压电马达
摘要：近几十年来，世界上许多国家对电机做了大量的研究。当今工业和高科技领域对高精密自动化控制的需求越来越大。电机不仅成为各种机电系统中一个较为重要的元件，而且对其提出了更高的要求。依靠压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转化为机械能,打破了传统的由电磁作用而获得转矩的电磁型电机的概念，压电马达成为了当今社会科学前沿的新型电机。本文从压电马达原理着手介绍了压电超声马达原理及其一些基本结构，并述说了压电谐波马达的基本结构。
关键词：压电效应，压电超声马达，压电谐波马达
引言
传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史，在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度．由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、导弹、机器人和精密仪器等对电机所提出的要求．而压电马达，正是适应了这种发展形势的需要而出现的一种新型电机．压电马达即利用压电体的压电逆效应进行机电能量转换的电动机。其原理与基于电磁感应的普通电动机显著不同，但基本功能和分类大致相同。一般分为交流压电电动机和直流压电电动机。运动方式分为旋转和直线运动两种。
压电电动机由振动件和运动件两部分组成，没有绕组、磁体及绝缘结构。功率密度比普通电动机高得多，但输出功率受限制，宜制成轻、薄、短小形式。它的输出多为低速大推力（或力矩），可实现直接驱动负载。这种电机因内部不存在磁场，机械振动频率在可听范围外，因此对外界的电磁干扰和噪声影响很小。压电电动机易于大批量生产。
1、压电效应及压电材料
压电效应是1880年居里兄弟发现的，他们在研究晶体热电现象与结晶对称关系时，发现这个现象可能是由加热时体积变化所导致的。
根据这个想法他们做了很多实验，发现电气石或石英等天然矿石收到压力时，由于体积变化，在晶体表面会有微小电荷产生。隔年，他们又发现当晶体置于电场中时也会发生体积的变化,证明了这种现象是可逆的。因为压电效应是可逆的，所以把材料因体积变化而产生电压的效应称为「正压电效应」；反之，材料因加入电压而造成体积变化的效应称为「逆压电效应」；而具有压电效应的材料则统称为「压电材料」，如图一。
陶瓷材料因为制造容易、可制成任何形状、且其特性可随组成做多样性的变化等优点，目前已经成为压电元件的主流。
一般而言，压电陶瓷材料具有体积小、反应快速、位移量小、消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材质易脆等。虽然可以承受较大的正向压力，但是当它承受不均匀的力量时，也很容易造成材料的破坏。压电陶瓷马达运用压电材料的变形所造成行进波，进而產生振动，再经以摩擦力带动转子转动。其中压电陶瓷产生超音波的交替伸缩现象，也就是应用超音波的弹性振动方式以获得驱动动力，然后再利用摩擦力带动转子而驱动，使得此类产品有超音波马达的称呼。虽然压电的伸缩现象每次仅有数微米(μm)大小，但因每秒可有数十万次的伸缩，也使得每秒将可移动达数厘米(㎝)。
2、压电马达的原理与驱动方式
压电压电陶瓷线性马达与超音波马达之间最大的差异，因为压电陶瓷的组合结构不同，但其原理与驱动方式是相当类似的。
压电陶瓷马达的内部构造图是由一相对厚度而言有较大平面的四角薄平板架构而成，如图二。
四个电极附著在正面，并分别覆盖四分之一的表面，其中A、A’与B、B’分为两组，而反面则完全覆盖一个单一电极。成对的两个电极以电线连接之，而反面电极经由一可调变共振频率的可变电感后接地。线性超音波马达的运动是受限於四个拥有高弹性系数之支撑弹簧，这些弹簧沿著马达的长边连接在压电陶瓷上；而一个相当硬的陶瓷传动子，以黏著剂接合在压电陶瓷短边的中间，另一个短边的中间有一紧压在压电陶瓷上之预力弹簧。如此一来，预力弹簧便可提供一压力在传动子和平台之间，摩擦力便会產生在平台和传动子之间的表面，而传动子即可将力量传递至平台并使之移动。同时，被设计来当传动子在做圆形运动有反运动方向产生时，传动子可离开平台，并不会使平台运动。
线性超音波马达的运作，乃是基于双振动模式(Vibration Modes)，即弯曲振动与长度振动，利用x 方向的弯曲振动和y 方向的长度振动可在压电陶瓷的xy平面引出一椭圆运动，如图三。
图三左者显示超音波线性马达在弯曲振动下的形变，在xz 平面上的横切面于x 方向被移位，而z 方向则被旋转。横切面的位移和旋转分别表示成Δx 和Δθ，其振动节点分别在线性超音波马达上半部和下半部的中间。图三右者显示超音波线性马达在长度振动下的形变，xz 平面上的横切面在y 方向被移位，并将位移表示成Δy，而振动节点则在线性超音波马达的中间。为了获得最大位移，这些振动模式必须在共振模式下被激发。如果此两模式共振频率等於或是很接近任一模式时，可以获得一隋圆形运动。而共振频率可由压电陶瓷的长
度和宽度计算求得。压电马达具有许多与一般传统马达不同的许多特性与特色。
2.1压电超声马达
超声波电动机(Ultrasonic Motor，简称USM)是国外八十年代发展起来的一种没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，将材料的微变形通过共振放大，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的新型电机．1981年，日本指田年生研制成超声波压电电动机（简称超声波电动机），克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷，压电电动机开始进入工业实用阶段，如外径50毫米，输入电压100伏，频率40千赫，输出功率可达4瓦的超声波电动机。
超声波电动机有驻波式和行波式两种。驻波式超声波电动机的条状压电体具有交替排列的极化区，施加直流电压时产生伸缩交替的变形，收缩部分凸起，伸长部分下凹，整条呈波状。电压极性相反，变形方向随之改变。如施加交流电压，压电体就随时间作振动变形。此变形是一系列以极化界面为过零点的脉振波，即驻波振动。行波式超声波电动机由两条相同的压电体相互错开半个极化区长度粘合成一体而成，当分别施加时间上相差90°电角度的交流电压时，两压电体就分别作驻波振动，由弹性体接受的合成振动波是一个随时间前进的行波，即作行波振动。驻波形式的能量转换效率较高，但需特殊的推力或力矩耦合部件，体积较大，且只能作单向运动，控制性能差，因而人们更重视行波方式的超声波电动机。将条状压电体制成圆板或圆环，即可制成旋转运动的超声波电动机。当弹性体接收压电体的行波振动后，通过转子上的摩擦件，利用摩擦力使转子旋转。其工作原理如图l所示，下方弹性体由压电陶瓷组成，因为压电体是在电压作用下可以伸缩的，所以，如果将很多个压电体排列起来，使其依次振动，便可以形成前进的行波，在环状压电体上贴上：弹性环(定子)，另外再在上面压上金属环(转子)，从而可利用压电体表面上的行波，使金属环旋转．根据此原理可设计出结构如图2所示的压电马达．弹性体图1压电超声马达原理移动方向
