发电机原理及构造——发电机的励磁系统 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中，其直流电流是有附设的直流励磁机供给。直流励磁机是一种带机械换向器的旋转电枢式交流发电机。其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由于机械换向器和电刷组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电，再通过另一套电刷，滑块系统将获得的直流输送到同步发电机的转子，励磁绕组去励磁，因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二节管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑块等滑动接触部分、利用二极管换成直流电流。直流送给转子励磁、绕组励磁。这就是无刷系统。 下面我们以典型的几种不同发电机励磁系统，介绍它的工作原理。 一、相复励励磁原理 左图为常用的电抗移相相复励励磁系统线路图。由线形电抗器DK把电枢绕组抽头电压移相约90°、和电流互感器LH提供的电压几何叠加，经过桥式整流器ZL整流，供给发电机励磁绕组。负载时由电流互感器LH供给所需的复励电流，进行电流补偿，由线形电抗器DK 移相进行相位补偿。 二、三次谐波原理 左图为三次谐波原理图，对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波、其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组（s1、s2），而这个绕组之间没有电的联系。谐波绕组将绕组中150HZ谐波感应出来，经过ZL桥式整流器整流，送到主发电机转子绕组LE中进行励磁。 三、可控硅直接励磁原理 由左图可以看出，可控硅直接励磁是采用可控硅整流器直接将发电机输出的任一相一部分能量，经整流后送入励磁绕组去的励磁方式，它是由自动电压调节器（A VR），控制可控硅的导通角来调节励磁电流大小而维持发电机端电压的稳定。 四、无刷励磁原理 无刷励磁主要用于西门子、斯坦福、利莱等无刷发电机。它是利用交流励磁机，其定子上的剩磁或永久磁铁（带永磁机）建立电压，该交流电压经旋转整流起整流后，送入主发电机的励磁绕组，使发电机建压。自动电压调节器（A VR）能根据输出电压的微小偏差迅速地减小或增加励磁电流，维持发电机的所设定电压近似不变。 中小型三相同步发电机的技术发展概况 一．概述 中小型同步发电机是中小型电机的主要产品之一，广泛应用于小型水电站、船舶电站、移动电站、固定电站、应急备用电站、正弦波试验电源、变频电源、计算机电源及新能源――风力发电、地热发电、潮汐发电、余热发电等。它对边（疆）老（区）贫（穷）地区实现电气化，提高该地区经济发展水平和人民的生活水平有着重要的作用，中小型发电机在船舶、现代电气化火车内燃机车等运输设备中也是一个关键设备。移动电站对国防设施、工程建设、海上石油平台、陆上电驱动石油钻机、野外勘探等也是不可缺少的关键装备之一。应急备用电站在突发事件中的防灾、救护保障人民的生命和财产的安全有着不可替代的作用。开发绿色能源、可再生能源、减少大气二氧化碳的含量，小水电、风力发电、地热发电和余热发电是重要的组成部分。 我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成的TSN、TSWN系列农用水轮发电机。第二代产品是在进行了大量试验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平，为B级绝缘的有刷三相同步发电机。在这段时间还开发了ST系列有刷单相同
同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外，还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分 布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX BY CZ三个在空间错开120分布的线圈代表三相对称交流绕组。 —OO + ―-定子铁心』2—转子* 3—滑环F 4—电刷"5—磁力线 图1.1同步电机结构模型 1.1工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主
磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E o =4.44fN 感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即 f=p n/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 1.2同步转速 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min ，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
