毕业设计（论文）-直驱永磁磁悬浮轴承主感应电机的设计.doc

北京交通大学毕业设计（论文）第 43页第1章 引言1.1 本文研究背景及意义 如今，洗衣机已经成为所有家庭的生活必需品，洗衣机的种类也花样繁多，其中以立式洗衣机为主的各品牌洗衣机占据了大多数市场，传统的立式洗衣机在使用过程中会产生诸多问题，如漂洗甩干时内筒振动位移大，造成洗衣机洗涤甩干不充分致使不能达到预想效果，过大的偏离旋转轴的位移甚至会打坏洗衣机内壁造成不可预想的事故。本设计是基于海尔开发部门的研究项目，将磁悬浮技术以及直线电机驱动技术应用于家庭用立式洗衣机，本项目拟研制一台磁悬浮直驱内筒洗衣机的原理样机，拟将磁悬浮技术应用于立式洗衣机，将洗衣机的内筒部分靠磁力悬浮在外筒内部，并采用弧形直线感应电机直接驱动内筒转动。内筒上部通过电磁浮轴承定位以保证内外筒的同心度。内筒下部采用永磁半磁浮轴承，以减小推力造成的机械摩擦与振动。内筒轴为空心，中心穿过波轮轴，波轮由另外一台电机带动旋转。内筒与波轮轴都可以独立旋转。整套系统可使内筒轴与外筒之间几乎没有机械接触，且克服了目前立式洗衣机内筒仅下端有轴承，从而造成上端晃动的弊端。1.2 市场上洗衣机的驱动方式及其特点1.2.1 市场上洗衣机的驱动方式目前，在市场上洗衣机的驱动方式主要有两种：1皮带传动：利用皮带连接波轮电机和内滚筒，内滚筒通过皮带的带动来完成洗衣、脱水等功能；2电机直接驱动：即电机直接作为内筒的驱动电机，通过调节电机转速来完成洗衣、脱水的功能。1.2.2 普通洗衣机的洗衣特点及缺点本课题是基于普通洗衣机的创新和改造进行的设计。目前，洗衣机种类有以下几种：1.波轮式洗衣机洗衣特点：冷水型洗衣机、结构简单、省时、省力、省电、价格低、操作简单，缺点：耗水、衣物易缠绕、洗涤均匀性不佳，主要流行于日本、中国、东南亚等地。波轮式又分全自动和双桶洗衣机两种：双桶洗衣机结构简单、操作方便、价格低、需要用户参与使用 b.全自动洗衣机操作方便、省力、省时、无须用户参与操作。2.滚筒式洗衣机 洗衣特点：热水型洗衣机、结构简单、省水、洗净度高、适合多种衣料、洗涤均匀性较好，缺点：耗时、耗电、价格高，主要流行于欧洲、南美等主要穿毛、绵为主的地区,几乎100的家庭使用的都是滚筒洗衣机。3.搅拌式洗衣机 洗衣特点:冷水型洗衣机、结构复杂、洗净度高、洗涤均匀性好、缠绕率低，缺点:耗水、噪音最大、价格较高，适合洗涤衣物：棉及化纤织物，主要流行于北美地区。1.3 本文研究的主要内容、创新点及前期调研过程1.3.1 本文研究的主要内容 本项目拟研制一台磁悬浮直驱内筒洗衣机的原理样机，将磁悬浮技术应用于立式洗衣机，将洗衣机的内筒部分靠磁力悬浮在外筒内部，并采用弧形直线感应电机直接驱动内筒转动。 本文主要研究洗衣机设计中的直线电机的设计，分析了当前国内外主流洗衣机的工作方式，以及他们的特点及利弊，然后对电机进行电磁设计，根据公式以及实际需求设计出其起动推力、起动效率、起动电流、输出功率等参数，之后将所设计的参数在Ansoft软件上建立模型，并分析其磁密曲线，验证是否满足实际需要。 内筒上部通过电磁浮轴承定位以保证内外筒的同心度。内筒下部采用永磁半磁浮轴承，以减小推力造成的机械摩擦与振动。内筒轴为空心，中心穿过波轮轴，波轮由另外一台电机带动旋转。内筒与波轮轴都可以独立旋转。整套系统可使内筒轴与外筒之间几乎没有机械接触，且克服了目前立式洗衣机内筒仅下端有轴承，从而造成上端晃动的弊端。该方案具有噪音低、耗能小等优点。该洗衣机有内筒直驱电机和波轮电机两台电机，能同时分别实现转速、转向、定时等控制。本洗衣机参考设计参数如下表。