2.2、压电谐波马达
压电谐波马达是根据谐波传动原理和压电逆效应原理，由kn组(n为波数，等于2或3；n=2时，k=4、6、8、10等偶数，当n=3时，k=2、4等偶数．)压电驱动器连接弹性铰链位移放大机构，沿柔轮圆周方向均匀分布，而构成压电式波发生器．图3所示为8组压电驱动器的双波传动压电谐波马达的结构简图．通过控制器控制驱动各组压电驱动器，使各组压电驱动器彼此按一定的相差进行周期性伸缩变形，再经过位移放大器进行位移放大，使柔轮产生周期性的变形，如果是刚轮固定，通过柔轮和刚轮的啮合便可使柔轮产生旋转。
总结
压电马达的研究从设计思想的提出，经过原理性样机的研制，再到实用性和产业化的开发，世界各国大批科研人员经过儿十年的探索研究已取得了很大的成果。压电马达是一种种典型机电一体化产品。虽然一些研究成果已经进入实用阶段，但其完整的数学机理模型、动态的接触模型、精确估算马达性能的动态结构模型等理论问题仍处于探讨与完善阶段。设计理论、制造工艺以及驱动控制等实际问题函待进一步研究和解决。同时其工作原理决定了压电材料的性能对马达的性能和寿命起着至关重要的作用，这些材料的性能也需要提高改善。今后研究的内容主要是逐步建立精确、定量的理论模型;设计适用新型结构;研制良好性能的陶瓷材料和摩擦材料，进一步研究马达的控制特性。
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毕业设计文献综述 题目：立轴风力发电机 学生姓名：李春鹏学号：090501224 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：刘恩福 2013年2月27日
一、摘要 风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能，然后通过电机转化为电能，通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（HorizontalAxis Wind Turbine简称为HAWT）和立轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine简称为VAWT）两大类，达里厄型（Darrieus）风力机为立轴风力机的典型机型。立轴风力机由于其结构和气动性能的独特优势，越来越被人们重视。变速风力机可以在很大的风速范围内工作，而且能最大限度的捕获风能，提高风力发电机的效率，而成为当前该领域的研究热点。本文以大型变速立轴风力机为研究对象，风力机为典型的达里厄型风力机，直接驱动永磁同步电机发电。通过建立风力机气动性能评估模型、传动系统模型、电机以及控制系统的模型，并在MATLAB/SIMULINK进行仿真模拟，得到风力机在各种工况下的运行情况，并实现了最大风能追踪的算法。 变速风力发电机提高了风能利用率，但增加了控制系统的难度，本文对最大风能追踪策略的理论进行分析研究。分析了达里厄型风力机的气动性能评估模型，该模型是基于叶素动量理论的双多流管模型，考虑了达里厄型风力机旋转时叶片对风轮下盘面流动干涉的特性，以及翼型动态失速、气动阻力的影响，对1MW达里厄型风力机进行计算分析，得到了该风力机的气动性能，如风力机在各风速下的气动转矩与转速的关系，以及在各风速下的气动功率与转速的关系，为仿真模拟提供基础。根据仿真的需要分别建立了风力机传动系统模型、永磁同步电机模型、最大功率跟踪算法等模型。永磁同步发电机在同步旋转轴下建立，并对同步电机的解耦控制做了分析，最大功率跟踪算法采用尖速比控制方法。最后在MATLAB/SIMULINK中且搭建了整个系统的仿真模型，对1MW 达里厄型风力机低风速气动、高风速刹车、额定风速下变风速运行等工况进行了仿真模拟。通过模拟得到风力机在各种工况下的运行情况，实现了最大风能追踪的算法，采用尖速比的控制方法追踪最大风能的效果显著，为进一步立轴风力发电机控制系统的设计提供依据。 ABSTRACT The rapid progress on wind energy conversion technology has made wind energy tobe one of the most important renewable and sustainable energy.Current wind energy conversion system translates the wind energy to mechanical energy by wind turbine,and then converts it to electricity by generator.According to the direction of the revolving shaft in space,wind turbine includes two types,one is horizontal axis wind turbine(HAWT for short),and the other is vertical axis wind turbine(VAWT for short),thevertical axis wind turbine is famous for Darrieus type.There has been growing attention to vertical axis wind turbine for its unique structural and aerodynamic advantages.As variable speed wind turbine works at larger ranger of wind speed,utilizes much more wind energy,Improve the efficiency of wind turbines.So it has become the hot topic in the field.This paper is basic on large variable speed vertical axis wind turbine.The wind turbine is Darrieus type,and it dives permanent magnet