永磁直流電機設計 1.電機主要尺寸與功率,轉速的關系: 與異步電機相似,直流電機的功率,轉速之間的關系是: D22*Lg=6.1*108*p’/(αP*A*Bg*Ky*n) (1) D2 電樞直徑(cm) 電机初設計時的主要尺寸 Lg 電樞計算長度(cm) 根據電机功率和實際需要確定 p’計算功率(w) p’=E*Ia=(1+2η)*P N/3η E=Ce*Φ*n*Ky=(P*N/60*a)*Φ2*n*Ky*10-8 Ce 電勢系數 a 支路數在小功率電機中取a=2 p 极數在小功率電機中取p=2 N 電樞總導体數 n 電机額定轉速 Ky 電樞繞組短矩系數小功率永磁電机p=2時,采用單疊繞組Ky=Sin[(y1/τ)*π/2] y1繞組第一節矩 αP 極弧系數一般取αP=0.6~0.75 正弦分布時αP=0.637 Φ每極磁通Φ=αP*τ*Lg*Bg τ極矩(cm) τ=π*D2/P Bg 氣隙磁密(Gs) 又稱磁負荷對鋁鎳Bg=(0.5~0.7) Br 對鐵氧体Bg=(0.7~0.85) Br, Br為剩磁密度 A 電樞線負荷 A=Ia*N/(a*π*D2)Ia電樞額定電流對連續運行的永磁電動机,一般取A=(30~80)A/cm另外電機負荷Δ= Ia/(a*Sd),其中Sd=π*d2/4 d為導線直徑.為了保証發熱因子A*Δ≦1400 (A/cm*A/mm2 )通常以電樞直徑D2和電樞外徑La作為電机主要尺寸,而把電動機的輸出功率和轉睦為電机的主要性能,在主要尺寸和主要性能的基礎上,我們就可以設計電機了. 在(1)式的基礎上經過變換可為:
D22*Lg*n/P’=(6.1*108/π2)*1/(αP*Bg*A)=C A 由上式可以看, C A的值並不取決於電機的容量和轉速,也不直接與電樞直徑和長度有關,它 僅取決於氣隙的平均磁密及電樞線負荷,而Bg和A的變化很小,它近似為常數,通常稱為電機 常數,它的導數K A=1/C A=(p’/n)/(D22* Lg)∞αP*Bg*A 稱為電機利用系數,它是正比於單位電 樞有效体積產生的電磁轉矩的一個比例常數. 2.直流電機定子的確定 2.1磁鋼內徑 根據電機電樞外徑D2確定磁鋼內徑 Dmi=D2+2g+2Hp 其中g為氣隙長度,小功率直流電機g=0.02-0.06cm ,鐵氧體時g可取得大些,鋁鎳鈷磁 鋼電機可取得較小,因鐵氧體H C較大.氣隙對電機的性能有很大的影響,較小的g可以使電樞 反應引起的氣隙磁場畸變加劇,使電機的換向不良加劇,及電機運行不穩定,主極表面損耗和 噪音加劇,以及電樞撓度加大,較大的氣隙,使電機效率下降,溫升提高. 有時電機磁鋼采用極靴,這樣可以起聚磁作用,提高氣隙磁密,還可稠節極靴 形狀以改善空載氣隙磁場波形,負載時交軸電樞反應磁通經極靴閉,合對永磁磁 極的影響較小.但這樣會使磁鋼結構复雜,制造成本增加,漏磁系數較大,外形尺 寸增加,負載時氣隙磁場的畸變較大.而無極靴時永磁體直接面向氣隙,漏磁系數小,能產生較多的磁通,材料利用率高,氣隙磁場畸變,而且結構簡單,便於生產. 其缺點是容易引起不可逆退磁現象. Hp 極靴高(cm) 無極靴結構時Hp=0 2.2磁鋼外徑 Dm0=Dmi+2Hm (瓦片形結構) Hm 永磁體磁路長度,它的尺寸應從滿足(1)有足夠的氣隙磁密(產生不可逆退磁),(2)在要求的任何情運行狀態下會形成永久性退磁等方面來確定,一般Hm=(5~15)g Hm越大,則氣隙磁密也越大,否則,則氣隙磁密也越小. 2.3磁鋼截面積Sm 對于鐵氧體由于Br小,則Sm取較大值,而對于鋁鎳鈷來說, Br較大,則Sm取小值. 環形鐵氧體磁鋼截面積: Sm=αP*π*(Dmi+Hm)Lg/P (cm)
励磁柜 介绍一些同步电动机励磁柜的基本知识，希望大家能了解并多交流一下同步电动机励磁柜的基本知识。 一.KJLF11 具有以下特点： 1.转子励磁采用三相全控整流固接励磁线路； 2.与同步电动机定子回路没有直接的电气联系；3.实现了按同步电动机转子滑差，顺极性自动投励。按到达亚同步转速（95%）时投入励磁，使同步电动机拖入同步运行； 4.具有电压负反馈自动保持恒定励磁； 5.起动与停车时自动灭磁，并在同步电动机异步运行时具有灭磁保护； 6.可以手动调节励磁电流，电压进行功率因数调整，整流电压可以从额定值的10%至125%连续调节；7.交流输入电源与同步电动机定子回路来自同一段母线；8.同步电动机正常停车5 秒钟之内，本设备整流电路和触发电路的同步电源不容许断电；9.灭磁电阻RFD1 和RFD2 的阻值为所配的转子励磁绕组直流电阻的 5 倍，其长期容许电流为同步电动机额定励磁电流的15%；10.当同步机矢步运行时，可以发出矢步信号，用于报警或跳闸；11.输入电源为380V. 二.保护电路：（1）.过压保护：1.