特种电机1.doc

1. 简述特种电机的特点及发展趋势。答：特点：种类繁多，功能多样化，而且不断产生功能特性，性能优越的新颖电机。发展趋势：（1）、目前，特种电机正向机电一体化方向发展，就是与电力电子技术、计算机技术、传感技术和现代控制理论结合，构成新型一体化产品，最终实现智能化。与此同时，随着电机及相关学科理论与技术的发展以及新型材料的应用，又促使特种电机不断向高性能化方向发展。（2）、特种电机的发展趋势之一是大功率化、小型化和微型化。在电力传动和交通运输等领域，很多应用场合，对特种电机提出了大功率化的要求，而很多信息产品、消费产品和国防产品又对特种电机提出了小型化和微型化的要求。（3）、社会发展和科技进步对特种电机不断提出新的要求，需要不断拓展电机功能和研发新型电机，这是特种电机发展的重点。其中，开发具有非电磁原理的特种电机已成为重要发展方向。2. 电机中常用的永磁材料有哪几类，各有何特点？1 答：（一）、铝镍钴永磁材料：优点：具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。缺点：矫顽力低，硬而脆，可加工性能较差。（二）、铁氧体永磁材料：优点:价格低廉，不含稀土元素和钴、镍等贵金属;制造工艺简单；矫顽力较大，抗去磁能力强；密度小，质量较轻；退磁曲线接近于直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需要像铝镍钴永磁材料那样进行稳磁处理。缺点：剩磁密度不高，最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。（三）、稀土永磁材料：主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，它们都是高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积的稀土永磁材料。（1）稀土钴永磁材料：优点：剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都很高，抗去磁能力强，温度系数低，磁性稳定。缺点：价格昂贵，而且材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花或线切割加工。由于这种永磁材料的磁性很强，磁极相互间的吸引力和排斥力均很大，因此磁极在充磁后运输和装配时都要采取措施，以免发生人身危险。（2）钕铁硼永磁材料：优点：其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。缺点：但其居里温度较低，磁性温度系数较高，在高温下使用时磁损失较大；易锈蚀；磁性能热稳定性较差。2 铝镍钴永磁材料：温度系数小，剩余磁场强度较高，但矫顽力很低；退磁曲线呈非线性；使用前要进行稳磁处理。3 铁氧体永磁材料：价格低廉，制造工艺简单，质量较轻；温度系数较大，剩磁密度不高，矫顽力较大；退磁曲线大部分接近直线；不能进行电加工。4 稀土永磁材料：高剩磁密度，高矫顽力，高磁能积；稀土钴永磁价格昂贵，温度系数小，退磁曲线基本上是一条直线；钕铁硼永磁价格较便宜，温度系数较大，容易腐蚀，在高温下使用时退磁曲线的下半部分要产生弯曲。1. 什么是稳磁处理，为什么要进行稳磁处理？答：稳磁处理：即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复线的起始点的位置，使永磁电机在规定或预期的运动状态下，回复线的起始点不再下降。原因：由于铝镍钴永磁材料的回复线和退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要注意它的特殊性，由它构成的磁路必须事先对永磁体进行稳磁处理。铝镍钴永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则，永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。2. 铝镍钴永磁电机在设计和使用时要注意哪些？答：由于铝镍钴永磁材料的回复线和退磁曲线并不重合，在磁路设计制造时要进行稳磁处理。铝镍钴永磁电机一旦拆卸、维修之后再重新组装时，还必须进行再次整体饱和充磁和稳磁处理，否则，永磁体工作点将下降，磁性能大大下降。