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1、 毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书课程设计名称：课程设计名称： 机电一体化毕业设计机电一体化毕业设计 题题 目：目： 电动机技术发展、工作原理及维护电动机技术发展、工作原理及维护 学学 生生 姓姓 名：名： 雷雲凯雷雲凯 专专 业：业： 机电一体化机电一体化 学学 号：号： 1008103118 指指 导导 教教 师：师： 日期：2013/5/23引言 近几十年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，中、小功率电动机在工农业生产及人们的日常生活中都有极其广泛的的应用。特别是乡镇企业及家用电器的迅速，更需要大量的中小功率电动机。由于这种电动机的发展及广泛的应用，它的使用、保
2、养和维护工作也越来越重要。本文主要介绍了电动机技术发展及现状、工作原理、电动机的运行维护。 关键词：电动机 技术现状 工作原理 运行维护 第一章第一章 电动机技术发展及现状电动机技术发展及现状 电机是利用电磁感应原理工作的机械。随着生产的发展而发展的，反过来，电机的发展又促进了社会生产力的不断提高。从 19 世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来，虽然电机的基本结构变化不大，但是电机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电机的理论基础上又发展出许多种类的控制电机，控制电机具有高
3、可靠性好精 确度快速响应的特点，已成为电机学科的一个独立分支。 它应用广泛，种类繁多。性能各异，分类方法也很多。电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械，也是最主要的用电设备，各种电动机消耗的电能占全国总发电量的 60%-70%。另一种分类方法是按照电机的结构或转速分类,可分为变压器和旋转电机.根据电源电流的不同旋转电机又分为直流电机和交流电机两大类.交流电机又分为同步电机和异步电机。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制
4、简单调节性能好耗损小经济，能实现远距离控制和自动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。 纵观电力拖动的发展过程，交，直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19 世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实
5、现这些要求，所以 20 世纪以来，在可逆，可调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。 综观近年世界无刷直流电动机技术发展，呈现下列发展动向：1、 产品向专用化、多样化方向发展几乎所有的无刷电动机产品都是为特定用途设计制造的。试图生产一种通用系列无刷电动机来适应千变万化的市场需求，是不可能的。各公司设计制造各种特殊结构、特定用途的无刷直流电动机，在设计、结构和工艺新技术方面不断的革新，以适应不同整机市场的需求。无论是采用铁氧体永磁或稀土永磁的永磁无刷直流电动机，常见的永磁转子结构是表面粘贴式（SPM） 。近年，日本各知名家电厂商在新一
6、代变频空调压缩机的永磁无刷直流电动机中，分别采用了各自的专利转子结构，嵌入式永磁（IPM）转子结构已成为主流。 IPM 转子结构的电动机可得到较高的效率，增强转子抗高速离心力能力。二、通过结构和工艺革新，以生产自动化、规模化，使产品向低成本、低价格方向发展 .由于电子换相电路的成本高于机械换向器，因而使无刷直流电动机的成本及售价增加，无刷直流电动机的价格是限制其应用扩展到民用产品的领域的主要因素。针对国内外汽车行业、家电行业及办公自动化领域对低成本无刷直流电动机需求量越来越大的现状，所研制的新型永磁无刷直流电动机，目的在于提供一种结构简单、制作容易、性能可靠、控制方便、成本低廉的无刷直流电动机
7、，以便适用于工业控制特别是各类民用产品的领域。在结构和工艺革新的例子：分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法的采用。对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结构的电机比较方便；但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机，就要困难得多了。为此，一些分割型定子铁心结构的构思提出来了。这种分割型定子铁心结构工艺技术使永磁无刷直流电动机生产实现高效率、大批量、自动化，日本有多家厂商效法，推出自己专利的定子铁心分割方案。这一技术已开始引起国内个别厂家关注，并进行探索试验。目前，在 IT 领域，例如软盘、硬盘、光盘驱动器、DVD、CD 主轴驱动器使用的无刷直流电动机由于市
8、场竞争，大规模生产，价格已经相当低了。三、在电机设计方面，过去，无刷直流电动机大多采用整数槽设计。近年，分数槽技术在永磁无刷直流电动机的应用日益增多。就系统的控制器而言，因运动控制系统是快速系统，特别是交流电机高性能的控制需要实时快速处理多种信号，为进一步提高控制系统的综合性能，近几年国外一些大公司纷纷推出较MCU（单片微控制器）性能更加优越的DSP(数字信号处理器 )单片电机控制器，如ADI 的 ADMC3xx 系列， TI 的 TMS320C24系列及 Motorola 的 DSP56F8xx 系列。都是由一个以DSP 为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使价格