同步电动机异步运行时，转子感应过电压由灭磁环节将放电电阻RFD1-2 接入，消除开路过电压。 2.主电路可控硅元件的换向过电压由并接于元件两端的阻容电路吸收。（RC4-9) 3.整流变压器一次侧分，合闸引起的操作过电压由RC1-3 组成的阻容吸收装置来抑制。4.为使同相两桥臂上可控硅元件合理的分担自直流侧的过电压，设置了R10-15 均压电阻来保护。（2）过电流保护： 1.与可控硅串联的快速熔断器是作为直流侧短路保护用，快熔熔断时，保护环节可发出声响报警信号，跳开同步电动机定子侧电源开关，切断励磁。 2.短路电流发生在整流变压器二次侧时，其一次侧空气开关脱扣器顺动，切断电源。 3.直流侧过负荷时，空气开关脱扣器或热继电器动作。但整定值应保证强励磁30 秒内不动作。 三. 励磁线路各环节的工作电压均由同步电源变压器供给，其工作原理如下：同步电动机起动过程中，灭磁环节工作，使转子感应交变电流两半波都通过放电电阻，保证电机的正常起动。起动过程中，整流电路可控硅处于阻断状态，当电
专业课程设计 题目三 直流电动机测速系统设计 院系： 专业班级： 小组成员： 指导教师： 日期：
前言 1.题目要求 设计题目：直流电动机测速系统设计 描述：利用单片机设计直流电机测速系统 具体要求：8051单片机作为主控制器、利用红外光传感器设计转速测量、检测直流电机速度，并显示。 元件：STC89C52、晶振（12MHz ）、小按键、ST151、数码管以及电阻电容等 2.组内分工 （1）负责软件及仿真调试：主要由完成 （2）负责电路焊接： 主要由完成 （3）撰写报告：主要由完成 3.总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示: 单片机 PWM 电机驱动 数码管显示 按键控制
一、转速测量方法 转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法(如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。 对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种： ①测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为 f x =Nt(1) ②测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。 ③多周期测频法:在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。 电子式定时计数法测量频率时, 其测量准确度主要由两项误差来决定: 一项是时基误差; 另一项是量化±1 误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为： Er1 =测量误差值实际测量值×100 % =1N×100 % (2) 由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1 就越小,所以测频率法适用于高频信号( 高转速信号) 的测量。对于测周期法,测量相对误差为： Er2 =测量误差值实际测量值×100 % =1m0×100 % (3) 对于给定的时钟脉冲fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2 就越小,所以测周期法适用于低频信号( 低转速信号) 的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为： Er3 =测量误差值实际测量值100%=1m2×100 % (4) 从上式可知,被测脉冲信号周期数m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高。
同步电动机的工作原理 同步电动机 转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速n 与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。 同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。 同步电动机在结构上大致有两种： 1、转子用直流电进行励磁。它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。 由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。 当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁
场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。 2、转子不需要励磁的同步电机 转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步 同步电动机的起动方法： 同步电动机只有在定子旋转磁场与转子励磁磁场相对静止时，才能得到平均电磁转矩。如将静止的同步电动机励磁后直接投入电网，这时定子旋转磁场与转子磁场间以同步转速n1作相对运动，转子受到交变的脉动转矩，其平均值为零，电机不能起动。所以必须借助其他方式来起动。
无刷直流永磁电动机设计实例 一. 主要技术指标 1. 额定功率：W 30P N = 2. 额定电压：V U N 48=，直流 3. 额定电流：A I N 1< 3. 额定转速：m in /10000r n N = 4. 工作状态：短期运行 5. 设计方式：按方波设计 6. 外形尺寸：m 065.0036.0?φ 二． 主要尺寸的确定 1. 预取效率63.0='η、 2. 计算功率i P ' 直流电动机 W P K P N N m i 48.4063 .030 85.0'=?= = η，按陈世坤书。 长期运行 N i P P ?'' += 'ηη321 短期运行 N i P P ?'' += 'η η431 3． 预取线负荷m A A s /11000'= 4． 预取气隙磁感应强度T B 55.0'=δ 5. 预取计算极弧系数8.0=i α 6． 预取长径比（L/D ）λ′=2
7．计算电枢内径 m n B A P D N s i i i 233 11037.110000 255.0110008.048 .401.61.6-?=?????=''''='λαδ 根据计算电枢内径取电枢内径值m D i 21104.1-?= 8. 气隙长度m 3107.0-?=δ 9. 电枢外径m D 211095.2-?= 10. 极对数p=1 11. 计算电枢铁芯长 m D L i 221108.2104.12--?=??='='λ 根据计算电枢铁芯长取电枢铁芯长L= m 2108.2-? 12. 极距 m p D i 22 1 102.22 104.114.32--?=??==πτ 13. 输入永磁体轴向长m L L m 2108.2-?== 三．定子结构 1. 齿数 Z=6 2. 齿距 m z D t i 22 1 10733.06 104.114.3--?=??==π 3. 槽形选择 梯形口扇形槽，见下图。 4. 预估齿宽: m K B tB b Fe t t 2210294.096 .043.155 .010733.0--?=???==δ ，t B 可由 设计者经验得1.43T ，t b 由工艺取m 210295.0-? 5. 预估轭高: m B K B a K lB h j Fe i Fe j j 211110323.056 .196.0255 .08.02.222-?=????=≈Φ= δδτ
第４８卷 ２０１５年 第６期６月 ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ Ｖｏｌ．４８．Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１５ 新型轴向磁通双凸极永磁发电机的设计与分析 彭 鹏，张广明，梅 磊，王德明 （南京工业大学自动化与电气工程学院，南京２１１８１６） 摘 要：提出了一种新型结构轴向磁通的双凸极电机。通过磁路法和有限元法实现发电机参数设计，给出定转子尺寸，永磁体大小，绕组数等参数。利用有限元方法对提出的新型电机进行了静态分析，得到空载情况下，不同转子位置时的磁场分布，磁链等特性。仿真结果证明所设计的新型电机同时具有双凸极和轴向磁通电机的特性，与理论分析一致，具有实用性。 关键词：双凸极永磁；轴向磁通；有限元分析 中图分类号：ＴＭ３５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１-６８４８（２０１５）０６-００２８-０４ ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＮｏｖｅｌＡｘｉａｌＦｌｕｘＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ ＧｅｎｅｒａｔｏｒＷｉｔｈＤｏｕｂｌｙＳａｌｉｅｎｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ ＰＥＮＧＰｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｍｉｎｇ，ＭＥＩＬｅｉ，ＷＡＮＧＤｅｍｉｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｘｉａｌｆｌｕｘｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｉｔｈｄｏｕｂｌｙｓａｌｉｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｉｚｅｏｆｓｔａｔｏｒｓ，ｒｏｔｏｒｓａｎｄｍａｇｎｅｔ，ｎｕｍｂｅｒｓｏｆｗｉｎｄｉｎｇｓ，ｅｔｃ．ＴｈｅｎｅｗｌｙｐｒｏｐｏｓｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙＦＥＭ．Ｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ，ｌｉｎｋａｇｅａｎｄｏｔｈｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｎｏ－ｌｏａｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｆｉｅｓｔｈａｔ，ｉｎａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｎｅｗｌｙｄｅｓｉｇｎｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｉｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｏｔｈｄｏｕｂｌｙｓａｌｉｅｎｔｍｏｔｏｒｓａｎｄａｘｉａｌｆｌｕｘｍｏｔｏｒｓｉｓｐｒａｃｔｉｃａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｙｓａｌｉｅｎｔｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ；ａｘｉａｌｆｌｕｘ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ 收稿日期：２０１４０９１０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７７０９２，５１３０７０８０）作者简介：彭 鹏（１９９０），硕士，研究方向为电机设计与分析。 张广明（１９６５），博士，教授，研究方向为智能控制理论及应用、机电系统综合控制。 梅 磊（ １９７９），博士，研究方向为飞轮储能技术的研究，电机起动／发电技术、磁悬浮轴承技术。王德明（ １９５６），博士，教授，研究方向为电磁与能量转换，机电工程。０ 引 言 双凸极永磁电机（ＤｏｕｂｌｙＳａｌｉｅｎｔＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇ-ｎｅｔＭｏｔｏｒ）［１-２］ 由美国的Ｔ．ＡＬｉｐｏ教授率先进行研究， 其结构与开关磁阻电机类似，具有结构简单、效率高、功率密度高、转矩／ 电流比大等特点。双凸极永磁电机的永磁体位于定子上，消除了不可逆去磁，转子上无绕组，机械稳定性高。 随后，东南大学程明教授［３-７］ 提出设计了８／６结 构和１２／ ８结构双凸极电机，对定子双馈电双凸极电机进行电磁分析。文献［８］对双凸极变速电机建立了变结构等效磁路模型，并与有限元分析进行了对比。磁通切换型双凸极电机由ＨｏａｎｇＥ教授提出，文献［ ９］对其进行了静态特性的研究。山东大学李光友教授对磁通反向双凸极电机进行了设计和分 析［１０-１１］ 。南京航空航天大学严仰光教授对永磁式和 混合励磁式双凸极电机的设计和控制进行了大量 研究［１２-１６］。 此前提出的双凸极电机的气隙磁场方向均为径向，其散热性能不佳，为了充分利用双凸极电机定位力矩小，效率高以及轴向磁通电机散热好，结构扁平的特点，本文将双凸极电机与轴向磁通电机的结构进行了融合，提出设计一种盘式结构的双凸极永磁发电机并应用于小型分布式风力发电系统。该设计考虑了极尖磁饱和，边缘效应以及永磁磁通与电枢反应的交互作用。电机漏磁也作为参数设计的重要参考。文章利用所计算的发电机参数进行实体建模，利用有限元分析，给出仿真结果，从而初步
河南科技大学 课程设计说明书 课程名称现代电子系统课程设计 题目＿直流电机控制设计＿＿ 学院＿电子信息工程学院 班级＿电信科081 学生姓名＿＿ 000＿＿ 指导教师＿齐晶晶、张雷鸣＿＿＿ 日期＿ 2011年12月16日＿＿＿＿ 课程设计任务书 （指导教师填写） 课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名袁伟伟_专业班级信科081
