磁阻不随转子位置变化而变化, 并假定三相对称, 则有:LA=LB=LC;LAB=LAC=LBA=LBC=LCA=LCB=LCA=LCB=M。式中M为直流无刷电动机定子绕组间互感, 则式 (1) 可改写为:

undefined

又因为三相对称电动机中存在iA+iB+iC=0, 因而有MiA+MiB+Mic=0, 所以式 (2) 经整理可变为:

undefined

电磁转矩表达式为:

T= (eAAi+eBiB+eciC) /Ω (4)

在通电期间, 直流无刷电动机的带电导体处于相同的磁场下, 各相绕组的感应电动势为:

Em= (PmN/60) Φmn (5)

星形联结的直流无刷电动机感应电动势Ed。由两相绕组经逆变器串联而成, 所以有:

Ed= (2Em) = (PmN/30) Φmn (6)

因此电磁转矩表达式可化为:

Td= (2EmId) /Ω= (PmN/π) ΦmId (7)

当送入12°电角度的三相方波电流并使之与每相感应电动势同相时, 直流无刷电动机的转矩脉动等于零。再加上转子运动方程:

undefined

这样就构成了完整的三相直流无刷电动机的数学模型。

二、直流无刷电机的运行特性和传递函数

由于假设转子磁场所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的, 即B=BMsinθ。这样一来, 如果在定子中某一相 (例如B相) 绕组中通入持续的直流电流, 所产生的转矩为:

TM=ZVLBMrIsinθ (9)

在三相全控电路两两通电时, 转子转矩为两个绕组的转矩合成, 其大小为:undefined。它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化。表示为如图2所示:

如果载流导体正好处在比较强的气隙磁场中, 它所产生的转矩脉动小, 转矩平均值较大, 如若开关管的导通时问提前或滞后, 则均将导致转矩的脉动值增加, 平均值减小。由上述分析, 可以很方便的求出输出转矩的平均值Ta和感生电动势的平均值Ea。由平均转矩和平均反电动势便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压平衡方程式, 为此首先定义反电动势系数和转矩系数:

undefined;undefined

可由图2得电动机电压平衡方程组为:

U-△U=Ea+IR (11)

可得其机械特性方程为:

undefined

由式 (12) 可知, 直流无刷电动机的机械特性方程同。式 (12) 表示电动机在稳定运行时的机械特性方程, 即一般所说的静态方程。

同理, 在上述假定条件不变的情况下, 直流无刷电动机的动态特性可由下列方程组来描写:

U-△U=Ea+IR;Ta=KTI (13)

undefined;

Ea=ken。经拉氏变换后, 可得:U (S) -△U (S) =Ea (S) +RI (S) ;Ta (s) =KTI (s) (14)

undefined;Ea (s) =Ken (s) 。

忽略功率管管压降, 根据方程式 (14) 可求得直流无刷电动机的传递函数为:

undefined2/375K4KT (15)

这样就构成了完整的三相直流无刷电动机的数学模型。

三、直流无刷电动机及其调速系统的特点

直流无刷电动机及其调速系统具有以下特点:稀土永磁方波同步电机通入逆变器供给的与电动势同相的12°方波电流, 就组成了直流无刷电动机。它比正弦波永磁同步电机出力大, 且理论上无电磁转矩脉动现象。直流无刷电动机比正弦波永磁同步电动机控制简单, 逆变器产生方波比产生正弦波容易, 转子只需带有三个敏感元件的磁极位置检测器即可, 因此大大降低其控制系统的成本。

四、小结

永磁直流电动机 篇5

设计题目：

他励直流电动机制动课程设计

学

校：

华东交通大学理工学院 学 生

姓 名：

崔 善 泽

专

业：

电气工程及其自动化

班

级：

电牵2班

学

号：

20***0

指 导

教 师：

李 房 云

摘要

本设计先介绍了他励直流电动机的工作方式，是为后面电动机制动作铺垫。对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般有大致可分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。在这次的设计中，我们着重讨论的是他励直流电机能耗制动。主要讨论关于能耗制动一些技术方面问题的分析与设计。以两种方式讲解：图示法和公式法。在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的(电动机的瞬时态)讲解。在公式法中，我们将严格依据电动的工作特性曲线来讨论不同时态的变动，并且最重要的是在公式法中我们讨论了Rb的电阻要求并讲解了为什么必须要串入电阻Rb。在下放重物的过程中方式同迅速停机一致重点放在反向启动后，电动机的运行情况。并且运用之前所介绍的基础知识来解 T，TL，To之间的关系。

关键词

制动

能耗制动

反接制动

回馈制动

迅速停机 放下重物

目录

前言…………………………………………………………………………… 3 第1章 直流电动机的工作原理………………………………………………4 第2章 他励直流电动机的电路模型…………………………………………5 第3章 他励直流电动机的机械特性…………………………………………5 3.1 机械特性表达式……………………………………………………… 5

3.2 固有机械特性………………………………………………………… 6 3.3 人为机械特性………………………………………………………… 7 第4章 他励直流电动机的制动………………………………………………9 4.1 能耗制动……………………………………………………………… 9 4.2 反接制动……………………………………………………………… 13 4.3 回馈制动……………………………………………………………… 17 第5章 他励直流电动机制动设计……………………………………………21 第6章 总结……………………………………………………………………22 致谢…………………………………………………………………………… 23

前言

电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。

电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。制动的基本原理是使电动机转子上产生一个反力矩，具体有三种方法，即能耗制动、反接制动、回馈制动。

第1章

1.1直流电动机的工作原理

直流的电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有直流电能→机械能。

在直流电动机中，为了产生不变的电磁转矩，尽量减小气隙，以达到最强的磁场与最高的效率，就要利用磁场的作用，由通电导体形成绕组，由转子铁心和定子磁极形成磁场，通过换向器使转子的磁极的极性始终保持和定子的极性相反，形成旋转的力矩，从而外部电路中的直流电流通过换向转变成电机内部的交 流电流，将电能转化为机械能。

a）b)图1-1 直流电动机原理图

如图1-1所示电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电刷绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N极下面导线电流是由a到b，根据左手定理可知导线ab受力方向向左，而导线cd受力方向向右。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是电流方向已改变为有d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样使得电机一直旋转下去。

第2章

2.1 他励直流电动机的电路模型

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图2-1所示，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

励磁电流：IfUfRf

电枢电流：UaERaIa

IaUaET

CTRa电动机的转速：nUaRaT 2CECECT第3章 他励直流电动机的机械特性

3.1机械特性表达式

在他励电动机中，Ua、Ra、If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。

根据公式

TCTIa

EaCen

UEaIaR

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系

nUaRaTnonnoT 2CECECT其中称为理想空载转速

n0UCe

β机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性，其值为：

Radn

2dTCECTn是转速差，其值为：

nnonT

机械特性的硬度为：

dT1 dn斜率越小，硬度越大，机械特性越强。

当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。

3.2 固有机械特性

由方程式nUnRa得到他励电动机的固有特性，如图3-1所示，2CenCeCTn由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这是电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。

nnonNNMnM

OTNTMT

图3-1 他励电动机的固有特性

固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax1.5~2.0IaN。对应转矩TM是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。

