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压缩包内含CAD图纸和三维建模及说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要卷扬机又称绞车。是起重垂直运输机械的重要组成部分，配合井架、桅杆、 滑轮组等辅助设备，用来提升物料、安装设备等作业，由人力或机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。垂直提升、水平或倾斜曳引重物的简单起重机械。分手动和电动两种。现在以电动卷扬机为主。本次设计的5吨电动卷扬机是由电动机、连轴器、制动器、减速器、卷筒、导向滑轮、起升滑轮组、吊钩等组成。 本次设计的步骤是从钢丝绳开始入手，然后依次对卷扬机的卷筒、卷筒心轴、电动机、减速器齿轮、减速器轴、制动器、联轴器以及卷筒机的导向滑轮设计与选取。其中卷筒、卷筒轴、卷筒毂、减速器的设计最为主要，本设计重点做了介绍，其余部分有得只是略作分析。 本次设计的卷筒机由于它结构简单、搬运安装灵活、操作方便、维护保养简单、对作业环境适应能力强等特点，可以应用于冶金起重、建筑、水利作业等方面，但是此次设计的卷筒机主要运用于用于5吨桥式吊车起升机构。提升重物是卷扬机的一种主要功能，各类卷扬机的设计都是根据这一要求为依据的。 关键词：卷扬机；卷筒；卷筒轴；减速器AbstractAlso known the hoist another name is winch. Vertical lifting transport machinery is an important component of the tie in with the derrick, mast, pulley blocks, and auxiliary equipment, used to enhance the materials, installation of equipment operations, from human or mechanical power-driven drum, winding traction rope to complete the installation work. Vertical, horizontal or inclined simple tractor Lifting heavy objects. Two types of the hoist are manual and electric two kinds. and Now to the main electric winch. The design of the 5-ton electric hoist motor contions electromotor 、coupling、arrester、retarder、drum、boom sheave 、a system of pulleys set、hook, etc. This design of hoist is start from the wire rope, and next then turn on the winch drum, drum spindle, motor, gear reducer, speed reducer shaft, brakes, couplings and pulley drum machine-oriented design and selection. On drum, drum shaft, drum hub, most major reducer design, the design are focus introduced, and the rest is just a little something for analysis. The design of the drum machine because of its simple structure, handling the installation of a flexible, convenient operation, simple maintenance, and operating environment features such as adaptability, can be applied to lifting metallurgical, construction, operations and other water conservancy, but the design mainly applied to the drum machine for 5-ton overhead crane hoisting mechanism. Heavy winch upgrade is one of the main functions of the design of various types of winches are based on based on this request.KEY WORDS: hoist；drum; drum shaft; retarder目录摘 要1Abstract1绪 论21. 卷扬机的主要设计参数42. 卷扬机的分类与特点62.1 根据卷筒的个数分类：62.2 根据卷扬机使用的动力源不同分类62.3 卷扬机的工作过程62.4 起升机构的构成63.卷扬机构各部分的设计与计算83.1钢丝绳的计算校核与选用83.1.1 钢丝绳的分类：83.1.2钢丝绳的选用与计算：83.2 卷筒的尺寸计算与确定83.2.1卷筒的设计计算与强度校核93.2.2卷筒厚度计算:93.2.3卷筒的强度计算机校核检验：93.3卷筒轴的设计与校核103.3.1轴上的作用力计算103.3.2计算该轴的工作应力113.2.4卷通轴的静强度计算123.4电机及减速器的设计与选择133.5减速器的设计与计算133.5.1传动比的确定与传动效率的计算133.5.2各轴转速的计算143.5.3各轴的转矩计算153.5.4齿轮的设计与计算153.5.5齿面接触应力计算153.5.6齿轮设计：163.5.7轴的设计计算：193.5.8减速器箱体的设计与计算203.6联轴器与制动器的选择203.7制动器的选择214.小车行走机构的设计234.1轨道234.2车轮材料234.3车轮直径的计算235.结论25参考文献26附录1外文翻译28附录2外文原文36致谢52绪 论本次设计的题目是5T单梁桥式起重机的卷扬机构设计，随着工业、农业、建筑业、制造业、运输业等的发展，卷扬机的应用越来越多。目前，国内的卷扬机发生故障较多、监管工作不足。桥式起重机做作为物料搬运的起重机械在国民经济发展中起着至关重要的作用。因此，设计一款可靠性高，制造成本低，运行精度高的桥式起重机是大势所趋。当下社会，各行各业越来越多的应用机械生产来替代原有的人工制造，节约了制造成本的同时，也大大的提高的产品的质量以及生产效率，为社会的进步与发展做出了巨大的贡献。这其中应用十分广泛的起重机械起到了巨大的促进作用。我国的起重机械相关的技术有着悠久的历史，如长、故宫的修筑、历朝历代的古都上十分巨大的铸种和数十吨甚至上百吨的巨大雕像等的运输与吊装，都凝聚着我国古代劳动人民的智慧。卷扬机还有一个别名叫做绞车，是应用在一些需要水平移动或者垂直升降机构的重要装置，起重机械都会安装有特定的卷扬机构用于作业，还有一些越野车以及厂矿企业会安装有卷扬机。由于卷扬机结构简单、操作方便、方便维护、使用成本低等一系列优点，被广泛应用在起重、采矿、冶金、加工制造业和建筑业之中。卷扬机的主要作用是用于提升重物，当下汽车吊和塔吊发展十分迅速，逐渐进入了起重机市场，但是塔吊成本高，安装复杂，一般在建筑行业应用的比较广泛，可以更好的提高建筑施工的效率。而汽车吊的机动性很好使用灵活而广受欢迎，单是汽车吊对于作业环境要求较高且起升重量受到车体结构与设备的限制，无法充分发挥其效能。而卷扬机的制作方便简单，能够适应不同的工作环境，且起升重量范围十分广泛，从而受到欢迎，在一些港口、大型的装配车间和厂矿企业都可以看到他们的身影，应用十分广泛。我国卷扬机的状况在古时候，我们的祖先就将手动的绞车放在井上，利用人力来旋转转筒来提升水桶打水，这就是我们当下的卷扬机的鼻祖，充分体现了古代劳动人民的的智慧。在没有解放之前，我国只有一些有实力的大型企业才有卷扬机的应用，应用很少，那时候我国的工业制造能力差，国内还没有能够生产卷扬机的厂家，应用的全部卷扬机都是在国外购买。年代，国家大量基建工程陆续上马，制造业发展迅速，对于起重机的需求日益旺盛。因此我国的一些卷扬机生产厂家（阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器广、宝鸡起重运输机厂）组建了一个卷扬机生产组织。新组织参照已有卷扬机的产品进行模仿与创新，制造出一些小吨位的电控卷扬机，但这些小型卷扬机无法满足当时的使用需求，所以那些大吨位的起重机和卷扬机仍然需要进口。等到了70年代，经过多年的实践摸索以及生产经验，我国卷扬机的技术大步提升，产品种类也从以前的单一品种发展到能适应哥哥行业的多种类型卷扬机。为适应当时生产发展的需要，我们的工业部发布了JB92674卷扬机型式与基本参数和JBl80376卷扬机技术条件两个部标准，是我国的卷扬机行业进入了标准化的阶段，各个厂家可以参照国家颁布的标准进行分工生产，提高了企业的生产效率和产品质量，增强了卷扬机零件的互换性与通用性。如今，我国的卷扬机与起重机产业发展势头良好，知名的企业有徐工机械、厦工机械、柳工机械等等一些国际知名的企业，他们制造的产品不仅受到国内企业军队和一些用户的欢迎，并且每年都会大量出口到其他国家，增强我国知名度并为国家创立了大量外汇收入。国外卷扬机的发展状况在西方技术先进的一些国家中，工业发展起步较早，工业产品水平先进，机械化进程不断提高，起重设备也在不断更新，卷扬机的品种繁多，应用十分广泛。美国哲恩有限公司是美国较大的生产起重设备的公司，主要产品有各种手动卷扬机、电动卷扬机、起重机等相关设备。手动卷扬机的主要品种有：直齿传动卷扬机、蜗杆传动卷扬机；电动卷扬机的主要品种有：蜗杆传动系列、直齿齿轮传动系列、直接驱动系列、链传动系列。日本日本从明治30年开始制造卷扬机。据日本的相关部门统计计，19701975年间日本卷扬机行业的产量增加62.5。在1977年卷扬机的产量就达到12万台，创造产值产值约100亿日元。现在日本主要生产厂家有北川铁工所、远藤钢机、南星、越野总业、艺浦、松岗产业等80多个厂家。其他国家，如俄罗斯、英国、挪威、瑞典、加拿大、德国等也都生产着不同用途的各种型号的卷扬机。