驱动电机的选用

驱动电机的选用（共6篇）

驱动电机的选用 篇1

0引言

节能减排在当今世界是一个无法回避的话题, 其影响着世界经济的发展。作为节能减排重点的工业领域, 其中电机系统节能潜力巨大, 全球主要发达国家都将提高电机能效作为重要的节能措施。

1电机能效

我国2006年发布了电机能效标准 (GB18613—2006) , 近年来参照IEC标准组织进行了修订, 新标准 (GB18613—2012) 于2012年9月1日正式实施。按照国家新标准, 高效电机是指达到或优于GB18613—2012标准中节能评价值的电机。

电机能效标准如表1所示。

2高效电机

高效电机出现在20世纪70年代第一次能源危机时, 与一般电动机相比, 其损耗下降约20%左右。由于能源供应的持续紧张, 近年又出现了所谓超高效率电机, 其损耗又比高效电 机下降15%~20%。这些电机的功率等级与安装尺寸关系以及其他性能要求则与一般电动机相同。

我国目前广 泛应用的Y系列电动 机效率平 均值为87.3%;高效电机的效率平均值为90.3%, 超高效率电机其效率平均值为91.7%。

我国高效电机发展现状:

(1) 2003年Y3系列电机。从2002年底起淘汰热叠轧工艺, 停止生产热轧硅钢片, 设计了“以冷带热”的Y3系列电机。该系列电机采用冷轧硅钢, 全系列基本满足GB18613能效限值标准。

(2) 2005年高效电机 (IE2) ———YX3系列电机。中小型电机中满足GB18613节能评价 值即中国2级、IE2级的高效 电机。从导磁材料选择、冲片研究、通风改善等方面改进, 效率平均提高2.76%。

(3) 2010年超高效率电机 (IE3) ———YE3电机。针对美国2011年将在全球率先强制推行超高效率标准电机, 由国内电科所牵头, 研制开发超高效率电机系列产品。该电机损耗值比高效电机降低20%。

(4) 2012年超超高效电机 (IE4) ———YE4电机。针对新国标GB18613—2012要求, 由国内厂家开始试制。

3电机系统

电机系统是指由控制装置、电动机及其拖动的负载机械和管网等设备组成的系统。

3.1电机系统的基本要求

对供电电源质量的要求: (1) 电源电压与额定电压的偏差范围为-5%~5%。 (2) 三相电压系统负序分量不超过正序分量的1% (长期运行) , 或不超过1.5% (不超过几分钟的短时运行) , 且零序分量不超过正序分量的1%。 (3) 电源频率偏差不超过额定频率的±1%。

对电机系统功率因数的要求:应根据电机系统运行方式合理实施无功补偿, 补偿后设计工况下功率因数应不低于0.9。

3.2电动机选用的基本原则

(1) 匹配:电动机应与被拖动机械的负载特性相匹配。在满足负载要求的前提下, 经济合理地确定电动机的额定功率和类型。

(2) 电压:电动机的额定电压应根据其额定功率和所在系统的配电电压或供电电源的输出电压选定。

(3) 环境:根据工作场所的环境条件, 选择相应防爆型式、外壳防护等级和绝缘等级的电动机。

(4) 质量:电动机的一般性能、安全性能、防爆性能以及噪声和振动要求应符合相关标准。

(5) 连接:电动机与被拖动负载的转轴宜采用联轴器直接连接。

(6) 起动:起动方式应符合GB50055的规定。大功 率、高电压三相同步电 动机宜采 用无换向 器同步电 动机方式 进行起动。

(7) 转矩:堵转转矩、最大转矩、最小转矩、转速及其调节范围等, 应满足所拖动的负载在各种运行方式下的要求。

(8) 特殊要求:在有频繁起动、高起动转矩和冲击负载等特殊要求时, 可选用相应的专用电动机并进行转矩校验。

(9) 变化负载:对于有规律变化的负载, 应根据其工作制和定额, 按GB755选择相应工作制类型与定额的电动机。

(10) 调速负载:对于需要调速的负载, 宜根据调速范围、效率及长期经济效益等因素, 选择适合于调速方式的电动机。

3.3不调速电动机的选用

(1) 类型的选择。中小容量的机械负载, 当起动、制动比较频繁, 要求起动、制动转矩较大时, 应选用堵转转矩 大、堵转电流较小的笼型三相异步电动机。在堵转转矩不能满足要求时, 可选用高转差式三相异步电动机或绕线转子三相异步电动机。对于拖动风机、泵、压缩机的高压大功率电动机, 当在技术经济上合理时, 宜选用三相同步电动机。

(2) 额定功率的选 择。应使电动 机的平均 负载率不 低于60%。平均负载率低于50%时, 在改建和扩建设计中应更换成较小额定功率的电动机。额定功率大于250kW时, 宜优先选用高压三相交流电动机。连续运行、稳定负载时, 其额定功 率应大于负载轴功率。对于变工况连续工作, 应求出平均等效功率, 电动机的额定功率应大于等效功率, 并应对起动性能和 过载能力进行校核。对于短时或断续工作, 宜选用相应工作制的电动机, 并使电动机额定功率略大于负载的功率。也可选用连续工作制电动机来 替代, 电动机的 额定功率 应略大于 等效功率, 并应对电动机的起动和过载能力进行校核。

3.4调速电动机的选用

(1) 类型的选择。电动机的结构和性能应适合于变速运行要求。在采用变频调速装置进行调速时, 应选择适合于变频调速装置供电的电动机。在采用内反馈串级调速装置进行调 速时, 应采用定子有两套绕组的绕线转子三相异步电动机。机械负载只要求有两种或三种转速时, 可采用双速或三速三相异步电动机。