9、大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。现 DSP 的最大速度可达 2040MIPS 以上，指令执行时间或完成一次动作的时间快达几十纳秒，它和普通的MCU 相比，运算及处理能力增强 1050倍，确保系统有更优越的控制性能。Microchip Technology（美国微芯科技公司）日前宣布其六款 dsPIC16位数字信号控制器（ DSC）现已投入量产。新器件的运算速度可达 20和30MIPS，配备自编程闪存，并能在工业级温度和扩展级温度范围内工作。这些卓越的性能特性使六款新数字信号控制器成为需要更高精确度、更快转速或无传感控制的电机控制应用领域的理想解决方案。Microchip 的
10、 dsPIC 数字信号控制器既拥有 16位闪存单片机的高性能，又兼具数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力。 16位单片机为核心的 dsPIC 数字信号控制器不仅具有功能强大的外围设备和快速中断处理能力，又融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能，堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案，从而使设计人员能够将多种功能集成在一起，同时节省电路板空间。 dsPIC30F2010采用28管角 SOIC 及SPDIP 封装，具有 12K 字节增强型闪存，特别适合采用先进算法的电机控制应用。 dsPIC30F2010和 dsPIC30F6010均具有脉宽调制（ PWM）模块和一个 500KS
11、PS 的10位模数转换器，是控制多种不同类型电机的理想之选，如三相交流感应电机、三相无刷直流电机及开关式磁阻电机等。按照无刷直流电动机工作原理，必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信号。它有必须占用电机一些空间、安装位置对准、需较多引出线、影响可靠性等缺点。在某些场合，如压缩机内有高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此，80年代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法，是当代无刷直流电动机控制研究热点之一，它从电子电路以软件方法获得转子磁极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它
12、检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个成功例子。无刷直流电动机的电子换相控制模式分为两大类：方波驱动和正弦波驱动。就其位置传感器和控制电路而言，方波驱动相对简单、价廉而得到广泛应用，是目前绝大多数无刷直流电动机的驱动方式；正弦波驱动需要高分辨率位置传感器，如旋转变压器、光电编码器，控制电路相对复杂，成本较高。正弦波驱动是借助高分辨率位置传感器作用，以强制提供正弦波相电流为特征的无刷直流电动机电子换相方法。与方波驱动相比，它具有低转矩波动、平滑的运动、小的可闻噪声，和容易利用领先角技术实现弱磁控制，拓宽调速范围等优点。过去主要用于军用、工业用较高要求的伺
13、服系统。高速MCU 和 DSP 控制器的普及应用和价格大幅度降低 ,使性能优异的正弦波电流控制方式在价格方面的限制得到缓解 ,更受关注。例如 ,西门子公司早期开发的 1F5系列方波电流控制方式的无刷直流电动机现在已经停止生产，代之以正弦波电流控制方式的 1F6系列。近年出现的新一代或称简易位置传感器正弦波换相控制技术，不需要高分辨率位置传感器，特别是支持这种控制技术的新一代无刷直流电动机正弦波控制芯片的问世，大大促进无刷直流电动机控制正弦化趋向的形成。使它们在计算机外围设备、办公自动化设备、甚至家用电器的小功率无刷直流电动机驱动控制中开始得到应用。这种控制芯片的例子是：ST Microelec
14、tronics 公司的 L7250电动机驱动微控制器，朗讯 （ Lucent Technologies Microelectronics Group）2001年研制出的高端硬磁盘驱动器（ HDD）电动机控制器集成电路VC2010和 VC2100，Toshiba 的 TMP88CS43可编程电动机驱动微控制器等。无刷直流电动机在计算机外围设备、办公自动化设备、白色和黑色家用电器应用日益增多，人们对它们的噪声要求也越来越苛刻。无传感器、或只需简易位置传感器，以低转矩波动、平滑运动，小可闻噪声、成本适中而见长的新一代正弦化无刷直流电动机及其驱动器将得到越来越广泛的应用，有良好的发展前景。虽然直流电动
15、机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，因此它今后将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。 稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床，加工中心，柔性生产线，机器人，电动车，高性能家用电器，计算机等等。稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10以上，专用稀土永磁电机可高达15%20。电动机的