而俄罗斯在我国建国初期给予我国大量的卷扬机成套图纸，为我国的卷扬机行业发展做出了巨大的促进作用。1. 卷扬机的主要设计参数：本次设计用到的基本参数：额定起升重量：5吨。起升高度：14米。起升速度：12.5米/分。卷扬机用途：应用在5吨单梁桥式起重机。工作条件：频繁启动 粉尘量比较大大的工作环境。单梁桥式起重机的主要构成部分有：电动机、电磁式制动器、齿式联轴器、起重机用减速器、卷筒、滑轮组与钢丝绳等组件构成。机构简图如图1-1图1-12. 卷扬机的分类与特点2.1 根据卷筒的个数分类：卷扬机的主体结构分布与该卷扬机应用的卷筒数目有关。卷扬机根据卷筒数目可分为单筒卷扬机、双筒卷扬机和多筒卷扬机三类。现在市面上以及实际应用工作中的大多数卷扬机都是用单卷筒或者双卷筒，单筒卷扬机应用在一些起重重量小的环境，这种单卷筒卷扬机制作成本低，在发生故障时维修费用和工序简单，现在被广泛的应用，也有一些特殊的卷扬机会增加一个辅助卷筒来提高工作效率，例如那些大型吊车，它们会采用辅助卷筒，在前起升重量小时，会用那个小卷筒来进行工作，节省燃料。当起升重量大时，便会使用主卷筒来进行工作。2.2 根据卷扬机使用的动力源不同分类1.手动型：应用于一些小重量起重场合，便于移动和安装，使用方便2.电动型：利用电动机带动相应的传动机构对重物进行起降作业，这种类型的起重机应用非常广泛，多数工厂在厂房内安装这种卷扬机，能极大提高生产效率。3.内热机类型：这种卷扬机最大的优点是机动性与适应性好，可以在一些比较偏远的和没有电源地方工作，起重重量大，可以装载在汽车上成为随车吊。4.液压动力型：能够与一些带有液压装置的设备进行配合使用，该类型卷扬机运行时起升与下降柔和，对整体机构的损害最小，提高设备的使用寿命。2.3 卷扬机的工作过程制动器在不工作时通过弹簧使制动片时刻贴紧制动轮，整个机构处于静止状态。当触动启动开关时，电磁铁工作使制动片与制动轮分离，同时电动机工作带动减速器齿轮转动，减速器将动力传到卷筒轴，卷通轴通过卷绕或者下放钢丝绳来提升或者下降重物。当开关断开后，制动器工作，整个机构停止运行，重物在空中停止。2.4 起升机构的构成起升机构是通过齿轮减速器联轴器传动使重物作升降运动的机构，它是起重机最主要且最基本的机构。 我们设计的电动5吨卷扬机是由电动机、连轴器、制动器、减速器、卷筒、起升滑轮组、钓钩等组成（如图2-1）。3.卷扬机构各部分的设计与计算3.1钢丝绳的计算校核与选用3.1.1 钢丝绳的分类：3.1.2钢丝绳的选用与计算：查机械设计手册知：我们选取钢丝绳类型为先接触型（减少弯曲应力，结构紧密，消除了点接触的二次弯曲应力，使用寿命长）由于本卷扬机构长期频繁使用，我们定机构利用等级为T5（6300h）.（1）.钢丝绳的计算根据公式 根据机构利用等级为T5，C查机械设计手册 c=0.10000，S为最大静拉力，本机构采用双动滑轮，则钢丝绳最大静拉力为1.25吨，取最大静拉力为1.3吨 s=130010/N=13000N则d11mm根据芯材料可以选用纤维芯钢丝绳（619s+a）也可以选用钢芯钢丝绳(619s+FC）钢丝绳最小破断拉力总和=58.610001.214+71.14KN 能够达到使用要求钢丝绳代号：11-NAT-FC-1470-2S3.2 卷筒的尺寸计算与确定 卷筒经查机械设计手册和起重机设计手册，我们选用齿式接盘连接形式卷筒，如图3-1 图3-1 选用齿轮接盘连接型式3.2.1卷筒的设计计算与强度校核卷筒的名义直径： （3.1）查手册得： 则 取 绳槽半径： （3.2）绳槽深度： （3.3）绳槽节距： （3.4）卷筒长度：绕线采用多层，则多层卷筒长度 （3.5）每层绕线圈数z取30，由起升高度为14m经计算得卷绕层数层绕线部分长度：mm （3.6）端部长度： （3.7）端部长度根据实际需要而定则卷筒长度mm3.2.2卷筒厚度计算:卷筒材料分类：钢和铸铁卷筒查找手册可知使用铸铁卷筒能够有效的延长钢丝绳的使用寿命，则 取 （3.8）3.2.3卷筒的强度计算机校核检验：本卷扬机的起重吨位属于小吨位范畴，材料采用HT200的铸铁，卷筒在受最大拉力作用时会产生最大的压应力和弯矩产生的扭曲应力。查机械设计手册知:当时，只需计算表面最大压应力即可。 （3.9） 与卷筒的层数有关的系数 钢丝绳最大拉力，N 卷筒绳槽节距，mm 卷筒壁厚，mm 许用应力 铸铁：. 抗压强度 （3.10） 查手册知 则 所以卷筒的抗压强度满足使用的要求3.3卷筒轴的设计与校核钢丝绳的拉力，卷筒直径，钢丝绳直径，卷筒外齿的分度圆直径。我们选用应用最广泛的45钢来做为轴的材料，采用调质处理，抗拉强度，屈服点，弯曲疲劳极限，扭转疲劳极限。整个轴是卷筒一起转动的，这种轴我们称之为心轴，在计算受力时应当根据钢丝绳在极限位置时的受力来进行计算，由图可知，钢丝绳处于最右端时整个轴的受力是最大的，我们应按照它的最大应力来进行强度计算，查阅起重机设计手册，机械设计手册，根据此卷扬机构的应用等级以及起重重量初步得出了心轴的各段长度以及相应的直径如图所示。3.3.1轴上的作用力计算卷筒齿轮的圆周力： （3.11）卷筒齿轮的径向力： （3.12）与轴垂直的支撑反力以及弯矩如图3-5水平面的支撑反力： （3.13）垂直面的支撑反力 （3.13）合成反支撑力: （3.14）水平面的弯矩： （3.15）垂直面的弯矩： （3.16）合成弯矩： （3.17）3.3.2计算该轴的工作应力卷通轴是是心轴，所以只存在弯矩，没有转矩，如图3-5因此我们应找到弯矩最大的点来进行计算。 （3.18）则经过圆整后取，中间段3.3.3卷筒轴的疲劳强度计算应当用钢丝绳的当量拉力来进行卷筒轴的疲劳强度计算， （3.19）为钢丝绳的当量拉力为当量拉力系数经查机械设计手册，我们取当量拉力系数为1查阅相关资料可知，对于心轴的的应力，可以按照脉动应力循环规律进行变化。则 （3.20） 则平均应力和应力幅为：由于本轴的结构简单，在布局上属于对称结构，在尺寸有变化的地方会有应力的存在并且此处的弯矩应为最大的，所以在尺寸有变化的地方会出现危险截面，我们应用此处来进行轴的疲劳强度计算。查机械设计手册知有效应力集中系数,表面状态系数，绝对尺寸系数，等效系数。计算所得的疲劳强度安全系数： （3.21）查机械设计手册知，一般机械的疲劳强度安全系数,因此轴的的疲劳强度满足使用要求，符合设计标准，可以应用。3.2.4卷通轴的静强度计算计算卷通轴的静强度要利用静强度拉力来进行计算 （3.22） 为静强度时计算的最大拉力 为动载荷系数，经查机械设计手册知取1.35根据静强度计算的安全系数 （3.23）当时,该轴的强度满足使用要求，符合设计规定。3.4电机及减速器的设计与选择根据卷筒直径与提升速度计算出卷筒的转速为:卷筒转速为传动机构运转的静功率： （3.24） （3.25） 为起重重量 为吊具重量 为总效率（滑轮组、联轴器、齿轮效率） 机构的静功率 （3.26）电动机功率 则查机械设计手册：选用YZ或者YZR系列起重及冶金用三项异步电动机型号：YZL160L-6 转速：920r/min额定电压：380V 50HZ 额定功率：15KW3.5减速器的设计与计算3.5.1传动比的确定与传动效率的计算总传动比 为电动机额定转速 为卷筒转速 （3.27） 传动机构采二级直齿圆柱齿轮减速器传动比的分配为使各级传动的承载能力大致相等（齿面接触强度大致相等、各级大齿轮浸油深度相等）使传动比分配为 （3.28） 为高速级传动比 为低速级传动比求得 效率计算： （3.29） （GCL2型联轴器） （深沟球轴承） （齿轮精度为8级） 传递到卷筒的功率为满足要求。3.5.2各轴转速的计算轴：与电机相连转速与电机相同为920r/min轴: （3.30）轴： （3.31）卷通轴： （3.32）轴的功率计算轴： （3.33）轴: （3.34）轴： （3.35）卷通轴： （3.36）3.5.3各轴的转矩计算查机械设计手册知转矩计算公式为： （3.37）电机轴： （3.38）轴： （3.39） 轴: （3.40）轴: （3.41）卷通轴： （3.42）3.5.4齿轮的设计与计算本设计中齿轮材料选用应用广泛的45#钢大齿轮：采用45#钢 正火处理小齿轮：采用45#钢 调质处理查机械设计手册知：接触疲劳极限大齿轮：小齿轮：应力循环次数： 为齿轮工作寿命（单位为h）机构为但齿轮啮合则 齿轮的工作年限为10年 每年工作300天 8小时工作制则 3.5.5齿面接触应力计算查机械设计教材知：接触疲劳寿命系数 安全系数S取1齿面接触应力 =524.4MPa =523.8MPa取小值 =523.8MPa计算许用弯曲应力 弯曲疲劳极限分别为：小齿轮 大齿轮 弯曲强度的计算寿命系数： 弯曲强度最小安全系数： （3.43）齿轮的弯曲应力： （3.44） （3.45）3.5.6齿轮设计：第一级传动螺旋角,根据小功率高转速选小值，大功率低转速选大值查机械设计手册与参照已有产品，选取螺旋角小齿轮齿数：大齿轮齿数： （3.46）根据接触强度计算分度圆直径： （3.47）查手册知：载荷系数节点区域系数：弹性系数：齿数比：齿宽系数：根据接触疲劳强度计算的重合度系数：所以，模数： 在满足使用的情况下取小值 （3.48）中心距： （3.49）实际分度圆螺旋角计算： （3.50） 分度圆直径： （3.51） （3.52）齿顶圆直径： 为齿顶高系数 取 （3.53）则 齿根圆直径： 取0.25 取1 （3.54） 齿宽 取1 （3.55）则 经校核计算，齿根弯曲强度满足使用要求。 第一级传动中的具体参数与尺寸 名称 小齿轮 大齿轮 选用材料与处理方法 45钢调制 45钢正火 具体参数 齿数 19 152 模数 2分度圆压力角 20齿顶高系数 1 1齿隙系数 0.25 0.25 尺寸 中心距 173 分度圆直径 38 308齿顶圆直径 40 310齿根圆直径 33 303齿宽 43 38第二级传动小齿轮齿数：大齿轮齿数： （3.56）根据接触强度计算分度圆直径： （3.57）查手册知：载荷系数 节点区域系数：弹性系数： 齿数比： 齿宽系数： 节点区域系数：根据接触疲劳强度计算的重合度系数：齿宽系数： 所以， 模数： 在满足使用的情况下取小值 （3.58）中心距： （3.59）实际分度圆螺旋角计算： （3.60） 分度圆直径： （3.61） 齿顶圆直径： 为齿顶高系数 取 （3.62） 则 齿根圆直径： 取0.25 取1 （3.63） 齿宽 取1 （3.64） 则 经校核计算，齿根弯曲强度满足使用要求。 