(2) 额定功率的选择。在负载对起动、制动和过载能力没有特殊要求时, 电动机的 额定功率 应等于或 略大于负 载轴功率。对于频繁起动、制动, 或者要求有 较高短时 过载能力 的负载, 应在满足最大转矩和起动转矩要求的前提下, 选择电动 机的额定功率。一般宜使电动机的额定功率大于负载轴功率。

3.5主要调速方式

电机系统进行调速设计时, 应根据负 载的类型、风 机或泵或空气压缩机的 特性、调速范 围、起动转矩、年 负荷曲线 等要求, 考虑寿命周期成本。根据寿命周期成本分析, 作出不同 方案的技术经济分析比较, 选择寿命周期成本最低的方案。厂房布置、电气布线、继电保护等应符合电机系统调速设计的要求。

(1) 变频调速:是改变电动机定子电源的频率, 从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变 频电源的变频器。

(2) 变极调速:是通过改变定子绕组极对数即改变定子绕组接线方式来改变旋转磁场同步转速进行调速的, 是一种无附加转差损耗的高效调速方式。通常双速电动机的定子是 单绕组, 三速和四速电动机是双绕组。

(3) 串级调速:是在绕线式电动机转子回路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势, 可减少转子电流, 降低转子 的转矩, 同时可将电动机在调速时所产生的转差功率送回电网以实现平滑调速和节电。

(4) 开关磁阻调速:由电动机和控制器组成, 电动机内安装有位置传感器, 控制器由功率电路和控制电路等单元组成。

4结语

青海铜业有限责任公司采用高效、超高 效电机, 不仅降低了损耗, 提高了能源使用效率, 而且实现了节能减排, 改善了大气环境, 获得了较好的经济效益与社会效益。

驱动电机转子结构优化分析 篇2

（东风汽车公司 技术中心，武汉 430058）

世界汽车技术正朝着节能、环保、安全等方向发展，汽车的能量消耗与汽车自身质量成正比，因此，要想减少不必要的能量消耗，应在保证安全的前提下尽量减轻汽车自身质量。对于电动汽车来说，电池、电机和车身结构件所占整车质量的比例较高，从电池、电机和车身结构入手减轻质量，对电动汽车整车的轻量化效果十分显著。

本文针对某自主设计电动车的驱动电机转子进行结构强度仿真分析，在保证结构强度满足设计要求的前提下，对转子结构进行拓扑优化和形状优化，优化后的电机转子通过了试验验证，满足设计目标要求。

1 电机转子结构强度分析

1.1 仿真分析说明

内嵌式永磁电机采用转子冲片内嵌磁钢块且磁极表面对称分布的方式，不仅使电机反电动势波形得到优化，而且有效的抑制了电机齿槽力矩和负载力矩扰动。电机转子结构如图1所示。在电机高速运转时，电机转子结构主要承受离心力、电磁力和永磁体吸引力的作用，研究结果表明，离心力是影响电机转子结构强度的主要因素。本文在进行电机转子结构强度分析时，主要考虑电机转子在离心力作用下的结构强度。

1.2 结构强度分析结果

转子冲片结构采用壳单元模拟，单元尺寸为0.5 mm，能够较好的反映转子的几何特征。在分析过程中，电机转子单个冲片处于自由状态，对结构施加电机最高转速12 000转/分钟，采用惯性释放的方法，考虑永磁体与冲片之间的接触关系，利用Abaqus求解器计算，分析结果如图2所示。

电机转子的最大应力为137.4 MPa，采用材料的屈服强度为395 MPa，安全系数为2.9，存在较大的设计优化空间。

2 电机转子结构优化分析

2.1 结构拓扑优化分析

拓扑优化技术是在特定的设计空间、载荷和边界条件的前提下，寻求材料的最优分布。它的特点就是在产品概念设计阶段，在不知道结构形状的前提下，得到合理的结构形式，提出最佳形状设计。本文利用Altai公司的OptiStruct工具进行结构拓扑优化设计。

本文以电机转子冲片非设计区域的单元密度为设计变量，以转子冲片结构的一阶模态频率为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构拓扑优化分析，经过7次迭代计算，得到优化设计方案，根据软件优化方案，形成最终的设计方案。优化过程如图3所示。

2.2 结构形状优化分析

形状优化是一种细节设计方法，是设计人员对模型结构变化有了一定思路进行的设计。目的是通过改变某些形状参数来实现好的力学性能，如应力、位移等。在形状优化中，通过修改网格节点的位置以改变结构的形状。在HyperMesh中，通过HyperMorh实现网格变形。OptiStruct通过HyperMorph进行区域变形，建立形状变量，以形状变量为设计变量进行优化计算。

本文以隔磁桥1的宽度、隔磁桥2的宽度和减重孔半径作为设计变量，如图4所示，通过HyperMorh实现网格变形，建立形状变量，以材料的屈服强度作为约束条件，以转子冲片结构的总质量最小为目标函数，应用OptiStruct进行结构形状优化分析，经过迭代计算，得到各设计变量的结构最优参数如表1所示。

表1 形状优化分析结果

对优化后的电机转子进行结构强度分析，分析结果如图5所示。电机转子最大应力为241.4MPa，安全系数由优化前的2.9降为1.6，能够满足设计目标要求。

2.3 电机转子热变形分析

电机转子在高速运转时，除了受离心力外，随着温度的升高，电机转子发生膨胀变形，变形量的大小直接影响电机定子与转子之间的间隙量，进一步影响电机的工作效率。分别对优化前后的电机转子进行热变形分析。

采用惯性释放的分析方法，对转子结构施加极限温度载荷，分析结果如图6所示。分析结果表明，对转子结构进行优化后，转子的热变形性能未发生变化，最大变形量均为0.11mm，满足设计目标要求。

