永磁电动机速度调节控制设计毕业设计论文 精品Word文档格式.docx
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
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（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
摘要
21世纪，随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的高新技术，可利用的资源也越来越少。
面对如此恶劣的环境，人们对于节电和环保的意识也越来越强，在这样的环境下传统的电励磁电机就受到了挑战，同时这也是给新型的永磁电机提供了广阔的发展机会。
与此同时，数字信号处理器、新型电力电子器件以及现代控制理论的发展得到了强有力的发展。
比较传统的电磁电机，永磁同步电机具有效率高且功率因数高，体积小，重量轻，材料使用率高等，具有无与伦比的优势。
因此，近年来，随着永磁材料的价格上涨，和电力电子技术的发展，永磁电机的发展受到了各方面的关注。
由于永磁同步电动机结构复杂多样，媒质交界面曲直交错等原因，使得永磁同步电机的设计的难度大大的增加，计算精度比较差；
此外，永磁同步电机在某些特殊的电磁过程及一些特殊问题，如对磁问题的永磁磁极结构形状和尺寸优化设计、永磁体局部失磁问题这些都是设计的难点。
关键词:
永磁电机，现代调速控制，电力电子技术
ABSTRACT
Inthe21century,scienceandtechnologydevelopfast.Hightechnologyemergeendlesslyandtheresourcedaybyday,thuspeoplebecomemoreawareofeconomizingelectricity,andprotectingourenvironment,whichmakethetraditionelectricalexcitationconfrontgreatchallenge,aswellassuppliedwithgoodchance.Thedevelopmentofthenewpowerelectronicdevices,digitalsignalprocessorsandmoderncontroltheory,themodernspeedcontroltechnologyhasbeendeveloped.Comparedtothetraditionalelectricalexcitationgenerator,thepermanentmagnetsynchronizegeneratorhastheadvantageofhighefficiency,highfactor,smallsize,lessmaterial,lessweight,thatcannotbereplaced.thus,recently,asthepermanentmagnetmaterialbecomemoreeconomy,aswellasthepowerelectrontechnologydevelop,thedevelopmentofthePMSMisbeingconcernedbyallsides.
Forthecomplexfabricandinterleavedmediumboundary,thePMSMdesignbecomerathercomplex,hardforaccount,besides,somespecialproblemsasmagneticpolefabricdimensionoptimize,partofmagneticpolelosemagnetismaredifficultyfordesign.
Keywords：
PMSM,themodernspeedcontroltechnology,thepowerelectrontechnology
第一章绪论
1．1永磁同步电动机的发展概况
永磁材料的发展是与永磁电机的发展息息相关的，世界上第一台电机，就是19世纪20年代由永磁体产生励磁磁场的永磁电机，但是当时主要采用的是永磁材料的天然磁铁矿石，磁能密度较低，电机正常运行的需要不能恶搞得到满足，所以没过多久永磁电机就被电励磁电机取代了[1]。
直流电机存在电刷和机械换向器带来的各种限制全部都被交流电机克服了，因此交流电机在工厂自动化中得到了广泛的应用[2]。
由于永磁同步电机的转子采用的是永磁材料，它控制起来要比异步电动机简单的多，因此优良的，高性能的控制更加容易实现，特别是永磁电动机具有简单的结构，运行起来可靠安全，同时它体积小，质量轻，损耗小，效率高，而且在电机形状和尺寸的设计上可以灵活多样的优点，引起了电机驱动技术和电机设计人员的重点关注和重视。