第二级传动中的具体参数与尺寸 名称 小齿轮 大齿轮 选用材料与处理方法 45钢调制 45钢正火 具体参数 齿数 19 108 模数 5分度圆压力角 20齿顶高系数 1 1齿隙系数 0.25 0.25 尺寸 中心距 317.5 分度圆直径 95 540齿顶圆直径 100 545齿根圆直径 92.5 542.5齿宽 101 963.5.7轴的设计计算：轴的结构如图3-7查手册知 可以根据扭转强度计算 （3.65）为轴传递的功率 为轴的转速 轴的材料采用45#钢 应用广泛 轴： 轴:轴:轴齿轮直径较小，将其制作成齿轮轴，轴端处安装联轴器，故将其直径增加5，取，轴承处取,其他处根据结构而定。轴有两个键槽，轴径需要增大10，取,轴承处取，其它根据结构而定。轴有一个键槽，轴径需要增大5，取，其他根据结构而定。轴肩(环）高度： ，取整轴环宽度： 取整轴颈长度： 由轴承工作能而定 和分别有热膨胀和安装误差确定 按GB/T6403.4选取图3-73.5.8减速器箱体的设计与计算查机械设计手册，参照QJR型起重机减速器而设计如图，根据需要制定选取尺寸。各部分厚度：底座壁厚 取 箱盖壁厚 取 底座上部凸缘厚度 取 箱盖凸缘厚度 取 底座下凸缘厚度 底座加强筋厚度 取 箱盖加强筋厚度 取 地脚螺栓直径 轴承座连接螺栓直径 底座与连接螺栓直径 轴承盖固定螺栓直径 视孔盖螺栓直径 图3-63.6联轴器与制动器的选择联轴器的参数计算理论转矩 （3.66）为驱动功率 KW为工作转速 r/min为动力系数 电动机取1 为工况系数 查手册知取1.75为启动系数 与启动频率有关取1公称转矩则 轴联轴器 轴联轴器3.7制动器的选择制动器分为摩擦式制动器和非摩擦式制动器查机械设计手册和根据工作环境我们确定使用JZ型交流节能电磁块式制动器JZ型交流节能电磁块制动器工作原理：制动器转矩的计算 （3.67）为重物质量与吊具质量之和为卷筒计算直径为滑轮组倍率制动轴到卷筒轴的机械效率制动轴到卷筒轴的传动比 为重力加速度则 制动力矩满足要求，选用JZ-200型制动器将制动器与轴和电动机相连 图4-14.小车行走机构的设计小车的行走机构的主要作用是通过水平运动，将起升机构运动到相应的位置来对货物进行吊装作业，小车在整体的机构中也是一关键机构，它的质量与制造精度都影响着整个卷扬机构的使用寿命。运行小车一般分为有轨运行与无轨运行两种，我们的卷扬机是采用的有轨运行4.1轨道起重机轨道有专用轨、铁路轨、方轨和P型轨绝大多数采用P型轨，我们也选用P型轨4.2车轮材料由于起重机吊装质量较小，可以选用45号钢作为车轮材料，通过淬火深度不小于15mm来提高使用寿命，表面硬度，车轮装配图如下图4-2 图4-2车轮装配图4.3车轮直径的计算车轮的最大轮压：小车自重估取为2000Kg，假设四个车轮的在和均匀分布，则 （4.1）载荷率： （4.2）查机械设计手册可以知道小车运行速度应小于60m/min,工作类型为中级，车轮直径选取350mm,轨道型号p18,使用的轴承为深沟球轴承。根据小车的行走速度和转矩来选用交流电动机，额定功率1.5KW,转速680r/min.减速器选用起重机用减速器，传动比为30，其他参数与卷扬机减速器设计与选用类似，不做重复。小车转配图如图4.2 图4.2 5.结论： 在本次设计过程中，学到了以前没用应用过的知识，让自己的知识面又宽了一些，对于自己以后的工作和发展具有极大的帮助。参考文献1闻邦椿 现代机械设计实用手册M.机械工业出版社，2015年7月第1版2张质文，王金诺，程文明，邹胜 起重机设计手册M .中国铁道出版社，2013年8月3朱孝录 机械传动设计手册 M .电子工业出版社出版，2007年10月第五版4濮量贵，陈国定，吴立言 机械设计M .高等教育出版社，2013年5月第9版5王小明，倪受东，程鹏 一种卷扬机的结构设计及优化J .2014年8月10号 6朱丽君 卷扬机徘徊齿轮技术改进J.2014年9月25日 7朱冬钰，王海镔 机械卷扬机的工作原理及提升力的计算J.2015年9月5号 8马串，朱毅 工程机械行走系联轴器的选择与应用J.2014年8月9郭海艳 夯扩桩机使用的一种电动双卷筒卷扬机J.2014年2月10江子扬、冀洋锋、林麒、王晓光 滑轮对绳拉力损耗影响的分析研究J. 2015年4月11李学旺 卷扬机构减速器选型方案的探讨J.2006年4月12 王艳戎，潘志勇，胡彦辉，邱煌明，梅 静 工程机械钢丝绳设计的重要参数计算J.2011年5月13潘明旭 小型绞盘机卷筒优化设计J.2012年7月14段春梅，刘文杰，王冰 液压卷扬的制动原理与计算J .2014年4月15吴文龙 卷扬式启闭机卷筒组结构优化设计J.2015年4月16马定 工程机械减速器制动器设计及应用J.2014年7月1日17陈贤波 起重机钢丝绳的选型优化及更换方式J.2014年8月18 罗其敏 我国建筑卷扬机及其发展前景J.1994年7月19Anonymous Beating downtimeJ Cranes Today, 2014(470), pp.57-58,61 20North, Will From graves to glazingJ Cranes Today, 2014(477), pp.21-2221Anonymous Paris in the springJ Cranes Today, 2015(483), pp.23-24,2666附录1：外文翻译超级电容器电动葫芦再生制动策略摘要：全球范围内对环境问题的关注越来越多，使得动力设备的节能成为重中之重。为提高电动葫芦的能量效率和行驶范围，设计并讨论了再生制动系统。该系统采用独特的超级电容器方式进行能量储存系统。双向新娘DC / DC转换器调节流过超级电容器的电流流动有两种模式：升压和降压，取决于流向。为了在超级电容器上提供恒定的输入和输出电流，该系统使用双比例积分（PI）控制策略来调节PWM到DC / DC转换器的占空比。还研究了永磁同步电机（PWSM）驱动系统。采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，以及双闭环矢量控制模型，详细分析了PMSM特性。该再生制动系统的总体模型和控制策略最终在MATLAB和Simulink环境下构建和模拟。建立了一个测试平台来获得实验结果。结果分析表明，该系统可以恢复一半以上的重力势能。仿真和实验结果证明了超级电容接口电路和PMSM的SVPWM策略的双PI控制策略的有效性。1引言*随着气候变化和能源危机的问题在全世界越来越受到重视，工业化国家加大了减少化石燃料使用的努力。这一努力中最重要的步骤之一是将汽车和建筑车辆的电源从热机转变为可变速度电机。变速电机驱动系统不仅具有更高的效率，还可以利用风力发电和太阳能等可再生能源产生的电力。变速马达驱动器具有自己的技术问题，但驱动中的快速加速和减速作为应用经常要求，将电源置于短暂但电压波动较大的地方。简易解决方案是在变频器直流母线上增加制动电阻，但会导致相当大的浪费。一个更为常见和复杂的解决方案是整合一个能量储存系统（ESS）进入系统以吸收能量，同时制动并在需要时重新生成。能量储存系统1-8已经在电动车（EV），混合动力电动汽车（HEV）和插电式混合动力汽车中应用。传统上，电气ESS拥有广泛的技术，并具有各种形式，例如电化学系统（例如电池，流通池），动能储存（例如飞轮）和潜在能量存储（例如抽水电，压缩空气）9。超级电容器的开发10-12为下一代纯电动车提供了吸引人的选择。最近的研究成果提出了在再生制动系统中使用超级电容器的方法。 WEI和Wang 13提出了三种典型配置的性能分析和比较，以阐明不同拓扑的优缺点。徐和谢14将其研究纳入EV / HEV ESS系列电容器的电压均衡方法。一个新的电池/由CAO和EMADI 15为EV，HEV和插电式HEV提出了超级电容器混合能量存储系统（HESS），使用更小的DC / DC转换器来维持超级电容器的电压。 YAN和PATTERSON 16提出了一种新颖的电源管理方案，以实现电动车辆的高性能和降低成本，实现短车队应用。采用锌 - 溴电池为普通驱动提供连续功率，同时使用超级电容器在加速期间提供峰值功率需求，并在减速期间存储再生制动能量。 EV电动机在恒定转矩模式下以低于基本速度的速度运行，并且在恒定功率模式下以超过基本速度的速度运行，以实现高效率和低成本。 AHMED和CHEMIELEWSKI 17已经建立了一个模型，旨在模拟燃料电池车辆中预期的负载，包括直流电机，DC / DC转换器和用于峰值剃刮和再生制动的可充电电池。该模型还包括车辆的运动学，因此可以连接到标准化的驱动循环场景。 LU和CORZINE 18引入了一套新的方法，将超级电容器组直接集成到用于大型车辆推进的级联多电平逆变器中。这个想法是用超级电容器替代常规直流链路电容器，以便结合储能单元和电机驱动器。这些研究已经证明使用超级电容器作为混合动力车辆中的电池的可行补充存储装置来延长电池寿命。超级电容器被认为是辅助电源，其可以在启动期间辅助燃料电池和燃料电池动力车辆的快速功率瞬变。目前，没有关于应用于起重设备的基于超级电容器的ESS的文献研究。在这项研究中，将采用一种仅用于电动葫芦的超级电容式储能系统，与传统的汽车再生制动系统的超级电容器/电池混合动力方式不同。超级电容式储能系统可以大大简化电路结构，扩大控制总线。首先将分别讨论永磁同步电机（PMSM）和DC / DC转换器的控制方案。然后基于DSP的控制系统是基于控制策略和数字信号处理技术开发的。随后研究了整体系统结构和控制策略。本实验开发并构建了再生制动系统的实施方案。最后，比较了仿真结果和实验结果，分析了整个能量回收系统的效率。2超级电容器储能系统2.1 DC / DC转换器的控制策略具有充电率高，效率高，功率密度高，循环寿命长，无维护19优点的电动葫芦作为电动葫芦的储能。超级电容器作为储能单元通过DC / DC转换器集成到逆变器直流链路中。根据输入输出条件，DC / DC转换器可以作为升压或降压转换器工作。图。 1显示了DC / DC转换器升压运行的PSIM仿真模型。升压操作用于驱动PMSM和放电超级电容器。IGBT2在受控的占空比下接通和关断，以将所需的能量从超级电容器传递到DC链路。当IGBT2导通时，从超级电容器中取出能量并存储在电感器L1中。 IGBT2关断时，能量超级电容器具有充电率高，高效率，高功率密度，长循环寿命，无需维护19，作为电动葫芦的储能。超级电容器作为储能单元通过DC / DC转换器集成到逆变器直流链路中。该DC / DC转换器可以根据输入输出条件作为升压或降压转换器工作。图。 1显示了DC / DC转换器升压运行的PSIM仿真模型。升压操作用于驱动PMSM和放电超级电容器。 IGBT2以受控的工作周期接通和关断，以将所需的能量从超级电容器传送到DC链路。当IGBT2接通时，从超级电容器中取出能量并存储在该电容器中电感L1。当IGBT2关断时，L1中的电能通过D1传输到直流母线。当放电超级电容器时，转换器用作刚性电压源到电动机控制器。升压转换器自动调节电压，然后获得稳定的输出电压。确保超级电容器工作在安全，可靠和高效的条件下，采用双PI闭环。