3.3 人为机械特性

1、增加电枢串接电阻的人为机械特性

在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，根据公式

nRRfUaT 2CECECT这时相当于电路电枢电阻Ra增加，理想空载转速no不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3-2所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。

图3-2 增加电枢电路电阻时的人为特性

2、降低电枢电压时的人为机械特性

Ua

当降低电枢电压时，降低时，no减小，不变，不变，人为特性如图3-3所示，机械特性平行下移。

图3-3 降低电枢电压时的机械特性

3、减弱励磁电流时的人为机械特性

减小励磁电流If，则磁通减小，no增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示。

图3-4 减弱励磁电流时的机械特性

第4章 他励直流电动机的制动

他励直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接制动，回馈制动

4.1 能耗制动

直流电动机的制动方式有多种：能耗制动、反接制动和回馈制动。在此我们选择的研究方向是能耗制动。

直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（下放重物的情况）的过程称为制动过程。对于电动机来讲，我们有时候希望它能迅速制动，停止下来，如在精密仪器的制动过程中，液晶显示屏幕的切割等等，但有的时候我们却希望电机能够慢慢地停下来，利用惯性来工作。于是，直流电动机能耗制动又分为迅速停机和下放重物两种方式。

他励直流电动机能耗制动的特点是：将电枢与电源断开，串联一个制动电阻Rb，使电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。

能耗制动分为两种，分别用于不同场合。

4.1.1 能耗制动过程——迅速停机

制动前后如图4-1所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。由于电源被切除，电枢通过制动电阻Rb短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，Ia反向，10 使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。当n=0时，E=0，Ia=0，制动转矩T自动消失。

a）电动状态

IaT +E-M—--Ufnb）制动状态

图4-1 能耗制动迅速停机的电路图

上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如图4-2中的特性1，n与T的关系为

nUnRaT

2CenCeCTn能耗制动时，Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb，故

nRaRbCeCTn2T

机械特性如图4-2中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。

图4-2 能耗制动迅速停机过程

设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a点平移到能耗制动特性2上的b点。这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b点移至0点。这时，n=0，T也自动变为零，制动过程结束。

能耗制动过程的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则Ia大，T大，制动过程短，停机快。但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax。由图3-1（b）可知IabEbIamaxEb式中，EbEa，是工作于b

RaRb点和a点时的电动势。由此可得Ra-Ra

4.1.2 能耗制动运行——下放重物

若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-3所示。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，让电动机处于能耗制动状态。工作点由机械特性1上的a点平移到特性2上的b点，并迅速移动到0点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。当 12 工作点达到0点时，T=0，但TL＞0，在重物的重力作用下，系统反向启动，工作点将由0点下移到c点，T=TL，系统重新稳定运行，这时n反向，电动机稳定下放重物。由于下放重物时，电动机是稳定运行在能耗制动状态。

图4-3 能耗制动下放重物过程

能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得Ia和T也随之反向，两者的不同如图4-4所示，在能耗制动过程中，n＞0，T＜0；然而在能耗制动运行时，n＜0，T＞0。

能耗制动运行的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4-4（b）可知，工作在c点时，只取各量的绝对值，而不考虑正、负，则

RaRbEcCEnn

CECT2TIacTLT0CT下放重物时，T0与TL方向相反，与T方向相同，故T=TL-T0。可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物时，制动电阻应为

RbCECT2nRa

TLTO 13 忽略T0，则

RbCECT2EbIamaxnRa TLRb的结果应与式Ra-Ra校验是否合适。

a）能耗制动过程

（b）能耗制动运行

图4-4 能耗制动过程与能耗制动运行得比较

4.2 反接制动

4.2.1 电压反向反接制动——迅速停机

当电动机在电动运转状态下以稳定的转速n运行时候，如图4-5所示，为了使工作机构迅速停车，可在维持励磁电流不变的情况下，突然改变电枢两端外施电压的极性，并同时串入电阻，如图4-6所示。由于电枢反接这样操作，制动作用会更加强烈，制动更快。电机反接制动时候，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rb上面。

IaTUan+MEUf-(a)电动状态 图4-5 制动前的电路图

RbIaTUaMn+EUf-(b)制动状态

图4-6 制动后的电路图

同时也可以用机械特性来说明制动过程。电动状态的机械特性如下图三的特性1，n与T的关系为

ECEnTCTIaEUaRaIanURaIaURaEaaTCECECECECT2

电压反向反接制动时，n与T的关系为

UaRaRbn(T)2CECECT

其机械特性如图4-7中的特性2。设电动机拖动反抗性恒转矩负载，负载特性如图4-7中的特性3。

2n no 3a1bTLcoTLT

图4-7 反接制动迅速停机过程

制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，制动瞬间，工作点平移到特性2上的b点，T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b移至c点，这是n0，应立即断开电源，使制动过程结束。否则电动机将反向起动，到d点去反向稳定运行。电压反向反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关，Rb小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax(1.52.0)IaN。由图4-7可知，只考虑绝对值时

IabUaEb

RaRb式中，Eb=Ea。由此求得电压反接制动的制动电阻为

RbUaEbRa Iamax4.2.2 电动势反向反接制动——下方重物

制动前的电路如图4-8所示，制动后的电路如图4-9所示。制动时，电枢电压不反向，只在电枢电路中串联一个适当的制动电阻Rb。机械特性方程边变为

nUaRRbaT CECECT2 16

IaIUan+MEUf-(c)电动状态

图4-8制动前的电路图

RbIaIUaMn-EUf+(d)制动状态

图4-9 制动后的电路图

若电动机拖动若电动机拖动位能性恒转矩负载，则如图4-10所示。制动前，系统工作在固有特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于TTL错误！未找到引用源。，n下降，工作点沿特性2由b点向c点移动。当工作点到达c点时，TTc错误！未找到引用源。，但TLTc错误！未找到引用源。，在重物的重力作用下，系统反向起动，工作点由c点下移到d点，TTc错误！未找到引用源。，系统重新稳定运行。这是n反向，电动机处在制动运行状态稳定下放重物。

在这种情况下制动运行时，由于n反向，E也随之反向，由图可以看出，这时E与Ua的作用方向也变为一致，但错误！未找到引用源。和T的方向不变，T与n方向相反，成为制动转矩，与负载转矩保持平衡，稳定下放重物。所以这种反接制动称为电动势反向的反接制动运行。

电动势反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb错误！未找到引用源。小，特性2的斜率小，转速低，下放重物满。由图五知，在d点运行时，为简化 分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbUaEdCT(UaCEn)IadT可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物，制动电阻应为

Rb忽略To，则

RbCT(UaCEn)Ra

TLToCT(UaCEn)Ra TLn3n0abocTCTLTd图4-10反接制动下放重物过程

4.3 回馈制动

4.3.1 正向回馈制动——电车下坡

电车在平地行驶或上坡时，负载转矩TL阻碍电车前往行驶。如图4-11所示：

图4-11 回馈制动电车下坡过程

系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，TL反向变成帮助电车往下行驶，负载特性变为特性3。在T和TL的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但TLT，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-12所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-12 正向回馈制动时的电路图