依据铝镍钴永磁材料矫顽力低的特点，在使用过程中，严格禁止它与任何铁器接触，以免造成局部的不可逆退磁或磁通分布的畸变。为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁材料硬而脆，可加工性能差，不宜设计成复杂的形状。3、永磁磁路的计算与常规的磁路计算有何不同？答：不同之处是需要对永磁体进行等效处理。永磁磁路的计算与常规的磁路计算主要的不同在于永磁体需要进行等效处理，将永磁体等效成类似于电路中的电源，在磁路中等效成恒磁通源或磁动势源。另外永磁体需要进行工作点的确定。3. 永磁直流电动机与电励磁直流电动机在结构上有什么相似之处，又有什么不同？两者相比，永磁直流电动机有什么优点？答：与电励磁直流电动机相比，永磁直流电动机的电枢结构基本相同，主要差别是在定子侧由永磁体代替了电励磁磁体。永磁直流电动机保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，又因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少和效率高等特点。功率在300W以内时，永磁直流电动机的效率比同规格电励磁直流电动机高10%20%。而且，电动机功率越小，对电励磁直流电动机而言，励磁结构占总体积的比例和励磁损耗占总损耗的比例就越大，因此永磁直流电动机在小功率领域的优点尤为突出。采用铁氧体永磁时总成本一般比电励磁电动机低。相似之处：在电枢结构上基本相同。不同之处：在定子侧永磁直流电动机为永磁体，而电励磁直流电动机为电励磁磁极。优点：永磁电动机没有励磁绕组铜耗，因此相对而言效率更高；永磁电动机体积小质量轻、机械特性硬、电压调整率小。4. 永磁材料的性能对永磁直流电动机磁极结构和永磁体尺寸有什么影响？答：永磁材料的性能对磁极的结构型式和尺寸有决定性影响。由于永磁材料的性能差异很大，为达到某一要求，所选用不同材料的磁极的结构形式和尺寸不相同。铁氧体永磁在性能上具有Br 小，Hc 相对高的特点，所以结构上通常做成扁而粗的形状，来增加磁极面积，相对缩小磁化方向长度。铝镍钴永磁具有Br 高、Hc 低的特点，一般做成细而长的形状，即增大磁化方向长度，以弥补Hc 低的缺点。稀土永磁的特点是Br、Hc及（BH）max 都很高，可做成磁极面积和磁化长度均很小的结构形状。5. 永磁直流电动机有极靴的磁极结构有什么优点和缺点？原因何在？答：有极靴结构既可起聚磁作用，提高气隙磁通密度。还可调节极靴形状以改善空载气隙磁场波形；负载时交轴电枢反应磁通经极靴闭合，对永磁磁极的影响较小。缺点是漏磁系数大，负载时气隙磁场的畸变较大。此外，此类结构造成电动机结构复杂、制造成本增加，外形尺寸增大。原因：极靴的存在使得永磁体不能直接面向气隙，主磁通就变小，漏磁系数变大；主磁通需经极靴闭合，使得负载时气隙磁场产生较大的畸变。6. 绘图说明永磁直流电动机组合式磁极结构的目的和原理。7. 同电励磁电动机相比，永磁直流电动机运行中有什么值得注意的特殊问题？为什么会存在这些问题？答：（1）运行特性的温度敏感性 ：永磁材料，特别是钕铁硼永磁和铁氧体永磁的磁性能对温度的敏感性很强。如果从冷态（低温环境温度）运行到热态（高温环境温度），运行温度提高了100度C，钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机的每极磁通就分别减少约12%和18%20%，这将会显著影响永磁电机的感应电势、电磁转矩和运行特性。当永磁直流电动机在同一端电压下运行时，空载转速将分别提高约12%和18%20%；在同一电枢电流下运行时，电磁转矩分别减少约12%和18%20%。如果再计及电枢反应的去磁作用，则上述变化率还将增大。因此，在永磁电机运行时要充分考虑到工作温度对运行特性的影响。（2） 永磁体励磁不可调：在永磁直流电动机中，由永磁体励磁取代了电励磁，永磁体励磁是不可调的。在有些情况下，这会给电机的控制带来一定的困难。某些应用场合要求电动机的转速能在一定范围内平滑调节。在永磁直流电动机中，同样也可以进行调压调速，但永磁体励磁是不能自行调节的，其自身不具有“弱磁”能力，因此难以实现弱磁调速。（3） 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应：对于永磁电机，电枢反应不但影响气隙磁场的分布与大小，而且使永磁体的工作点相应的改变，还影响到永磁体的工作状态。