如图所示。如图2所示，DC / DC转换器的工作原理是用于在再生制动期间对超级电容器充电。在降压操作期间，转换器将能量从直流链路传输到超级电容器。该操作通过对IGBT1的受控操作来实现。当IGBT1接通时，能量从链路总线传递到超级电容器，电感L1存储部分能量。当IGBT1关断时，存储在电感L1中的剩余能量通过D2转移到超级电容器中。双PI闭环控制策略用于调节IGBT的PWM占空比。由于电感线圈，续流二极管和滤波电容器的影响，直流/直流转换器电流随着IGBT周期性导通和关断而成为脉动电流，但输出电流保持连续平稳。如果负载是电阻性的，输出直流电压也保持连续平稳。 DC / DC转换器保持逆变器直流母线的恒定电压，而超级电容器电压具有宽的变化范围。2.2 DC / DC转换器的仿真和实验结果为了评估再生制动能量系统控制原理的有效性和可用性，分别在降压和升压运行条件下建立了DC / DC转换器的系统PSIM仿真模型。升压和降压转换器的仿真结果如图1所示。图3（a）， 3（b）。结果表明，当前25 A时，超级电容器的电压逐步上升或下降8 V。电动机空载实验在超级电容器的循环寿命期间进行。图。图4（a）图图4（b）显示了实验结果，包括电机速度，电容器电流，直流母线电压和超级电容器电压。数据显示，在一个循环中，放电时间约为170秒，充电时间约为45秒。超级电容放电时，直流母线电压约为570V，充电时为540V。超级电容器的最大电压为300V，最小电压为200V。如图3（a）所示，超级电容器的放电电流比较平滑，因为电机是电阻的。3矢量控制的PMSM3.1 PMSM的数学建模永磁同步电机（PMSM）由于功率密度高，效率高，转矩惯量大，运行可靠等特点而得到广泛应用。该PMSM工作在发电机或电机模式。操作模式由定子和转子产生的磁场的旋转速率偏差决定（电机模式为正，发电机模式为负）。本文讨论的PMSM具有以下假设：核心饱和度和机器绕组漏电感被忽略;气隙中的磁势假定为正弦分布;磁场中的高次谐波可以忽略不计。根据坐标变换原理，数学PMSM的模型可以通过旋转参考系（d-q参考系）中的这些方程表示：3.2 SVPWM原理空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术广泛应用于逆变器20-21。当定子通量空间矢量由三相正弦电压提供时，定子磁通空间矢量以恒定的速度旋转。同时，通量矢量的运动形成一个环形空间旋转场。电压矢量也是如此。当磁通矢量在空间中旋转一段时间时，电压矢量也沿着磁通圆的切线旋转一段时间。因此，其轨迹与通量圆相符。 SVPWM是一种使用八个空间电压矢量产生接近定子的磁通圆的技术电机的磁通圆。空间矢量脉宽调制技术用于通过电压源逆变器用计算出的定子电压空间矢量激励电机。本文采用空间矢量脉宽调制的两个闭环矢量控制模型。图。图5给出了所提出的控制方案的框图。4系统结构4.1能源管理战略电动葫芦经常用于施工。 如图所示。 6，具有再生能量系统的电动葫芦主要由超级电容器，DC / DC转换器，编码器，三相逆变器，PMSM，微处理器DSP，检测系统和硬件保护组成。编码器检测PMSM速度和方向。霍尔传感器检测超级电容器和直流母线的电压，电流和温度。微处理器DSP不仅调整降压和升压操作之间的DC / DC转换器，还可以根据传感器信号控制电机速度和方向。如果温度或电流为自动，保护系统将自动切断电路电源管理策略如下：当负载下降时，电机作为发电机工作。在此过程中，如果超级电容器电压小于300 V，则DC / DC转换器将工作在降压运行，并对超级电容器充电，直到超级电容器电压高达300 V.然后超级电容器将被切断，电阻制动将被采纳。然而，在起重负载过程中，如果超级电容器电压高于200 V，则DC / DC转换器将在升压操作中工作，并对超级电容器进行放电。但如果超级电容器电压小于200 V，电机将通过AC 380 V电源供电，以取代超级电容器作为能源。为了实现安全，可靠和高效的运行，超级电容器以各种恒定电流在20A下进行充放电，电压范围为200-300V。双向DC / DC转换器的工作模式取决于内部超级电容器的能量和PMSM的工作站。4.2再生制动系统仿真为了评估这种再生制动系统的可行性，基于MATLAB / Simulink进行仿真，如图7电机电路采用直接转矩控制（DTC）感应电机驱动，在调速时具有空间矢量脉宽调制。感应电动机是由PWM电压源逆变器馈电。速度控制回路使用PI控制器为DTC块产生磁通和转矩参考。 DTC块计算电机扭矩和通量估计并将其与各自的参考值进行比较。然后由独立的PI调节器控制转矩和通量，计算参考电压矢量。然后通过空间矢量调制方法控制电压源逆变器，以便输出所需的参考电压。电气系统还包含一个DC / DC转换器。这里，DC / DC转换器将超级电容器适配到直流母线。根据超级电容器内部能量和PMSM工作状态，DC / DC转换器可以作为升压或降压转换器工作。在t = 0时刻，电机转速设定为1500转/分钟。然后，在t = 20s时，电动机施加-1 500 r / min的负参考速度斜坡。相应地，首先提起负载并且超级电容器放电。然后降低负载，并对超级电容器充电。超级电容器信号（电压和电流），直流链路信号（电压）和电机信号的仿真结果如图1所示。 8， 9。如图。图8（a）图如图8（c）所示，当负载上升时，超级电容器的电压从250V下降到200V。然后电压保持恒定直到PMSM反向。随后，在负载下降的过程中，超级电容器电流约为10A，电压开始上升，在t = 40s时达到244V。但是，如果降额时超高电压电压低于200 V时起升负载或高于300 V，则超级电容器将从直流母线断开。 图11显示了实验结果，包括电机转速，直流母线电压，瞬时电流和超级电容器在10A充放电电流下的实际电压。如图。如图11所示，电机在前20秒内以1500转/分钟运行，然后改变方向，速度升至1500转/分钟。当超级电容器充电时，逆变器直流母线的电压为600V，超级电容放电时为570V负载越低，超级电容器的电压从200V升高到232V，充电电流约为10 A.负载上升时，超级电容放电电流为-10A。超级电容器的电位能方程如下：载荷的重力势能为G E = mgh，总机械效率为mh= 0.8。根据实验结果，从机械能到电势能的能量转换效率为eh= 0.83。能量回收率为h= 0.65。图。图12示出了超级电容器的5A放电电流的实验结果。从机械能到电位能的能量转换效率为0.72。能量回收率为0.58。比较图12，如图11所示，回收能在10 A时比5 A.参考文献1 YANG Ming-Ji, JHOU Hong-Lin. 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Energy-management system for a hybrid electric vehicle, using ultracapacitors and neural networksJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(2): 614623.7 MILLER J M, BOHN T. Why hybridization of energy storage is essential for future hybrid, plug-in and battery electric vehiclesJ. IEEE, 2009: 2 6142 620.8 XIONG Weiwei, YIN Chengliang. Series-parallel hybrid vehicle control strategy design and optimization using rea-valued genetic algorithmJ. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009,22(6): 862868.9 BAKER J. New technology and possible advances in energy storageJ. Energy Policy, 2008, 36: 4 3684 373.10 BERTRAND J, SABATIER J. Fractional non-linear modelling of ultracapacitorsJ. Commun Nonlinear Sci Numer Simulat, 2010,15:1 3271 337.11 DO Y J, YOUNG H K. Development of ultracapacitor modules for 42-V automaotive electrical systemJ. Journal of Power Sources, 2003, 114: 366373.12 MAJOR J. Hybrid shuttle bus using ultracapacitorsJ. 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Ultracapacitor +DC-DC converters in regenerative braking systemJ. IEEE AESS Systems Magazine, 2002: 1621.20 MOHAMED Y A R I. Design and implementation of a robust current-control scheme for a PMSM vector drive with a simple adaptive disturbance observerJ. IEEE 附录2：外文原文Regenerative Braking Strategy for Motor Hoist by UltracapacitorAbstract:Rising concern in environmental issues on global scale has made energy saving in powered equipment a very importantsubject. In order to improve the energy efficiency and driving range of a motor hoist, regenerative braking system is designed anddiscussed. The system takes a unique ultracapacitor-only approach to