synchronous generator directly.Through establishment of aerodynamic performance evaluation model,dive-train model,generator and control system model,and simulating of the wind turbine system model in MATLAB/SIMULINK,we can obtain the performance of wind turbine in a variety of conditions,and achieve the algorithm of Maximum Power Point Tracking. Although variable speed wind turbine Improve the efficiency it Increase the difficulty of the control system.The Maximum Power Point Tracking control Strategy theory is analyzed in this paper.The aerodynamic performance evaluation model is established,it's the double-disk multiple stream-tube model in the framework of blade element momentum theory,the airfoil dynamic stall effect and aerodynamic losses were included.we obtained the aerodynamic performance by calculating for the1MW Darrieus vertical axis wind turbine,such as the relationship between aerodynamic torque and rotating speed at different wind speed,the relationship between aerodynamic power and rotating speed at different wind
Overview of Stator-Permanent Magnet Brushless Machines Ming Cheng,Senior Member,IEEE,Wei Hua,Member,IEEE,Jianzhong Zhang,Member,IEEE,and Wenxiang Zhao,Member,IEEE Abstract—Permanent magnet(PM)brushless machines having magnets and windings in stator(the so-called stator-PM machines) have attracted more and more attention in the past decade due to its de?nite advantages of robust structure,high power density, high ef?ciency,etc.In this paper,an overview of the stator-PM ma-chine is presented,with particular emphasis on concepts,opera-tion principles,machine topologies,electromagnetic performance, and control strategies.Both brushless ac and dc operation modes are described.The key features of the machines,including the mer-its and drawbacks of the machines,are summarized.Moreover,the latest development of the machines is also discussed. Index Terms—Doubly salient,?ux reversal,?ux switching, overview,stator-permanent magnet(PM). I.I NTRODUCTION W ITH THE signi?cant achievements of permanent mag-net(PM)materials and power electronic devices,brush-less machines excited by PMs are developing dramatically. Generally speaking,there are a total of four types of PM machines which have magnets located on the rotor,and they are the following:1)surface mounted;2)inset;3)radial interior; and4)circumferential interior.It should be emphasized that all of the PM machines mentioned have magnets located on the rotor,and they are referred to as“rotor-PM machines”in this paper,which predominate in the industry applications due to outstanding advantages[1],[2].However,magnets usually need to be protected from the centrifugal force by employing a retaining sleeve,which is made of either stainless steel or nonmetallic?ber.Rotor temperature rise may be a problem due to poor thermal dissipation,which may cause