对于无极靴的永磁直流电动机而言，由于稀土永磁材料磁导率与空气隙磁导率很接近，对交轴电枢磁动势来说，电机气隙可以认为是均匀的是，因此交轴电枢反应磁场Bqx 的波形也为三角形而不是马鞍形，其最大磁通密度发生在交轴上。无极靴时交轴电枢磁动势直接作用在永磁体上，特别是产生去磁效应一侧的磁极极尖处，交轴电枢磁动势很大，容易使永磁体产生不可逆退磁。因此，要避免电动机在各种运行状态下会出现这种情况，如起动、堵转、突然停转或突然反转等状态，因为此时电枢绕组中的电流是额定电流的几倍甚至十几倍。1 运行特性的温度敏感性；永磁材料的磁性能受温度的影响，因此，永磁电机运行时要注意工作温度对运行特性的影响。2 永磁体励磁不可调；永磁体的磁性能是固有的物理特性，在安装到电机上之前就已经固定，在运行中不能调节永磁体的磁性能。3 交轴电枢磁动势和交轴电枢反应；电枢反应不仅影响气隙磁场的分布与大小，而且使永磁体的工作点相应改变，影响到永磁体的工作状态。8. 已知一台永磁直流电动机，其电枢电压U=110V，电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600r/min，电枢电阻Ra=50，忽略空载转矩和电刷电压，试求：(1) 该运行状态下的电磁转矩；(2) 如果电动机运行中，由于温度升高永磁体励磁磁通减少了20%，在电枢电压和负载转矩保持不变的情况下，电枢电流、转速和电磁转矩各变化多少；解：（1）E=Ua=110V =2n/60 Tem=E*Ia/=110*0.4/(2*3600/60)=0.1167(Nm) （2）Tem=T2+T0 因为T2不变，T0不计 所以Tem不变 Tem =CT*I 1*I1=2*I2 1/2=I2/I1=5/4 I2=0.5A E不变，E=Ce*n 1/2=n2/n1=5/4 n2=4500 r/min 8、永磁同步电动机与电励磁同步电动机结构上有什么相似和不同之处？两者相比，永磁同步电动机有什么优点？相似之处：在定子结构上基本相同。不同之处：永磁同步电动机由永磁体提供磁通取代了电励磁绕组励磁。优点：省去了集电环和电刷，简化了结构，提高了运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率因数。9. 永磁同步电动机表面凸出式转子结构釆用的如果是稀土永磁体，则可认为电机气隙是均匀的，为什么？答：对于采用稀土永磁的电机而言，由于永磁材料的相对回复磁导率接近于1，与空气相当，永磁体内的磁路磁导等同于空气，气隙磁场的分布没有因磁极突出而改变，电机气隙可认为是均匀的。10. 转子磁极具有凸极性的永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机在矩角特性上有什么差别？为什么？答：转子磁极具有凸极性的永磁同步电动机的矩角特性曲线上转矩最大值所对应的功率角大于90o，而电励磁凸极同步电动机小于90o。因为永磁同步电动机的直轴同步电抗Xd小于交轴同步电抗Xq，而电励磁同步电动机恰好相反，根据矩角公式=arccos可以得：对永磁同步电动机有90o180o；对电励磁同步电动机有0o90o 。11. 简述永磁无刷电动机构成和工作原理。答：永磁无刷电动机由电动机本体、转子位置传感器和驱动电路三部分组成。电动机本体是进行机电能量变换的器件，由定子和转子构成，转子轭上装有永磁体，用以提供主磁通；定子铁芯上装有多相绕组用来输入电能。与转子同轴的位置传感器用来检测磁极位置。驱动电路根据位置传感器的信号依次向绕组供电。在a相导通期间，若a导体中流入页面的电流处在N极下，则a 导体中流出页面的电流处在S极下，产生逆时针方向的转矩；转动后，换向成b相导通，同理产生逆时针方向的转矩；如此a、b、c三相循环导通，电机进入逆时针转向电动机运行状态。根据上述原理，电机也可进入顺时针转向电动机运行状态。12. 位置传感器都有哪几种？简述它们的工作原理。答：a霍尔位置传感器 b 旋转变压器 c光电编码器 d 磁性编码器13. 永磁无刷直流电动机的驱动模式有哪几种？简述它们各有什么特性。答：（1）“三相Y联结，3态，一相单向导通120度”驱动模式：机械特性、转矩-电流特性、转矩-电压特性、功率特性、电动机转向控制。（2）“三相Y 联结，6状态，两相双向导通60度”驱动模式.（3） 二相4状态，一相双向导通90度驱动模式 “三相Y联结，3状态，一相单向导通120o”每次只有一相导通，电流总为正值。每相导通120o电角度。 “三相Y联结，6状态，两相双向导通60o”每次两相同时导通，电流可双向流通。每次导通60o电角度。 共性：当电压一定时，机械特性是一条直线；随着电压的下降，机械特性平行下移。转矩-电流特性是一条斜率为正数、过原点的直线。转矩-电压特性是一条斜率为正数、不过原点与U正半轴相交的直线。功率特性是一条过原点、开口朝下的抛物线。14. 如何改变永磁无刷电动机的旋转方向？答：在“三相Y联结，3状态，一相单向导通120o”驱动模式下，调换b、c两相的导通顺序可实现反向；在“三相Y联结，6状态，两相双向导通60o”驱动模式下，互换桥式电路上下桥臂的开通关断状态可实现反向。15. 无独立位置传感器永磁同步电动机有哪些位置预估方法？答： 1、基于反电动势的位置估算器； 2、检测定子电压、电流转子位置估算器； 3、基于观测器的速度和位置估算器； 4、由于几何形状和饱和的影响，基于电感变化的估算器； 5、用于人工智能的估算器。16. 简述直流伺服电动机的基本工作原理。答：直流伺服电动机的基本工作原理基于电磁感应定律和电磁力定律这两个基本定律。当电枢两端接通直流电源时，电枢绕组中有电枢电流Ia流过，电枢电流Ia与气隙磁场（每极磁通）相互作用，产生电磁转矩Tem，电动机就可以带动负载旋转，改变电动机的输入参数（电枢电压、每极磁通等）。其输出参数（如位置、速度、加速度或转矩等）就会随之变化，这就是直流伺服电动机的工作原理。17. 两相交流伺服电动机转子电阻的选择原则是什么？转子电阻过大或过小对电动机性能将会产生怎样影响？答：原则：一使电动机具有宽广的调速范围，二要有效防止电动机的“自转”现象。因此要采用较大的转子电阻。转子电阻过小，电动机的调速范围较小，并且单相运行的感应电动机仍然产生正方向的电磁转矩，只要负载转矩小于电磁转矩，转子仍然继续运行，而不会因Ua为0而立即停止。 这种控制电压为0时电动机仍然旋转的现象称为“自传”现象，“自传”现象破环电动机的伺服性，因此是不允许存在的。而转子电阻过大时，电磁转矩将变为负值，会导致损耗增加。18. 两相交流伺服电动机的控制方式有哪些？试就它们各自的特点作简要说明。答：1、幅值控制：幅值控制是指通过控制电压的幅值来实现电动机的调速和起动停止控制，而控制电压与励磁电压之间的相位差始终保持90度电角度不变。当Ua为最大值时气隙磁场为圆形旋转磁场，电动机为最高转速；当Ua为零时电动机停转。2、相位控制：相位控制是指通过控制电压的相位来实现电动机的调速、起动、停止和正反转控制，而控制电压的幅值保持不变。当控制电压与励磁电压之间的相位差为90度时，电动机为最高转速；当相位差角为零时，电动机停转。3、幅值相位控制：调节控制电压Ua的幅值时，励磁绕组电压Uf的幅值极其与控制电压Ua之间的相位差角都随之变化，从而使电动机转速得到调节。当Ua为零时，电动机停转。19. 简述反应式步进电动机的工作原理。答：反应式步进电机利用磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理产生磁拉力形成磁阻性质的转矩而步进。反应式步进电机定子齿上装有励磁绕组，定子齿数为相数的两倍，相对的齿上的绕组串联成一相；转子由软磁材料制成，其上均匀分布着与定子齿同宽的齿，无论转子转到什么位置，转子齿的轴线总是最多只有一条与定子齿的轴线重合。以三相反应式步进电机为例，当采用三相单三拍通电方式，每拍只导通一相，根据“磁导最大原理”，转子总是会以最短的路径转动使转子齿轴线与定子齿轴线对齐；当采用三相双三拍通电方式，每拍同时导通两相，转子总是会以最短的路径转动到使转子转矩为零的位置。若依次循环按A-B-C或者AB-BC-CA的方式通电，反应式步进电机会按照通电信号一步一步的朝一个转向步进，则每次步进的角度为30度，我们称其步距角为30度。若改变绕组通断电的频率可以调节电机的转速，若改变绕组轮流通电的顺序可以改变电机的转向。20. 步进电动机的步距角由哪些因素决定？步进电动机的转速是由哪些因素决定的？答：步进电动机的步距角由相数、拍数、子齿数以及通电方式决定。步进电动机的转速由绕组通断电的频率决定。反应式步进电动机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数。21. 何谓步进电动机的起动频率，它和运行频率大小一样吗？为什么？答：在一定负载转矩下，电机不失步地正常起动所能加的最高控制脉冲的频率，称为起动频率。