3 分析总结

（1）优化前后驱动电机转子结构性能对比如表2所示，优化方案的最大应力为241.4 MPa，安全系数为1.6，最大热变形与原方案一致，满足目标要求，质量与原方案相比减重18.8%，轻量化效果显著。

表2 优化前后电机转子结构性能对比

（2）优化后的驱动电机转子方案通过了台架试验验证，未出现强度问题，现已实现小批量装车。

（3）本文形成的电机转子的结构强度分析方法，有效的指导了电机转子的设计工作，并应用于后续的电机产品开发过程中。

（4）通过实现仿真与设计同步工程，使CAE工作在概念设计阶段介入，尽早发现设计缺陷并及时进行结构改进，可以将设计问题降至最低，提高设计的可靠性和设计质量，缩短设计周期。

［1］陈远扬.高速内嵌式永磁电机转子机械强度分析［J］.微电机，2012， 40（5）.

水电站启闭机上行走电机的选用 篇3

行走机构大多采用YZR型绕线电机及起重用三相异步电动机作为驱动电机。因为YZR型电机的启动惯性小, 容易启制动, 而且启动电流小对电网冲击不大;还可以根据需要在其转子上串入适当的电阻以调整启动力矩。因此启制动比较平稳, 对门架金属结构部分的冲击很小, 整机的启动稳定性也较好。多年来我厂设计、制造的各种起重设备的行走机构一直将YZR电机转子串电阻的启动方式作为首选。

但是在有些场合宜选用其它型式的电机。如:用于启闭闸门的台车式启闭机, 其特点是:跨度小, 一般在1.5～10 m;高度低, 在1.2～2.5 m之间;多属无小车运行机构, 所以重量较轻;行走速度低, 一般在20～22 m/min;对启动的稳定性要求相对较低。还有就是对定位精度要求不高, 对启制动的平滑性要求也不高的起重设备, 以及一些小吨位起重设备上的小容量行走电机。

2 YZ型鼠笼电机

1998年我厂为上清河水电站设计制造的2×160 kN台车式启闭机, 1999年为铜钟水电站设计制造的2×250 kN台车式启闭机, 将YZ型鼠笼电机应用于行走机构。

铜钟水电站设计制造的2×250 kN台车式启闭机的轮距9.0 m, 轨距离1.8 m, 总高仅2.2 m, 行走速度20.15 m/min, 行走机构选用一台YZ131M1-62.2 kW鼠笼电机驱动。由按钮控制电机直接启动。

鼠笼电机价格低廉, 它的启动转矩大, 过载堵转能力强;还因为该种电机的转子结构简单牢固, 因此使得设备的完好率提高;另外它的启制动很方便, 使得控制设备少、操作也简单。缺点是:启动快、时间短、加速度大, 因此启动冲击较大。但是该机高度矮, 冲击惯性对行走机构的影响也就小得多, 对机架部分不会造成不良影响;虽然启动电流较大, 但是, 小容量电机启动电流也相对较小, 不足以对电网和其它设备造成冲击和影响。尤其是减少了电阻器、大量的由电阻器到控制器之间的动力电缆和价格不菲的控制器, 这在采用双电机分别驱动时节省效果更加明显。它的诸多优点足以弥补它的不足。如今这些设备在水电站已经安装运行多年, 运行效果较好。

3 鼠笼电机加液力耦合器

虽然鼠笼电机替代绕线电机是完全可行的, 但是较大的加速度是门架的激振源, 除对门机的稳定性造成不良影响外, 对减速器也是不利的。为了改善驱动性能, 在行走电机和减速器之间串接了带制动轮的限矩型液力耦合器。液力耦合器是由对称布置的泵轮、涡轮和外壳、主轴及联轴器等组成。在泵轮、涡轮的内部有一个由许多叶片组成的工作腔, 工作腔内注有工作液体 (油或水) 。当电机通过联轴器带动泵轮、外壳旋转, 工作腔内液体也随之转动, 在离心力的作用下工作液体又带动与泵轮对面的涡轮转动, 再由联接在涡轮上主轴输出动力。因为液力耦合器是由液体作为传动介质, 所以它可以减少启动过程中产生的尖峰力矩, 使启制动平稳, 减少传动部件的震动和冲击, 延长设备的使用寿命。在没有更新的技术之前, 这是解决采用YZ电机产生震动和冲击的一个行之有效的方法。我厂在葫芦头和蔺河口水电站两种1 250 kN台车启闭机等采用的是此方案。运行效果良好。

4 YSE型实心转子异步电机

随着技术的进步, 一种根据起重机工作特点而设计的新型实心转子异步电机YSE型已经开始应用于行走机构。它具有较软的机械特性, 与绕线电机转子串接电阻的机械特性非常类似。它的最大转矩出现在堵转附近, 随着电机转速的增加, 转矩减小, 启动加速度逐步减小, 从而实现了软启动, 很好地解决了起重机启动时出现的冲击现象。

实心转子电机的定子结构与普通异步电机相同, 其转子铁芯也都是由铁磁性实芯圆柱体组成。但它与笼型电机不同的是, 实心转子的圆柱体是整体加工出来的, 其表面没有既是磁路铁芯又是电路绕组的转子绕组。转子中的磁场是定子磁势产生的主磁场与转子涡流产生的漏磁场的合成, 这是与普通异步电机机械特性不同的根源。

实心转子电机具有的特点是:控制简单、不需要复杂的调速装置和定子、转子电阻;在同样负载下启动时间比笼型电机长, 启动冲击小;启动电流很小, 适用于频繁启动的场合;过载能力很强, 堵转5 min也不致于烧毁电机。它作为各种门机的小车运行和台车的大车运行机构上动力。尤其能够发挥其优势。实心转子电机一经问世很快就取代了鼠笼电机加液力耦合器的方案, 因为它具有明显的社会效益和经济效益。我厂在金河2×160 kN台车启闭机、凤滩320 kN双向门机的小车行走上选用了此种电机。