energy.storage system. The bi-directional bride DC/DC converterwhich regulates current flow to and from the ultracapacitor operates in two modes: boost and buck, depending on the direction of theflow. In order to provide constant input and output current at the ultracapacitor, this system uses a double proportional-integral (PI)control strategy in regulating the duty cycle of PWM to the DC/DC converter. The permanent magnet synchronous motor (PWSM)drive system is also studied. The space vector pulse width modulation (SVPWM) technique, along with a two-closed-loop vector controlmodel, is adopted after detailed analysis of PMSM characteristics. The overall model and control strategy for this regenerative brakingsystem is ultimately built and simulated under the MATLAB and Simulink environment. A test platform is built to obtain experimentalresults. Analysis of the results reveals that more than half of the gravitational potential energy can be recovered by this system.Simulation and experimentation results testify the validity of the double PI control strategy for interface circuit of ultracapacitor andSVPWM strategy for PMSM.1 Introduction*As issues of climate change and energy crisis aregathering more and more attention worldwide,industrialized nations have increased effort to reduce fossilfuel usage. One of the most significant steps in this effort isto change the power source of automobiles andconstruction vehicles from heat engines to variable speedmotors. Not only is the variable speed motor drive systemgenerally more efficient, it can also utilize electric powergenerated from renewable sources such as wind and solar.Variable speed motor drive does have technical problem ofits own, however: quick acceleration and deceleration inthe drive, as the application often requires, put the powersource under transient but large voltage fluctuations. Thecheap and easy solution is to add a braking resistor to theinverter DC link, but it leads to considerable waste. A morecommon and sophisticated solution is to incorporate anenergy storage system (ESS) into the system to absorb theenergy while braking andregenerate it when needed.Energy storage system18 has seen applications inelectricvehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV) and plug-inhybrid electric vehicles.Traditionally electrical ESS embraces a broad range oftechnologies and comes in a variety of forms, such aselectrochemical systems (e.g. batteries, flow cells), kineticenergy storage (e.g. flywheel) and potential energy storage(e.g. pumped hydroelectric, compressed air)9.The development of ultracapacitor1012 has provided anattractive alternative for the next-generation pure-electricvehicles. Recent research results have proposed manmethods to use ultracapacitors in the regenerative brakingsystem. WEI and WANG13 presented the performanceanalysis andcomparison of three kinds of typicalconfigurations to clarify the advantages and disadvantagesof different topologies. XU and XIE14 devoted theirresearch into the voltage-equalization method for seriesultracapacitors in EV/HEV ESS. A new battery/ultracapacitor hybrid energy storage system (HESS), usinga much smaller DC/DC converter to maintain the voltageof the ultracapacitor, was proposed by CAO and EMADI15for EV, HEV and plug-in HEV. YAN and PATTERSON16presented a novel power management scheme to achievehigh performance and cost reduction in an electric vehiclefor short profile fleet application. Zinc-bromine batteriesare employed to provide the continuous power for normaldriving while ultracapacitors are employed to provide forpeak power demand during acceleration and to stor regenerative braking energy during deceleration. The EV motor operates in constant torque mode at a speed belowthe base speed and in constant power mode at a speed over the base speed for high efficiency and low cost. AHMED and CHEMIELEWSKI17 have built a model aimed at mimicking the load expected in a fuel cell vehicle, including a DC motor, DC/DC converters and a rechargeable battery for peak-shaving and regenerative braking. This model also includes the kinematics of the vehicle, and thus can be connected to standardized drive cycle scenarios. LU and CORZINE18 introduced a new set of methods to directly integrate ultracapacitor banks into cascaded multilevel inverters that are used for large vehicle propulsion. The idea is to replace the regular DC link capacitors with ultracapacitors in order to combine the energy storage unit and motor drive. These researches have all demonstrated the