表1-1 本洗衣机参考设计参数：洗衣机类型洗涤时间洗涤转速脱水时间脱水转速波轮洗衣机15分钟正转2分钟停1分钟反转2分钟停1分钟10转/分2-3分钟600-800转/分钟滚筒洗衣机40分钟正转5分钟停5秒反转5分钟停5秒50转/分2-3分钟800-1600转/分钟1.3.2 本方案创新点(1)内筒轴承系统 洗衣机内筒部分通过底部永磁体同极相斥产生悬浮力，将内筒悬浮，构成永磁推力轴承；外筒上部固定的电磁线圈与内筒上部的铁磁环（若内筒是铁磁材料，则可省去）构成径向电磁轴承。永磁推力轴承是自稳定的，不需要控制；径向电磁轴承则需要通过位置传感器与反馈控制电路实现控制。优点是：系统下部永磁轴承付不接触，所以没有推力造成的摩擦损耗（仅存在较小的径向摩擦）；上部电磁轴承实现了内筒上部也有轴承约束，可以基本消除内筒旋转时的摆动。两个磁轴承的上述作用可大大降低洗衣机的振动与噪音。如图1、图2所示。(2)内筒直驱系统 采用变频弧形直线电机直接驱动。内筒同时作为弧形直线感应电机的转子（不锈钢内筒也可直接驱动，但为改善磁路与电路，可采用薄背铁和铝的复合转子环，可与电磁轴承共用），弧形直线电机定子固定在外筒上部。该电机采用变频器供电，可使内筒转速在较宽范围内变化（从每分钟几十转至上千转）。弧形电机本身也有一定的使内筒对中的作用。（3）波轮直驱系统 波轮轴通过内筒空心轴接独立的直驱电机，因此波轮可以独立旋转。虽然增加波轮电机也增加了成本，但此方案可增加多种洗衣方式，如波轮转-内筒不转，波轮与内筒互为反转，内筒转-波轮不转，内筒与波轮同向不同速转动，等等，因此很有可能会增加洗净度。同时因波轮电机不需要带动内筒转动，功率较小，不会显著增加成本。波轮电机为普通感应电机，与内筒弧形直线电机共用一个变频器供电，因此也可以调速和正反转。 图1-1 洗衣机总装图图1-2 装配图1.3.3 本设计洗衣机工作原理 本设计洗衣机打破了传统洗衣机的设计，向节能、降耗的方向发展，采用两个动力输入两个动力输出，即波轮转动的驱动力和与之相反的内桶转动的驱动力。波轮选用盆形大波轮，双动力洗衣机的盆形大波轮产生的正向水流和内桶上装有的搅拌叶附块产生的反向水流相对运动，形成强有力的沸腾水流，使洗涤效果更好，内桶上的附块不仅产生了强有力的水流，更重要是拨动衣物的正反向翻转，极大地减少了衣物的缠绕，衣物更均匀。洗涤状态：波轮转动，内筒与波轮成反向转动，内桶上增加了凸起的附块，相当于传统洗衣机的棒槌和搅拌叶，并以可以选择的运转速度运行，内桶正反转的角度小于360，使其洗涤过程中又相当于搅拌式洗衣机的洗涤效果。 甩干状态：甩干时内筒通过磁悬浮轴承中的机械结构与下部的波轮电机卡住，波轮电机驱动二者同步转动，直线电机不工作。1.3.4 调研过程本设计主要围绕一台海尔洗衣机样机进行设计，因此调研阶段我对洗洗衣机工作在洗涤状态，发现这种双动力洗衣机在洗涤状态下，内筒与波轮均工作，其中，内筒的旋转方向与波轮的旋转方向相反，且二者同时启动同时停止；在甩干状态时，样机内筒高速旋转，波轮通过离合装置与内筒固定在一起，与内筒一同高速旋转完成甩干。在拆解过程中分析每部分的工作原理以及各部分之间的工作关系，并按线路模拟洗衣机工作状态。为了研究样机的一些工作特性，我们特别制作了铁架将洗衣机去除外部铁皮部分的结构架起来，研究其工作。图1-3 洗衣机内筒（去除底部波轮）图1-4 实验用铁架及去除外部铁皮后的内部结构图1-5 样机波轮电机图1-6 洗衣机内筒与外壁之间的空隙（直线电机安装位置） 第2章 弧形直线感应电机的设计电机电磁设计是洗衣机直线感应电机设计的重要部分，直接影响发电机的性能参数和经济指标。电磁设计的任务是根据用户提出的产品规格（容量、电压、转速等）、技术要求（效率、参数、温升限度、机械可靠性等），结合技术经济指标和技术标准以及在实践中的各种经验，运用有关的理论和计算方法，正确处理各参数之间的关系，从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。