【正文】 化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài) 轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不 盡如人意，因此，人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。目前，該技術(shù) 已成功地應(yīng)用 在電力機(jī)車牽引 的大功率交流傳動上。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。該技術(shù)目 前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。在調(diào) 速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬 (10%～ 100%)和精度高等性能，節(jié)電效果 20%～ 30%。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時，電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速 (VVVF )，簡稱變頻調(diào)速。特別是近二十多年來 ,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進(jìn)的發(fā)展 ,使得三相交流電機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流。電機(jī)在工作時常處于短時重復(fù)狀態(tài) (開 /停 )，如空調(diào)、冰箱等。 首先是空調(diào)，空調(diào)器應(yīng)用變頻技術(shù)后，擴(kuò)大了壓縮機(jī)的工作范圍，不需要壓縮機(jī)在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行就可實現(xiàn)冷、 暖控制，達(dá)到降低電力消耗，消除由于溫度變動而引起的不適感。采用混合控制方式后，變頻器的輸入功率因數(shù)、電機(jī)效率、裝置綜合效率都比單獨(dú) PWM 控制時有較大幅度的提高。但在國內(nèi)市場，由于技術(shù)和成本原因使變頻冰箱遲遲無法大批量生產(chǎn)和在市場推廣。目前歐洲和日本研制的變頻滾筒式洗衣機(jī)也已經(jīng)大量進(jìn)入市場。采用電磁制動器，可實現(xiàn)反向高速轉(zhuǎn)動，同時可根據(jù)洗滌物的種類、數(shù)量、臟污程度，選擇水流，使衣物的洗凈率和磨損率達(dá)到最佳效果。這是因為直流變頻電機(jī)的電磁噪聲要小于單相感應(yīng)電機(jī)，同時改機(jī)械傳動為直接傳動，使齒輪、皮帶、電磁噪聲及脫水振動得到有效控制。其低噪聲和高效節(jié)能表現(xiàn)在平均脫水噪聲在 59d B(A)以下，比普通洗衣機(jī)下降 10d B(A)。目前，我國制造的變頻家電大多數(shù)都是交流變頻產(chǎn)品。今后變頻技術(shù)還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓?fù)潆娐贰V波及屏蔽技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。 50 年代以仿制國外產(chǎn)品為主， 60 年代起即走上自行設(shè)計的道路； 50 年代初只能生產(chǎn)一般中小型電機(jī)，不久即能制造大型發(fā)電設(shè)備和特殊用途電機(jī)，但與發(fā)達(dá)國家還具有很大的差距。到目前為止，我國的電機(jī)制造業(yè)已經(jīng)具有一定規(guī)模。上半年全行業(yè)實現(xiàn)銷售收入 億元，同比增長 %。 小型交流電機(jī)同比小幅增長，大中型電機(jī)增勢明顯，這與國家經(jīng)濟(jì)快速增長拉動有關(guān)；直流電機(jī)產(chǎn)量同比降幅加大，主要是用戶如軋鋼機(jī)行業(yè)的需求量減少。 （一） 產(chǎn)品品種、規(guī)格不斷增加，單機(jī)容量迅速增大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐步提高。 在采用新技術(shù)方面，首先應(yīng)用電子計算機(jī)來進(jìn)行電機(jī)的電磁計算以及磁場、溫度場計算和零部件機(jī)械計算。 在工藝水平和機(jī)械化、自動化程度方面，小型電機(jī)的基座與轉(zhuǎn)軸加工、靜電噴漆、總裝試驗等自動線均已采用；級進(jìn)式?jīng)_模、大型壓鑄機(jī)、定子繞組自動下線機(jī)、插槽絕緣機(jī)、端部整形機(jī)、自動繞線機(jī)等新設(shè)備及真空壓力浸漬、中型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條環(huán)氧粉末涂敷、基座射壓造型等新工藝的應(yīng)用，也都使工效大大提高，電機(jī)質(zhì)量進(jìn)一步改善。 三 、 本課題研究內(nèi)容 ： 本課題主要是研究設(shè)計 40kw 同步電動機(jī)。 再次，確定電機(jī)鐵心的長度。 方案二與方案一主要是通過增加材料耗用來提高效率的目的，方案三與方案一主要是通過犧牲效率來達(dá)到節(jié)省材料的目的。主要研究通過增加材料的耗用來達(dá)到提高效率和以犧牲效率來達(dá)到節(jié)省材料的目的。方案三，為材料最省方案，在滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上使電機(jī)的所用材料最省。 3. 