正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-13所示：

（a）改变电枢电压调速（b）改变励磁电流调速

图4-13 调速是出现的正向回馈制动

在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时间，加快调速过程。

4.2.2 反向回馈制动——下放重物

制动时，将电枢电压反向，并在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-14所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-14 反向回馈制动时的电路图

这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-15所示：

图4-15 回馈制动下放重物过程

制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，T0，但TL0，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，TTL，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。

在上述制动过程中，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。

反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且EUa，Ia方向不变，T方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。

回馈制动的效果也与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

由图4-14（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbEUaCEnUaCT（CEnUa）

TIaTCT可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

RaCT（CEnUa）Ra TLT0忽略T0，则

RaCT（CEnUa）Ra TL采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的Rb还要满足RbUaEbRa的要求。Iamax第5章 他励直流电动机的制动设计

一台他励电动机设PN22KW,UaN440V，IaN65.3,nN600r/min，IaMAX/IaMIN2，T0忽略不计。拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，计算电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于多少？ 解：由额定数据求得：

UaNRaPNIaN2210344065.31.5865.3IaNPN22103E336.91VIaN65.3CECTE336.910.562nN6006060CE0.5625.365223.1460PN6022000TNNm350.32Nm2nN23.14600 迅速停机时：TL0.8TN0.8350.32Nm280.256NmIaTL280.25652.24CT5.365EIamaxRa(357.461.58)1.16265.3EUaRaIa(4401.5852.24)V357.46VRb即电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于1.16的电阻。

总结

一、能耗制动

制动时在电动机的绕组中串接电阻，电动机相当于发电机，将拥有的的能量转换成电能消耗在所串联的电阻上。这种方法在各种电机制动中广泛应用，变频控制也用到了。从高速到低速，这是电气的频率变化的很快，但电动机的转子带着负载有较大的机械惯性，不可能很快的停止，这样就产生反电动势电动机处于发电状态，其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动力矩，迫使转子较快停下来但由于通常变频器是交→直→交整流电路是不可逆的，因此无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，称崩升电压，当超过设定上限值电压时，制动回路导通，这就是制动单元的工作过程，制动电阻流过电源，从而将动能边热能消耗电压随之下降，待到设定下限时即断。这种制动方法属不可控，制动力矩有波动，制动时间是人为设定的。

制动电阻的选取经验：

<一>电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；

<二>不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件； <三>制动时间可认为选择；

<四>小容量变频器（7.5Kw）一般是内接制动单元和制动电阻的； <五>当在快速制动出现过电压时说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值

二、反接制动

直流电动机，将电机的电源正负反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反交流电机制动采用改变相序的方法产生反向转矩，原理类似。反接制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。

三、回馈制动

当采用有源逆变技术控制电机时，将制动时再发生 电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，并将电能消耗在电网上从而实现制动。

致谢

感谢指导老师的指导和解惑，还有同学间的团结协作，密切配合，各抒己见使我的这次课程设计圆满成功。另外，在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。

通过这次课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。

参考文献

永磁直流电动机 篇6

我们用导线将开关、直流电动机和几节干电池连接组成了电路，当闭合开关后，会发现直流电动机转动了起来.如果将干电池反过来连接时，发现直流电动机转动的方向发生了变化.那么，直流电动机的转动方向与什么因素有关？如果我们想改变直流电动机转动的快慢，该如何操作呢？即直流电动机的转动快慢与什么因素有关呢？

进行猜想

猜想1：直流电动机的转动方向可能与电流方向有关.

猜想2：直流电动机的转动方向可能与磁场方向有关.

猜想3：直流电动机的转动速度可能与电流大小有关，电流越大，转动越快.

进行实验

1． 实验器材：直流电动机模型、滑动变阻器、开关、电源和导线若干.

2． 实验步骤：按照右图所示的装置图连接电路，按下表中的实验操作进行5次实验，并将实验探究过程中观察到的现象填入下表中.

分析论证

根据表格中的实验现象可以归纳出：直流电动机的转动方向与电流方向和磁场方向的有关；直流电动机的转动快慢与电流的大小有关，电流越大，电动机的转动越快.故猜想1、2、3均正确.

辅导老师点评

在连接电路完毕，闭合开关时，若发现直流电动机安装后不能转动，其可能原因有两个：一是线圈处于平衡位置；二是电路连接过程中某处接触不良.排除方法：第一种情况只要用手轻轻转动电动机的转轴，使线圈转过平衡位置即可；第二种情况需要检查电刷与换向器之间的接触是否良好，是否松动或过紧，检查轴和轴架安装是否良好，还要检查各个接线柱的连接是否完好.另外，在实验中，如果将磁极位置和电源两极位置同时对调，即当电流方向和磁场方向同时改变时，线圈的转动方向保持不变.

永磁直流电动机 篇7

关键词：永磁电动机,常见故障,故障分析

最近随着科技发展水平的提升, 电子技术与微电子技术得到大力的发展, 而现有的中、小功率电机产品的生产技术也越来越完善, 成为我们日常生活中必备的产品。家庭生活中家用电器的增加, 为中、小功率电机产品的大力生产与推广创造了条件。随着科研技术的进步, 我们未来电机的发展方向主要是集中于体积小与耗用功率小、机电能量效率的转换高以及强大的灵活性。而作为永磁电动机一类的爪极式永磁同步电机的控制品实现自动化、具有体积小以及高效节能的特性, 完善的产品优势成为客户首选的关键因素, 而对于产品在日常使用过程中常见问题根源的分析以及解决方案的实行也是客户们最为关心的问题

1 对永磁电动机常见故障的分析

想要对电动机的故障进行详细的分析与了解, 就需要采用带有故障的电动机或者是电动机模型, 若是采用真实性带有故障的电动机时, 需要大量的时间与成本去分析故障, 所以通常会采用电动机模型。对带有故障的电动机进行分析时, 才能更准确的获取故障根源的数据信息, 从而实现对电动机故障分析的有效数据。不过想要获取准确的故障数据不是一件容易的事情。比如:对电机故障分析若采用多回路法时, 最为关键的就是要获取到准确无误的电机参数, 特别是各个回路间的互感与自感的参数。

现在市场上的爪极式永磁同步电机普遍是组装类型的电动机, 由于技术水平低、机器设备性能差等因素, 导致时下永磁同步电机存在着很多这样那样的问题。, 比如说在制作的过程中:组装电动机型号不配, 采用的原材料不符合标准、生产环境因素的影响以及工作人员在生产过程中造成的质量问题.目前电动机在日常运作过程中比较常见的故障主要为:过载能力不足、噪音大、漏电危险性大以及不转动等一系列的故障问题。

2 引发故障的原因以及相关解决措施

在永磁电动机正常生产的过程中要充分考虑承载能力的大小, 不过永磁电动机的设计参数都是设定好的, 因此过载能力不足的现象基本是不会出现的。但是在特殊情况下, 过载能力的大小也会受到其他因素的影响, 下面将为大家详细介绍影响过载能力的因素有哪些:

(1) 温度影响:漆包线的电阻值会受到温度的影响, 温度高电阻值就会变大。夏季由于气温高电阻值大, 所以永磁电动机力矩就会偏小, 反之, 冬季电动机的力矩就会偏大。在进行电机力矩测试时为了保证数据的有效性通常是恒温的状态下。

(2) 油脂影响:电机力矩的大小通常与油脂的稀稠度有关系, 通常在进行测试的时候需要将油脂的稀稠度与温度控制在同一个条件下, 不过为了避免电动机力矩太小, 需要将油脂的稀稠度控制适度的范围内。

(3) 齿轮间的影响:齿轮表面光滑程度与电动机力矩的大小存有一定的关联, 通常情况下, 对于齿轮间表面的光滑程度我们无法用眼睛去测量, 电动机的力矩就会出现偏低的现象。针对这一问题, 可以采用老化测试方法, 电动机在进行了一段运行之后, 齿轮间的不光滑就会有所改善, 然后进入正常的测试环境就可以, 电动机的力矩也就控制在最有效的范围之内。

(4) 转子充磁影响:电压不稳的话就会影响转子充磁的质量, 不饱和充磁容易出现磁场强度偏低, 从而导致电机力矩偏小。针对单个转子充磁的问题现象, 只要更换转子即可, 若是很多的产品都出现这类状况, 需要检查充磁机设定的参数或者是检查机器出故障的原因, 合格在开线生产。

(5) 噪音的影响:目前对电动机产品噪音分贝大小有更高规格的标准要求, 对大部分的电动机噪音分贝的最低要求就是比环境中的噪音分贝高于10分贝。由于电动机产生噪音的来源是传输系统的齿轮箱与主动系统的电机箱, 所以首先要搞清楚电动机噪音的来源, 然后根据来源进行问题的详细的分析与解决。

(1) 判断噪音的来源:电动机在正常工作的状态下, 若听到咔咔声同时伴有输出的轴跳声, 那么可以断定噪音来源于齿轮箱, 若是听到咔咔声、摩擦的响声以及电机震动的声音, 那么噪音就来源于电机箱。

(2) 齿轮箱噪音来源的处理方法:针对齿轮箱造成噪音的处理方式可以选择逐级排除法, 齿轮箱在运行的过程中, 不同分级的齿轮就会相互咬合。从最外一级齿轮排查开始, 将该级的齿轮卸载下来, 查看一下是否还存有咔咔的噪音, 如果不存在的话, 就需要进一步排查二级与一级的齿轮配合问题。找出故障的出现点后要检查各级齿轮的质量状态, 是否存有毛刺、断齿、是否需要更换原材料等, 二级齿轮轴与齿轮是否保持垂直的状态, 即要对垂直度进行规范性检查。

(3) 电机箱噪音来源的处理方法:判断电机箱内的噪音很简单, 只要听声音就可以断定噪音的来源。比如:叮当声说明转子表面存有污染物, 那就需要对转子上的污染物进行清洁处理;摩擦声说明转子和极爪的间隙太小, 不过电动机在运行一段时间后, 摩擦声音就会减小直至消失, 摩擦过程中产生的碎屑就容易出现叮当声, 所以只有进行清洁处理就可以;若电机出现震动声响, 问题就是转子和极爪之间的间隙不均匀造成的, 需要工作人员及时调整盖板和机壳极爪间的空隙。

3 结论

永磁电动机之类的产品与我们的生活息息相关, 对我们的生活质量、工作环境也有着直接的影响, 近些年来我国在永磁电动机这一方面取得了长足的进步, 但是在具体细节、技术设备等方面依旧存在着很多不足与问题, 从而导致永磁电动机时常发生各种各样的故障问题, 本文对永磁电动机的常见故障进行了分析与研究, 并且根据故障引发原因, 提出了具有建设性的意见与建议, 希望能够为永磁电动机相关产品的进一步完善尽自己的微薄之力。

参考文献

[1]罗茂南.分析110kV变电站自动化改造中常见的问题[J].广东科技, 2008 (12) .

[2]李玉芳, 赵以琴, 刘洪光.浅谈《水电站》课程设计中的常见问题[J].中国科教创新导刊, 2009 (26) .

[3]李志.220kV电力施工现场常见问题分析与处理[J].价值工程, 2010 (30) .

[4]李叙根.低压配电变压器常见问题和漏电保护[J].黑龙江科技信息, 2011 (16) .

永磁直流电动机 篇8

在现代工业生产中, 电机控制对工业生产的自动化程度起到关键性作用。在现在使用的电机当中, 直流电动机具有稳定的控制性能, 其机械特性和调速特性均为平行的直线, 这是各类交流电动机所没有的特性。此外, 直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。这也使直流电动机在有调速、控制要求的场合, 成为首要选择。但是, 传统的直流电机结构复杂, 使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。特别是电机的大容量、高转速更限制了普通直流电动机的发展。

在交流电网上, 人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单, 工作可靠、寿命长、成本低, 保养维护简便。但是, 与直流电动机相比, 它调速性能差, 起动转矩小, 过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率, 这大大增加了线路和电网的损耗。长期以来, 在不要求调速的场合, 例如风机、水泵、普通机床的驱动中, 异步电动机占有主导地位, 当然这类拖动中, 无形中损失了大量电能。

过去的电力拖动中, 很少采用同步电动机, 其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行启动, 静止的转子磁极在旋转磁场的作用下, 平均转矩为零。在20世纪70年代以前, 变频电源还没有, 所以, 过去的电力拖动中, 很少看到用同步电动机作原动机。

高性能永磁材料和电力电子技术的发展, 大大促进了永磁同步电动机在工业生产自动化中的开发应用。第一, 永磁材料近年来的开发很快, 传统的铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类, 虽其具有剩磁感应强度高, 热稳定性好等优点, 但它矫顽力低, 抗退磁能力差。铁氧体磁体、钐钴稀土永磁材料以及钕铁硼稀土永磁材料具有高的剩磁感应强度, 高的矫顽力, 高的磁能积, 这些特点特别适合在电机中使用 (见表1) 。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是:一是用永磁体替代电激磁磁极, 消除了转子的滑环、电刷, 实现了无刷结构, 缩小了转子体积;二是省去了激磁直流电源, 消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。

第二, 电力电子技术的发展。规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制。集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表, 它既是高新电子信息产业的核心, 又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。通过矢量控制, 可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性, 并已在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用了坐标变换, 所以对控制器的运算速度、数据处理能力, 控制的实时性和控制精度等提出了很高的要求。近年来各种集成化的数字信号处理器 (DSP) 发展很快, 性能不断改善, 软件和开发工具越来越多, 出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。

二、交流电动机变频调速控制方案

(一) 计算公式分析。

交流电动机不论是三相异步电动机还是三相同步电动机, 它们的转速N公式为:

undefined (同步电动机, N0是旋转磁场转速)

undefined (异步电动机, N是转子转速)