步进电动机的起动频率和运行频率大小不一样。步进电动机在起动时，转子从静止状态开始加速，电动机的磁阻转矩除了克服负载转矩外，还要克服轴上的惯性转矩，因而起动时电动机的负担比连续运转时要大。当起动时脉冲频率过高，转子的运动速度跟不上定子磁场的变化，转子就要落后稳定平衡位置一个角度。当落后的角度使转子的位置在动稳定区之外时，步进电动机就要失步或震荡，电动机便无法起动。电动机一旦起动后，如果再逐渐升高脉冲频率，由于这时转子的角加速度较小，惯性转矩不大，因此电动机仍能升速，显然，步进电动机的运行频率要比起动频率高。22. 怎样改变步进电动机的转向？答：改变绕组轮流通电的顺序可改变步进电机的转向。23. 步距角为1.5/0.75的反应式三相六极步进电动机的转子有多少个齿？若运行频率为2000Hz，求电动机运行的转速是多少？答： 步距角= 360/（Z*N） ； 转速= 60f /（Z*N） 其中Z为转子齿数，N为拍数 提示：要分不同的通电方式讨论！24. 为什么开关磁阻电动机都做成双凸极结构？答：开关磁阻电动机遵守磁通总是沿着磁导最大的路劲闭合的“磁导最大原理”，产生磁拉力形成磁阻性质的转矩，使转子转动的。它在结构上的构成原则是转子旋转时，磁路的磁导要有尽可能大的变化，因此需采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构。25. 简述理想线性化开关磁阻电动机的工作原理。绕组电感，电流与转子位置角的关系如何？答：工作原理：利用磁阻的不等，磁通总向磁阻小的路线集中，通电的定子以磁力吸引铁磁性的转子，使磁力产生切向分力，即产生对转子的转矩。定子的通电循序是根据转子位置传感器检测到的转子位置相对应的最有利于对转子产生向前转动转矩的那一相定子通电，转过一定角度后又由下一个最有利于转子产生转矩的一相通电。不断变换通电的定子绕组相序，使转子连续朝一个方向转动。电感与转子位置角关系：式中转子转动时，绕组电感在Lmax与Lmin之间变化，其频率与转子齿数成正比，周期为转子齿数。电流与转子位置角关系： 12（电压、转速一定条件下）；在电源一定条件下，高速运行时，大电流上升速度很慢；低速运行时，小电流上升速度很快。减少on即on向1方向移动，电流幅值随之而增加；另一方面，调节p又可以改变电流波形宽度，亦即改变电流波形。26. 什么是电流斩波控制和角度位置控制？它们分别适用于何种场合？什么叫能量比？答：电流斩波控制：低速运行特别是起动时，采用斩波控制，限制电流峰值。包括3种控制方法：1.给定绕组上限值Imax和值Imin的斩波控制，通过开关器件多次导通和关断来限制电流在给定的上、下限值之间变化；2.给定绕组电流上限值Imax和关断时间t1的斩波控制；3.脉宽调制的斩波控制。 角度位置控制：开关磁阻电机高速运行时，电机的转矩只能通过改变开关角on和p来调节，并由此实现速度闭环控制，即根据当前转速和给定转速n0的差值自动调节电流脉冲的开通、关断位置，最后使转速稳定于n0。能量比：磁场储能/机械能输出（）27. 开关磁阻电动机系统中位置检测器的功能是什么？答：确定定、转子极的相对位置，即要用绝对位置传感器检测定、转子相对位置、向单片机端口提供正确的转子位置信息，以确定对应相绕组的通断，使转子位置与绕组导通的相序很好地配合起来，以便实现设计所需的运行特性，同时也作为测量电机转速的依据。28. 试述直线感应电动机的工作原理，其同步速度决定于什么？如何改变运动的速度和方向？答：将三相感应电动机展开后得到直线感应电动机，通入定子三相绕组的三相对称正弦电流，直线感应电动机气隙中的定子磁场是平移的，其中初级与次级间在电磁上的作用关系没有改变，次级导条在气隙磁场的切割下感应出电动势并产生电流，导条电流与气隙磁场作用产生电磁推力，从而实现了机电能量转换。同步速度仅取决于电源频率和极距。 通过对换三相电源的任意两相，改变动子（初级和次级）运动方向，可以使电动机做往复直线运动，从而改变运动的速度和方向。29. 直线感应电动机结构有哪几种主要型式？各有什么特点？答：扁平形：初、次级均为扁平形；初级短，次级长。圆弧形：初级为弧形，次级为圆柱形；初级安放于圆柱形次级外侧。圆盘形：初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上；初级可以是单面，也可以是双面。圆筒形：初、次极均为圆筒形。30. 单对极自整角机的主要结构型式有哪些？简要说明他们的结构特点及其优缺点。