在进行电磁设计时，必须贯彻国家各项技术标准。对选择的各项参数应在实践中得到证实的经验范围内，尤其对电磁中选择的各电磁负荷更为重要。2.1 直线电机简介2.1.1 直线电机定义直线电机也称线性电机，其在实际工业应用中的稳定增长，证明直线电机可以放心的使用。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。2.1.2 直线电机的控制对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的过去、现在和未来的信息，而且配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式12。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因数，才能得到满意的控制效果11。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。近年来模糊逻辑控制、神经网络控制等智能控制方法也被引入直线电动机驱动系统的控制中。目前主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。2.2 设计弧形直线电机的结构2.2.1 设计直线电机的初级和次级根据直线感应电动机原理，弧形直线感应电动机的结构有初级和次级。初级就是弧形直线感应电动机的动子，是可移动的部分，在本设计中，初级被固定在洗衣机外筒上侧（如下图），由于洗衣机内筒为金属材料，导磁性能好，为了节省空间和材料成本，决定利用洗衣机内筒作为直线电机的次级。为保证初级与次级之间有均匀的气隙，初级铁心的外径大于内筒内径，内外半径是相差气隙长度的弧形硅钢片叠制而成，表面开有槽齿，三相交流绕组和补偿绕组嵌置槽内，绕组通电后将产生行单边磁拉力和波磁场。设计初级分为四部分，分别位于内筒的正前后左右，因此，弧形初级每部分的弯曲角度应小于90度。由于每一部分初级和次级之间会产生一定的吸附力，所以各初级务必保证沿内筒外侧均匀固定，每相邻两个初级间隔角度相同，这样才能保证吸附力平衡，从而保证洗衣机运行稳定。2.3 直线电机的电磁计算过程弧形直线感应电动机初级的电磁设计和机械设计比较复杂，要统筹考虑，以实现最优化设计。用计算机完成电磁设计，大致可分为两种类型。一种是弧形直线感应电动机初级的全部尺寸由程序设计确定，同时还包括弧形直线感应电动机初级的电气性能计算，这种程序的优点在于可以使它的尺寸和性能都有最合理的数值，亦即可以得到最佳电磁方案。但是，弧形直线感应电动机初级的有些尺寸往往是由实际使用条件决定的1。而有些尺寸的选取要考虑材料和模具的通用性，如条料长度、宽度和槽形尺寸。在这种情况下，可把由人为确定的尺寸作为已知量，如弧形直线感应电动机初级的叠厚、钢管直径、钢管壁的厚度及机械气隙的大小，在此基础上计算弧形直线感应电动机初级绕组尺寸和电气性能。如果弧形直线感应电动机初级绕组也作为已知量，计算电气性能。这种程序较容易编制，实用价值也大，下图中表明了程序的修改迭代情况。图2-1 弧形直线感应电动机初级电磁设计程序32.3.1起动推力4根据负载要求，N2.3.2 额定相电压丫接法，线电压V 相电压V。2.3.3 相数 2.3.4 频率（赫兹） 2.3.5 同步速度（米/秒）2.3.6 型式 单边型短初级刚次级，次级材料为洗衣机内筒不锈钢材料，由于满足直线电机次级的机械和电气要求，所以不做改进。2.4 电磁负荷选择52.4.1 极距的选择2.4.2 计算极数 ，采用双层整距绕组，两个端边的五个槽中仅嵌一层。