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开题报告
应用技术学院
毕业开题报告
设计名称直流电动机组设计
课题名称直流电动机组设计
专业电气工程及其自动化
班级0786班
学号29
姓名刘伯兴
指导教师陈强
2011年5月1日
湖南工程学院
课程设计开题报告
设计名称 1200V直流电动机组设计
题目1200V直流电动机组设计
专业班级电气工程0786
学生姓名刘伯兴
学号29
指导老师陈强
任务书下达日期2010年12月18日
设计完成日期2011年6月1日
湖南工程学院毕业论文文献综述
姓名
刘伯兴
系别
应院
班级
0786
学号
200713010629
指导教师
陈强
职称
讲师
专业
电气工程及其自动化
论文题目
1200V直流机组电动机设计
一、查阅中外文献资料目录
[1]《2009-2010年中国电机行业形势及发展趋势预测报告》
[2]《电机学》胡敏强编著
[3]《特种电机》内部资料
[4]《电气设计500列》李辛辟钦林主编
[5]《毕业设计指导(电气类专业使用)》刘祖润胡俊达主编
[6]《电机设计》西安交通大学陈世坤主编
[7]《电机传动与控制》程宪平主编邓星钟主审
[8]《电机制造工艺学》内部教材
[9]《电器工艺与工装》湖南工程学院李建明主编
[10]《电气理论基础》内部资料
[11]《机械基础》东南大学范思冲编
[12]《机械制图》内部资料
[13]《电机及拖动基础实验指导》周腊吾杨德志主编
[14]《电气信息类专业英语》第5章DCMachines/InductionMachines
二、文献综述(含本选题国内外研究现状、研究主要成果、发展趋势、存在问题等内容,字数不少于2500字,力求内容切题,具综合归纳性)
关于直流机组电动机设计的研究——文献综述
摘要:
直流机组电动机的设计主要包括电机基本尺寸的确定,及定转子基本尺寸的确定。
定转子的主要部件包括以下的:
主磁极主磁极的作用是建立主磁场。
绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。
主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。
主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴,它的作用是使气隙磁阻减小,改置,它由电刷,刷握,刷杆和连线等部分组成,电刷是石墨或金属石墨组成的导电块,放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面,旋转时与换向器表面形成滑动接触。
刷握用螺钉夹紧在刷杆上。
每一刷杆上的善主磁极磁场分布,并使励磁绕组容易固定。
为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗,主磁极铁心采用1~1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。
主磁极上装有励磁绕组,整个主磁极用螺杆固定在机座上。
主磁极的个数一定是偶数,励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N,S极交替出现。
端盖端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子,将定转子连为一体。
同时端盖对电机内部还起防护作用。
电刷装置电刷装置是电枢电路的引出(或引入)装一排电刷组成一个电刷组,同极性的各刷杆用连线连在一起,再引到出线盒。
刷杆装在可移动的刷杆座上,以便调整电刷的位置。
转子的主要部件包括:
直流电机的转动部分称为转子,又称电枢。
转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。
电枢铁心电枢铁心既是主磁路的组成部分,又是电枢绕组支撑部分;电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。
为减少电枢铁心内的涡流损耗,铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成,如左图所示。
小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上,大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上,然后再将支架固定在轴上。
为改善通风,冲片可沿轴向分成几段,以构成径向通风道。
电枢绕组电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成,他是直流电机的电路部分,也是感生电动势,产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。
线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成,分上下两层嵌放在电枢铁心槽内,上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘(右图),并用槽楔压紧。