irreversible demagnetization of magnets and may ultimately limit the power density of the machine.Recently,in contrast,a new type of PM Manuscript received March21,2010;revised June28,2010,October1, 2010,and December21,2010;accepted February16,2011.Date of publication March7,2011;date of current version September7,2011.This work was supported in part by NSFC under Projects59507001,50377004,50337030, 50729702,50807007,60974060,and50907031;by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China under Projects 20050286020,200802861038,and20090092110034;by the High Tech Re-search Program of Jiangsu Province,China,under Project BG2005035;and by the Aeronautical Science Foundation of China under Projects20080769007and 20100769004. M.Cheng,W.Hua,and J.Zhang are with the School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing210096,China(e-mail:mcheng@ https://www.doczj.com/doc/ce15154550.html,;huawei1978@https://www.doczj.com/doc/ce15154550.html,;seuzjz@https://www.doczj.com/doc/ce15154550.html,). W.Zhao is with the School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang212013,China(e-mail:zwx@https://www.doczj.com/doc/ce15154550.html,). Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.doczj.com/doc/ce15154550.html,. Digital Object Identi?er 10.1109/TIE.2011.2123853 Fig.1.Stator-PM alternator in1955[3]. machine having magnets on the stator,nominated as stator-PM machines,has re-emerged and has been developed,which can overcome the problems suffered by the rotor-PM counterparts. The purpose of this paper is to give an overview of the stator-PM machines.Thus,the state-of-the art technology of the stator-PM machines,including machine topologies,opera- tion principles,characteristics,control strategies,torque ripple minimization,and latest developments will be reviewed and discussed. II.C ONCEPTS OF S TATOR-PM M ACHINES The idea of stator-PM machines can be traced back to1955 when Rauch and Johnson proposed probably the?rst stator- PM topology,as shown in Fig.1[3],in which both the stator tooth and rotor poles are salient so as to transfer the?uxes created by the stator magnets from the stator to the rotor across the air gap when the rotor poles face the stator teeth. Thus,the polarities of the?ux linked in the coils in the stator reverse as the rotor aligns the alternative pair of stator teeth. However,due to the limitation of the magnet property at that time,the stator-PM machines were overwhelmed by wound- ?eld excitation machines,e.g.,synchronous and dc machines. Another origin of the stator-PM machine can be found from the well-known Law’s relay actuator shown in Fig.2[4].In addition,the doubly salient structure employed in electrical machines can also originate from an induction-type generator, as shown in Fig.3[5],in which the stator assembly is a set of pieces arranged in a cylinder laminated iron,with the armature windings wound.The special geometry allows the variation of the magnet?ux that is linked into the“C”-shaped stator pole pieces to induce electromotive force(EMF). 0278-0046/$26.00?2011IEEE