2.5 最终电机设计数据2.5.1 起动推力电磁推力6： （2-1）由上式，起动推力：N2.5.2 起动电流初级相电流7，（A） （2-2）带入计算得出，起动电流为19.08(A)2.5.3 额定电压和输出功率额定相电压380V，输出功率674.2W。2.5.4 起动功率因数和起动效率起动功率因数，。起动效率为0.4637。2.5.5 额定频率和推力/输入功率额定频率150Hz，推力/输入功率0.027(N/W)。2.6 设计数据汇总表2-1 设计参数汇总序号项目数值1起动推力（N）38.882输出功率（W）674.23起动电流（A）19.084额定电压（V）3805起动效率0.46376功率因数0.11547额定频率（Hz）1508推力/输出功率（N/W）0.027 第3章 基于ansoft软件直线电机仿真和性能分析3.1 使用ansoft软件原因 直线感应电机作为线性驱动装置，具有以下特点：(1)通过电能直接产生电磁推力形成直线运动，不需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换；(2)速度不受离心力或电机直径的影响；(3)直线电机的特殊结构决定了其散热能力好，但相对传统旋转电机也有许多不足之处；(4)由于气隙较旋转电机大，因此所需的磁化电流较大，使励磁损耗增加；(5)由于直线电机初级铁心两端开断，产生了边端效应，其边端效应包括纵向效应和横向端部效应，特别在高速区域，由于第二类纵向边端效应在次级导体板产生的感应电流的影响，使电机的损耗增加，功率因数降低,并引起推力减小；(6)直线感应电动机的功率因数和效率都比较低8。直线感应电机的以上特点决定了其设计与分析的方法与传统的旋转电机有所不同；在考虑其边端效应的条件下，其设计与分析的难度更为突出。随着有限元方法在电机设计中的应用，考虑到所有边端效应的有限元模型已经能够建立，并可以此为基础加以分析和研究。应用Ansoft软件的Transient模块可以用有限元方法分析直线感应电机的速度、推力、法向力、边端效应、气隙磁场等特性，从而为电机的设计与分析带来快捷与方便。3.2 Ansoft软件Transient模块简介 Transient模块是Ansoft maxwell2D3D软件中专门用于分析瞬态电磁场的模块。它非常适合分析电压、电流源为非正弦激励，或者模型中的物体处于平动或转动状态的情况，以及磁场、能量、力、功率损耗、速度等物理量是时间的函数的模型2。用Ansoft Transient模块分析电机的特性有以下优点： (1)用几何绘图方法建立模型快速方便，容易调整、改变电机参数；(2)可以使用材料库定义电机各部分材料属性，即使是库中不存在的材料也能自定义添加。(3)动态仿真电机的运行状况，可以给出每时刻的磁场、能量、速度、力的数值。应用后处理器和场计算器可以计算其他设计指标和瞬态场量。3.2.1利用Transient模块调整和指导设计 利用Ansoft软件的Transient模块调整和指导设计其关键在于模型参数的调整，下面简要介绍参数调整的方法。 在绘图建模时，依照电机结构和几何尺寸可以设计和调整的参数主要有相数、极数、初级槽数、初级的高度、齿宽、槽宽、槽口的宽与高，次级厚度和气隙长度等。此外，还应绘制Band物体，用于将静止的物体(本文中初级铁心是静止的)和运动的物体(次级铝板是运动的)分开，并且运动的物体是在Band的范围内运动。在材料管理器中，可以设定初级(铁)和次级(铝)和线圈(铜)的材料。Band物体的材料一般设定为空气。背景默认为真空。在边界条件管理器中，需要设定n、b、c三相的电压，电压为函数形式，相角相差，可在电压表达式中设定电压的幅值和频率。此时，应选中模型中所有标记为A、X的物体，设定为a边界，指定为铰链，在winding设定中，A物体指定为正端，x物体指定为负端，并设定为Y形连接。B、Y、C、Z物体按上述方法设置。