设计题目直流电机控制设计 一、课程设计目的 学习直流电机PWM的FPGA控制； 掌握PWM控制的工作原理； 掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法； 了解基于FPGA的电子系统的设计方法。 二、设计内容、技术条件和要求 利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。 （1）基本要求： a．速度调节：4档，数字显示其档位。 b．能控制电机的旋转方向。 c．通过红外光电电路测得电机的转速，设计频率计用4位10进制显示电机的转速。 （2）发挥部分 a．设计“去抖动”电路，实现直流电机转速的精确测量。 b．修改设计，实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。 c．其它。 三、时间进度安排 布置课题和讲解：1天 查阅资料、设计：4天 实验：3天 撰写报告：2天 四、主要参考文献 何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1 潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10 齐晶晶《现代电子系统设计》实验指导书电工电子实验教学中心2009.8 指导教师签字：2011年11月28日 摘要 电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装
置。电动机也俗称马达，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。21世纪，在工业化集成电路设计中，直流电机得到了广泛的应用，直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、电吹风、电子表、玩具等。所以，多功能、人性化、易操作的电机设计成了一个趋势。本文对于直流电机方面的研究，是基于Quartus2软件，利用FPGA器件，通过VHDL语言编程对直流电机进行基本的自动操作控制。 本次直流电机主要有以下功能： 1.转速调节。转速调节通过档位来实现，档位为一、二、三、四档， 每个档位都设定自己的速度，随着档位的的升高速度逐渐增大，速度的改变通过改变PWM信号的占空比来是实现。 2.正反转控制。设置一个按键，调节按键时电机能够改变转动方向。 原理为档按下按键时，改变了加在电机两端电压的极性。 3.转速显示。转机转动时会有一个速度，速度能够正确的显示在数 码管上，并能用实验仪器正确测出。原理为设计一个频率计，测试电机转速。 目录 一、任务解析 (4)
电励磁双凸极电机的建模与仿真方法研究 目录 摘要 (3) Abstract (4) 第一章绪 论………………………………………………………………………… (5) 1.1电励磁双凸极电机的发 展 (5) 1.2飞机发电系统的发 展 (6) 1.3课题研究的目的和内 容 (6) 第二章电励磁双凸极电机 (7) 2.1 电励磁双凸极电机的结 构 (7) 2.2 电励磁双凸极发电机的数学模 型 (7) 2.3 发电运行工作原 理 (8) 第三章电磁场有限元分析简介 (11)
3.1 电磁场基本理论 (11) 3.1.1 麦克斯韦方程 (11) 3.1.2 一般形式的电磁场微分方程 (12) 3.1.3 电磁场中常见的边界条件 (13) 3.2 电磁场求解的有限元法 (14) 3.2.1 一维有限元法 (14) 3.2.2 电磁场解后处理 (16) 第四章电励磁双凸极电机模型的建立 (17) 4.1 建模工具的探讨 (17) 4.2 电机模型的建立 (17) 4.2.1 定转子模型 (17) 4.2.2 绕组模型 (18) 4.2.3 电机材料的分配 (19) 4.2.4 励磁电流方向和大小的判定 (19) 4.2.5 相绕组电流方向和大小的判
定 (20) 4.2.6 给定边界条件 (21) 4.2.7 其它条件的设定 (22) 第五章电励磁双凸极电机的静态特性 (23) 5.1 双凸极电机的空载磁链与电势 (24) 5.2 空载特性 (25) 5.3 负载特性 (27) 第六章总结与展望 (28) 致谢 (29) 参考文献 (30) 附录 (31)
同步电动机励磁系统常见故障分析 作者：陆业志 本文结合KGLF11型励磁装置，对其在运行中的常见故障进行分析。 1 常见故障分析 (1)开机时调节6W，励磁电流电压无输出。 原因分析：励磁电流电压无输出，肯定是晶闸管无触发脉冲信号，而六组脉冲电路同时无触发脉冲很可能是移相插件接触不良，或者同步电源变压器4T损坏，造成没有移相给定电压加到六组脉冲电路的1V1基极回路上，从而六组脉冲电路无脉冲输出导致晶闸管不导通。 (2)励磁电压高而励磁电流偏低。 原因分析：这是个别触发脉冲消失或是个别晶闸管损坏的缘故。个别触发脉冲消失可能是脉冲插件接触不良。另外图1中三极管1V1、单极晶体管2VU及小晶闸管9VT损坏，或者是电容2C严重漏电或开路。如果主回路中晶闸管1VT～6VT中有某一个开路或是触发极失灵，同样会导致输出励磁电流偏低的现象。 (3)合励磁电路主开关时，励磁电流即有输出。 原因分析：这是由于图1所示脉冲电路中的三极管1V1集电极-发射极之间漏电，即使移相电路还未送来正确的控制电压，也会导致1C充电到2VU导通的程度。2VU即输出触发使小晶闸管9VT导通，2C经9VT放电而发出脉冲令1VT、3VT、6VT之一触发导通，使转子励磁电路中流过直流电流。 (4)同步电动机起动时，励磁不能自行投入。 原因分析：励磁不能自行投入。