基于AT89S52单片机直流电机控制系统 ——文献综述 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速已经成为电机调速的新方式。随着科技的发展，人们对控制系统的要求越来越高,电机调速成了人们研究的课题,现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以使用较少。电枢电压控制法总体上可以分为两种,一种是调节电压,一种是调节电流。传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的,这种电路虽然响应快,但是灵活性较差,维修复杂。单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在，单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。 一、研究背景及动态 起先的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法,这种方法耗能大、且调速不太平稳,逐渐被其他调速装置代替。以后又出现了晶闸管、MOSFET、IGBT等为主控元件的调速装置。电子技术的高速发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术进入一个新的阶段。传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂,安装调试困难,相对故障率较高,维修比较困难。而采用单片机控制的电机调速系统,其控制方案是依靠软件实现的,控制器由可编程功能模块组成,配置和参数调整简单方便,工作稳定。 脉宽调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法,它不仅容易由软件来实现,而且从处理器到被控制信号都是数字形式无需数模转化,加上PWM 对噪声的抵抗能力强，使得PWM成为目前电机调速的主要方法。一些人采用闭环控制,对检测量与目标量进行计算,通过单片机产生PWM波控制直流电机电枢的通断时间来实现变电压调速；另一部分人采用模糊控制,使用开环系统,只通过该变程序参数来实现所需要的速度变化。另一种电机调速直接对模拟量进行调整,由单片机的多个口线编码,通过D/A转换元件转化成模拟量,直接控制可控硅的导通角,D/A的位数决定调速的级数。
电机文献综述 （08级） 学生姓名金其超 学号 08132209 院系工学院机电系 专业自动化 082 填写日期2010-09-27
电机行业综述 前言 电机行业是一个传统的行业。经过200多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。作为劳动密集型产业，我国发展电机制造业有着得天独厚的优势。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。据全国电工行业统计，2006年全国交流电机产量达到15000万kw，同比增16％；汽轮发电机9583万kw，同比增长21.64％，水轮发电机组1922万kw，同比增长49.57％。在经过了2006年下半年的低速发展之后，2007年到现在，我国电机制造行业保持高速发展态势。电机出口市场的需求还将在相当一个时期趋于稳定，交流电动机的国际市场需求也十分可观，并将持续处于高速增长阶段。随着电机产品国外市场的进一步拓宽，中小型电机在出口数量、品种、产品档次、创汇额上将会有重大突破。未来出口电机产量增长主要外部原因在于世界经济稳定增长，促进了行业贸易产量的增长。内因是国内出口退税率改革导致企业加快出口步伐，及国内外资企业规模的不断扩大和数量的快速增加，产品竞争提高，在国内形成巨大的效益，也刺激了出口上升。随着生产现代化程度的不断提高和人们对家用电器、汽车等消费的不断增加，市场对电机的需求也将越来越大。预计到2010年，全国发电装机容量将达到6.6亿千瓦左右，平均每年将投产发电装机容量3700万千瓦以上，年均增长7.8%左右。而电动机的需求与发电设备的需求呈1∶3.51的正比关系，据此分析，大型、中小型交流电动机产品在国内市场的有效需求会保持稳定增长。 正文 电机的起源和发展 电机工作基本原理是利用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能。电动机结构主要包括两部分：转子和定子。转子为电动机的旋转部分，由转轴座组成，导体绕组的排列方式决定电动机的类型及其特性。 1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。他于1834年前后成了一种简单的装置：在两个u型电磁铁中间，装一六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与u型磁铁之间产生相互吸引和排斥作用，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一具大型的装置。安在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2公里，与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刑《电磁和机械情报》。但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。 直到第一台实用直流发动机问世，电动机才广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发