大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。
换向器前面已经指出,在直流发电机中,换向器起整流作用,在直流电动机中,换向器起逆变作用,因此换向器是直流电机的关键部件之一。
换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒,其间用云母片绝缘,两端再用两个V形环夹紧而构成,如图3-10所示。
每个电枢线圈首端和尾端的引线,分别焊入相应换向片的升高片内。
小型电机常用塑料换向器,这种换向器用换向片排成圆筒,再用塑料通过热压制成。
关键词:
电动机发电机电磁绕组电枢绕组,无纬带紧固结构,无纬带箍性能试验,换向器,通风结构
1、前言
近50年来,随着电动机本体以及相关学科的发展,“无刷直流电机”的概念己由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。
无刷直流电机的发展亦使得电机理论与模拟和数字专用集成电路、大功率开关器件、现代控制理论、微处理技术以及高性能材料的结合更加紧密。
无刷直流电
1机集特种电机、变速结构、检测元件、控制软件与硬件于一体,体现了当今应用科学的许多最新成果,显示出广泛的应用前景。
2、正文
2.1历史背景
电能是现代最主要的能源,电机是与电能的生产、传输和使用有关的机电能量转换或改变电能特性的机械,把电能转换为机械能的称为电动机,把机械能转换为电能的称为发电机。
因为电流有交流、直流之分,所以电机也就主要分为交流电机与直流电机两大类。
电机是随着生产的发展而产生和发展的,而电机的发展反过来又促进社会生产力的更进一步的不断发展。
因此电机作为一种用来进行电能和机械能相互变换的电磁机械,随着工业发展进入自动化、计算机时代而催生出各种各类的电机门类,而作为各种生产性机械而得到大量应用的主要还是交流电动机和直流电动机。
对电机而言,能量形式的变换依赖于电机定子和转子之间的气隙磁场,对直流电机来说,定、转子的两个磁场分别均由直流电流产生,直流电机的结构一般均为定子采用凸极式(带有主极、换向极)、集中式绕组分布(带有励磁绕组、换向极绕组),而转子则采用散嵌式绕组均匀分布,并带有起换向作用的换向器。
通常,转子直径大于1米的直流电机称为大型直流电机。
就电机而言,直流电机与其它类型的电机(如异步电机、同步电机)相比,具有如下的优越性:
转速调整范围广、运行平滑。
过载起动和制动转矩大,且能适宜于频繁起动、制动。
负载急剧变化时可维持转速不变。
对供电系统及控制系统的要求不高,且由于大型直流电机均采用他激方式,电机的励磁回路相对独立,使得电气系统投资、使用及维护成本较低。
由于直流电动机具有上述这些良好的起制动及调速特性,过载能力强,控制方便等特点,因而对于起制动和调速性能要求较高的生产机械,多采用直流电动机来驱动,如钢铁、冶金行业的轧钢、轧铝用各类粗、精轧机及矿山行业矿井提升用的各类提升机。
随着国内外电机制造技术及工艺水平的飞速发展、电机传动控制技术的发展以及冶金、矿山等行业的需要,对电机的单机容量要求越来越大。
由于自动化程度越来越高,计算机应用越来越广泛,轧制生产的产品品种、范围、产量越来越大、越广,使得整个轧制系统均采用连轧的形式,且连轧机架越来越多,故此要求轧机电机惯量小,响应快,过载能力强,调速范围广,且功率越来越大,如以往窄带五机架连轧工程用电机功率普遍在1000KW到1250kW之间。
而现在所上宽带五机架连轧工程用电机功率普遍在2000kW到2500kW之间,薄板工程更大。
而功率增大后电机的本体就要放大,即转子直径放大,而转子直径大势必导致电机表面线速度高、转动惯量大、离心力大、相应地制造难度大。
且因我厂现有产品Z710系列电机涵盖的范围为800~1500kW,Z900系列电机涵盖的范围为1500~2250kW,在2250kW以上包含某些2000kW以上转速仅有100~200r/min的电机,就须做到ZD19号、20号机座,但因老机座号电机调速比做不大,又是座式滑动轴承、分离式底架结构,更加适应不了现有市场需求。
因此,在很长的一段时间内,对一些大功率、高转矩的电机较多地采用了双电枢或双电机串联传动的方式来解决,但该种结构方式由于总是存在两台电机制造时固有的电磁不完全相同及两套完全独立的传动控制系统而给电机传动造成电磁不平衡及负荷不平衡乃至不同步,尽管现有的计算机控制系统已能很好的做到对电机运行进行在线自动监测和控制,但双电枢或双电机的运行总不如单电机运行来得平稳和易于控制。
且双电枢或双电机的联接结构复杂,轴系较长,占地面积大,使用维护工作量也相应增加,因而总体投资及后续费用与单电机相比也不经济合理。
Z2-900型直流电动机就是根据上述情况,由我公司在原Z900型直流电动机的基础上为冶金、矿山、石化行业而开发的新一代产品,其涵盖的范围为1600~2500kW,转速为100~1000r/min,其主要性能特点是电机转动惯量小,响应快,过载能力强,调速范围广;主要结构特点是电机采用整体式框架结构,采用八角形机座、箱形端盖、端盖式滚动轴承结构,绝缘采用少胶粉云母箔卷包绝缘、VPI真空压力整体浸漆的F级绝缘结构,电枢绕组采用打无纬带紧固结构。