肯定是自动投励通道电路中断或工作不正常，因此可能是投励插件与插座间接触不良，或是图2所示投励电路中的三极管3V1、单结晶体管4VU工作不正常，电容5C漏电、电位器W′损坏。另外是移相插件同样有接触不良现象，或者是图3所示移相电路的小晶闸管10VT损坏等等。 (5)运行过程中励磁电流电压上下波动。 原因分析：引起励磁电流电压输出不稳的原因很多，主要有1)脉冲插件可能存在接触不良，造成个别触发脉冲时有时无。2)图1所示脉冲电路的电位器4W松动，使三极管1V1电流负反馈发生变化，造成放大器工作点不稳定，从而影响晶闸管主回路输出的稳定性。另外，如果电容2C漏电或单结晶体管2VU及三极管1V1性能不良，也会引起触发脉冲相位移动。3)图3所示移相电路的电位器6W松动或接触不良，将会使移相控制电压Ed间歇性消失，引起励磁电流电压输出大幅度波动。另外，如果稳压管7VS、8VS损坏，都会使Ey随电网电压波动而波动，使Ed输出波动，造成晶闸管主回路直流输出不稳。 (6)励磁装置输出电压调不到零位。
课程设计任务书2009~2010学年第1学期 学院: 信息科学与工程学院 专业年级: 自动化075班 课程: 微机原理与应用 指导教师: 柴琳 学号：200704134117 姓名：王强
一、设计题目 8086微机应用DAC0832控制小直流电机转速的设计 二、设计目的 巩固“微机原理”课程学过的知识，加强理论与实践的联系。通过本课程设计，使学生初步了解8086系列微机系统的硬件设备，学会8086系列编程指令的基本功能。 三、设计内容与要求 1、内容 采用8086CPU构建微机系统，扩展4K EPROM和2K静态RAM作为存储系统，采用最小模式，利用DAC0832，编制程序输出双极性模拟电压驱动小直流电机，使电机能以不同转速正反向运行。 2、设计要求 （1）、查阅文献资料，了解DAC0832双极性电压输出控制原理，并在报告书中综述之。 （2）、设计系统的硬件连接原理图，对原理图加以说明。 （3）、画出程序框图，并说明。 （4）、编写应用程序，并注解程序。 （5）、提交课程设计说明书。 四、设计资料与参数 1、电机转速由8个按钮开关以补码形式给定输入，并以发光二极管形式显示出来。电机的转速变化范围为反向500 rpm～正向500rpm； 2、DAC0832双极性电压输出控制原理，控制小直流电机以不同转速运行。 3、小直流电机额定电压为5V。电源：5V由外部提供。 五、设计前准备 DAC0832双极性电压输出控制原理自学 DAC0832 是电流形式输出，当需要电压形式输出时，必须外接运算放大器。根据输出电压的极性不同，DAC0832 又可分为单极性输出和双极性输出两种输出方式。
1.1 磁路结构和设计计算 永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。 1.2 控制问题 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。 1.3 不可逆退磁问题 如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。 1.4成本问题 由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公里瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。 1.5永磁转子特点： 结构1： 并联磁场结构；转采用采用铸造压制而成，里面嵌放永磁体，能量大、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号；ZL96 2 47776.1 结构2： 串联磁场式结构；转子采用钢结构，表面按顺序嵌放永磁铁，转子表面磁通强、重量轻、体积小、整体结构牢固可靠，最大工作转速大于15000转/分。 专利号：ZL98 2 33864.3 整机稳压系统特点： 采用可控硅和二极管组成半控桥式整流电路。稳压系统是一种斩波调制型稳压装置，其稳压精度为正负0.1v，故该发电机具有能瞬间承受较大电流、运行可靠和耐用等特点，又因可直接利用发电机发出的交流电的反向电压使可控硅自行关断，故无需加关断电路，使电路结构简单、可靠。 2、永磁发电机的优点