在求解设定中，指定模型深度是指模型沿垂直绘图平面的深度，本文中其确定的参数是初级和次级的宽度。在网格生成器中需手动设定网格，对于线圈部分应进行细致的网格剖分。在运动求解选项中选择Band物体，点击Set band，将Band内部的所有物体指定为运动的物体(本文中初级铁心与所有A、X、B、Y、C、Z物体均在Band内部，并被指定为一起水平运动)。 依照上述设定，启动求解过程，即可得到默认的求解数据和曲线，如电机的磁场分布、位移、速度、水平推力、法向力、线圈电压、线圈电流等。通过改变各种参数的设定，就可以的到不同的求解数据，从而为电机设计提供了重要参考9。综上，通过使用Ansoft软件的Transient模块分析和验证所设计的电机模型，能够方便调整设计参数，显示出电机的各项性能数据，为指导电机设计和分析电机性能，加速科研开发提供了新的途径。3.3 软件建立模型3.3.1 建立模型所需要的数据利用ansoft软件建立模型所需要的数据如表3-1：表3-1 软件建立模型所需的数据4序号项目数值序号项目数值1起动推力（N）38.882输出功率（W）674.23起动电流（A）19.084额定电压(V)3805起动效率0.46376功率因数0.11547额定频率(Hz)1508推力/输入功率(N/W)0.0279极数410极距(cm)5.7811节距512槽数2913绕组形式双层14每相串联匝数22015每槽导体数5516槽满率0.656717叠片高度（cm）7.518叠片厚度（cm）519槽型尺寸（cm）b00.3h24.9b10.72R0.35h00.05hj2.4345h10.1155bt0.24320径向长度（cm）28.18 图3-1 直线电机初级中的一个槽3.3.2 创建电机模型根据软件设计手册，设计出的初级冲片图为：图3-2 软件设计的直线电机初级尺寸图初级为双层叠绕组，共29槽，三相四级电机，节距为5，槽满率0.6567，总共有4部分初级，每部分弯曲角度为61.60度10。仿真图如下图所示。图3-3 ansoft设计的直线电机初级冲片仿真二维模型图图3-4 ansoft设计的直线电机初级仿真二维模型图图3-5 直线电机初级三维立体图次级利用洗衣机的内筒，所以选择材料为10号钢，厚度为5mm，内筒直径600mm。设计好的二维平面图如图3-5。图3-5 ansoft设计的直线电机总体二维图3.3.3 ansoft仿真结果完成上述设置和检查后，即可对直线电机进行电磁场计算与分析，求解后对电机运行时的各个参量进行观察。3.3.3.1 定位推力波动观察执行Maxwell2D/Results/Create Transient Report/Rectangular Plot 命令，自动弹出曲线设置对话框，在类别Category 对话框中选择Force 力选项，Quantity对话框中选择Moving1.Force_z 力选项，单击New Report 按钮完成设置。图3-6 所示为直线感应电动机定位力曲线。图3-6 直线感应电机定位力曲线3.3.3.2 绕组磁链观察执行Maxwell2D/Results/Create TransientReport/Rectangular Plot 命令，自动弹出曲线设置对话框，在参数设置栏中选择运动设置moving1，在类别Category 对话框中选择Winding选项，Quantity 对话框中选择A、B、C 三相感应电压选项，单击New Report 按钮完成设置，图3-7 所示为直线永磁电动机稳态速度运行时的A、B、C三相绕组磁链曲线。