新型电机（精选八篇）
新型电机 篇1
目前, 我国在横向磁通永磁电机领域的研究还处于起步阶段。现存的拓扑结构相关工艺相对比较复杂, 不利于横向磁通永磁电机朝着小型化的方向发展。因此, 当前横向磁通永磁电机大多在大功率低速驱动的情况下使用。与此同时, 成本高、加工难等因素也在一定程度上制约了我国横向磁通永磁电机的广泛应用。本文将详细介绍一种新型、工艺简单且适合小功率低速进行直接驱动的横向磁通永磁电机。
1 基本工作原理概述
主要磁路:开始于永磁体的N极, 途径气隙, 通过定子铁心, 然后经过另外一侧的气隙, 最后达到永磁体的S极。与普通的永磁电机进行比较、分析, 新型横向磁通永磁电机的凸出特征如下:第一, 电枢线圈、定子齿槽成垂直关系。电机运动方向、主磁路成垂直关系, 有利于结构解耦与转矩密度高的顺利实现;第二, 相与相不存在耦合, 有利于进行单独控制、研究与分析;第三, 绕制线圈采用同心的模式, 减少了端部的损耗率, 显著提高了工作效率;第四, 电机结构明显简化, 磁体数量也明显减少;第五, 可以有效减短永磁体的轴向尺寸;第六, 可以根据具体情况, 随意改变线圈窗口与磁路的尺寸。这些显著优点是新型横向磁通永磁电机得以可靠、稳定运行的基础, 也为新型横向磁通永磁电机在低转速、大转矩场合的应用提供了有利条件。
2 磁场简介
常见永磁无刷式直流电机的极对数、转矩常数为正比例关系。横向磁通永磁电机的转矩常数、极对数平方为正比例关系。主要原因为:横向磁通永磁电机的各匝导线对电机各极都能够产生影响, 但是普通电机匝导线只能够对某个特定的极产生作用。横向磁通永磁电机中大多数极对数的制作比较简单, 再加上极对数平方与电磁功率为正比例的关系, 能够获得足够大的转矩密度。由此可见, 横向磁通永磁电机极对数的增加, 对电机转矩密度的提升具有至关重要的作用, 应当把它当做设计的重点。
3 完善与优化设计
3.1 级数与匝数
新型横向磁通永磁电机当中, 每对极转子都对应了一个钉子铁心, 这就为制造成为较多对极提供了便利。与此同时, 即使极数发生变化, 也不会对电枢导线的长度以及匝数带来影响。
一方面, 如果极对数增加, 会导致磁体间距变小, 引发漏磁现象加重。与此同时, 极对数增加, 还会引发电流周期出现变短的情况, 以至于对换流造成一定程度影响, 减小了电枢的平均电流量;另一方面, 若槽空间确定, 极对数增加会加大电枢电阻对电机效率造成的影响, 增强了电枢电感, 一定程度上影响了换流, 从而导致电机的性能明显减弱。
因此, 在进行新型横向磁通永磁电机设计的时候, 必须充分考虑多方面因素, 并且妥善处理下面的两点矛盾: (1) 线圈匝数同电感增加、电阻加大的内在联系与主要矛盾; (2) 极对数与影响换流、漏磁增加的内在联系与主要矛盾。
相关调查、研究显示, 小功率横向磁通永磁电机的设计中, 应当立足于最大化利用永磁体这一出发点与落脚点, 采取更多的极对数。通常情况下, 10对为最佳, 具体转速则要根据具体要求来进行确定。
3.2 磁极间距、齿宽
一般情况下, 横向磁通永磁电机当中的永磁体磁极的尺寸相对比较小。因此, 合理、科学地确定永磁体的轴向长度与磁极间距对提升永磁体的利用效率与提高电机性能具有十分重要的意义。
主磁通并不是简单的随着永磁体轴向长度的增长而持续攀升, 而是在磁极间距大于永磁体轴向长度4mm的时候, 出现了其最高值。而后, 永磁体轴向长度减短, 主磁通出现加速下降的趋势。
这就是选择、确定永磁体轴向长度、磁极间距的理论基础与依据。但在具体实施过程中, 若永磁体的轴向长度太短, 会导致电机电感增加, 严重影响换向。与此同时, 还增加了加工难度, 显著降低了机械的强度。因此, 在具体设计过程中, 应当使永磁体轴向长度尽量与磁极间距相接近, 但是永磁体的轴向长度值不能过小。
在永磁体的磁极间距、电机极对数被确定的情况下, 齿宽会对电机漏磁产生影响。一方面, 若齿宽太小, 会导致主磁极出现漏磁的现象;另一方面, 若齿宽太大, 将加重周边磁极对主磁极产生的不利影响。由此可见, 合理选择并确定齿槽宽度对有效减少电机磁漏率、提升永磁利用效率具有至关重要的作用。
齿槽宽度值接近于永磁体宽度值的时候, 主磁通出现峰值。其他尺寸磁极计算, 结论与之相同。由此可见, 在进行分析、设计的时候, 应当尽量保持齿槽的宽度同永磁体的宽度一致, 从而最大化的提升永磁体的利用效率与质量。
4 结束语
综上所述, 传统横向磁通永磁电机受其复杂结构的限制, 多应用于低速、直接进行驱动的军事、工业领域。新型横向磁通永磁电机凭借其工艺简单、低成本的显著优势, 将其涉足领域扩延伸到了小功率领域, 促进小功率相关行业的健康、快速发展。
参考文献
[1]宫晓, 徐衍亮, 冯开杰等.新型盘式横向磁通永磁电机及其空载电动势波形的解析计算[J].电工技术学报, 2014, 29 (07) :77-82.