5 变频电机

随着变频技术的飞速发展, 变频技术很快进入起重机领域。初期所选电机为YZ笼型电机。因变频器输出电源中有一定的高次谐波, 它可以使电机内部产生谐波损耗, 出力下降, 增加运行噪音。于是电机制造厂家很快便开发出一种变频器专用电机, 其最大特点是:调速范围广、启动运行平稳、效率和可靠性高, 它优良的调速性能是转子串电阻和实心转子电机调速系统所无法比拟的。因此许多用户在起重设备招投标文件中要求大车行走、小车行走采用变频调速控制。

变频调速用于小车行走机构时可不需要制动斩波器和制动电阻器, 一台变频器可以同时驱动多台行走电机, 我们一台变频器最多同时驱动过8台行走电机, 因此其性价比并不低。在对启动的平滑性要求较高的设备上采用变频调速应是最佳的首选方案。我厂在1999年就开始将这一先进技术应用于出口伊朗的桥机行走机构上。同一机座号几种电机的方案比较如表1所示。行走电机选用遵循规律如表2所示。

综上所述, 行走机构的控制方案可以是多重选择的, 只有适合自已的才是最好的。

摘要：水电站上移动式卷扬起重设备的种类较多, 如有门机、桥机、台车式启闭机等, 这些设备的行走机构的驱动方式是多种的, 行走电机的启动方式决定着起重机行走的稳定性, 在保证其稳定性的前提下选用一种适合该机工作特性的电机, 不但减轻重量、降低了制造成本、因电气设备减少, 因此设备维护方便, 同时还使操作变得简单。

关键词：水电站,起重机,行走电机

参考文献

[1]张质文.起重机设计手册[M].北京:北京铁道出版社, 1998.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社, 1982.

[3]万力.液力耦合器在起重机上的应用[J].起重运输机械, 1991 (12) :19.

驱动电机的选用 篇4

1.1回转工作台的概述

回转工作台是数控刨台卧式铣镗床中不可缺少的重要部件之一，该部件主要用来承载被加工零件的。并完成机床在X坐标方向作直线运动,和在B坐标上作360°回转运动。其优点是：可以扩大机床的工艺范围，缩短加工中的辅助时间和提高零件的加工精度。当零件装卡于工作台面上后，除可进行一般的镗孔、钻孔、铣削外，还可使零件作轴向移动和运转分度等工序。

数控回转工作台是由床身、滑座、工作台三个基本大件组成。

1.2数控回转工作台的主要技术规格：

（1）回转工作台的台面尺寸 1600×1800mm

（2）回转工作台的总高度 1110mm

（3）回转工作台的载荷 10000Kg

（4）直线移动行程 2000mm

（5）回转工作台快速移动速度 10000mm/min

（6）回转工作台快速回转速度 4r/min

1.3数控回转工作台回转驱动的设计主要包括以下二个方面：

（1）工作台回转驱动的传动系统设计；

（2）工作台回转电机的选择；

（3）传动零件的设计与校核。

这里重点论述驱动电机的选择。

2.工作台回转驱动电机的选择与计算

2.1传动系统设计

本文所讨论的大型回转工作台的工作面积为1600×1800mm。数控回转工作台经过72：36齿形带轮，26：1蜗轮、蜗杆传动，136：17大齿圈和小齿轮的降速，使工作台快速回转速度达到1.5r/min。

2.2工作台回转电机的选择

2.2.1工作台回转的传动比计算

i=××=416

2.2.2所需回转电机额定转速

n=4×416=1664r/min

2.2.3工作台回转的传动效率的计算

η=η×η×η

式中：η----轴承的传动效率，取0.98；

η----齿轮的传动效率，取0.98；

η----蜗轮、蜗杆的传动效率，需进一步计算。

η= （《机械设计》书11-21）

式中：γ----普通圆柱蜗杆分度圆柱上的导程角；

φ----当量摩擦角，φ=arctanf，其值可根据滑动速度v由《机械设计》书上表11-18或表11-19中选取。

v== （《机械设计》书11-22）

式中：v----蜗杆分度圆的圆周速度，单位为m/s;

d----蜗杆分度圆直径，单位为mm;

n----蜗杆的转速，单位为r/min。

tanγ==== （《机械设计》书11-2）

预定蜗轮、蜗杆的模数m=8, 蜗杆直径d=80mm,蜗轮的齿数z=26,蜗杆的齿数z=1

所以γ=arctan=arctan=arctan0.1=5.71°

蜗杆传动的标准中心距为

a=(d+d)=(q+z)m （《机械设计》书11-4）

则中心距a=144mm，n=624×0.5=312r/min，v=1.31m/s

所以φ≈3°。

η===0.65

考虑到实际工作中蜗轮、蜗杆传动效率的损失取η=0.5

η=η×η×η=0.98×0.98×0.5=0.48。

2.2.4工作台回转时的摩擦力矩

已知：工作台最大载荷重量为W=10000Kg；结构尺寸见图2。

工作台重量为W=×7.8×10×V=×7.3×10×26×160×180=4100Kg

聚四氟乙烯与铸铁摩擦系数为μ=0.05（《机械设计手册》122页）

a 计算各环平均半径R

R===643mm

R中环===505.5mm

b计算各环面积S

S=π（R－R）=π[（138/2）－（119.2/2）]=3797.7cm²

S=π（R－R）=π[（108.8/2）－（93.4/2）]=2445.6cm²

c计算各环导轨正压力P

均布载荷系数q=（ W+W）/S=（10000+4100）/（3797.7+2445.6）=2.26Kg/ cm²

P=Sq=3797.7×2.26=8582.8 Kg

P=Sq=2445.6×2.26=5527Kg

d计算各环导轨摩擦力矩M

M=0.05×P×R=0.05×8582.8×643×10=275.9Kgm

M=0.05×P×R=0.05×5527×505.5×10=139.7Kgm

e 计算工作台总摩擦力矩M总

M= M+M=275.9+139.7=415.6Kgm=0.4156Kg.cm.s2

2.4.5折算到马达轴上的总惯量的计算

齿轮传动时，传动系统折算到马达轴上的惯量：

圆柱体转动惯量公式：J=

对于钢材：J=×10=0.78×D×L×10(kgf•cm•s)