式中:f——频率;p——极对数;s——转差率 (0～3%或0～6%) 。

由转速公式可见, 只要设法改变三相交流电动机的供电率f, 就十分方便地改变了电动机的转速N。比改变极对数和转差率两个参数简单得多, 特别是近二十多年来, 静态电力变频调速器突飞猛进的发展, 使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。但是仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。一般需要同时改变电压和频率, 以保持磁通基本恒定。因此, 变频调速器又称为VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) 装置。

(二) 交流电动机变频调速四种控制方案的分析。

现有的交流电动机变频调速有四种控制方案, 分别是开环变频调速系统;无传感器矢量变频器异步调速系统;矢量变频器闭环异步变频调速系统;永磁同步电动机开环控制变频调速系统。具体见表2。

注:VVVF-变频器, IM-异步机, PM.SM-永磁同步机, ★-适用 (能) , ▲-不适用 (不能) , VVVFV-矢量变频器

在这里, 对永磁同步电动机变频调速系统作一个单独说明。对于永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图1所示。

SM-同步电动机 (PM. SM) -制变永磁式

假如将图1中异步电动机 (IM) 换成永磁同步电动机 (PM.SM) 。又具有控制电路简单, 可靠性高的特点。由于是同步电动机, 它转速始终等于同步转速, 只取决于电动机供电频率, 而与负载大小无关 (除非负载力矩大于或等于失步转矩, 同步电动机会失步, 转速迅速停止) , 其机械特性曲线为一根平行横轴直线。如果采用高精度的变频器 (数字设定频率精度可达0.01%) , 在开环控制情形下, 同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致 (在开环控制方式时) , 所以特别适合多电机同步传动, 静态转速精度要求甚高 (0.5%～0.01%) 的化纤纺丝机, 是最理想最简单的首选方案。

三、结语

综上所述, 由于电子技术和控制技术的发展, 永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁交流电动机大大扩展。永磁交流电动机已在从小到大, 从一般控制驱动到高精度的伺服驱动, 从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现, 其控制方式的选择也更加灵活。积极发展我国自主的永磁交流电机调速控制技术, 为永磁交流调速技术的理论发展和工程实用技术的推广作出贡献。

摘要：本文对照三相异步电动机控制系统的特点, 分析了永磁交流电动机在现代工业中的应用前景, 讨论了三相异步电动机开环变频调速系统;永磁同步电动机开环控制变频调速系统的控制方案。文中还就这几种方案的优缺点进行分析比较, 指出它们各自的适用范围。

关键词：直流电动机,永磁交流同步电动机,永磁材料,控制技术

参考文献

[1].徐甫荣.高压变频调速技术应用实践[M].北京:中国电力出版社, 2007

[2].金如麟.永磁同步电动机的应用前景[A].2001第六届中国小电机技术研讨会论文集[C], 2001

永磁式双定子电动机的转矩分析 篇9

现在有两种类型的双定子电动机:并行和串行, 并行双定子电动机的两个定子是平行连接的, 适合用在速度和转矩都需要控制的情况。另外一种双定子电动机的两个定子是内外定子采用径向串连接, 这种电机通常采用微交流和直流的伺服系统, 因为它杯形转子结构使电动机具有快速反应和巨大的效率。近几年, 这种结构可以产生较高的功率密度, 在以往做的步进电机和鼠笼式电机的试验, 该实验的结果使其成为了制作机器人优先技术选择。这种电机有很多优点, 如精度高、低转矩脉动、过载能力大、省材料、各种驱动和控制系统的高可用性等。因此它广泛应用于数控机床、电动汽车、机器人和雷达中, 尤其是在电动汽车领域。作为一个电机, 它具有如下性能:当电机低速运转时, 两个电枢绕组串联, 缓慢的输出扭矩。当电机高速运转时, 有一个绕组线圈是断开的, 电动机的转速变动范围扩大了。作为一个发电机, 定子绕组的两个复合电压矢量可以通过不同的两个相对位置。上述电动机的种种特点都能满足电动汽车的要求。在本文中, 对双定子同心无刷电机进行了分析和测试为目的, 它能够增加输出转矩和降低转矩谐波。

二、原理与结构

这种永磁式单双结构的无刷电机通过设计的合理轨迹达到目的。在较薄的定子里安放着被设计成杯形的转子。定子的电流是电枢改变的原因。两个电流产生两个电磁转矩, 因此, 扭矩没有扩大, 电机的容量因充分利用电机的空间而得到发挥。很明显当两个定子产生的电流方向不一样时, 由这两个电流产生的电磁转矩也是不一样的。所以电动机转起来就很困难。一个常见的问题是发动机的很多方面在工作时是相互干扰的, 在一个双定子绕组的内外定子之间加一个畸形干扰, 就会使电动机不正常工作, 也就是扭矩波动。当双定子电动机被认为是感应电动机, 如果连续深度旋转, 一般地说, 转子厚度的设计是影响内外定子连续产生干扰的主要因素。以传统的无刷电机为基础, 在永磁式电机里采用双定子, 一个双定子电机带有两个独立的定子和一个用钕铁硼磁体做的杯形旋转器。主要的流量和由内外定子产生的反应量将同时穿过内外定子而封闭, 因为稀有元素制作的高能产品的优良性能的持久性, 所以各种干扰源产生的干扰可忽略不记。

三、转矩分析

直流他励电动机的制动方法分析 篇10

电力拖动系统的制动, 通常采用机械制动和电气制动两种方法进行。机械制动是利用摩擦力产生阻转矩来实现的, 如电磁抱闸, 若采用此方法, 闸皮磨损严重, 维护工作量增加, 所以对频繁启动、制动和反转的生产机械, 一般都不采用机械制动而采用电气制动。电气制动就是使电动机产生一个与转速方向相反的电磁转矩。电气制动方法便于控制且比较经济, 本文仅对直流他励电动机的电气制动方法加以分析和研究。

1 能耗制动

所谓能耗制动就是将处于电动运行状态的电动机电枢绕组自电网上断开, 并立即与一个附加制动电阻R相连接构成闭合电路。能耗制动又可分为能耗制动停车和能耗制动运行。

1.1 能耗制动停车

为实现快速停车, 电动机电枢与电源脱离, 电枢通过电阻得以构成闭合电路。在电路切换的瞬间, 由于机械的惯性作用, 电动机转速不能突变, 转速仍保持原电动状态的大小和方向, 因此电枢电动势的大小和方向不变, 电枢电流为负, 说明电枢电流与电动状态时的方向相反, 因此产生的电磁转矩反向, 与转速方向相反, 成为制动转矩, 在制动转矩的作用下, 转速迅速下降, 制动过程结束。

在制动过程中, 电动机由生产机械的惯性作用拖动而发电, 将生产机械储存的动能转换为电能消耗在电阻上, 直到电动机停止转动为止。因此这种制动方式被称作能耗制动。

1.2 能耗制动运行

能耗制动运行状态时的电枢电流和机械特性方程与能耗制动停车时相同。功率关系也是完全一样的, 不同的只是在能耗制动运行状态下, 机械功率的输入是靠重物下降时减少的位能提供的, 将机械能转换为电能, 供给电枢电路。能耗制动运行方法, 控制比较简单, 运行可靠, 且比较经济。制动转矩随转速的下降而减小, 因此制动比较平稳, 便于准确停车。它适用于要求准确停车的场合制动停车或提升装置均匀下放重物。