新型电机 篇2
摘要：为提升机车牵引电机齿轮的可靠性，长沙机务段对原中频感应电源进行升级改造，增加带显示屏的PLC控制器；设计微型液压站，降低齿轮拆卸的劳动强度，提高作业效率。
关键词：中频感应电源；带显示屏的PLC；预置加热方案；微型液压站
中图分类号：U269 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0021-02
我段承担多种内燃、电力机车检修生产任务，在对牵引电机临修、小修过程中，需要先拆卸电机传动端轴伸上的小齿轮，才能对电机进行解体修理。原电机齿轮的拆卸方式一直采用人工手动，无专用的工装设备，拆卸效率低，遇到难以拆卸的齿轮，改用普通中频感应加热的方式，造成小齿轮表面退火而报废。为此，我段研制一种机械液压装置替代目前人工拆卸齿轮的设备，改变原人工手动和普通中频感应加热的拆卸方式，达到高效率和高可靠性的目的。本文介绍的一种电机齿轮液压拆卸装置，是我段近期潜心研究开发的成果。
1 设备总体结构
牵引电机小齿轮液压拆卸装置由一台中频感应加热电源和一台微型液压站组成。
新改造中频感应加热电源，在原来设计的中频感应加热电源基础上，增加的PLC编程控制功能，可以储存13套“预制加热方案”并在实际使用过程中选择使用。
微型液压站由小车、储油箱、电机/柱塞泵一体机、各种阀块、油管、滤油器、轴头连接管螺纹和防护挡板组成。电机/柱塞泵一体机由2.2kW电机和轴向柱塞泵一体机组成。
2 设备工作原理
2.1 中频感应加热电源主电路工作原理
如图2所示：来自电网三相工频交流电经过整流电路形成电压可调的脉动直流电，经过滤波器滤波为平滑的直流电送至单相逆变器，从逆变器输出高于工频几倍的中频单相交流电至负载。中频感应加热电源的负载是由感应线圈（包括加热工件）及中频电热电容器组成的LC并联振荡电路，该电路对负载的适用性较强，运行稳定可靠。
图2 主电路原理图
2.2 带显示屏PLC控制器
原有的中频感应加热电源，不带显示屏PLC控制器。实际使用该电源，必须先输入各项工作参数，再开机使用。当在工作中出现多种产品需要感应加热时，经常需要不断更换输入的各项工作参数，工作量比较大，而且容易出现参数输错造成工件过热退火或者加热不足的情况。
在原有中频感应加热电源上，增加带显示屏PLC控制器，并对内部电路进行改造。现在，通过带显示器的PLC控制器，可以方便地设置13套工作参数并贮存。实际使用过程中，根据具体情况调出所需要的参数进行工作。
图3 预制加热方案设置界面
2.3 微型液压站工作原理
图4 液压系统原理图
启动电机工作，通过滤油器，轴向柱塞泵一体机把油箱里面的液压油抽到轴向柱塞泵内。在轴向柱塞泵的作用下，液压油进入高压腔形成高压液压油。通过手动转换阀门，高压液压油进入高压油管，经过轴头连接管螺纹、电机轴伸注油孔进入环形油槽，产生强大的膨胀压力。在该压力的作用下，与电机轴伸锥面过盈连接的小齿轮沿锥面滑动，从而完成拆卸过程。
为检测液压压力和保护柱塞泵，在柱塞泵的高压出油口处安装有十字四通接头，分别连接显示油压表和溢流阀。溢流阀的过载保护压力设置为31.5MPa。
3 设备研发技术
机车牵引电机轴伸上安装有小齿轮，牵引电机的检修和小齿轮的检修都需要拆卸小齿轮，所以小齿轮的拆卸频率比较高，工作量比较大。
在没有液压拆卸装置之前，我段基本靠人工拆卸小齿轮。拆卸时，一边通过中频感应电源给小齿轮表面加热；同时往电机轴伸的注油孔添加一定的锂基油脂，在一个M20的螺栓上缠绕生胶带并拧进注满锂基脂的注油孔，拧紧螺栓依靠人工加压锂基油脂达到一定的膨胀压力，最终拆洗安装在电机轴伸锥面的小齿轮。但是，人工拆卸小齿轮的方式，油脂经常泄漏而达不到所需要的膨胀压力，或者是小齿轮与轴伸结合太紧而人力不够，或者是小齿轮加热过度造成表面退火报废。
综上所述，普通的中频感应加热配合人工拆卸的工艺方式不可靠，浪费大量的人力和时间，并且可靠性差、效率低。
通过研究分析，我段设计制造一种新型的电机小齿轮液压拆卸装置，大幅度提高电机小齿轮拆卸的成功率，极大地降低了劳动强度，作业时间明显缩短。该装置根据预存在PLC控制器中的工艺参数，启动中频感应加热电源给小齿轮表面加热；同时轴头连接管螺纹与电机轴伸注油孔拧紧密封后，液压油由油泵加压形成高压，通过轴头连接管螺纹、注油孔流进电机轴伸环形油槽并膨胀，推动小齿轮沿电机轴伸锥面滑动，从而拆卸小齿轮。采用液压油泵加压的液压油可产生高达30MPa的压力，远远超过原来人力所能够达到的压力，所以很轻松地拆卸各种配合公差的小齿轮。
4 结语
机车牵引电机齿轮的拆卸一直是我段检修工艺过程中的一个问题。未设计专用微型液压站之前，我段完全靠人工来完成电机小齿轮的拆卸，投入大量的人力和时间，也造成部分电机轴伸和齿轮损坏。特别是面对齿轮发生弛缓事故需要检修时，根据当时的工艺装备条件就只能破坏性拆卸。
这种改进型的中频感应加热电源配合微型液压站的新型电机齿轮液压拆卸装置，在我段使用后，效果显著，极大解决我段以上问题，该装置具有值得机务段设备换代推广应用的价值。
参考文献
[1] 赵叔东.韶山8型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[2] DF型内燃机车[M].北京：中国铁道出版社，1998.