式中：M----圆柱体质量，单位为kg；

D----圆柱体体积，单位为cm；

L----圆柱体长度或厚度，单位为cm；

ρ----材料比重，单位为gf/cm³。

齒轮齿条传动时工作台折算到小齿轮轴上的转动惯量公式：

J=R(kgf•cm•s)

式中：R----齿轮分度圆半径，单位为cm；

W----工件及工作台重量，单位为kgf。

齿轮齿条传动时传动系统折算到马达轴上的总转动惯量公式：

J=J+J+R(kgf•cm•s)

式中：J，J----分别为Ⅰ轴、Ⅱ轴上齿轮的转动惯量，单位为(kgf•cm•s);

R----齿轮z分度圆半径，单位为cm；

W----工件及工作台重量，单位为kgf。

所以J=0.78×9.03×11.7×10=0.06(kgf•cm•s)

J=0.78×18×8×10=0.66(kgf•cm•s)

J=0.78×8×9×10=0.029(kgf•cm•s)

J=0.78×22.4×8.5×10=1.67(kgf•cm•s)

J=0.78×8.5×7.7×10=0.03(kgf•cm•s)

J=J+J+2J+2(J+J)+=0.06+0.66+2×0.029+2×(1.67+0.03)+×=0.242kgf•cm•s

根据J=0.242kgf•cm•s，选SIEMENS-IFT6105-IAC71交流伺服系统

此电机额定转速n=2000r/min

电机输出功率为P=8.7KW

电机额定转矩为M=3.8kg•m

转子转动惯量为J=168×10kg•m²=0.171kgf•cm•s

通常交流电机转动惯量比J/J≤3倍，此电机J/J=0.242/0.171=1.415（倍），所以选用此电机惯量匹配合理。

2.2.6工作台回转电机的校核

根据机床设计手册第三册的513页，对于数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以马达力矩主要是用于产生加速度的。所以通常可先按式（6.6-63）选择马达，要使快速空载启动力矩小于马达的最大转矩，即M≤M

空载启动力矩M：M=M+ M

马达输出转矩的最大值，即峰值转矩M：M=λM

式中：M----折算到马达轴上的摩擦力矩，单位为kgf•m；

M----马达额定转矩；

λ----马达转矩的瞬时过载系数：交流伺服电机λ=1.5~2。

所以取λ=2

J为折算到马达轴上的总惯量：

J=J+J=0.242+0.171=0.413 kgf•cm•s

加速度力矩M：

M=×10kg•m

式中：J----折算到马达轴上总惯量，单位为kgf•cm•s；

T----系统时间常数，单位为s；

n----马达转速，单位为r/min;

n=n，计算M。

所以M=J×n×10/9.6T（T=0.2秒）=0.413×2000×10/9.6×0.2=4.3kgf•m

折算到马达轴上的摩擦力矩：

M= M/iη==2.1 Kg•m即21Nm

所以空载启动力矩M=M+ M=4.3+2.1=6.4 kgf•m

马达的最大转矩M=λM=2×3.8=7.6 kgf•m

由于空载启动力矩M<马达的最大转矩Mmax,所以该伺服电机符合要求。

3.回转台回转系统驱动电机的设计结论

通过上述的设计与计算，可见工作台回转电机的选择是合适的。

【参考文献】

［１］机械设计.高等学校出版社.2001.

［２］机械设计手册.第三卷.机械工业出版社.1991.

驱动电机的选用 篇5

作为矿山开采的主要交通工具, 矿山电机车性能的好坏直接影响其工作效率。传统的直流调阻调速和直流斩波调速被交流牵引电机车所替代。空间控制、宽度不同的轨距等因素将影响着矿山牵引电机车性能, 若采用一台电机驱动一个轮轴, 即双电机直接驱动, 为了提升电机运行速断, 成本等问题, 采用一台变频器控制多台电机的方法, 即双电机单逆变器控制系统。

1. 牵引电机的数学模型及工作原理

牵引电机车在控制方法上具有多样性, 但对研究对象的控制上具有相似性, 均采用一台电机作为控制模型, 本文在系统建模时以一台电机作为研究对象, 在电机建模时即对一台电机进行建模。为了使牵引电机车提高其运行可靠性, 采用异步电机, 而其动态数学模型具有强耦合、非线性等特点, 根据产生磁动势相等的原则需进行坐标简化。

对交流异步电动机进行调速主要分为基频以下控制和基频以上控制。由于定子电流对异步电机的励磁回路产生影响, 而定子绕组输入的电流由转矩分量和励磁分量两部分组成, 这样就不易于异步电机进行速度调节。而调速主要是由磁场进行控制, 为了对异步电动机磁场准确调节控制, 就要实时检测其位置与数值的大小。若需要直接检测, 就要被现实中一些工程技术所制约, 所以通过采用磁链模型进行观测的计算分析方式。异步电动机在两相旋转坐标系中的电压方程式为