文献综述 ——永磁同步电机伺服驱动系统 一.前言 自上世纪八十年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速发展，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，在机电一体化、工业自动化、数控机床、大规模集成电路制造、航空航天、雷达和各种军用武器随动系统等方面得到广泛应用。以永磁同步电机作为执行电机的数字交流伺服系统在高精度运动控制和驱动领域得到了越来越广泛的应用。 永磁材料的选择对电机的结构和性能影响很大。目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钴以及钕铁硼三类永磁材料。其中钕铁硼是近年来出现的一种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁密度都高于其他两类永磁材料，且成本比稀土钴低得多，是目前应用最为广泛的永磁材料。永磁材料的发展也对永磁同步电机的应用起着至关重要的作用。 二.正文 1. 交流伺服系统的概念及分类 1.1 概念 伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。 在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。普遍应用的永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机（BLDC），另一类称为三相永磁同步电机（PMSM）。永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高等优点，在要求高性能的伺服领域得到了广泛的应用。永磁同步电机的定子与绕线式同步电机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电机。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。 1.2 分类 交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和 全数字式伺服。如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步 伺服电动机构成的伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处
学校代码：11517 学号：201250712207 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 文献综述 题目三相交流电动机变频调速系统的设计及仿真学生姓名 专业班级 学号 系（部） 指导教师(职称) 完成时间2014年3月25 日
三相交流电动机变频调速系统的设计与仿真 摘要电动机系统在工业生产活动中应用十分广泛。2013年我国电动机年产量约为45000万千瓦，平均效率比发到国家低2-3个百分点，其拖动系统效率比发达国家低10-30个百分点。我国采用电动机变频调速系统普遍较低，中小电动机基本是通用常规类型，还没有形成变频调速电动机系列，变频器电动机集成、智能电动机、机电一体化技术还不太成熟，与发达国家相比还有一定的差距。随着电力电子器件的发展，以及控制理论的进步，变频调速以其调速精度高、调速控制范围广、回路保护功能完善、响应速度快、节能显著等优点，已经广泛应用于电力、制造等经济领域，交流变频调速技术以其优越的性能得到迅速发展。 1.掌握51系列单片机在三相电机控制中的特点、实现方式。 2.电机控制系统核心是选用89C51单片机（专用芯片）。 3.预期目标要具备单片机主控电路、测量电路、IPM接口电路、人机对 话、显示电路等。 4．确定本设计的具体方案及步骤，完成硬件系统原理图及方框图、软件流程图、软件编程。 5．系统软件的设计，通过实验仿真，使整个系统能够基本实现电机的平滑调速。 关键词：单片机/Matlab／Simulink /SPWM /变频调速 1 绪论 交流变频调速技术自发展以来，以其优越的性能得到迅速发展，进入21世纪伴随着电力电子器件的发展，以及控制理论进步，变频调速以其调速精度高、调速控制范围广、回路保护功能完善，响应速度快、节能显著等优点，已经广泛
文献综述 电气工程及其自动化 步进电动机的微机控制 前言：进电动机属于DC驱动的同步电动机，它是纯粹的数字控制电动机。它是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近二十年来,电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。 步进电动机主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表、和磁盘等等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备如打印机、绘图机等中亦有应用。 正文：国内外关于步进电动机的研究主要在它本身的性能提高，应用领域的不断拓广，电动机外形的改变和不同的更先进的控制方式。 1、步进电动机的发展历史与概要。 步进电动机的发展过程 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用、其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试、应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。 此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞
基于Galerkin法分析微梁的动态响应 一、课题研究背景 1.MEMS的概念 MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的英文缩写，是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感－计算(控制)－执行”功能的智能微型装置或微型系统[1]。 随着技术的兴起和发展，MEMS已成为继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命。MEMS通过力、电、磁等能量的转换来实现自身的特有功能，涉及多种物理场的互相耦合，因此它是一个多能量域耦合作用的极其复杂的系统。 2.MEMS的特点 一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征： （1）MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏(Macro)，即传统的、大于1cm 尺度的“机械”，并非进入物理上的微观层次。（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近钼和钨。基于(但不限于)硅微加工技术制造。 （3）批量生产大大降低了MEMS 产品成本。用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批