[3] 朱国敏.过盈热装齿轮拆卸方法[J].现代冶金，
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[4] 杨晓静.数字化中频感应加热电源关键技术研究
南非发明新型垂直轴风力发电机 篇3
目前常见的风力发电机是水平轴风力发电机, 即叶片在风驱动下绕着水平轴旋转;而垂直轴风力发电机, 顾名思义, 它的叶片是垂直设置的, 这些叶片环绕着一根同样垂直的轴旋转。
约斯特介绍说, 与一般的垂直轴风力发电机只含有一层叶片不同, 他发明的垂直轴风力发电机由相互交错的上、中、下三层垂直叶片组成。由于多了两层叶片, 其截留风能的面积增加了200%, 而风机发电能力与截风面积成正比。
同时, 与一般垂直轴风力发电机不同, 他的新型设计使叶片持续在强风中旋转, 可以截获更多的能量, 此举将使发电能力提高200%。
根据理论计算, 这种新型结构发电机将使其发电功率比一般垂直轴风力发电机提高400%。风洞试验的初步结果也支持这一推论。
约斯特说, 与水平轴风力发电机相比, 垂直轴发电机的叶片对材料没有苛刻的要求, 更容易制造, 而且易于实现自动化生产。
目前, 设备制造、安装等前期投入占了风力发电成本的70%, 如果将前期投入降低60%, 将使风力发电的成本下降42%。这样, 即使没有政策补贴, 风力发电也会是一个明智的选择。
约斯特表示, 他们将在两年内让100千瓦的垂直轴风力发电机投入运转, 并在5年内完成1兆瓦垂直轴风力发电机的研制。 (科技日报)
可“闻”出水果成熟度的仪器问世
不是每个人拍拍西瓜或闻闻菠萝就能知道它是否成熟了。德国科研人员近期开发出一种高科技仪器, 可以马上“闻”出水果的成熟度。不过其目标用户并不是普通消费者, 而是大宗水果批发商。
德国弗劳恩霍夫分子生物学和应用生态学研究所日前发表公报说, 该所与德国其他一些科研单位合作研制了这种特殊的仪器, 其核心技术是用金属氧化物气敏传感器去检测水果释放出的特殊气味, 最后分析判断出水果的成熟度。
这种仪器的具体工作过程是, 先用高分子分离柱将待测水果的气味提纯, 再让带有这一气味的气体通过温度达300至400摄氏度的传感器, 传感器内的金属氧化物可与气味进行反应, 最后仪器根据反应状态自动分析出水果的成熟度。
反馈控制减速电机的新型开锁机构 篇4
目前收款机(包括ECR收款机、POS收款机)行业中收银钱箱的打开是由收款机主机给出控制命令,控制电路输出脉冲电流,驱动电磁铁吸合牵动开锁机构从而实现开锁操作的。这种技术方案的优点是结构简单,成本较低,其特点是开锁动作时间固定(脉冲时间宽度固定),没有反馈控制,开锁力矩不稳定。这是由于电磁铁的出力特点是吸力大小与驱动电流成正比而与吸合距离的平方成反比,因此,在吸合起始阶段吸力很小,为达到一定的吸力需要很大的起始驱动电流。在起始驱动电流和吸合距离已定的条件下,吸合力矩在吸合起始阶段比吸合后阶段要小得多,这与实际需要是不相符的。因此,这种技术方案的缺点是明显的:(1)开锁动作时间固定,不管锁机构是否打开,定时时间一到驱动电流就消失;(2)没有反馈控制,开锁驱动动作发出后,无法检查执行情况,锁机构是否打开没有检测反馈信号及控制,锁机构是否确实打开并不确定;(3)开锁起始力矩小,可靠性低,开锁不可靠,容易出现打不开的状况,尤其是在阻力较大、长期使用后铁心磁化的情况下特别突出;(4)电磁铁吸合时响声、震动大。在实际中时常出现维修人员经常为修钱箱而频繁往返公司与用户之间的情况,甚至个别情况下,维修人员的往返交通费用足可以购买一个钱箱。钱箱打不开虽然不是什么大故障,但影响了用户的正常使用,对用户就是大问题、严重问题。由于对故障性质认识的差异,有时会导致经营者与用户之间的矛盾加深,损害了收款机经营者在用户心目中的形象和信赖关系。
为了改变这种状况,提升开锁机构的稳定性和可靠性,需要设计一种能够克服电磁铁开锁机构缺点的新型开锁机构。
2 构成特点
新型开锁机构的构成与控制原理示意图如图1所示。由图1可以看出,新型开锁机构由控制电路板1、减速电机2和位置检测传感器3组成。当然还应该有必要的结构零件,但因为不同电机安装方式、不同开锁方式下,会需要不同的结构零件,因此在图1中没有示出结构部件。
鉴于可以采用不同的开锁方式以及选用不同的位置传感器,检测是否开锁的方式也有直接检测被锁件的直接检测方式和检测拨辊位置的间接检测方式,电机也可以采取竖直或水平等安装方式,这些不同方式选择可以有多种组合,因而有多种实施方案,而每个实施方案都可能有不同的结构件需要。在此仅以电机竖直安装、采用拨辊直接拨动锁钩的开锁方式、选用微动开关做位置传感器及检测拨辊位置的间接检测方式组成的实施方案为例,说明新型开锁机构的开锁工作原理。
图2是本新型开锁机构的机械结构原理示意图。采用拨辊直接拨动锁钩的开锁方式,以微动开关做位置传感器,采用检测拨辊位置的间接检测方式。