2. 干线牵引电机车矢量控制系统

通过将异步电动机三相坐标变换为两相旋转坐标坐标的数学模型可知, 为了对其转矩进行控制, 可采用用来产生磁场的励磁电流以及转矩分量的电流的幅值和相位加以控制, 在矢量变换的基础上即控制其定子电流的矢量, 这样的控制方式称为矢量控制, 这种控制属于一种比较先进的电机控制。牵引电机车采用矢量控制能够满足其工作中的性能要求。

3. 干线牵引电机车双电机系统仿真模型的搭建与结果分析

依据异步电机等效直流电机模型公式搭建双电机单逆变器矢量控制系统, 如图1所示, 系统采用双电机单逆变器的简化平均模型, 其中电机M1为主控制电机, 电机M2为被控制电机。

3.1 系统仿真参数如下:

额定功率PN=4k W

额定电压UN=400V

额定转速n=1430r/min

极对数np=2

定子电阻Rs=1.405Ω

转子电阻Rr=1.395Ω

定子自感Ls=0.005839H

转子自感Ls=0.005839H

互感Lm=0.1722H。

3.2 仿真研究

系统仿真从电机起动后突加50%额定转矩如图2所示。其中图2、图3分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的定子电流波形;图4、图5分别为系统启动后突加50%额定转矩电机M1和电机M2的转速的波形。

由图2、图3波形可以看出, 在主控制电机M1和被动控制电机M2设计相同参数时, 二者承受的负载转矩平衡;由图4、图5波形看, 两电机具有低速大转矩的工作性能, 即在简化平均模型下采用矢量控制, 能够达到牵引电机车对牵引电机出力的要求。

结论

本文采用MATLAB软件, 建立牵引机车的控制系统的仿真模型, 并对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行分析研究, 为实际系统的设计提供理论依据及必要的设计参数。介绍简化平均模型下的矢量控制调速系统控制方案, 并建立双电机单逆变器控制系统仿真模型。通过对两电机中突加额定转矩下定子电流和转速的仿真结果说明运用简化平均电机模型在两台电机参数一致的前提下, 具有良好的稳态及动态性能, 并能够满足牵引电机车对电机性能的要求。

摘要：干线牵引电机车是铁路运输货物的一种重要交通工具, 根据目前矿山开采的实际情况, 需要其具有较强的稳定性、负荷能力, 即在牵引电机起动上、稳定性、过载能力上提出了较高的要求。本文通过MATLAB仿真软件对双电机拖动系统的简单平均模型进行建模仿真, 采用矢量控制算法。并对双电机单逆变器控制系统进行仿真设计, 仿真验证系统能满足矿山牵引对电机的要求, 并具有良好的抗干扰性能。

关键词：牵引电机车,双电机拖动,矢量控制

参考文献

[1]阮毅, 陈伯时.电机拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[2]张少华.永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D].中南大学, 2008.

盾构机刀盘多电机同步驱动研究 篇6

关键词：盾构机；刀盘驱动；刀盘同步控制

1 引言

传统的盾构机刀盘是由液压驱动的，近几年出现了由变频器控制三相交流异步电机驱动的刀盘。显然，与液压驱动相比，电机驱动具有机械设计简单、安装维护容易、控制灵活方便、成本低廉、更加节能等诸多优点，而且电机驱动刀盘的方式还可以方便盾构机的保养，例如，在更换刀具时，可以按需要将刀盘旋转到便于更换刀具的角度。因此，越来越多的盾构机刀盘选择电机进行驱动。

2 盾构机刀盘驱动的控制要求

应用于珠三角穗莞深城际轨道交通建设的φ8780土压平衡盾构机采用电动机驱动刀盘的方式，由14个170kw大功率水冷电机，各电机经过各自的减速器与一个差不多和刀盘等直径的大齿轮啮合来驱动整个刀盘。这是一个多电机驱动同一负载的应用，需要多电机同步控制和负载平衡控制，即让电机速度相同的情况下，承担相应的平均负载，避免电机之间出力不均衡而引起部分电机过载。与其他需要负载平衡控制的应用相比，刀盘驱动的特殊性在于：

（1）电机的数量较多，刀盘驱动要求在14个电机之间平衡负载；

（2）机械传动机构复杂，传动比大，从电机侧到刀盘传动比高达355。刀盘负载的微小波动，对电机力矩的影响也很大，如果对电机力矩控制不得当，将容易造成传动机构的损坏。因此，需要采取措施，尽量快速调节电机力矩，避免使电机力矩产生过大的波动。

本盾构机刀盘直径为8.78m，刀盘旋转切削泥土时，不仅需要克服刀具切削土产生的阻力，而且需要克服因盾构千斤顶向前推进时，刀盘与开挖面之间挤压产生的摩擦力。这要求刀盘必须具备足够的扭矩，按相关计算设计正常扭矩为10046KNm，最大脱困扭矩为12056KNm。在如此大的扭矩，如果采用单电机负载，将要求电机功率达到2380KW，实际中难以控制如此大功率的电机，而且可靠性差。因此，要求设计多电机共同驱动刀盘旋转。

针对盾构机刀盘传动结构特点，虽然各电机与刀盘齿轮是刚性连接，使得各电机的速度是强制同步，但是，这种速度同步是“被动”同步，即各电机虽然速度相同，但扭矩未必相同，如果有些电机速度比较慢的情况下“被提速”，使得此电机没有对刀盘做正功，反而成为其他电机的负载，增加整个刀盘的扭矩负载。相反，如果个别电机因为转速比其它都快，则在刀盘齿轮啮合的作用下“被减速”，此电机的负载将会比正常负载大，定子电流急升，增加电机发热量，严重时会烧坏电机。这些都是多电机之间不同步产生的不利影响。