量生产使性能价格比比之传统“机械”制造技术大幅度地提高。（4）集成化。可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的MEMS。 3.MEMS的研究领域 作为一门交叉学科，MEMS的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。由于MEMS具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等一系列优点，MEMS的研究领域不仅与微电子学密切相关，而且还广泛涉及到机械、材料、光学、流体、化学、热学、声学、磁学、自动控制、仿真学等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域[2-5]，所以MEMS技术是一门多学科的综合技术。 MEMS的研究包括理论基础、技术基础和应用与开发研究。MEMS 理论基础研究主要包括由于尺寸的微小型化、结构材料以及加工方法的不同带来的一些新的理论问题。结构尺寸效应和微小型化理论，如:力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等等。尺寸减小到一定程度，有些宏观物理量甚至要重新定义，随着尺寸减小，需要进一步研究微结构力学、微动力学、微液体力学、微磨擦学、微电子学、微光学和微生物学等。 4.MEMS的应用
永磁同步电动机及控制策略综述 点击数：401 王毅兰，徐艳平 西安理工大学自动化学院电气工程系，陕西西安710048 摘要综述了永磁同步电动机的发展，阐释了永磁同步电动机的控制策略，提出了最新进展与研究热点，展望了永磁同步电机的应用前景。 关键字永磁同步电动机；控制策略；综述 Overviews of Permanent Magnet Synchronous Motor and Its Control Strategies WANG Yilan，XU Yanping Xi’an University of Technology，Xi'an Shaanxi 710048 China Abstract The development of permanent magnet synchronous is overviewed，the control strategies of permanent magnet synchronous is introduced，the applied foreground of permanent magnet synchronous is prospected. Keywords permanent magnet synchronous motor(PMSM)；control strategies；overviews
材料技术的发展，特别是稀土永磁材料，磁性复合材料的出现，加之我国拥有—铁—硼)的储量，使得永磁电机活跃在各个工业生产中。永磁同步电机（PM 的电机，具有转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高的优点，因此例如在数控机床等场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。，明显地减小了体积，减轻了重量，降低了损耗，避免了电机发热，从而提高效果。 MSM 运动控制系统中，它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。 机的种类和基本结构 ，永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，如图1 所示，前两种阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即Ld=Lq，表现为隐极性质；另，因此Ld 燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：电动游览车调速控制系统设计 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 07级应电-3班 学生姓名：张海粟 指导教师：顾和荣 完成日期： 2011-3-23 一、课题国内外现状 近几年来，由于能源危机和环境污染两大问题的日益严重，加之科学技术的飞速发展，电动车自身难点的不断解决，使电动车具有更多突出的优点。 对于其核心-直流电机的控制系统，其直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压U 、减弱励磁磁通 、改变电枢回路电阻R 。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。 对于其核心-直流电机的控制系统，目前我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究 1．提高调速的单机容量．我国现有最大单机容量比国外单机容量小的多。2．提高电力电子器件的生产水平，增加品种． 3．提高控制单元水平．目前国内使用较多的仍然是小规模集成运放和组件构成的调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的。 目前，国外的第四代产品以微处理器为基础，具有控制、监视、保护、诊断及复原等多种功能． 近年来，各国学者正致力于无速度传感器控制系统的研究，利用监测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，这种控制方式不需要监测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，引起了国内外学者广泛的兴趣。 调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据： 稀土永磁电机发展综述 发布日期：2012-10-12 浏览次数：691 核心提示：1引言电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法 1 引言 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是由永磁体来产生磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机。 