在图2中,为清楚表示出本实施例的机械结构关系,未画出固定板。在图2中,电机座板4上安装有座板柱5,减速电机2和位置传感器———微动开关3,减速电机2和位置传感器———微动开关3与控制电路板1之间按图1所示进行连接;减速电机2的轴上固定有检测拨臂8,检测拨臂8上固定有拨辊9;装置有锁钩销6,锁钩销6上装置有锁钩10,锁钩10上联结有锁钩复位弹簧7;还装置有弹推被锁部件的推出弹簧13和弹推轮14;处于被关锁状态的被锁件11上固定有关锁销12。
本实施例的工作原理如下:当接到主机发来的开锁命令时,控制电路板1内的开锁信号整形电路输出启/停控制电路的置位信号,使启/停控制电路输出高电平而输出电流使功率三极管Tr导通,驱动执行元件减速电机2作顺时针转动;减速电机2输出轴带动检测拨臂8和拨辊9作顺时针转动;当拨辊9运动到与锁钩10后部接触的位置后,拨辊9带动锁钩10运动,推动锁钩10绕锁钩销6转动使锁钩10前端的钩部与被锁件11上的关锁销12分离,被锁件11在被压缩状态的推出弹簧13和弹推轮14的作用下离开关锁位置,实现开锁。减速电机2继续得电转动带动固定在检测拨臂8上的拨辊9顺时针方向运动,当减速电机2带动检测拨臂8上的拨辊9转动到拨辊9与锁钩10后部分离后,锁钩10在锁钩复位弹簧7的推动下复位回复到初始的待锁状态;直到减速电机2带动检测拨臂8转动到检测拨臂8上的凸轮部分与位置检测微动开关3的接触部分分离,微动开关3由拨辊9与锁钩10后部开始接触位置时起始的闭合状态变为断开状态,控制电路板1内的检测信号整形电路输出启/停控制电路的复位信号,启/停控制电路输出低电平而使功率三极管Tr关断,减速电机2断电,减速电机2在惯性作用下继续转动一个小角度后停止,完成一次开锁操作,同时也为下一次开锁操作做好了准备。
至于控制电路板1的实际电子线路,由于采用不同的传感器需要配合采用不同的检测信号整形电路,与主机之间采用不同接口、信号也需要配合采用不同的输入信号整形电路,并且控制并不复杂,加之篇幅限制,具体的控制线路在此就不详细讨论了。
3 实际效果及分析
笔者采用输出转速100r/min、转矩约0.5N·m的减速电机,按前述阐述实施方案,制作了新型开锁机构样机,进行了实测试验,验证了该开锁机构是可行、可靠的效果。试验中看到,新型开锁机构在接到主机开锁信号减速电机开始转动之后,人为用手很难阻止拨辊(或锁钩)的运动,只是稍微减缓电机的转动速度,同时试图阻止机件运动的手有一种开锁力量在积聚、增加的感觉,阻止机件运动的手一旦松开,减速电机就立即正常转动,带动开锁机构完成了开锁操作。这说明新型开锁机构即使在有较大阻力的情况下,仍能可靠开锁。
作为对比,笔者对采用电磁铁作为执行元件的某两个型号钱箱(打印机驱动口驱动和电脑主机串口驱动各一种)开锁机构进行了对比试验。结果发现,当用手在开锁拨杆上轻轻地施加少许作用力(或轻轻地拿着、摸着电磁铁铁芯),在施加开锁驱动操作的时候,人的手只能感觉到比较轻微的一下抖动、颤动,开锁操作就结束了,电磁铁根本就没有吸合。由此可以推断,在有较小阻力的情况下,电磁铁开锁机构根本无法开锁。因此可以看出,新型开锁机构与电磁铁作为执行元件的开锁机构之间实际开锁效果的巨大差别,同时可以认定,新型开锁机构有着电磁铁开锁机构无可比拟的优势。
这样的试验结果完全可以从电磁铁和减速电机的工作特性得到解释。
电磁铁的出力特点是吸力大小与驱动电流成正比而与吸合距离的平方成反比。在实际驱动电路中,驱动电压和电磁铁线圈的确定之后,最大驱动电流就是确定不变的。因此,在吸合距离最大的吸合起始阶段,电磁铁的吸力是最小的,只有达到完全吸合的状态,才能达到电磁铁标称参数给出的吸力(拉力),而在没有达到完全吸合状态之前的实际开锁过程中,电磁铁开锁机构的开锁力量要比电磁铁标称参数给出的吸力(拉力)要小得多。这就解释了为什么在开锁机件上人手只能感觉到比较轻微的一下抖动、颤动,只要稍有阻力就无法开锁的原因。
电机具有独特的工作出力特性。在电机受到电力驱动并且转动力矩达到起动力矩之后开始转动而输出一定的功率、转矩;在负载阻力矩达到堵转转矩之后电机将堵转而停止转动;在堵转转矩的范围之内,电机的输出功率、转矩随着负载的增加而增加。把减速机构与电机结合在一起的减速电机,电机的转速经过减速机构减速之后,减速机构输出的转速变为电机转速的减速比分之一,而减速机构输出的转矩则增加到电机转矩的减速比倍,实现了输出力矩的倍增。减速电机这种在一定范围内出力随着负载增加而增加的特性和减速倍增力矩的原理,解释了为什么试图阻止开锁的手会感觉到有一种开锁力量在积聚、增加的感觉的原因,也说明了为什么一个小小的减速电机具有如此之大开锁力量的道理。正是减速电机的这些特性,保证了新型开锁机构的开锁力,大大地提升了其可靠性。
4 结束语
综上所述,以减速电机为执行元件的新型开锁机构,开锁力矩大而且能够随着阻力的增大而增大,能够确保可靠地实现开锁,大大地提升可靠性,具有电磁铁开锁机构无可比拟的优势。
参考文献
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[2]郁建平.机电控制技术(第一版)[M].北京:科学出版社,2006.