具有占地面积小、噪声低、投资省、易维护保养的特点。
2.2研究现状
Z2-900型直流电动机的设计、制造是在吸收消化Siemens、ABB公司先进技术的基础上独立开发设计的,其主要技术指标如线负荷、热负荷、磁密等基本上与Siemens、ABB处于同一水平。
每单位电机重输出转矩及每单位转矩转动惯量重略低于Siemens公司,如:
线负荷A≤710(A/cm)
热负荷A×△a≤4100(A/cm*A/mm2
磁通密度BZ3≤2.45(T)
每单位电机重输出转矩≤3(N·m/kg)
每单位转矩转动惯量≥13.1(kg·m/kN)
电机噪声(dB):
87-100(IEC标准限值为:
100-110)
总体而言,Z2-900型直流电动机的技术综合水平,已达到当代国际同类产品的先进水平,而其价格仅为进口电机的三分之一左右,目前在国内市场占有率在60%以上。
)2.3发展趋势
Z2-900型直流电动机就是根据上述情况,由我公司在原Z900型直流电动机的基础上为冶金、矿山、石化行业而开发的新一代产品,其涵盖的范围为1600~2500kW,转速为100~1000r/min,其主要性能特点是电机转动惯量小,响应快,过载能力强,调速范围广;主要结构特点是电机采用整体式框架结构,采用八角形机座、箱形端盖、端盖式滚动轴承结构,绝缘采用少胶粉云母箔卷包绝缘、VPI真空压力整体浸漆的F级绝缘结构,电枢绕组采用打无纬带紧固结构。
具有占地面积小、噪声低、投资省、易维护保养的特点。
3、总结
本课题是以自动门用永磁无刷直流电机为核心展开研制工作,它结合电磁场技术、传感器技术、电力电子技术、单片机技术以及红外线技术等,在认真分析目前自动门采用的技术的基础上,并结合有关文献,研制自动门的硬件和软件。
课题建立了分析自动门用永磁无刷直流电机的电动机模型,实现了场路藕合时步有限元法在电机设计上的应用,并经过仿真验证,取得了预期的效果,达到了开题时的目标。
本课题所完成的研究工作有:
(l)分析了在现阶段国内外对永磁无刷直流电机的应用高潮,用户对永磁无刷直流电机的要求也在不断提高的形势下,以最小的代价快速、高效地设计出符合要求的电机的必要性,阐述了永磁无刷直流电机的结构及工作原理,并建立了电机数学模型;
(2)对无刷直流电机电磁设计方法:
等效磁路法、等效磁网络法、镜像法和电,磁场有限元法以及它们在电磁设计中的应用进行了比较研究,提出了采用场路祸合时步有限元法;
(3)在参考大量的电动机定转子结构尺寸,根据电机工作特性要求进行大量计算,由计算结果调整电机的结构,最终确定了定子结构尺寸、永磁体尺寸、极靴等关键参数;将场路结合法应用到样机的电磁设计中,通过把单流和换流模式下的等效电路引入场路祸合时步有限元法中,合理的考虑了续流二极管的作用,使计算更为准确;通过有限元法跟试验数据的对比,进行了验证和分析;
(4)选用电机优化控制芯片PIC16F77为控制电路核心,设计了永磁无刷直流电机控制系统。
硬件设计上,利用PIC16F77丰富的外设优势,使得控制器硬件结构简单,系统可靠性高;控制器软件的设计则充分利用PIC单片机强大的中
断处理能力,重点是各中断处理程序的编制;
(5)完成各种控制功能及整体方案的验证试验。
电机的测试试验表明,电机转速波动较小,运行稳定,对于采用简单反馈装置的永磁无刷直流电机来说,控制效果较好。
通过大量的试验证明了控制方案及整体设计的正确性与可行性。
虽然本论文己经进行了不少的实际工作,但是由于本文的研究内容是一个技
术性和实用性相结合的命题,整个系统涉及专业领域较多,限于时间,使某些
很有意义的工作还未能深入研究下去,例如,永磁无刷直流电机的换向转矩脉动问题是实现其在高精度伺服领域应用的关键问题,控制算法上应用现代控制理论,从而实现复杂的控制算法和故障诊断等等,这一切,都会在以后的工作中逐步研究解决。
4、参考文献
《2009-2010年中国电机行业形势及发展趋势预测报告》
《电机学》胡敏强编著
《特种电机》内部资料
《电气设计500列》李辛辟钦林主编
《毕业设计指导(电气类专业使用)》刘祖润胡俊达主编
《电机设计》西安交通大学陈世坤主编
《电机传动与控制》程宪平主编邓星钟主审
《电机制造工艺学》内部教材
《电器工艺与工装》湖南工程学院李建明主编
《电气理论基础》内部资料
《机械基础》东南大学范思冲编
《机械制图》内部资料
《电机及拖动基础实验指导》周腊吾杨德志主编
《电气信息类专业英语》第5章DCMachines/InductionMachines
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
设计方案的合理性与创造性
开发板焊接及其调试完成情况
硬件设计或软件编程完成情况*
硬件测试及软件调试结果*
设计说明书质量
设计图纸质量
答辩汇报的条理性和独特见解
答辩中对所提问题的回答情况
完成任务情况
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组织纪律性(出勤率)
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