using ultracapacitor as a viable supplementary storage device to batteries in hybrid vehicles to extend the battery life. Ultracapacitor has been considered as an auxiliary power source which can assist the fuel cell during startup and fast power transients of fuel-cell powered vehicles.Currently there has been no documented research on ultracapacitor-based ESS applied to hoisting equipment. In this research, an ultracapacitor-only energy storage system for motor hoist will be adopted, which differs from the traditional vehicle regenerative braking systems ultracapacitor/battery hybrid approach. The ultracapacitoronly energy storage system can simplify the circuit structure and expand the control bus greatly.First, the control schemes for permanent magnet synchronous motor (PMSM) and DC/DC converter will be separately discussed. Then a DSP-based control system is developed based on the control strategy and digital signal processing technique. The overall system structure and control strategy are subsequently studied. An implementation scheme of the regenerative braking system has been developed and built for this experiment. At last, the simulation results and experimental results are compared and the efficiency of the entire energy recovery system is analyzed.2 Ultracapacitor Energy Storage System2.1 Control strategy of DC/DC converterUltracapacitor with the advantages of high charge rate, high efficiency, high power density, long cycle life, no maintenance19, is preferred as the energy storage for motor hoist. The ultracapacitor as energy storage unit is integrated into inverter DC link through a DC/DC converter. The DC/DC converter can work as a boost or buck converter depending on input-output conditions.Fig. 1 shows PSIM simulation model of the boost operation of the DC/DC converter. The boost operation isused for driving PMSM and discharging the ultracapacitor.The IGBT2 is switched on and off at a controlled dutycycle, to transfer the required amount of energy from the ultracapacitor to the DC link. When IGBT2 is switched ON, energy is taken from the ultracapacitor and stored in the inductor L1. When IGBT2 is switched OFF, the energy Ultracapacitor with the advantages of high charge rate,high efficiency, high power density, long cycle life, no maintenance19, is preferred as the energy storage for motor hoist. The ultracapacitor as energy storage unit is integrated into inverter DC link through a DC/DC converter. TheDC/DC converter can work as a boost or buck converter depending on input-output conditions. Fig. 1 shows PSIM simulation model of the boost operation of the DC/DC converter. The boost operation is used for driving PMSM and discharging the ultracapacitor. The IGBT2 is switched on and off at a controlled duty cycle, to transfer the required amount of energy from the ultracapacitor to the DC link. When IGBT2 is switched ON, energy is taken from the ultracapacitor and stored in theinductor L1. When IGBT2 is switched OFF, the energystored in L1 is transferred into DC link through D1. When discharges ultracapacitors, the converter is used as a stiffvoltage source to electric motor controller. The boost converter adjusts voltage automatically and then get asteady output voltage. To ensure that the ultracapacitorworks in a safe, reliable and high efficient condition,double PI closed-loop is adopted.As shown in Fig. 2, the DC/DC converter works as abuck converter, which used for charging the ultracapacitor during regenerative braking. During the buck operation, the converter transfers energy from the DC link to the ultracapacitor. That operation is accomplished by a controlled operation on IGBT1. When IGBT1 is switched on, the energy goes from the link bus to the ultracapacitor, and inductor L1 stores part of this energy. When IGBT1 is switched OFF, the remaining energy stored in inductor L1is transferred into the ultracapacitor through D2. Double PI closed-loop control strategy is used for regulating the duty cycle of PWM of the IGBTs. The DC/DC converter currentbecomes pulsating current as IGBTs periodically turning on and off, however, the output current keeps continuous and smooth, owing to the effect of inductance coil, freewheeling diode and filter capacitor. If the load is resistive, the output DC voltage also keeps continuous and smooth. The DC/DC converter maintains constant voltage of the inverter DC link, whereas the ultracapacitor voltage has wide variation ranges.2.2 Simulation and experiment results of the DC/DC converterTo evaluate the