一种新型直流电机控制器 篇5
1 直流电机控制器硬件平台设计
该调速系统主要由DSP芯片、脉宽调制电路、功率驱动电路、电机以及电流/电压传感器组成。TMS320LF2407是TI公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计[3]，工作温度范围为-40～125℃，针脚数为144，频率为30 MHz，电源电压最大为3.6 V，最小为3 V。存储器容量RAM为5 KB，接口类型为CAN、SCI、SPI，封装类型为剥式[4]。图1为基于DSP控制器结构框图。
将传感器检测到的反映电机状态的电压、电流、转速信号传向DSP控制器A/D转换器[4]，经过模/数转换后的信号和它们相应的设定值经过DSP中的控制算法处理后，就产生一个PWM波的控制输出量[5]。PWM经济、节约空间且抗噪性能强，是一种值得使用的有效技术。这个PWM波输出量经过脉宽调制后加载到驱动电路中并调节电枢电流，直至直流电机调速系统达到稳态。
2 软件控制
2.1 TMS320LF2407 DSP控制软件
TMS320LF2407 DSP控制软件流程图如图2所示。
对TMS320LF2407 DSP的软件控制首先对寄存器进行初始化。过段时间后对输入、输出（I/O）口及模数（A/D）采样寄存器进行初始化，其次读取设定电流及细分数和E2PROM中电机转子初始位置。E2PROM是“电可擦除可编程只读存储器”，最后DSP的参数变量进行初始化，过段时间后取得ia、ib电流偏移量。同时中断启动，允许PWM输出控制量，并反复检测细分开关状态及记录转子位置。
2.2 转子位置和速度检测
位置检测不但用于换相控制，而且还能产生速度控制量。位置信号是通过3个霍尔传感器得到的，霍尔传感器根据霍尔效应工作的[6]。
3 测试结果与分析
使用TMS320LF2407仿真器进行调试，实验电机采用永磁直流电机[7]，其参数如下：额定功率P=20 kW，额定电压UN=120 V，额定电流IN=180 A，额定转速nN=3 000 r/m，电枢电阻Ra=0.018 4Ω。电感L=0.128 mH，折算到电动机轴上拖动系统飞轮惯量GD2=J=17.4 N⋅m2。电磁时间常数Kt=6.96 ms，电势常数Ke=0.042 1 V/(r/m)，转矩常数：Km=0.4 N⋅m/A，机电时间常数tm=20 ms。图3为PWM输出曲线，由图4可知，在电流闭环作用下，电流迅速上升至指定值并稳定下来，直到电压上升到最大允许值。此后，电压稳定下来而转速继续上升，因此电流急速下降，直到与负载电流相等为止，这时基本达到稳态状态[9]。
4 结语
本文在电压闭环系统改进的基础上，构建了基于DSP控制的全数字直流PWM调速系统。将工业控制中普遍使用的算法用在DSP上可以很好的实现，可用于直流电机控制的PWM波形输出。实验证明该系统控制准确且运行速度提高60%以上，电机转速平稳，在工业生产中可推广使用。
摘要：过去控制直流电机多由单片机完成,其不但接口繁琐,而且速度慢,不易在高温、高压等恶劣环境下工作。针对电压闭环和电流闭环直流调速系统的不足,采用数字信息化的方法,设计一种基于DSP控制器的通用电机调速系统,并将其应用于电动车驱动系统电机控制中。仿真结果表明,该系统工作稳定可靠,运行速度提高了60%以上,达到了设计要求。
关键词：DSP,直流调速,电动车,PWM
参考文献
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新型无刷直流电机直接转矩控制 篇6
近几年来,有学者将直接转矩控制引入无刷直流电机控制[1]。将DTC用于无刷直流电机时,不但可以略去其磁链观测部分[2,3],简化控制系统的结构,还可以利用其转矩控制的高动态性,有效抑制转矩脉动。
文献[2]实现了无刷直流电机直接转矩控制,但其采用6分区的电压矢量空间。由于分区较宽,每次电压矢量切换所调节的磁通角过大,导致转矩控制不够平稳,未能发挥直接转矩控制的优良性能。针对无刷直流电机直接转矩控制中转矩观测的问题,文献[4]采用公式法计算转矩,需预知磁链,转子位置及相电流,且公式中包含微分项,计算量大,计算精度低。文献[3]和文献[5]利用反电动势形状函数法进行电磁转矩计算,虽然简单,但其基于反电动势波形为理想梯形波的假设基础上,因此误差较大。
本文针对直接转矩控制在无刷直流电机系统中的应用,作了以下2方面工作:1)提出电压矢量空间12扇区划分的直接转矩控制策略;2)针对转矩观测问题,构建了以相电流、相电压为输入,电磁转矩为输出的小波神经网络(WNN),实现转矩的预测反馈。仿真与实验结果表明:基于以上方法的无刷直流电机控制,转矩响应快,转矩脉动小。
1 无刷直流电机DTC控制
电机的电磁转矩可表示为
Te=km|Ψs||Ψr|sin θ (1)
式中:km为转矩系数;|Ψs|为定子磁链空间矢量幅值;|Ψr|为转子磁链空间矢量幅值;θ为定转子磁链之间的夹角,即磁通角。
由此可知,转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角成正比。无刷直流电机的转子磁链幅值由永磁体产生,其大小近似恒定。因此,只要选择适当的电压空间矢量,控制定子磁链的旋转,进而改变磁通角大小,便能达到控制转矩的目的。
1.1 电压空间矢量
本文用六位二进制数来表示电压空间矢量,每一位二进制数代表1个功率管的开关状态,0表示关断,1表示导通。如100001代表功率管1和6开通,其余管关断,即A相上桥管, C相下桥管导通。100101代表功率管1,4,6开通,其余管关断,即A相上桥管,B,C相下桥管导通。
对电机进行分析与控制时,通常引入Park坐标变换,将三相相电压变换为Park复平面电压矢量。若取三相定子坐标系中的a轴与Park矢量复平面的α轴重合,电压矢量us为
目前无刷直流电机直接转矩控制主要采用二二导通方式或三三导通方式,二相导通方式时,做理想化处理,求得两相导通,关断相电压为零时的空间电压矢量。按式(2)计算出6个非零矢量如式(3)所示。三相导通时,按式(2)求得6个非零矢量如下式:
