电动机特性及其控制方法研究开题报告

全文总字数：5715字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1课题的背景及意义

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置，在过去的几十年中，在电机驱动技术方面有着显著的发展，这使其在很多应用领域有了更多开发，包括一些大型应用机械，其中最重要的是船舶电力推进。传统的船舶推进方式是利用汽轮机、柴油机或燃气轮机等原动机直接推进螺旋桨，而电力推进船舶是将原动机的机械能转变为电能，采用电动机直接驱动螺旋桨转动。

20世纪80年代中期以来，随着电力电子技术、电机、交流调速技术和数字控制技术的发展，船舶电力推进系统在调节性能、机动性、运行效率、推进功率等方面都有突破性进展，使得电力推进船舶向多元化方向不断发展，其系统也不断升级。所以电力推进船舶得到了造船界和航运界的重视。近年来采用电力推进系统的船舶数量逐渐增多。一般来说，任何类型的船舶都可以采用电力推进系统。

2. 研究的基本内容与方案

2.1异步电动机

2.1.1异步电动机的结构

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图1所示。

图 1

（1）定子

三相异步电动机的定子由三部分组成：如图表1

表 1

（2）转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：如图表2

表 2

2.1.2异步电动机工作原理

当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。

该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。

根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率，ns为磁场转速，n为转子转速。

三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速，使转子和旋转磁场间有相对运动，从而保证转子的闭合导体切割磁力线，感生电流，产生转矩。转速的差异是异步电机运转的必要条件。在额定情况下，转子转速一般比同步转速低2-5%。

2.2同步电动机

2.2.1同步电动机的结构

同步电动机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构写形式。由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图2所示。

图 2

凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。

2.2.2同步电动机的工作原理

同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。

在定子三相对称绕组中通入三相交流电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本原理。

定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。

2.3有刷直流电动机

2.3.1有刷直流电动机的结构

电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的，有刷电机有碳刷。

有刷电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电刷的位置，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向。

图 3

2.3.2有刷直流电动机的工作原理

有刷直流电机在其电枢上绕有大量的线圈，所产生强大的磁场与外部磁场相互作用产生旋转运动。

基本的有刷电机已经完全机械化，不需要电子设备参与。控制也十分简单：连接直流电源，电机自启动然后旋转。由于小接触角度形成一个“死区”，所以有刷直流电机有着潜在的启动问题，但这可以通过一些机械设计调整来解决。要实现反向旋转，只需将直流电源线对调，要调整运动速度（在有限的范围内），只需要升高或降低供电电压。

电枢的磁场与转子的磁场相互作用，转子的磁场可以通过电机本体上的固定线圈产生，也可以通过永磁体产生。当转子转动时，其磁场方向也要反转，从而电机保持转动，因为线圈产生的磁场的方向是一直切换的，并且被外部线圈或永磁体产生的磁场吸引/排斥。

2.4无刷直流电动机

2.4.1无刷直流电动机的结构

无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。图4所示为五相绕组星形连接桥式电路。同其他类型的电动机一样，无刷直流电动机本体包括定子和转子两大部件。转子由永久磁钢、转轴和磁轭等部件组成，它的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，与通电后的定子绕组相互作用产生电磁转矩，使其自身转动。电子开关线路和位置传感器共同构成电子换相器。电子开关与线路中的相应开关器件联接，位置传感器跟踪转子，并与电动机转轴相连接，其作用是保证电动机定子绕组准确换相，确保电动机在运行过程中定转子两磁场始终保持基本上垂直，以提高电动机运行效率。

图 4

在结构选择方面，绕组接法一般情况下有星形和三角形两种，图4采用星形Y接法。因为三角形接法容易使得电路在封闭绕组内形成谐波环流，所以现代无刷直流电动机绝大多数采用星形接法。在电子开关线路中有桥式和非桥式接法。图4采用桥式接法。桥式电路在理想空载转速和机械特性硬度等方面都要比非桥式的好。所以该文五相无刷直流电动机选用星形桥式接法。

2.4.2无刷直流电动机的工作原理

一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成,其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用,、使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过租中始终保持相互垂直,从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相,首先要求把一般直流电动机的电绕组放在定子上,把永磁磁钢放在转子上,这与传统直流水磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的,因为用一般直流电源给定子上各绕组供电,只能产生固定磁场,它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用,以产生单三方向的转矩来驱动转子转动。

2.5本文研究的基本内容和研究路线

1. 分别以异步电动机、同步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机为研究对象，分析他们的特点；

2. 比较异步电动机、同步电动机、有刷直流电动机和无刷直流电动机的运行特性，分别建立他们的数学模型并比较各个模型的特点；

3. 研究不同电机转速控制适合采用的控制方法；

4. 根据基于电机的控制系统的应用场合决定采用不同控制算法。

3. 研究计划与安排

1、翻译5000以上汉字的英文资料；

2、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，了解各种电动机的工作原理及其特点，完成开题报告；

3、查阅相关资料，了解各种电动机的控制系统工作原理；

4. 参考文献（12篇以上）

第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的技术知识，并结合实际要求完成要求。确定方案，完成开题报告。

第5－8周：掌握电动机的工作原理和特点。

第9－12周：研究各种控制方法在各种电动机中的应用及其特点。