图3-7 直线电机稳态运行是的ABC三相绕组磁链曲线3.3.3.3 直线运动位置观察执行Maxwell2D/Results/Create TransientReport/Rectangular Plot 命令，自动弹出曲线设置对话框，在参数设置栏中选择运动设置moving1，在类别Category 对话框中选择Position选项，Quantity 对话框中选择Position 选项，单击New Report 按钮完成设置，图3-8 所示为直线永磁电动机稳态速度运行时的次级移动位置。图3-8 直线永磁电动机稳态速度运行时的次级移动位置曲线3.3.3.4 磁通密度分布观察将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物体，在场图显示设置对话框物理量Quantity 中选择磁通密度Mag_B，选择所有物体allobjects 可以图形显示电机磁通密度云图分布，如图5-123 所示为初始时刻磁密云图分布。将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物体，在场图显示设置对话框物理量Quantity 中选择磁通密度B_Vector，选择所有物体allobjects 可以图形显示电机磁通密度矢量分布。图3-9、图3-10所示为电机的磁通密度分布以及局部分布图。图3-9 磁通密度分布图图3-10 局部磁通密度分布图3.3.3.5 磁力线分布观察将鼠标移至模型窗口，键盘操作Ctrl+A，选择模型窗口中所有物体，执行Maxwell2D/Fields/ Fields/Flux lines 命令，在弹出的场图显示设置对话框中设定显示名称，物理量Quantity 中选择磁力线分布Flux lines，选择所有物体allobjects 可以图形显示电机等势线分布，场设置对话框如图5-121 所示，图3-11 所示为电机在运动初始时刻时的磁力线分布图，图3-12为部分地区放大图。图3-11 磁力线分布图图3-12 局部地区放大图3.3.3.6 力矩观察 执行Maxwell2D/Results/Create Transient Report/Rectangular Plot 命令，自动弹出曲线设置对话框，在参数设置栏中选择运动设置moving1，在类别Category 对话框中选择Torque 力矩选项，单击New Report 按钮完成设置。图3-13显示了直线电机的力矩曲线。图3-13 直线电机力矩曲线3.3.3.7 速度观察 图3-14 直线电机速度曲线3.3.3.8 损耗观察 损耗包括铁损、固定损耗、被动导体损耗三部分，图3-15显示了三种损耗的曲线。图3-15 三种损耗的曲线 第4章 对于直线电机电容制动的研究制动是电力拖动系统的重要问题之一，在生产中为了减少辅助工作时问，提高生产效率，实现准确停车、提高产品质量以及保障人身安全等， 许多机械都要求，实现有效地制动。在电力拖动系统中，异步电动机的应用十分广泛，因此，对其制动的深入研究具有重要意义，三相异步电机的电气制动方法有回馈制动、反接制动、能耗制动以及阻容制动等。4.1 三相异步电机的主要制动方法4.1.1 机械制动当电动机的定子绕组断电后，利用机械装置使电动机立即停转，即为机械制动。图4-1 电磁抱闸制动器之MZD1系列交流单相制动电磁铁 4.1.1.1 电磁抱闸制动器结构示意图图4-2 电磁抱闸制动器结构示意图1线圈 2衔铁 3铁心 4弹簧 5闸轮 6杠杆 7闸瓦 8轴4.1.1.2 电磁抱闸通电制动控制线路及其工作方式合上电源开关QS；按下SB2，KM线圈得电；KM1自锁触头闭合,自锁，松开SB2，电磁抱闸线圈YB得电，使抱闸的闸瓦与闸轮分开，KM1主触头闭合,电动机起动运行；停：按SB1，接触器KM失电释放电磁抱闸线圈YB也失电，在弹簧的作用下，闸瓦与闸轮紧紧抱住。图4-3 机械制动控制电路示意图4.1.2 电气制动电动机产生一个和电动机实际旋转方向相反的电磁转矩，使电动机迅速停转。