effectiveness and availability of the control principle of the regenerative braking energy system, the system PSIM simulation models of DC/DC converter are established under buck and boost operation condition respectively. The boost and buck converter simulation results are shown in Fig. 3(a) and Fig. 3(b) respectively. The results show that the voltage of ultra-capacitor step up or down 8 V per second at current 25 A.The motor no-load experiment is carried out during a cycle-life of the ultracapacitor. Fig. 4(a)Fig. 4(b) shows the experiment results, including the velocity of motor, theultracapacitor current, DC link voltage and ultracapacitorvoltage. The data shows that in a cycle, the discharging time is about 170 s and the charging time is about 45 s. The DC link voltage is about 570 V while ultracapacitor is discharged, and is 540 V when charged. The maximum voltage of the ultracapacitor is 300 V and the minimum voltage is 200 V. Compared with Fig. 3(a), the discharging current of the ultracapacitor is more smooth, because the motor is resistive.3 Vector-Control for PMSM3.1 Mathematical modeling of PMSMPermanent magnet synchronous motor (PMSM) has been widely used due to its high power density, efficiency, high large torque-to-inertia ratio and reliable operation. ThePMSM operates in either generator or motor mode. The operation mode is dictated by the rotating rate deviation of the magnetic field generated by the stator and rotor(positive for motor mode, negative for generator mode).The PMSM discussed in this paper has these assumptions: the core saturation and machine winding leakage inductance are ignored; the magnetic potential in the air gap is assumed to be in sine distribution; the higher harmonic wave in magnetic field is negligible. According to the coordinate transformation principle, the mathematicmodel of PMSM can be expressed by such equations in the rotating reference frame ( d-q reference frame):3.2 Principle of SVPWMThe Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) technique is widely used in inverter2021. The stator flux space vector rotates in a constant velocity with invariable amplitude when it is supplied by 3-phase sinusoidal voltage. Meanwhile, the movement of flux vector forms a circula space rotating field. The same is true with voltage vector. When flux vector rotates a period in space, the voltagevector also rotates a period following the tangent line of the flux circle. Therefore, its trajectory coincides with the flux circle. The SVPWM is a technology that uses eight space voltage vectors to generate flux circle approaching statorflux circle of the motor.The space vector pulse width modulation technique is used to excite the motor with the calculated stator voltage space vector via a voltage source inverter. In this paper, two closed-loop vector control model for Space Vector Pulse Width Modulation is adopted. Fig. 5 presents the block diagram of the proposed control scheme.4 System Structure4.1 Energy control strategyMotor hoist is frequently used in construction. As shown in Fig. 6, the motor hoist with regenerative energy system is mainly composed of ultracapacitor, DC/DC converter, encoder, three-phase inverter, PMSM, microprocessor DSP, detection systems and hardware protection.The encoder detects the PMSM speed and direction. The hall sensor detects voltage, current and temperature of the ultracapacitor and DC link. The microprocessor DSP not only adjusts the DC/DC converter between buck and boost operation, but also controls the motor speed and direction on the basis of sensors signals. Protection system will cut off the circuit automatically if the temperature or current istoo high. Power management strategy is as follows: when the load drops, the motor works as a generator. During this process, if the ultracapacitor voltage is less than 300 V the DC/DC converter will work in buck operation and charge the ultracapacitor until the ultracapacitor voltage is up to 300 V. Then the ultracapacitor will be cut off and the electric resistance braking will be adopted. However, during the process of hoisting load, if the ultracapacitor voltage is higher than 200 V, the DC/DC converter will work in boost operation and discharge the ultracapacitor. But if theultracapacitor voltage is less than 200 V, the motor will be fed by AC 380 V power to replace the ultracapacitor as energy sources. To realize a safe, reliable and efficient operation, the ultracapacitor is charged and discharged at various constant current under 20 A and its voltage