二二导通方式或三三导通方式对应的电压矢量空间均为6扇区划分,每次电压矢量切换所调节的磁通角过大,导致转矩调节不够平稳,转矩波动大。基于空间12扇区划分的比基于6扇区划分的无刷直流电机直接转矩控制,能够更有效地减小电机稳态转矩脉动[6]。本文为构造12扇区划分的电压矢量空间,采用二三相混合导通策略。
将二二导通及三三导通的12个非零电压空间矢量融合在一起,形成12扇区划分的电压空间矢量,如图1所示。
1.2 无刷电机DTC
本文构建无刷直流电机速度/转矩双闭环控制系统,如图2所示。速度控制器输出经过限幅后为转矩给定值,与转矩反馈值相减后得到转矩误差,转矩误差与转矩误差变化率同时输入转矩控制器,转矩控制器输出结合位置信号选择合适的电压空间矢量,达到调节磁通角,进而调节电磁转矩的目的。
当给定转矩Tr 大于实际转矩Tf较多,且转矩误差变化率dΔT/dt大于零时,转矩控制器输出2值,表示应较大幅度增加转矩,这样可以加快转矩响应;当给定转矩Tr大于实际转矩Tf,且转矩误差变化率dΔT/dt小于零时,转矩控制器输出1值,表示正常增加转矩,保持转矩调节的平稳性;当给定转矩Tr小于实际转矩Tf,且转矩误差变化率dΔT/dt大于零时转矩控制器输出0值,表示正常减小转矩;当给定转矩Tr小于实际转矩Tf,且转矩误差变化率dΔT/dt小于零时转矩控制器输出-1值,表示较大幅度减小转矩,即允许一定的制动转矩,来限制转矩脉动。电压空间矢量选择如表1所示。
2 小波神经网络预测转矩
2.1 小波网络
将小波函数作为基函数构造神经网络形成小波网络,小波网络将小波变换良好的时频局域化特性和神经网络的自学习功能相结合,具有较强的逼近能力和容错能力[7]。
由文献[5]中式(15)可知,电磁转矩与反电势和相电流间存在对应关系,而反电势与相电压之间又存在对应关系,因此,电磁转矩与相电压相电流间存在映射关系。利用神经网络强大的非线性映射功能,本文构造了一个如图3所示的小波神经网络来实现电磁转矩预测。
墨西哥帽函数在时间域和频率域都有很好的局部化,网络选用墨西哥帽状小波为隐层函数,墨西哥帽状小波:
Ψ(x)=(1-x2)e-x2/2
则6输入单输出小波网络的输出为
式中:xi为输入层第i个节点的输入;αij为输入层第i个节点到隐含层第j个节点之间的权值;bj为隐含层第j个节点的平移系数;aj为隐含层第j个节点的伸缩系数;Ψ(x)为隐含层激励函数(小波函数);wj为第j个隐层节点到输出的权值。
2.2 遗传算法
网络训练中存在的最大问题,莫过于迭代过程中收敛于局部极小点。遗传算法是一种模仿自然界生物进化思想而得出的一种自适应启发式全局搜索算法,能使问题逼近全局最优解,且具有较强的鲁棒性[7]。本文采用遗传算法对小波神经网络进行离线训练,确定小波神经网络的结构与参数,使网络目标函数E为最小。
式中:P为输入样本个数;Ts(t)为期望网络输出;T(t)为实际网络输出。
通过运行基于DSP的无刷电机控制系统提取样本数据。训练样本对小波神经网络的辨识能力是至关重要的,为了让网络更好地逼近实际系统,可以调节电机的转速,增加电机负载,使运行状态不断改变,最大限度地覆盖电机运行范围。
遗传算法训练小波网络流程如图4所示。适应度为f=1/(1+E)。
2.3 小波网络仿真结果
实验过程中,将小波网络参数进行浮点数编码,个体长度为28,隐层节点个数初始值为10,由遗传算法自适应调整,墨西哥帽小波母函数的时域中心取0,半径取1.08。种群规模为20,总进化次数为50次。
通过评价筛选,采用实验过程中的3 000组数据做样本。2 900组样本用来训练小波网络,训练完成后的小波网络结构为6-5-1,即含有5个隐层节点。权值参数如下:
w=[0.174 0.694 0.078 0.470 0.538]
a=[10.152 1.087 -4.021 0.586 16.064]
b=[4.681 3 8.761 5 -0.466 1 7.433 1 3.743 1]
100组样本用作转矩预测实验。预测结果见图5。
3 实验结果
本文以Matlab为平台对上述方法进行仿真,并设计、搭建了基于DSP芯片TMS320F2812的无刷电机控制系统。电机参数如下:额定电压310 V,额定转速4 000 r/min,额定电流5 A,极对数为2。图6为无刷电机DTC转速响应,图7为传统转速/电流双闭环控制下负载突变时的转矩响应。图8为直接转矩控制下负载突变时的转矩响应。由图8可知直接转矩控制能有效减小转矩脉动。
4 结论
为解决无刷直流电机转矩脉动较大的问题,本文将直接转矩控制引入无刷电机控制中,采用二三相混合导通方式,构造出区别于传统6扇区的12扇区电压矢量空间。转矩控制器输出结合位置信号选择最合适的电压空间矢量,控制定子磁链的旋转速度,进而调节磁通角,达到控制电磁转矩的目的。并针对直接转矩控制中转矩观测问题,构造1个6输入,1输出的小波神经网络预测转矩,效果良好。将以上控制策略应用到基于DSP的无刷电机系统中,实验结果表明,基于小波神经网络的转矩预测,结合无刷电机12扇区直接转矩控制,良好地实现无刷电机的转矩平稳控制。
摘要：直接转矩控制被应用在无刷直流电机系统中,以减小转矩脉动。无刷直流电机直接转矩控制都是基于电压矢量空间6扇区划分的,提出了12扇区划分的控制策略,以求更加有效地减小转矩脉动,并针对直接转矩控制中转矩观测的问题,构建了以相电流、相电压为输入,电磁转矩为输出的小波神经网络,实现转矩的预测。仿真与实验结果表明:基于小波神经网络的转矩预测,结合无刷电机12扇区直接转矩控制,良好地实现无刷电机的转矩平稳控制。
关键词：无刷直流电机,直接转矩控制,12扇区划分,小波神经网络,转矩预测
参考文献
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[6]刘国海,尹中良.一种高性能的无刷直流电机控制方法[J].江苏大学学报:自然科学版,2009,30(2):165-168.