双凸极永磁电机的控制方案研究 发表时间：2010-05-10T16:21:41.310Z 来源：《计算机光盘软件与应用》2010年第4期供稿作者：盛浩琪[导读] 双凸极永磁电机的主要特点是结构简单，适合于自动化制造。 盛浩琪 （宁波公运车辆检测有限公司，浙江宁波 315000）摘要：双凸极永磁电机的主要特点是结构简单，适合于自动化制造。与双凸极永磁电机设计有关，得到使定位转矩为零的充分条件。鉴于位置传感器的不精确和一种现存的无位置传感器方案的移相困难，提出了一种新的无位置传感器方案。仿真验证了新方案的精确性。实际可行性由一单片机系统初步证实。 关键词：双凸极；永磁电机；无位置传感器 中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2010) 04-0000-01 Doubly Salient Permanent Magnet Motor Control Scheme Sheng Haoqi (Ningbo Public Transport Vehicle Detection Co., Ltd.,Ningbo 315000,China) Abstract:The main characteristics of Doubly Salient Permanent Magnet Motor is simple structure,suitable for automated manufacturing.And the doubly salient permanent magnet motor design is related to positioning are sufficient conditions for zero torque.Given the imprecise position sensor and a non-existing program phase shift position sensor problems,a new Unposition sensor scheme.Simulation results show the accuracy of the new program Practical feasibility and initial confirmed by a microcomputer system. Keywords: Doubly Salient;Permanent magnet motor;Unposition sensor 双凸极永磁电机采用高性能永磁体激磁，工作在双极性状态下，其能量转化率和绕组利用率较传统变磁阻电机要高，因此它具有较高的转矩密度，与相同功率等级的传统变磁阻电机相比，其体积较小。由于高性能永磁体的采用，双凸极永磁电机设计时绕组匝数与相同功率等级的变磁阻电机相比要少，加之采用集中绕组和体积的减小，绕阻端部长度亦较小，故此电机铜耗较传统变磁阻电机要小。在小功率应用范围内，由于铜耗在总损耗中占较大分量，与传统变磁阻电机相比较，双凸极永磁电机在效率上的改进尤为明显。如果控制的设计能使用一个精确的模型，那么利用线性反馈技术和预先计算好的最优的转矩分配函数，就能导致最优的动态性能。然而，使用精确模型意味着复杂的在线计算，或者是巨大的用来查询的表格，这些暂时都难以实现；而实际上模型的不精确性是不可避免的，从而不可避免的使性能变坏；还有实际的测量的不精确。然而可以采用一种完全不同的思路，即使用一个简化的模型，而其中的参数被自适应的实时的调整。总之，改善双凸极电机的动态性能的控制方法正在不断完善。 一、位置传感器方案 “两相导通”策略下，控制器的主要任务是根据当前的转子位置决定哪个两相组合导通。事实上，导通原则只是间接地依赖于转子位置，而直接地依赖于反电势。换句话说，即：“总是选择线反电势较大的两相导通”。 由于反电势难以获知，而它与转子位置有固定的联系，因此改由检测转子位置来决定触发信号。如果反电势与转子位置的关系已知，那么，这样的传感器装置(比如槽形光耦配合遮光盘)不难设计。此时，控制器的作用就像一个简单的译码器，它接收3路位置传感器信号，而产生6路逆变桥控制信号。 二、无位置传感器方案 （一）位置传感器的缺点 使用位置传感器无疑是最简单的，同时也是可靠的。更为重要的是，它不存在起动困难。其缺点是控制器与电机的连线过多、传感器增加了系统的硬件成本、不能灵活地调整控制策略，以及在大极对数下对传感器的安装精度要求过高。为解决这个问题，可以通过无位置传感器方案来解决。 （二）一种经典的无位置传感器方案 这一方案的原理是：检测关断相反电势的过零点；在过零点之后，电机再转过30度电角，即换流时刻。通过检测三相端电位即可检测关断相反电势的过零点。 任何平顶宽度达到或超过120度电角的反电势都能够保证，在某相成为关断相期间，另外两相的反电势的幅值始终相等。事实上，对反电势的要求无需如此苛刻。确切地说，只需在关断相反电势的过零点位置，导通两相的反电势具有相等的幅值即可。换句话说，在关断相反电势过零点位置的两边，中心点电位可以偏离导通两相端电位的中点。这样并不会引起检测过零点位置的误差。把这一要求称为对反电势的最小约束[1]。可以证明，反电势波形的峰(谷)若左右对称如正弦波、等腰梯形波，即可满足上述要求。当然，中心点电位的偏离不能太大，那样的话，将产生多余的伪过零点。如果反电势满足最小约束，则在此过零点位置，同样满足两相的电感相等，因为此时两相绕组处于相同的磁路环境。因此，与反电势的情况相同，即使在其它位置“电感相等”的条件不能满足，也不会影响过零点判断的精度。可见，过零点的判断几乎不依赖于电机参数;换句话说，过零点判断在理论上几乎没有误差。这是这一方案最(或许也是唯一)迷人的地方。