is in the range of 200300 V. The operating mode of the bidirectional DC/DC converter depends on the internalenergy of ultracapacitor and the working station of PMSM.4.2 Simulation of regenerative braking systemTo evaluate feasibility of this regenerative braking system, simulations are performed based on MATLAB/ Simulink, as shown in Fig. 7.The motor circuit uses a direct torque control (DTC) induction motor drive with space vector pulse width modulation during speed regulation. The induction motor isfed by a PWM voltage source inverter. The speed control loop uses a PI controller to produce the flux and torque references for the DTC block. The DTC block computesthe motor torque and flux estimates and compares them to their respective reference. The torque and flux are then controlled by independent PI regulators that compute a reference voltage vector. The voltage source inverter is then controlled by the space vector modulation method in order to output the desired reference voltage.The electrical system contains also a DC/DC converter. Here, the DC/DC converter is to adapt ultracapacitor to the DC link. The DC/DC converter can work as either boost or buck converter, depending on the ultracapacitor internal energy and the PMSM working state.At time t = 0 s, the motor speed is set at 1 500 r/min. Then a negative reference speed ramp of 1 500 r/min is applied to motor at t = 20 s. Correspondingly, the load is hoisted up first and the ultracapacitor is discharged. Then the load is lowered down and the ultracapacitor is charged. The simulation results of the ultracapacitor signals (voltage and current), DC link signal (voltage) and the motor signals are shown in Fig. 8 and Fig. 9. As Fig. 8(a)-Fig. 8(c) shown, when load goes up, the voltage of ultracapcitor drops down from 250 V to 200 V. Then the voltage keeps constant until the PMSM reverses.Subsequently, in process of the load going down, the ultracapacitor current is approximate to 10 A, voltage start to increase and reaches to 244 V at t = 40 s. But the ultracapacitor will be cut off from the DC link, if the ultacapacitor voltage is below 200 V when hoisting load or above 300 V when lowering load.5 Force Feedback ExperimentsFig. 10 shows the overall views of experimental apparatus. The related parameters and specifications are shown in Table. One cycle of the driving pattern consists of starting from rest, acceleration, high-speed running, inverted running and stop.Fig. 11 shows the experimental results, including the motor speed, DC link voltage, the instantaneous current and actual voltage of the ultracapacitor at 10A charge-discharge current. As the Fig. 11 shows, the motor runs at 1 500 r/min in the first 20 s, then it changes direction and the speed goes up to 1 500 r/min. The voltage of the inverter DC link is about 600 V when the ultracapacitor is charged, as well as it is 570 V when the ultracapacitor is discharged As the load goes lower, the voltage of ultracapacitor rises from 200 V to 232 V and the charging current is about 10 A. As the load goes up, the ultracapacitor discharging current is propinquity to 10 A.The electric potential energy equation of the ultracapacitor is as follows:The gravitational potential energy of the load is G E = mgh and the total mechanical efficiency is m h = 0.8 . According to the experimental results, energy conversion efficiency from the mechanical energy to electric potential energy is e h = 0.83 . The energy recovery rate is h = 0.65 . Fig. 12 shows the experimental results at 5 A chargedischarge current of the ultracapacitor. The energy conversion efficiency from the mechanical energy to electric potential energy is 0.72. The energy recovery rate is 0.58. Comparing Fig. 12 with Fig. 11, the recovery energy is more at 10 A than at 5 A.Comparing the experimental results with the simulation results, the experimental value is lower than the simulation value, because the simulation is studied in an ideal state and ignores the energy losing during the energy conversion process.6 Conclusions(1) Application of ultracapacitor energy storage system in motor hoist has been introduced from the system structure and control strategy perspective in detail. The control strategy ensures that the ultracapacitor and PMSM operate safely and efficiently. The control strategy is designed in detail and simulated.(2) The loading experiment proved that the control strategy is stable and reliable. After this study, a theoretical basis has been established for the application of the ultracapa