西安特种电机原理及其应用

2017-05-12  来自: 西安特种电机 浏览次数:339

  1 简述特种电机的特点及发展趋势。

  特点:工作原理、励磁方式、技术性能以及结构上有较大特点,且种类繁多、功能多样化,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:机电一体化、智能化、大功率化、小型化、微型化、励磁材料永磁化、高功能化。

  2 电机中常用的永磁材料有哪几类,各有何特点?

  ① 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。

  ② 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。

  ③ 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. 永磁直流电动机与电励磁直流电动机结构上有什么相似和不同之处? 两者相比,永磁直流电动机有什么优点?

  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。

  2.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?

  永磁材料的性能对磁极的结构形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。

  铁氧体在性能上具有Br小、Hc相对高的特点,所以常做成扁而粗的瓦片形或圆筒形的磁极结构;

  铝镍钴永磁具有Br高、Hc低的特点,一般做成细而长的弧形或端面式的磁极结构; 稀土永磁的Br、Hc及(BH)max都很高,适宜做成磁极面积和磁化长度都很小的结构。

  3.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?

  有极靴磁极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路径经极靴闭合,对永磁磁极的影响较小。缺点是漏磁系数大,负载时的气隙磁场的畸变较大。

  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。

  4.永磁直流电动机中的电磁转矩和感应电动势各由什么物理量决定?为什么电磁转矩和感应电动势是实现机电能量转换不可分割的两个方面?

  电磁转矩至决定于fai和ia,与转速n无关,运动电动势仅决定于气隙磁通fai和电机的转速n。

  永磁直流电动机中两个最基本的物理量,一时电枢绕组通以电流时在磁场中

  受力产生的电磁转矩Tem,二是电枢绕组在磁场中运动产生的感应电动势E,由机电能量转换原理可知,在直流电动机中,只有运动电动势吸收的电能才能转换为机械能,因此产生运动电动势是实现机电能量转换的关键;与此同时,电枢在电磁转矩的作用下产生旋转,将电能转换为机械能。运动电动势和电磁转矩构成了一对机电耦合项,是永磁直流电动机实现机电能量转换不可分割的两个重要方面。

  5.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?

  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。

  6.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=50Ω,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 ?=2πn/60

  Tem=E*Ia/?=110*0.4/(2π*3600/60)=0.1167(N?m)

  (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. E不变,E=Ce*¢*n ¢1/¢2=n2/n1=5/4 n2=4500 r/min

  电枢电流增加0.1A、转速增加900r/min、电磁转矩不变。

  7.试论述永磁直流电动机运行中,永磁体励磁磁通减少后对运行特性的影响? 空载转速提高,电磁转矩减少。

  9.

  10.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。

  11.永磁同步电动机径向式和切向式转子磁极结构各有什么优点?为什么径向式结构转轴上不需要采用隔磁措施。

  径向式:楼次系数小,转轴上不需要采取隔磁措施,转子冲片机械强度相对较高,安装永磁体后转子不易变形。

  切向式:漏磁系数大,且需要采取相应的隔磁措施,制造工艺较径向式结构复杂,制造成本有所增加。优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供,可得到更大的每极磁通,尤其当电机级数较多,这种结构优势更明显,此外这种结构的凸极效应明显,产生的磁阻转矩在电机总转矩中比例高达40%,这对充分利用磁阻转矩,提高电动机功率密度和扩展电动机恒功率运行范围都是有利的。

  13.转子磁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?

  转子磁有凸极性的永磁同步电动机的矩角特性曲线上转矩值所对应的功率角大于90,而电励磁凸极同步电动机小于90。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,对永磁同步电动机有90<θ<180;对电励磁同步电动机0o<θ<90o

  1.简述永磁无刷电动机构成和工作原理。

  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。

  3.位置传感器都有哪几种?简述它们的工作原理。

  (霍尔位置传感器、旋转变压器、光电编码器、磁性编码器)

  7.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。

  “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120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。

  11.如何改变永磁无刷电动机的旋转方向?

  在“三相Y联结,3状态,一相单向导通120”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。

  16.无独立位置传感器永磁同步电动机有哪些位置预估方法?

  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。

  1.简述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,当电枢两端接通直流电源时,电枢绕组中有电枢电流产生磁场,电枢磁场与气隙磁场相互作用,产生电磁转矩,电动机带动负载旋转。改变电动机的输入参数,其输出参数也随之变化。

  5.两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?

  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为零而立即停止。 而转子电阻过大会导致损耗增加。

  6.两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。

  1、幅值控制: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: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。

  1.简述反应式步进电动机的工作原理。

  反应式步进电机利用磁通总是要沿着磁导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。

  2.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?

  步进电动机的步距角由相数、转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。

  5.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?

  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,步进电动机就可能要失步或震荡,电动机便无法起动。因此,步进电动机的运行频率要比起动频率高。

  6.怎样改变步进电动机的转向?

  改变绕组轮流通电的顺序可改变步进电机的转向。

  7.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? { 步距角= 360/(Z*N) ; 转速= 60f /(Z*N) 其中Z为转子齿数,N为拍数 }

  1. 什么叫磁阻转矩?

  开关磁阻电动机遵循磁通总是要沿着磁导的路径闭合的“磁导原理”,产生磁拉力形成磁阻性质的转矩,使转子转动的。

  2.为什么开关磁阻电动机都做成双凸极结构?

  因为开关磁阻电动机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。

  3.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?

  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。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。

  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θon即θon向θ1方向移动,电流幅值随之而增加;另一方面,调节θp又可以改变电流波形宽度,亦即改变电流波形。

  5.什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?

  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。

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