工作進(jìn)度： 起訖日期 工作內(nèi)容 備注 第一周 — 第三周 畢業(yè)實習(xí) 第四周 — 第五周 論文的開題報告 第六周 — 第九周 復(fù)算電機(jī)的各種參數(shù) 第十周 — 第十二周 上機(jī)設(shè)計三個優(yōu)化方案 第十二周 — 第十三周 用 Autocad 制圖 第十四周 — 第十五 寫畢業(yè)論文 周 第十五周 — 第十六周 論文答辯 六、參考文獻(xiàn) 上海電器科學(xué)研究所《中小型電機(jī)手冊》編寫組 .中小型電機(jī)設(shè)計手冊 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1994 電機(jī)工程手冊 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1996. 李發(fā)海 朱東起編著 電機(jī)學(xué)（第三版） 北京： 科學(xué)出版社 20xx. 陳世坤 主編 電機(jī)設(shè)計 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx. 《電機(jī)學(xué)》 戴文進(jìn) 徐龍權(quán)主編 清華大學(xué)出版社 20xx年 2 月。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書。這些都是為電機(jī)設(shè)計的做準(zhǔn)備的。除此之外，還簡單介紹了 AUTO CAD 繪圖的內(nèi)容，這些都是電機(jī)設(shè)計中所要涉及的。 keywords: Synchronous； generator； Motor； Motor； design； CADFrequency conversion； The control syst 緒論 三相同步電動機(jī)的設(shè)計 —— 40KW6P 緒論 電能是能量的一種形式。電機(jī)在電力工業(yè)，工礦企業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通運(yùn)輸業(yè)，國防，科學(xué)文化及日常生活等方面都 是十分重要的設(shè)備。比如當(dāng)采取措施改善某個性能時，常會使其他一些性能指標(biāo)變差；又如在設(shè)計電機(jī)時，如果片面追求體積小和材料省，就容易導(dǎo)致電機(jī)性能降低，特別是效率降低，加工工時增加，而使運(yùn)行費(fèi)用或制造成本上升，并造成能量浪費(fèi)。第一章 同步電機(jī)概述 第一章 同步電機(jī)概論 同步電機(jī)是一種交流電機(jī)。當(dāng) 同步機(jī) 作為發(fā)電機(jī) 運(yùn)行時 ， 在 勵磁繞組里通 入 直流電，形成 磁極固定的 磁場， 再 由 原動機(jī)拖動 同步機(jī) 的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)， 從而產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。 而在 轉(zhuǎn)子的勵磁繞組 中 通 入 直流電 流 ， 勵磁繞組此時就相當(dāng)于一個磁極固定的磁鐵， 于是 在 旋轉(zhuǎn)磁場 的 帶動 下，磁鐵轉(zhuǎn)動。我國的電力系統(tǒng)規(guī)定交流電流的頻率為 50Hz。其定子鐵心和繞組結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)的相同 。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是其主磁極，由轉(zhuǎn)子鐵心和勵磁 繞組共同構(gòu)成。 凸極式轉(zhuǎn)子因由明顯突出的主磁極而得名。通常在凸極式轉(zhuǎn)子主磁極極靴表面上開槽，并且放置籠型阻尼繞組（或稱作啟動繞組）來獲得起動轉(zhuǎn)矩和改善動態(tài)性能。勵磁繞組為同心式繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，在大齒部分形成磁極。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高，所以各大大型發(fā)電機(jī)廠 主要 生產(chǎn)隱級式汽輪發(fā)電機(jī) ?；绢愋椭芯褪侵皋D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式。直徑大于 1米的鐵心用扇形片拼成一個整圓 定子鐵心內(nèi)圓開有槽，定子槽型一般為開口槽 定子繞組 通入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 由銅線繞制而成的 由許多線圈聯(lián)結(jié)而成，每個線圈又是由多股線圈繞制而 成的 機(jī)座 固定定子鐵心 中小型電機(jī)鑄鐵；大型用鋼板焊接 轉(zhuǎn)子鐵心 磁路的一部分 隱級式：導(dǎo)磁較好且強(qiáng)度較高的合金鋼 凸級式： 1— 鋼板沖片而成 轉(zhuǎn)子鐵心上開了槽，為了放勵磁繞繞組，槽型是開口槽，有利于放置勵磁繞組 轉(zhuǎn)子繞組 產(chǎn)生 固定的 磁場 圓 銅線繞成 繞線轉(zhuǎn)子要利用集電環(huán)和電刷裝置 氣隙 使 磁場耦合 和異步機(jī)一樣，同步機(jī)也是由轉(zhuǎn)子與定子構(gòu)成。當(dāng)同步電機(jī)沖片外圓的直徑大于 1m 時，由于材料標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限制， 所以一般是由幾篇扇形硅鋼片拼成一個完整的圓， 然后 再 疊裝而成 （左邊為定子拼片） 根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙情況可以將轉(zhuǎn)子分為：隱極式轉(zhuǎn)子和凸極式轉(zhuǎn)子。 