4.1.2.1 反接制动 原理：在停车时，把电动机反接，则其定子旋转磁场便反向旋转，在转子上产生的电磁转矩亦随之变为反向，成为制动转矩。图4-4 反接制动电机示意图电磁抱闸通电制动控制线路及其工作方式：合上电源开关QS；按下SB1，KM1线圈得电；KM1自锁触头闭合,自锁，松开SB1，KM1主触头闭合,电动机起动，运行在转速高到一定值时，KS闭合；停：按下SB2KM1失电释放，KM2线圈得电，KM2主触头闭合，电动机串联电阻反接，反接制动，KM2自锁触头闭合；停：松开SB2继续反接制动。图4-5 反接制动控制电路图4.1.2.2 能耗制动原理：电动机切断交流电源后，立即在定子线组的任意两相中通入直流电，利用转子感应电流受静止磁场的作用以达到制动目的。图4-6 能耗制动电机示意图单向启动能耗制动自动控制线路及工作方式：合上电源开关QS，按下SB1，KM1线圈得电；KM1自锁触头闭合，KM1主触头闭合，KM1联锁触头分断；按下SB2，KM1线圈失电，KM1自锁触头分断，KM1主触头分断，KM1联锁触头闭合，KM2线圈得电，KT线圈得电；KM2自锁触头闭合，KM2主触头分断闭合，电动机半波能耗制动，KM2联锁触头分断，KT瞬时闭合触头闭合，松开SB2；KT延时断开触头延时分断，KM2线圈失电，KT线圈失电，各触头复位。图4-7 能耗制动控制电路图4.1.2.3 电容制动 原理：当电动机切断交流电源后，立即在电动机定子绕组的出线端接入电容器来迫使电动机迅速停转的方法叫电容制动。当旋转着的电动机断开交流电源时，转子内仍有剩磁。随着转子的惯性转动，形成一个随转子转动的旋转磁场。该磁场切割定子绕组产生感生电动势，并通过电容器回路形成感生电流，这个电流产生的磁场与转子绕组中的感生电流相互作用，产生一个与旋转方向相反的制动力矩，使电动机受制动迅速停转3。电容制动控制线路及其工作原理：合上电源开关QS，按下SB1，KM1线圈得电；KM1自锁触头闭合，KM1主触头闭合，KM1联锁触头分断，KM1辅助触头闭合，KT线圈得电，KT瞬时闭合延时断开触头闭合，松开SB1，按下SB2 ，KM1线圈失电，KM1联锁触头闭合，KM2线圈得电，KM2主触头闭合，KM2联锁触头分断，电容制动开始；KT瞬时闭合延时断开触头延时分断，KM2线圈失电，各触头复位，电容制动结束。图4-8 电容制动控制电路图4.1.2.4 再生发电制动原理：当起重机在高处开始下放重物时，电动机转速n小于同步转速n1，这时电动机处于电动运行状态，转子相对于旋转磁场切割磁感线的运动方向发生了改变，其转子电流和电磁转矩的方向都与电动运行时相反。将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，将列出动能转化为电能，电能通过转换电器和受电弓反馈给供电触网，可提供给相邻运行的列车使用的制动方式。再生制动的三种不同的制动控制策略：具有最佳制动感觉的串联制动；具有最佳能量回收率的串联制动；以及并联制动。图4-9 再生发电制动原理图4.2 采用电容制动的原因根据海尔公司提出的问题，在洗衣机的过程中出现突然断电情况，为了解决这个问题，决定对洗衣机的直线电机采用电容制动。在出现突然断电的情况下，即旋转着的电机断开交流电源，由于次级内仍有剩磁，一般的制动方式不能使内筒停转，会对用户使用造成危险，故选用电容制动。当旋转着的弧形直线电机断开交流电源时，作为次级的洗衣机内筒内仍有剩磁。随着洗衣机内筒的惯性转动，形成一个随洗衣机内筒转动的旋转磁场。该磁场切割弧形直线电机初级绕组产生感生电动势，并通过电容器回路形成感生电流，这个电流产生的磁场与洗衣机内筒绕组中的感生电流相互作用，产生一个与旋转方向相反的制动力矩，使弧形直线电机受制动迅速停转，从而解决了洗衣机瞬间断电造成用户不安全使用的问题。