另外，如果仅依靠机械结构完成同步，容易对传动机械器件造成机械疲劳，大大缩短其设计使用寿命，由于盾构机现场施工环境的限制，不便于更换重型器件，所以设计时就需要考虑到器件工作的高可靠性，这也就要求在多电机传动控制方面需要优化同步控制策略，以提高这个传动系统的可靠性能。这就是“主动”的速度同步控制策略，使得各电机能够稳定、精确地跟踪给定速度的同时，还能够均衡地分担刀盘负载。

3 多电机同步控制方式

对多电机同步控制通常可分为非耦合控制和耦合控制。其中，非耦合同步控制主要有并行同步控制和主从同步控制两种形式；耦合同步控制主要有交叉耦合同步控制。偏差耦合同步控制以及电子虚拟总轴同步控制。

3.1 并行同步控制

并行控制是基于相同的给定参考输入信号，各电机独立运行的控制模式，其控制结构如图1所示：

图1 并行同步控制

并联运行的同步控制系统优点在于启动、停止阶段系统的同步性能很好，不同的单元不受距离的限制，可满足一定条件下的同步要求。在并联运行同步控制系统中，每个单元电动机的输入信号由系统直接给定，因此各单元获得的输入信号完全一致。各驱动单元的输入信号除了受参考信号作用以外，不受其它因素的影响，所以任一单元的扰动不会影响其它单元的工作状态。但采用这种方法后，速度会随着负载的变化而变化，因此不适合对速度精度要求高的场合。

3.2 主从同步控制

以双电机为例，主從同步控制系统的基本结构图如图2所示。在这种情况下，主电机的输出转速值作为从电机的输入转速值。由此可以得出，从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度命令或者是从电机的负载扰动。

图2 主从同步控制

在多台电动机的情况下，主从控制系统有两种不同的控制方式：

（1）第一台电动机为主电动机，其余的所有电动机为从属电动机。主电动机接收给定的输入信号，而所有的从属电动机共享主电动机的输出信号作为输入信号。在这种控制方式中，当主电动机的负载受到扰动时，所有从电动机都会受到它的影响；但是当任何一台从电动机的负载发生变化时，其它所有电动机不会受到影响；

（2）第一台电动机为主电动机，最后一台电动机为从电动机，而其余的电动机充当双重角色，既是主电动机，又是从电动机，相对于本电动机的前一个电动机而言，它是从电动机；相对于该电动机的后一台电动机而言，它是主电动机。因而除了最后一台电动机之外，任何一台电动机的负载发生扰动时都会影响到随后所有电动机的运行，但不会影响前面的电动机。

3.3 交叉耦合同步控制

交叉耦合控制原理图如图3所示，同非耦合控制相比，交叉耦合控制主要的特点就是将两台电机的速度信号进行比较，从而得到一个差值作为附加的反馈信号，再将这个反馈信号作为跟踪补偿信号，使系统能够接受任何一台电机的负载变化，从而获得良好的同步控制精度。但这种控制方式不适合于超过3台电动机的同步控制。

图3 交叉耦合同步控制

3.4 偏差耦合同步控制

偏差耦合控制是交叉耦合控制的发展，如图4所示，其基本思想是将两个电机的速度反馈作差，然后将得到的偏差信号作为该电机的速度补偿信号，增益用来补偿各电机之间的不同转动惯量，从而改善了双轴之间的协调控制性能。

图4 偏差耦合同步控制

但是这类补偿控制还是不能有效地解决多电动机之间动态性能匹配、跟踪过程及跟踪轨迹非线性等一系列问题。

3.5 电子虚拟总轴同步控制

电子虚拟总轴控制策略最早由Meye和Lorenz在1999年提出，由Logcnz和Valenzuela进一步将其发展，以两台电动机为例，其控制原理图如图5所示。

图5 电子虚拟总轴同步控制

虚拟总轴方案模拟了机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的固有同步特性。虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴的作用后，得到各驱动器的参考输入信号。即各驱动器同步的是参考输入信号而不是系统的输入信号。由于该信号是经过总轴作用后得到的信号，因此该信号更易于为单元驱动器所跟踪，从而达到提高同步性能的目的。

4 电机同步控制方式选择

鉴于盾构机刀盘驱动是刚性连接的特点，各电机之间的速度基本一致，即使有速度差，也是因为齿轮之间的啮合缝隙引起的，在此可以忽略其影响。因此不需要对各电机速度进行差值控制，即不适合采用耦合控制方式。

基于这些特点，可采用非耦合的并行控制和主从控制。如果采用主从方式，如前面所述可以有两种结构方式，一种方式是1个作为主电机，其余的13个作为从电机；另一种是第1个电机只作为主电机，第14个电机只作为从电机，其中间12电机既是主电机又是从电机，对前1个电机是充当从电机角色，对后1个电机扮演从电机角色。这种主从结构中主电机工作在速度控制模式，从电机工作在力矩模式，系统的速度给定作为主电机的速度输入，其力矩输出作为从电机的力矩给定。

这种非耦合主从控制方式，所有的从电机给定信号都来自于唯一的主电机，可以保证输出的力矩平衡，虽然从电机的速度不能反馈到主电机，但对于盾构机同轴负载来说，理论上已经足够满足同步及力矩平衡的要求。只是在实现这种控制方式过程中存在一个通信实时性的问题，即主变频器与从变频器信号传输的实时性问题，因为主变频器的力矩信号是从变频器的信号给定，当遇到负载波动比较大的情况下，信号传输过程的延时，将会导致主从之间出力不均衡，此时通信的实时性直接影响到整个系统稳定运行。

因此，在实践过程中我们采用并行控制方式。并行同步控制中，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系，其特点是系统结构简单，易实现，控制的关键是要电机的负载差异小，即各电机的机械特性保持一致，从而达到多个电机负载平衡。