對于低速旋轉(zhuǎn)的 同步 電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速 低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。 （ 3）額定電壓 NU 第一章 同步電機(jī)概述 額定電壓是指電機(jī)額定運(yùn)行時，定子繞組出線端的線電壓有效值，單位為 V 或 KV （ 4）額定頻率 Nf 額定頻率是額定運(yùn)行時定子電樞繞組電氣量的頻率，我國的標(biāo)準(zhǔn)頻率為 50HZ （ 5）額定電流 NI 額定電流是指額定運(yùn)行時，定子繞組線電流的有效值，單位為 A。電動機(jī)的額定效率是額定運(yùn)行時轉(zhuǎn)軸輸出的機(jī)械功率（額定功 率）與定子繞組輸入的電功率（額定輸入功率）的比值。定子和轉(zhuǎn)子之間是空氣隙 （氣隙） 。電樞磁動勢將對主磁場產(chǎn)生影響 。但是一般情況下電樞磁動勢既不作用在直軸上也不作用在交軸上。 表示電動機(jī)向電網(wǎng)輸出的有功功率為負(fù)值。這樣 ? 由滯后 U? 一個鈍角變?yōu)槌?U? 一個銳角，從 而使 cos? ，輸入電功率 mUIcos? ，以及電磁功率均變?yōu)檎?。這樣一來， 功率特性的表達(dá)式便為： 20em d q dEU U 1 1P m s i n m s i n 2X 2 X X??? ? ?（ ） 上式除以轉(zhuǎn)子角速度 1? 后，得到電動機(jī)的驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩，于是有： 201 d 1 q dEU m U 1 1T m s in s in 2X 2 X X??? ? ??? （ ） 同步電動機(jī)正常運(yùn)行時，由電網(wǎng)輸入的電功率 1P ，出了很小一部分消耗了定子銅耗 cu1P 外，大部分通過定、轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而轉(zhuǎn)換為電磁功率 emP ，即為轉(zhuǎn)子的總功率，即： 1 cu1 emP P P?? 扣除定子鐵芯損耗 FeP 、 機(jī)械損耗 mecP 和附加損耗 adP 后，即為輸?shù)臋C(jī)械功率 2P ，故： e m F e m e c a d 2P P P P P? ? ? ? 無功功率的調(diào)節(jié)和 V 形曲線 與同步發(fā)電機(jī)相似，當(dāng)同步電動機(jī)輸出功率 2P 一定時，調(diào)節(jié)其勵磁電流 fI 即可改變電動機(jī)的無功功率。當(dāng)“過勵”時， 0E‘ ＞ 0E ，電樞電流中將包含一個超前的無功電流分量，起去磁作用。 圖 24 恒功率、變勵磁時隱極同步電動機(jī)的向量圖 第一章 同步電機(jī)概述 圖 25 同步電動機(jī) V 形曲線 由于同步電動機(jī)的最大電磁功率 emmaxP， 與 0E 成正比，當(dāng)減小勵磁電流時，則對應(yīng)的功率角 ? 增大，而過載能力則要降低。因為電網(wǎng)上的主要負(fù)載是從電網(wǎng)吸取滯后的無功電流的變壓器、感應(yīng)電動機(jī)、以及其他感性負(fù)載，而同步電動機(jī)在過勵 的情況下卻能從電網(wǎng)吸取超前的無功電流，這樣就可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的 電流分量 (勵磁電流 ) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配 ，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（ Band— Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻 率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生 PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。 1.、 00c c c cF B d q、 、 與 、 、坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)軸在空間并且以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的左邊系統(tǒng)。還有其他一些坐標(biāo)系統(tǒng)， 這里不一一列出。因此研究者應(yīng)該掌握各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法，并善于根據(jù)具體條件及問題的性質(zhì)加以利用。假如點擊的定子及轉(zhuǎn)子兩方面均不對稱，那么即使點擊的轉(zhuǎn)速為恒速，利用任何一種坐標(biāo)系統(tǒng)表示的電機(jī)基本方程也都是具有變系數(shù)的方程。 2 分量與α、β分 量及 d、 q 分量間的關(guān)系式為： 121 ()21 ()2i i jii i ji???????? 121 ()21 ()2jdqji i ji ei i ji e????????? 0ccdq、 、 坐標(biāo)系統(tǒng) 在此坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為 ： 000 0 0000 0 02 2 2c o s( 39。) sin( 39。 1 2 0 ) c o s( 39。 1 2 0 )31 ()3a b cq c a b ca b ci i t i t i ti i t i t i ti i i i? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? 反變換為： 第一章 同步電機(jī)概述 a 0 0 0000 0 00 0 0c o s( 39。 1 2 0 )c o s(