4.3 应用于本设计的直线电机研究异步电机阻容制动的原理如图所示。制动时开关1打开，2闭合，在三相异步电机定子绕组端接入三相电容和电阻对。满足自励条件时，将在定转子绕组中产生电流，从而产生制动转矩，把转子的动能转化为电能，消耗在定转子电阻铁心以及外接电阻元件中，实现快速制动，制动转矩的大小由电机的参数、转速以及外接电容、电阻元件决定13。图4-10 电容制动原理电路4.3.1 建立数学模型为简化分析，作如下假定：(1)不计铁耗影响；(2)不计谐波磁势的影响；(3)除激磁电抗外，电机的参数为常数；(4)电磁暂态过程的时间常数远小于机械暂态过程时间常数，因而可不计电磁暂态过程对制动过程的影响。在上述假定下，三相异步电机阻容制动时的等效电路如图4-11所示，根据基尔霍夫电压定律，定子电流的回路方程为 （4-1） （4-2）式中，；，；、分别为定、转子绕组和外接电阻标幺值；、分别为基频时定、转子绕组漏电抗标幺值；、为基频时激磁电抗和电容容抗标幺值；、分别为气隙电压和电机端电压标幺值；、分别为气隙电压和电机端电压标幺值；、分别为定子、转子和外接电阻中的电流标幺值。图4-11 阻容制动等效电路图电机自激时，必有定子电流，因此回路阻抗一定等于零，即 （4-3）当给定转速v、外接电容C和电阻时，式（3）的求解可转化为如下的最优化问题 min （4-4） 式（4）为无约束非线性最优化问题，可采用直接寻优法求解。求得定子电流频率和激磁电抗后，比较和最大激磁电抗的大小，若，则电机不能自激；若，则满足自激条件。当外接电阻和转子转速保持不变时，电容和激磁电抗间的关系是非线性的，随着电容的增加，开始先减小，当达到某一值后又变为增加。因此对应于，存在两个电容值和，分别成为最小和最大自激电容。当或时，电机将不能自激。对一台确定的电机，和仅是转子转速和外接电阻的函数，它的计算可归结为如下的最优化问题 （4-5）计算时，应取。当满足自激条件是，要计算电机上的电流、电压和电磁转矩，应首先求解式（4），得到定子电势频率和激磁电抗后，再由电机基频时气隙电压和激磁电抗之间的关系求得基频时的气隙电压，实际频率下的气隙电压为。这样定转子电流可表达为 (4-6) (4-7)电磁功率为 （4-8）三相异步电机运行在阻容制动状态时，转矩方程为 （4-9）式中 为旋转部分的转动惯量；为转子机械角速度；为旋转阻力系数，考虑到，及,式（9）可改写为 （4-10）式中，；。不满足自激条件时，式（10）可简化为 （4-11)4.3.2 电容和电阻的选择异步电机阻容制动时，其制动效果决定于外接电容和电阻的值，选择是应遵循如下原则：（1）停机时间满足生产实际要求；（2）制动过程中电机的电压、电流在允许的限度内； (3)线路简单、可靠，设备投资小；若要求制动效果最佳，应选择电容，为制动开始前转子的转速，并通过仿真配以最佳电阻。然而如此选择的电容其容量很大（如样机的），设备投资增加，不经济。实用中以满足制动要求为准则选取电容和电阻，其数值有仿真计算来确定。当有数个方案满足制动要求是，应考虑综合成本、系统复杂性等因素选取较优方案。在制动过程中，电机会出现过电压、过电流现象，然而由于电机转速下降很快，作用时间短，对电机不会造成危害。4.4 结论(1)计算与实测结果一致，说明所建立的数学模型正确。 (2)利用最优化方法确定三相异步电机在自激发电制动状态时的稳态工作点，避免了建模过程中繁杂公式的推导。(3) 电容一定时，外接电阻的大小对制动过程有较大影响，存在一最佳电阻，使制动效果最好，该电阻值随电容的变化而变化。致谢 在本次毕业设计过程中，范瑜教授对该论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我对直线电机设计有了深刻的认识，使我得以最终完成毕业设计，在此表示衷心感谢。