5 应用研究

5.1 三相异步电动机机械特性曲线

从理论上来说，同型号的数个电机，采用并行同步控制，如果驱动的电压和频率完全相同，那么，不用采取额外的措施，电机的负载就能互相平衡。但实际上，即使同型号电机，实际的特性很难保证一致。如图6所示的交流异步电机机械特性曲线，对通常的交流异步电动机而言，在一定的范围内，滑差（电机的实际转速与由供电频率和电机极数决定的磁场转速之间有一定的差异）和负载之间有近似的线性关系，但由于制造过程中的差异，同型号电机的机械特性曲线也不完全相同。如图7所示的相同条件下两台同型号电机的机械特性曲线比较。

图6 电动机机械特性

图7两台电动机机械特性对比

当多个电机驱动同一负载时，由于电机轴通过机械耦合在一起，这意味着这些电机的速度是强制同步的。如果这些电机的电压和频率相等，那么，各电机的负载大小实际与各自的特性相关。为简单说明起见，以2个电机为例，如图8所示。

图8 电机同负载特性

从上图中不难看出，当电源频率相等（图中与纵轴交点，第1行虚线）、实际速度强制同步（图中的第2行虚线所示）的情况下，2个电机的负载大小实际由各自机械特性的斜率所决定。当2个电机特性相同时，那么负载也是相等的。当特性不相同时，相对的负载也不相等。同时也可以看出，在2个电机特性有差异的情况下，对于同样的速度范围，软特性（曲线更下垂）的2个电机之间的负载差异比硬特性的2个电机之间的负载差异要小。

当电机由变频器驱动时，由于频率连续可变，因此该曲线可以上下平移（如图9所示），形状基本不变，对电机本身而言，负载与转速的关系与电网直接驱动是一样的。

图9 电机变频调速特性

根据上述电机机械特性曲线的分析，要达到多个电机负荷平衡的效果，就必須减小各电机间的负载差异，而机械特性越“软”（曲线更下垂）电机之间的负载差异越小。当然也要注意“软化”程度，软的特性不仅使得电机低速时力矩较小，而且会因刀盘的微小负载扰动，使得电机转速波动很大。选择变频器驱动电机时，当电机的实际负载增大，变频器将主动降低给定，这样的效果是人为地“软化”了曲线，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。

5.2 变频器选择

5.2.1 变频器控制原理

变频器的控制，较常用的有V/F控制和矢量控制，下面分别介绍。

V/F控制就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/F控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/F控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。V/F控制特点——以控制速度为目的，控制特点控制精度不高，低速时，力矩明显小，常用于变频器一拖多场合下。

矢量控制的应用场合一般是要求比较高的传动场合。而且，矢量控制在低速时可以输出100%的力矩，而V/F控制在低速时因力矩不够而无法工作。矢量控制——它有速度闭环，即从负载端测出实际的速度，并与给定值进行比较，它能够得到更高精度的速度控制，并且在低速时，也有100%的力矩输出。

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

5.2.2 φ8780盾构机刀盘变频器选择及应用

东芝VF-AS1系列变频器具有矢量控制功能，它可以通过调整电压及频率，从而改变电动机机械特性曲线，同时，内部设置了一个参数（F320）用于调整负载反馈的强度，在应用上这个参数的效果就是调节整个拖动系统的特性曲线的斜率，即“软化”的程度。当耦合在一起的电机特性有差异时，可以通过调整相应变频器的这个参数使拖动系统的特性达到一致。同时，正如前文所描述的那样，在同样的速度范围内，“软化”了特性的拖动系统更容易达到负载的平衡。

同时，东芝VF-AS1系列变频器具有CC-Link接口，可方便的接入到盾构机控制系统中，14台变频器分别控制14台电机，实现并行同步控制，实际应用体系结构如图10所示：

图10 并行同步控制系统结构图

由于系统的变频器数量多，功率大，根据变频器的动力来自不同变压器，故将其分成两大部分，每部分根据不同的断路器再分成两个小组。第一部分中的两个小组，左边的由INVT1、INVT3、INVT5、INVT7四个变频器组成NO1刀盘VFD盘，右边小组由INVT2、INVT4、INVT6三个变频器组成NO2刀盘VFD盘。

设计变频器的排列并非按从小到大的顺序排布，而是采用间隔增长的形式，这是出于提高系统可靠性的设计理念。其中INVT1和INVT3共用一个断路器，其中INVT2和INVT4共用一个断路器。当INVT1所在主回路的断路器出现故障时，将会导致INVT1和INVT3不能正常运行，但INVT2和INVT4仍然可以正常工作，这样使得电机在轴承端仍可保持平稳出力，从而大大减小因电气故障给机械部件造成的意外损伤。

实际应用时，PLC获取上位机设定的刀盘转速，并换算成变频器给定频率，然后广播式发送到14个变频器中。14个变频器对应14个参数文件，其中每个文件除了负载平衡系数及CC-Link站点号不同以外，其余参数都保持一致。刀盘旋转时，14个电机同时启动，并且保持转速一致，电流和转矩保持在允许的范围之内，刀盘转速跟踪给定，达到了同步控制的效果。

6 结论

通过对多电机同步驱动的研究，比较多电机同步控制的几种方式，我们采用了并行控制方式，每台变频器对应控制一台电机，各变频器之间无需联系。我们将电机同步控制技术应用于φ8780土压平衡盾构机上，设备运行良好，成功解决了盾构机刀盘电机同步驱动控制的难题。

参考文献

[1]东芝变频器VF-AS1操作说明书

[2]ATV71变频器在盾构机刀盘驱动中的應用

[3]张厚美，盾构隧道的理论研究与施工实践[M].北京：中国建筑工业出