新型电机 篇7
混合励磁同步电机 (Hybrid Excitation Synchronous Motor, HESM) 具有永磁体和电励磁绕组两种励磁源, 继承了永磁同步电机效率和功率密度高的优点, 相比于永磁同步电机具有更强的磁场调节能力, 具有转矩输出能力强和调速范围宽的优点。在电动汽车用轮毂式直驱系统中具有良好的应用前景[1]。
混合励磁电机控制方法的研究难点在于如何优化电流分配方案。现有混合励磁电机控制方法的研究文献尚不多[2,3,4], 其中, 参考文献[2]建立了混合励磁双凸极电机等效模型并进行了弱磁控制策略的分析, 参考文献[3]提出一种并列式混合励磁磁通切换电机功率角线性控制策略。参考文献[4]提出了一种弱磁区保持q轴反电势为恒定值的铜耗最小控制策略, 实现了HESM电机弱磁扩速运行, 但没有计算d轴反电势因而是一种近似算法, 且未考虑负载转矩和励磁电流对弱磁基速的影响。
本文提出了一种基于分区控制的混合励磁电机矢量控制算法, 重点介绍了弱磁基速计算模块和弱磁区电流控制策略, 通过合理分配电枢电流和励磁电流, 实现HESM电机低速大转矩和高速宽调速范围运行, 同时使电机在恒转矩区和恒功率区之间能够更精确地进行状态切换。
1 HESM电机数学模型
混合励磁同步电机, 在abc三相坐标下励磁互感呈三相对称, 励磁电流只提供励磁磁场[5], 在dq O坐标系中, 励磁互感只有d轴分量, 给出HESM电机数学模型如公式 (1) 、 (2) 和 (3) 所示。
磁链方程:
式中:ψd、ψq分别为HESM电机d 、q轴磁链分量;ψpm为永磁体磁链;ψs为定子合成磁链;id、iq分别为d、q轴电枢电流分量;Msf为励磁绕组与电枢绕组互感;if为励磁电流。
电压方程:
转矩方程:
式中:p为电机极对数。
2分区控制
2.1控制策略概述
和PMSM类似, 可以将HESM的运行状态分为区域I (恒转矩区, nr≤nBdec, nr为电机转速, nBdec为弱磁基速) 与区域II (恒功率区, nr>nBdec) [6], 转速-转矩调节特性如图1所示。
1) 区域Ⅰ (nr≤nBdec)
为简化算法, 恒转矩区采用id=0的电枢电流控制策略。励磁电流给定值由负载情况确定:负载转矩小于额定转矩时励磁电流为零;负载转矩大于额定转矩时通入正向励磁电流。
2) 区域Ⅱ (nr>nBdec)
当转速超过弱磁基速nBdec后, 电机进入高速弱磁区。本文提出一种保持弱磁区合成反电势恒定的弱磁调速方法。将弱磁区分为两个子区域i和ii:
(1) 子区域i保持d轴电流为零采用励磁电流进行弱磁。
(2) 子区域ii保持励磁电流为负的额定值, 利用d轴电流弱磁。
2.2弱磁基速nBdec
电机转速超过额定转速时, 由于端电压的限制, 需要进行弱磁升速, 额定转速的定义为电枢电压为额定值、电枢电流为额定值且励磁电流为零时的转速。实际中, 混合励磁电流的弱磁基速会随负载和励磁电流的变化而升高或降低, 在电动汽车等应用场合, 电池长时间放电出现的欠压状态也会影响弱磁基速。电机弱磁基速随负载转矩和励磁电流变化曲线分别如图2和图3所示。
负载为1 N·m且励磁电流为零时, 弱磁基速随直流母线电压变化曲线如图4所示。
由图2、图3和图4可知, 需要根据电机运行状态实时计算弱磁基速。忽略定子电阻, 电机转速为弱磁基速时, 电机反电势满足:
式中:Umax为电机端电压有效值, 即
将id=0、电流分配器的输出iq和if以及直流母线电压实测值代入上式, 即得实时弱磁基速:
当电机的转速高于实时弱磁基速时, 进入恒功率区。
2.3恒功率区
2.3.1恒功率i区
当电机转速超过弱磁基速nBdec, 采用保持合成反电势恒定的控制策略, 此时电枢电流和励磁电流满足下述方程组:
求解上面方程组, 可得两组解。考虑实际控制中电流的连续性及在相同情况下希望电枢电流尽可能小, 得到恒功率i区的电流给定值为:
2.3.2恒功率ii区
恒功率i区采用反向励磁电流进行弱磁提速, 当励磁电流减小为负的额定值时, 对应转速为nBdec2, 若要继续升速, 就需利用反向d轴电流。
将励磁电流的额定值代入合成反电势表达式即可求得当前负载下的nBdec2表达式:
由于电机凸极率较低, 忽略磁阻转矩, 结合式 (3) 和式 (7) , 可得到恒功率区ii的电流给定值为:
3仿真建模
HESM的仿真驱动系统如图5所示。
主要模块包括HESM电机本体、坐标变换、速度控制器、电流分配器、电流控制器、空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 模块、主逆变器和励磁逆变器等。HESM电机参数如表1所示。
3.1恒转矩区增磁运行
仿真方法为给定转速500 r/min, 起动转矩为1 N·m。在t=0.2 s负载转矩提高到5 N·m, 仿真得到增磁运行时的转速、输出电磁转矩、励磁电流和弱磁基速波形如图6所示。
由图6所示可以得知, 启动的时候由于正向励磁电流的增磁作用, 电机输出电磁转矩显著增加, 缩短了起动时间。当负载转矩突变为5 N·m时, 由于电机的额定转矩只有3.4 N·m, 因而电枢电流无法提供所需电磁转矩, 在电流分配器的调节下, 励磁电流被调制某一数值, 使电磁转矩和负载转矩平衡, 实现了低速增磁运行。增磁运行产生的正向励磁电流使得合成反电势大幅上升, 弱磁基速降低, 以避免继续升速可能出现的反电势越限, 如图6 d) 所示。
3.2恒功率区弱磁运行
给定负载转矩恒定为0.5 N·m, 初始转速为1 500 r/min, 在t =0.2 s时, 给定转速突变为3 500 r/min, 转速高于弱磁基速, 电机进入弱磁区。仿真得到弱磁运行时的转速、输出电磁转矩、励磁电流和弱磁基速波形如图7所示。
由图7可知, 转速为1 500 r/min时, 转速小于弱磁基速, 电机处于恒转矩区, 励磁电流为零。当给定转速变为3 500 r/min, 电机进入恒功率ii区, 励磁电流和d轴电流减小为负值, 削弱了气隙合成磁通, 实现了混合励磁电机高速弱磁运行。
4结语
本文根据HESM电机特点, 提出了一种基于分区控制的矢量控制方法。该方法根据负载和母线电压实时在线计算弱磁基速, 在弱磁区采用保持合成反电势不变的控制策略调节电枢和励磁电流。在理论分析的基础上, 搭建了仿真模型, 仿真结果表明该控制策略实现了HESM电机低速大转矩和高速宽调速范围运行, 同时电机在低速区和弱磁区能够更精确地进行状态切换。
摘要：在速度分区控制的基础上提出一种混合励磁电机矢量控制算法, 该方法综合考虑了负载转矩、励磁电流及母线电压对弱磁基速的影响, 在线动态计算弱磁基速。在弱磁区, 保持气隙合成反电势恒定, 利用励磁电流和d轴电流共同弱磁升速。采用Matlab/Simulink仿真软件建立混合励磁同步电机控制系统, 对所提算法进行验证。仿真结果表明该算法可实现混合励磁电机低速大转矩和高速宽调速范围运行。
关键词：混合励磁同步电机,分区控制,弱磁基速,合成反电势
参考文献
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[5]杨成峰.新型混合励磁同步电机的分析、设计及控制策略研究[D].南京:东南大学, 2007.