2 反接制动

反接制动根据具体的实现方法, 可分为电源反接制动和倒拉反接制动。

2.1 电源反接制动

为了实现快速停车, 在生产中除采用能耗制动外, 还采用电源反接制动。电源反接制动就是在制动时将电源的极性对调, 同时反接在电枢两端, 而且还要在电枢电路中串一制动电阻, 电磁转矩也随之变为负值而改变方向, 与原转速方向相反, 成为制动转矩, 使电动机处于制动状态。当制动的目的就是为了停车时, 在电动机转速接近于零时, 必须立即断开电源。电源反接制动过程中, 电动机仍与电网连接, 从电网吸取电能, 同时随着转速的降低, 系统储存的动能减少, 减少的动能从电动机轴上输入转换为电能, 这些电能全部消耗在电枢电路的电阻上。

电源反接制动的特点是:设备简单, 操作方便, 制动转矩较大。但制动过程中能量损耗较大, 在快速制动停车时, 如不及时切断电源可能反转, 不易实现准确停车。电源反接制动适用于要求迅速停车的生产机械, 对于要求迅速停车并立即反转的生产机械更为理想。

2.2 倒拉反接制动

倒拉反接制动的方法适用于电动机拖动位能性负载, 由提升重物转为下放重物的系统中, 将重物低速匀速下放, 其接线与提升重物时的电动状态基本相同, 只是在电枢电路串了一个大的电阻。

倒拉反接制动的特点是:设备简单, 操作方便, 电枢电路串人的电阻较大, 机械特性较软, 转速稳定性差, 能量损耗较大。倒拉反接制动适用于位能性负载低速下放重物。

3 回馈制动

如果在外部因素的作用下, 电动机的实际转速高于理想空载转速时, 电动机就可以运行在回馈制动状态。

3.1 位能性负载拖动电动机时

电动机拖动位能性负载提升重物时, 将电源反接, 电动机进入电源反接制动状态, 当转速降为零时, 不断开电源, 电动机开始反向启动, 转速反向升高, 而电动机在位能负载的作用下转速还要继续增加, 当下放转速超过理想空载转速时, 电流方向改变, 转矩也变为正值, 与转速行的方向相反, 变为制动转矩。于是电动机变为发电状态, 把系统的动能转变成电能回馈电网。所以回馈制动状态又称再生制动状态。回馈制动稳定运行时系统减少的位能变换为电能, 除电枢电路电阻消耗一小部分外, 大部分电能回馈给电网, 因此回馈制动能量损耗小, 很经济, 但只能高速下放重物, 安全性差。

3.2 电动机降压调速时

在电动机降压调速过程中, 如果突然降低电枢电压, 感应电动势还来不及变化, 此时电枢电流及电磁转矩方向将与正向电动状态时相反, 而转速方向未改变, 则会出现回馈制动状态。

4 结语

他励直流电动机的制动方法有三种, 即反接制动 (包括电源反接制动和倒拉反接制动两种) 、能耗制动和回馈制动。能耗制动的控制设备简单, 制动平稳可靠, 制动效果不强烈, 适于平稳、准确停车的场合和低速匀速下放重物。电源反接制动的制动转矩大, 制动强烈, 但能量损耗大, 转速降为零时必须及时切断电源, 否则可能反转, 适用于迅速停车并立即反转的场合。倒拉反接制动, 设备简单, 操作方便, 但机械特性较软, 转速稳定性差, 能量损耗大, 适于低速匀速下放重物。回馈制动的能量损耗小, 比较经济, 但转速高于理想空载转速, 只适于高速下放重物。

摘要：本文对直流他励电动机的三种主要电气制动方式的控制原理进行了分析和研究, 并给出了三种电气制动方式的实现方法, 同时对其经济性进行了对比, 为根据工况选取合理的电气制动方法提供了理论根据。

关键词：直流他励电动机,电气制动,分析

参考文献

[1]杨宗豹主编.电机及拖动基础[M].冶金工业出版社, 2003

[2]许晓峰主编.电机及拖动基础[M].高等教育出版社, 2000

[3]杨毅德;王益善;王金榜.改善他励直流电动机起动、制动特性的探讨[J].陕西工学院学报.

[4]李勇.直流电动机拖动系统的电气调速方法窗体底端[J].四川水力发电, 2000.

[5]杨勇.直流他励电动机机械特性分析及调速方法[J].黑龙江科技信息, 2014.

[6]徐东明, 舒利盛.具有弱磁调速功能的直流他励电机控制器[J].轻工机械, 2013.

[7]祝华宇, 邱娇.鞍钢大型厂直流电机节能技术[J].鞍钢技术, 2010.

[8]马天兵, 杜菲.他励直流电动机电枢串电阻启动过程的仿真分析[J].煤矿机械, 2005.

永磁直流电动机 篇11

关键词：直流无刷电机；纯电动汽车；动力总成；控制器

中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0019-04

1 概述

1.1 研究背景

目前，汽车用油大量消耗了我国有限的石油能源，也严重污染了环境，从国民经济发展战略出发，现在非常有必要制订和实施汽车新能源发展计划，将能源结构调整为环保型、可持续发展型的新能源。国外电动汽车用电机驱动系统技术趋于成熟，以博世公司、大陆公司为代表的国外企业在电动汽车领域相对积累充足，控制策略成熟度高，驱动系统产品通过市场检验证实了其可靠性，而我国大部分车企推出量产电动汽车时更倾向于选择国外动力总成及驱动系统硬件供应商，所以积极发展民族汽车品牌，大力提高自有核心技术，构建具有自身特点的汽车工业，是中国汽车工业的发展之路。

1.2 研究意义

直流无刷电机是永磁电机的一种，具有效率高、体积小、重量轻、起动转矩大、结构简单、工作可靠、调速性能好等优点，能够很好地满足纯电动汽车频繁起动/制动、能量回馈和高效率的要求，是理想的电动汽车驱动电动机。表1从机械特性、过载能力、可控性等九个方面对交流异步电机、有刷直流电机和直流无刷电机作定性的比较。

直流无刷电机和其他电机相比具有高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来直流无刷电机成本的降低，这种优越性将更加明显。

2 直流无刷电机动力系统研究

2.1 总体技术方案

以我公司自行研发的JHWZT-72400A型直流无刷电机动力总成来说，该直流无刷电机动力总成，主要包括直流无刷电机、直流无刷控制器、电子油门踏板等。系统根据微型纯电动汽车对动力总成性能及功能的要求，综合运用电流及转速双闭环智能控制，系统软、硬件保护，故障诊断与处理，CAN通讯等技术可以实现电动汽车要求的各项功能，达到电动汽车对电机动力系统的特殊要求，这些要求包括：瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；调速范围宽广；在运行的全部速度范围和负载范围内具有较高的效率；可靠性高，使用方便简单，性价比高；功率密度高，体积小，质