2 永磁电机的发展概况 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，两千多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一。 19世纪20年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。 随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢（最大磁能积约2.7 kJ/m3）、钴钢（最大磁能积约7.2 kJ/m3）等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴永磁（最大磁能积可达85 kJ/m3）和50年代出现的铁氧体永磁（最大磁能积现可达40 kJ/m3），磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。 但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低（36～160 kA/m），铁氧体永磁的剩磁密度不高（0. 2～0.44 T），限制了它们在电机中的应用范围。一直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。 稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967年美国K.J.Strnat教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成RCo5，简称1:5型稀土永磁，产品的最大磁能积超过199 kJ/m3(25MG·Oe)。1973年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2Co17，，简称2:17型稀土永磁，产品的最大磁能积达到258.6 kJ/m3(32. 5MG·Oe)。1983年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼（NdFeB）永磁，称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质——钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。 与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。 永磁同步电动机发展现状综述 方案不满足设计需要，设计者必须重新选定修正值再次计算。 4.2 有限元法 为使计算准确，需对电磁场进行分析，比如永磁磁极形状与尺寸、局部退磁现象等。用有限元软件对电磁场数值计算分析，节省了产品的开发成本，为电机的优化设计提供了准确的依据。计算机性能的提高使得电磁场数值计算理论的各种分析方法得以发展。有限元法实质是将问题转化成适合数值求解的结构性问题，它将无限个自由度的连续系统理想化成有限多个自由度单元集合。目前，最常用的有限元仿真软件是ansoft，它能对整个电机系统进行联合仿真。 4.3 场路结合法 磁路法计算速度虽快，但是精确度不高，计算机计算精确度高，但计算较慢且对计算机要求较高。因此，将有限元法与传统的磁路法相结合应用到电机电磁的数值计算中，不仅可以提高计算效率，还可以提升精度。这对电机参数设计有很大的实用价值。场路结合法的基本思路是先参考磁路计算结果，初步建立几何模型，然后通过有限元进行磁场分析，准确计算出等效磁路法中需要修正的系数。 5 永磁同步电动机发展趋势 5.1 永磁无刷直流电动机（BLDCM） 自20世纪80年代起，控制技术，尤其是控制理论策略发展很快，其中一些先进的控制策略，比如滑模控制、变结构控制等正在被引入永磁无刷电动机的控制器中。这为推动高性能向智能化、柔性化、全数字化的发展开辟了新途径。现在人们生活水平越来越高，保护生存 环境的意识不断增强，使用高性能的电机系统成为电机产业发展的必然趋势，并且将来也会在电动车、家用电器等小电机行业中得到更广泛的应用。 5.2 PMSM的发展趋势 PMSM伺服系统因其自身技术和应用领域，将会朝着2个方向发展：①办公自动化设备、简易数控机床、计算机外围设备、家用电器及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简易、低成本伺服系统；②高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给驱动，以及航空、航天用的高性能全数字化、智能化、柔性化的伺服系统。后者更能充分体现伺服系统的优点，它将是今后发展的主要方向。 参考文献 [1]Shoudao Huang，Guangsheng Wang，Jian Gao，et al.Optimization Design Of Permanent Magnet Synchronous Servo Motor With New High Dynamic Performance.International Conference on Electrical Machinas and Systems，2011. [2]王广生，高剑，浦清云，等.不同定转子结构对表贴式永磁电机齿槽转矩的影响[C]//湖南省第四届研究生创新论坛，2011. [3]Studer C，Keyhani A，Sebastian T，et al.Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines.Electric Machines&Power Systems，1997，27（7）：665-678. [4]Dutta R，Sayeef S，Rahman M F.Cogging Torque Analysis of a Segmented Interior Permanent Magnet Machine.International Electric Machines&Drivers，2007（5）：781-786. [5]王莹，唐任远，曹先庆，等.内置式永磁同步电动机弱磁控制实验研究[J].微电机，2008，41（11）：1-4. [6]李静，程小华.永磁同步电机的发展趋势[J].防爆电机，2009，44（5）：1-4.直流调速系统文献综述
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
稀土永磁电机发展综述
永磁同步电动机发展现状综述
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