新型电机 篇8
绝大多数风力涡轮机在外观上大同小异, 致使利用风能发电的竞赛更像是一场怪异的赛跑, 而不是F1比赛。当前, 一系列形态各异的海洋能发电装置正处于研发当中。借助于这些设备, 设计者希望能够找到在海浪和潮汐的恶劣化学、物理环境下获取能量的最有效方式。
“海蛇”
致力于从海洋中获取可再生能源的研究真正开始于上世纪70年代石油危机期间。世界能源委员会表示, 全球可利用的海洋能估计可产生1000万亿瓦小时电量, 但利用海洋能的步伐一直进展缓慢。
所谓的“海蛇”是指世界上第一家商业性海浪发电厂, 由3个150米长的铰接钢结构组成, 其工作原理是利用弯曲移动带动水轮发电机, 可产生750千瓦电量。“海蛇”位于葡萄牙北部海岸, 这个可再生能源领域的里程碑式发电设备于2008年投入运转不久, 一系列新的竞争对手就纷纷尾随“海蛇”出现, 试图与其一较高下。
“巨蟒”
名为“巨蟒”的海浪发电机由英国Checkmate海洋能源公司设计, 是一种类似蟒蛇的大型发电设备, 由橡胶而不是钢铁制成。“巨蟒”实际上是一根装满水的管子, 当海浪在上方经过对其产生挤压时, 内部可产生一个“向外膨胀的波浪”, 波浪在到达尾端时可带动发电机发电。
据悉, 最终设计完成的“巨蟒”宽度将达到7米, 长度达到200米, 二十五分之一大小的原型已于最近完成测试。“巨蟒”开发人员表示, 全尺寸“巨蟒”投入使用后, 可满足1000个普通家庭的用电需求。据他们透露, “巨蟒”将于2014年左右投入运转。
柱上曼舞
另一种“海浪收割机”基于一个完全不同的理念———漂浮。对于“海蛇”的接合处以及水力学装置能否在具有腐蚀性的海洋环境下长时间“存活”, 英国能源公司Trident Energy的休-彼得·凯利表示怀疑。他指出:“利用海浪发电的最简单方式就是使用附在柱子上的漂浮物, 即利用漂浮物的移动带动直线发电机发电。”
即便是基于这样一个看似简单的想法, 最终设计出的发电设备所具有的规模也达到令人吃惊的程度。据悉, Trident Energy设计了一种水翼艇状的漂浮物, 可在海浪通过时产生上升力以及推进力。凯利说:“与利用体积相似的传统漂浮物相比, 水翼艇状漂浮物产生的能量要高出50%。”
Trident Energy设计的“海上浮标”内部装有一个直线发电机———通过磁铁的移动产生电量。凯利表示, 他们的水翼艇状漂浮平台每个最高可产生1兆瓦电量, 试验安装于今年夏季在其位于萨福克郡海岸的第一家海上实验场进行。
水下作业
Trident Energy的其它漂浮物在设计上采用水下作业方式, 以避免最恶劣的海上环境。2008年, 他们在澳大利亚西部弗里曼特尔附近地区安装了一个漂浮系统。该系统可通过水管将海水泵入岸上水轮机, 由于是在岸上, 水轮机不会遭受具有腐蚀性和破坏性的海水侵袭。这个漂浮系统名为“CETO”, 迄今为止的表现相当不错, 第一个商业发电厂定于今年晚些时候进行部署。Trident Energy表示, 一个面积达到5公顷的漂浮物阵列可产生50兆瓦特电量。
现在, 让我们的目光再回到北半球的阿基米德海浪发电装置 (Archimedes Waveswing) , 这是另一种位于水下的漂浮物, 由英国AWS海洋能源公司设计。每一个“阿基米德”至少要潜入水下6米, 上部可像活塞一样相对于下部上下移动。当海浪波峰经过时, 活塞向下移动压缩中空结构内部的空气, 波谷经过时则向上移动将空气释放出来。AWS表示, 被压缩的气体穿过漂浮物内部的发电机;100个阿基米德海浪发电装置所产生的电量可满足5.5万个普通家庭的用电需求。
与潮汐相伴
最近几个月, 几个利用潮汐能发电的新设计也进行了水中测试。其中一个是装有两个涡轮机的固定平台, 于2008年在北爱尔兰斯特兰福特湾的潮流中安装完毕, 可为当地家庭提供1.2兆瓦特电量。该固定平台运营商海流涡轮机有限公司计划于2011年之前, 在威尔士海岸安装一个功率更大的潮汐能发电设备, 其发电功率将是位于斯特兰福特湾同伴的10倍。
最近, 英国公司Tidal Stream在位于法国布雷斯特的国家海洋开发研究院 (IFREMER) 测试中心水池内, 测试了一个高3米并搭载6个涡轮机的支架。这个支架也是专为潮道设计的, 全尺寸支架高度可达到60米, 能够产生10兆瓦特电量。
潮汐海浪发电被忽视
Tidal Stream的约翰·阿姆斯特朗指出, 潮汐的潮起潮落相对较为可靠, 利用潮汐能发电所能带来的效果绝不亚于风能和太阳能发电装置。然而, 虽然后两者的发电量起伏不定, 但却获得更大的关注和研发资金。根据英国政府部门“碳信托基金”最近公布的一份报告, 海浪能的可靠性同样没有得到应有的重视。