量轻。

在实现阶段，本项目基于成本考虑，功率驱动部分采用MOSFET并联方式，并采用IR公司的专用驱动芯片；采用自主研发的电流、电压传感器等；软件方面，选取汽车级MCU作为核心控制器，利用CAN总线进行通信，遵循国际上的汽车软件设计标准，实现控制电机的正反向运转、稳定的转矩输出以及控制系统的各项保护、再生制动、CAN通讯、故障检测及故障存储等功能。

2.2 直流无刷电机动力总成设计

直流无刷电机动力总成结构图如图1所示。该控制器以汽车主控MCU为核心，通过MOSFET全桥电路与直流无刷电机连接构成闭环回路。控制器将油门、温度、电压、电流等模拟信号，钥匙门、前进/后退等输入/输出信号采集到MCU中，进行数学计算和分析，从而实现故障诊断、智能化运行等功能；通过实时检测电机位置传感器的输出信号，判断出电机的定、转子相对位置，根据此位置，转换功率部分的输出，保证电机的持续运转；通过CAN总线与行车监控仪进行通讯，将实时数据传送到监控中心，使控制器保持在最优的状态。

图1 直流无刷电机动力总成结构图

2.3 直流无刷控制器设计

直流无刷控制器主要功能有：

驱动控制：根据直流无刷电机位置传感器的信号，转换功率部分的输出，保证电机的持续运转，并采用电流、转速双闭环控制做出反馈，快速实现对电机的转矩控制。

保护功能：保证控制器在初始化及后续电机的持续运行中，实现电机电流、电压、温度的实时采样及处理；实现油门、档位及各种传感器的故障检测功能，并做到详尽有效的故障管理措施。

能量回馈制动：根据电动汽车运行过程中对制动力的需求，判断油门踏板的信号自动开启能量回馈功能，减少对刹车片的磨损，提高电动汽车的续驶里程。

故障信息存储：故障发生时，控制器将发生故障时的详细情况记录在外部EEPROM中，防止控制器掉电时信息的丢失，以便后续分析。

CAN通讯：通过CAN总线实现控制器的对外通讯，以实现电机和控制器状态的检测、显示，并实现控制器在线参数标定。

直流无刷控制器程序流程图如图2：

图2 程序流程图

2.4 测试结果

图3和图4为5.5kW直流无刷电机及控制器在测功机上实测的特性曲线。

图3 转速-转矩特性及效率外特性曲线

图4 过载能力和峰值功率曲线

JHWZT-72400A型直流无刷电机动力总成应用于实际，安装于某微型纯电动车中，该车的具体参数如表2所示：

测试后整体性能指标如下：最高车速：

>50km/h；最低稳定车速：1.95km/h；系统效率：在常用的50%以上的工作区间范围内，大于80%；0～30km/h的加速时间：3.4s；10.5%坡度的爬坡车速：>40km/h；坡道起步能力：>20%。

3 前景分析

从汽车行业节能减排趋势看，发展电动汽车是汽车技术进步与产业升级的必然选择。《节能与新能源汽车产业发展规划》（2012～2020年）总目标提出，纯电動汽车将是我国汽车产业转型的重要战略方向。规划到2020年，新能源汽车产业化和市场规模达到全球第一，形成2～3家具有自主知识产权和国际竞争力的关键零部件骨干企业，而且国家政府已出台一系列鼓励新能源汽车发展的主要政策。

3.1 社会效益

电动汽车的发展会带来更多的社会效益：

环保：电动汽车不会排出有毒气体，造成空气污染。

节能：同样行走100公里路程，汽车一般需要5～15公升的汽油，摩托车一般需要2～6升油，但电动汽车只要费1～3度电。

省钱：由于节能，电动汽车的使用就比其他交通工具要省钱很多。比如，以每月约1000公里算，使用汽车者要花600元人民币，使用摩托车者要200元，而使用电动汽车者才要30元。

轻便：微型电动汽车体积小、重量轻。特别是在

那些寸土寸金的城市，电动汽车可以发挥更大的作用。

安全：电动汽车比较轻、速度相对较慢，电动汽车驾驶安全性能已经得到提高。

保护我国能源安全：随着我国汽车拥有量的急剧增加，石油的消耗量也急剧增加，再加上近年来国际石油的急剧涨价，对我国的能源已经产生很大的危害和威胁。积极发展电动汽车，就可有效地避免在石油和能源问题上受外国的制约和打压。

因此微型电动汽车将是未来的主要新能源车型之一，是适合我国国情的。

3.2 可适用车型

该直流无刷电机动力总成可适用于各种低速微型纯电动汽车，具体有：

观光车：2008北京奥运会、2010上海世博会、2010广州亚运会、2011深圳大运会都有这样一批观光车在行驶，以后盛大节日都将离不开观光车的

参与。

运输车：公司搬运货物有集装箱，而一般城市搬运货物不需要大的集装箱，这种情况下，微型纯电动运输车可以派上用场。

环卫车：这类电动车能够保护城市的环境，清洁扫地，2010上海世博会有将近500辆这样的纯电动汽车在世博会周围清理垃圾，保护环境。

巡逻车：许多大城市有很多警察维持秩序、巡逻，电动巡逻车可以有两人、四人、六人座等。

4 结语

综上，随着电动汽车的不断发展，将需要更多的直流无刷电机动力总成配套，为本动力总成提供了更广阔的市场需求。目前为止，各大跨国公司也都是刚刚介入这个新兴起的行业，技术也不完全成熟，我国与国外在新能源汽车领域差距还不大，如果能够得到更多的政府支持，加大投资力度，逐步改进电机控制器技术，提高控制策略成熟度，减小故障率，增强可靠性，完全有可能涉及大中城市的公交、出租、公务、市政、邮政等领域，进而取代进口产品，加速市场的占有率，抢占未来制高点，牢牢掌控住中国市场，走出一条符合我国国情的新能源战略路线。

参考文献

[1] 祝占元.电动汽车[M].河南：黃河水利出版社，2007.

[2] 李兴虎.电动汽车概论[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[3] 宋慧.电动汽车[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 陈小永.直流无刷电机控制技术研发[J].中国石油大学，2008.

[5] 吴素平，罗隆福，杨艳.基于DSP的直流无刷电动机的无位置传感器控制技术[J].机车电传动，2004，（1）：31-33.

[6] 陈玉荣，倪光正.直流无刷电机电流检测技术的研究[J].农机化研究，2004.

作者简介：李兴全（1975-），男，吉林农安人，锦州海伯伦汽车电子有限公司工程师，工程硕士，研究方向：汽车电子。

永磁直流电动机 篇12

1 应用情况

目前我公司水泥生产线上使用电动机的拖动负载基本为输送类、风机水泵类、破碎粉磨类, 无其他特殊性负载情况。所用低压电动机基本为Y系列电动机, 功率范围为0.37~250k W, 生产线正常运行时, 低压电动机的负载率基本在60%~95%间波动, 功率因数也基本在0.7~0.85范围内变化, 与高效节能的电动机相比, 具有较大的节能空间。

在分析调研的基础上, 我公司计划投入1 400余万元, 对210台装机容量为13 500k W的电动机进行改造。考虑到公司实际情况和对节能电动机特性及技术的掌握程度, 首先在2014年一次性投入300万元对节能电动机及部分启动设备进行采购。首批确定主要改造对象为大功率带变频器、软启动器的低压电动机共43台, 总装机容量2 923k W。经过半年的运行监测和数据收集, 平均节电率为8.5%~9.8%。鉴于良好的节电效果, 将对拟改造的其余电动机在2015年全部实施完毕。

2 应用中出现的问题及解决方法

2.1 电动机未根据设备运行的实际工况设计导致变频器故障

提升机运行工况复杂, 负载波动较大;风机类负载在快速减速或急停过程中, 会由于惯性较大, 使得永磁电动机处于制动发电状态。这两类负载在实际运行中, 会使变频器直流电压过高, 烧毁变频器电容。

例如生料立磨回渣提升机原有异步电动机在负载波动较大时, 从未烧毁变频器电容, 而更换为稀土永磁电动机后, 电容频繁烧毁。其原因在于负载波动时, 同步电动机在发电状态下反馈的能量比异步电动机大, 导致变频器电容烧毁。因此对于惯性较大的负载或下行皮带等设备, 需对变频器增加制动单元 (电阻) 或者更换成四象限运行的变频器, 将能量进行消耗或者存储。

2.2 驱动稀土永磁电动机变频器的使用

由于改造之前设备使用的变频器的软件算法只适用于普通异步电动机, 在改造为稀土永磁电动机后, 用常规的V/F控制方法无法实现该电动机的正常启动。在上电瞬间, 变频器无法预知永磁同步电动机转子磁极位置, 变频器的相位并不能配合电动机相位, 无法启动永磁电动机。同时经现场实测, 稀土永磁电动机的启动电流比普通异步电动机的启动电流要大很多, 使用功率匹配的变频器无法满足启动要求, 从而启动时变频器报过流故障, 导致设备不能正常运行。

我公司考虑到成本投入问题, 并未对原有异步电动机配套变频器进行更换。为保证永磁电动机的正常启动和运行, 将原有变频器的IR补偿参数进行调整, 调整范围根据实际情况进行设定, 设定范围为1%~3%, 使用效果良好。如果更换为同步电动机用变频器, 那么变频器功率要比永磁电动机功率高1~2个档, 原因是同步机“整步”的过程中, 永磁 (同步) 电动机电流比异步电动机电流大很多。变频器的载波频率尽量设大, 若载波频率低, 会导致电动机运行时转矩脉动大, 出现振荡而引起失步, 产生过流现象。

2.3 自启动永磁同步电动机启动牵入同步困难

我公司在无需调速的设备中使用了部分自启动永磁同步电动机, 该类型电动机的永磁体设计剩磁密度和磁能积较大, 在启动时永磁体引起的制动转矩增大, 启动过程的平均转矩会降低, 则牵入同步过程开始时的转差率增大, 从而又会使牵入同步能力下降;同时电动机的转子电阻设计的较小, 使得异步转矩必须克服同步制动转矩和负载转矩, 也会使同步能力下降, 导致启动困难。

由于带软启动器的设备属于改造范围, 因此使用了一批自启动永磁电动机。为解决该类型电动机的启动困难问题, 将软启动器参数中的启动电压设置由原来的30%提高到70%。同时对不带软启动装置的设备, 仅仅在水泵和油泵等类型负载中使用了自启动永磁电动机, 改造达到了良好的效果。

2.4 现场电缆线路过长电动机不易启动

应用的部分设备与现场的距离过远, 电缆长度超过150m, 因存在一定的压降, 导致电动机启动时, 不能达到额定电压, 达不到相应的启动转矩, 导致该电动机堵转, 不能启动。

对此类问题的解决可采取使用截面积较大的电缆、变频器出线侧增加电抗器、在允许的情况下提高系统电压、采用就地补偿的方式等方法。

2.5 现场特殊环境和操作不规范致使永磁电动机使用效果不佳

永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时, 其导磁性能会下降或发生退磁现象, 将降低永磁电动机的性能, 严重时还会损坏电动机, 导致永磁电动机使用效果不佳。例如在工作环境温度较高、设备振动较大的地方;连续启动电动机, 使得电动机过热去磁, 致使电动机特性变差。

在使用永磁电动机时, 要充分考虑电动机的特性及设备运行工况条件, 对不宜使用的地点, 不推荐采用永磁电动机, 同时对操作人员进行培训, 规范操作, 使其对永磁电动机有深入了解和认识, 从而发挥永磁电动机优势。

3 应用效果及数据分析

3.1 数据统计

经过半年多的运行, 通过对操作人员的记录数据进行分析整理统计, 发现改造的43台稀土永磁电动机平均节电率为8.5%~9.8%。若按此节电率计算, 年平均运行时间300天, 年可节约电量175万k Wh, 折合标煤586t。表1为部分设备改造前后参数对比。

3.2 负载率对功率因数的影响

在实际生产过程中, 设备的选型问题会出现大马拉小车现象, 在生产线正常运行时, 根据产量负荷的变化, 低压电动机的负载率基本在70%~95%间波动, 而在生产异常情况时, 异步电动机的负载率越低, 其功率因数和效率同样也低。而永磁电动机在这方面的优势充分体现出来, 表2为两种90k W的电动机在不同负荷率下电流、功率因数和效率的对比参数。

从表2可以看出, 永磁电动机在不同负载率下, 都有较高的功率因数和效率, 节电能力较强。

3.3 改造前后各参数比较

在保证正常生产所需的风压和风量下, 分别对原窑头罗茨风机型号为Y-280M-4/功率90k W的电动机和更换后型号为TYYSP250M-4/功率75k W的永磁同步电动机进行在线测试, 数据见表3。

从表3可以看出, 异步电动机可以用小一个机座号的永磁电动机来替换, 达到节电效果, 同时还可以降低配电设备的型号要求。

4 结论与建议

1) 由于稀土永磁电动机的节能效果较好, 装机容量为2 923k W, 按照平均节电率9%, 年平均运行300天, 平均电价0.5元/k Wh来算, 年可节约电费94.7万元。

2) 鉴于永磁电动机对设计、加工水平和永磁材料要求较高, 建议选用国内具有较强研发和生产实力厂家的产品。

3) 使用可以实现同步调速功能的变频器, 并加强与变频器厂家的技术沟通与交流。

4) 永磁同步电动机具有较好的低速满载、长时运行的优势, 我公司正研究对皮带机、给料机、板喂机等设备进行改造。使用永磁电动机, 既能满足设备低速满载和调速的要求, 同时可以去除减速机, 提高设备传动效率, 减少设备维护量, 达到节能效果。

参考文献

[1]王步来.高效节能永磁同步电动机的设计研究[J].电机技术, 2006 (2) :3-6.

[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[3]李明贤, 石雪松.稀土永磁同步电动机实现高效节能[J].风机技术, 2008 (6) :54-56.