因而永磁同步电机得到了极其广泛的应用，几乎设计到了航天航空。
国家防御。
工业和农业的生产，甚至包括了生活很中的各个方面[3]。
目前相对于日本与欧洲的电梯市场，中国电梯市场中永磁同步电梯的使用比例仍不算高，这几年虽然有部分的市场推广，但是因为价格和对永磁同步曳引机产品的信赖性尚有疑虑，客户大多采用观望态度，但随着国际大厂纷纷导入及产品日趋成熟稳定，加上节能意识高涨，近来采用永磁同步曳引机的电梯产品已有了相当的接受度，甚至有客户愿意以比较高的价格购买节能的永磁电梯产品，这种情况说明：
经过这几年推广和发展，客户不但已经认同了永磁产品，而且也认同了节能环保观念。
关于永磁电梯的发展方向，经过这些年的积极发展，目前除了在技术上朝大容量与高速比的方向迈进外，在设计思维上仍有所差异，但提供更高的性价比应该不会改变，而追求曳引轮小型化，降低电动机转矩，更有效地降低电动机尺寸与成本，提高节能环保层次，可能会成为未来电梯的追求方向。
同时我国的稀土占有量为全球的85%，拥有全球绝大部分的稀土资源，因此在开发高磁场永磁材料电机的材料方面占有非常优厚的条件。
目前在我国有一大批的科学研究单位和高等院校在参与到高磁场永磁材料的开发与应用研究中来，取得的成果也是极其丰硕的[6]。
1．1.1永磁同步电动机的特点与应用
在技术不断进步的今天永磁同步电机的输出功率已经能够从几毫瓦到好几千千瓦，包含了整个微、小型已经中型电机的功率范围，而且正在往大功率领域内延伸。
在永磁同步电机里，转子的直流励磁绕组被可以励磁的永磁铁所取代，从而消除了励磁铜耗，转子惯性也相应的降低了，其结构也更加的坚固。
与此同时，永磁同步电机相比较于传统的发电机，它不再需要集电环和电刷装置，从而使结构更加的简单，而且有效的减少了故障的发生；
不仅如此，此采用稀土永磁体还可以增大气隙磁密，使电机转速能够达到最佳值，提高了功率质量比。
这些原因使永磁电动机具备了一般电机所没有的显着特点：
即轻型化、尺寸小、性能高和效节能高。
永磁同步电机主要具备的性能特点：
（1）相对于普通感应电机，重量减少25％--60％,体积减小30％～70％；
（2）调速比范围宽，精度控制高，噪声小、运行平稳、过载能力强；
（3）中小型永磁同步电动机的效率能够提高5％，节电率达到10％，其中一些专用的永磁同步电机节能达到15％—20％。
正是基于永磁同步电机具备这样的优点，不管国内还是国外的许多领域用的特殊电机、高性能电机都是利用永磁同步电机方案进行的，例如美国Calnetix公司已研发出了2MW高速永磁电机，它的转速已能够达到19000-22500r／min，开发的永磁无刷直流电机线速度能够达到200m／s，转速甚至高达452000r／min[8]。
目前资源的短缺促使人们节能意识的高涨，推广应用新型的永磁同步电机可以促进节能工作的发展，促进节能目标的实现。
传统的电梯曳引技术有齿轮驱动系统存在，由于有齿轮间接驱动系统，使得整个驱动系统运行效率低而且维护复杂、驱动系统材料消耗较大、、噪声大等缺点。
因此和有齿轮驱动系统的电梯曳引技术相比较，在节能、环保方面采用永磁同步电机无齿轮驱动电梯系统有着突出的优点。
由于永磁同步电机性能强、效率高和轻量化等特点，因此受到了船舶综合电力推进系统供应商的喜爱，比如以永磁同步电机的SPP推进系统就是船舶电力推进系统的三大供应商中的一个的西门子就开发出了的。
SPP系统的效率得到明显提高正是由于使用了效率较高的永磁同步电机。
各种电动机车也开始关注到了永磁同步电机，永磁同步电动机正是其发展方向之一。
日本的电动车的研究始于1965年，并于1967年成立了日本电动车协会。
丰田公司在1996年研制的RAV4就采用了永磁同步电机作为驱动电机，在电动车的驱动电机的选择上，不同的国家都有各自的标准与侧重，英国等国家就侧重于永磁无刷直流电机[10]。
综上，永磁同步电机得到了非常广泛的应用，遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活等各个领域。
永磁同步电机已成为电机工业技术的主要发展方向之一，在未来也必将发挥更为重要的作用。
1．2课题研究的目的和意义
每年我过的电动机的耗电量占了全国总耗电量的60%，而这其中三相异步电动机又是耗电量最大的耗电大户，由于经济的发展迅速，人民群众对于生活的水平也日渐提高，各种用电设备的使用，使得对电能的需求也越来越高，因此每一个电机设计者都应该义不容辞参与到高性能电机的开发中来。
20世纪70年代初期出现一种新型永磁电机——永磁同步电动机。
由于永磁体具有高矫顽力和高磁能积，使得永磁同步电动机具有效率高、体积小、重量轻、特性好等诸多列优点，成为了新型电机的重要的发展方向之一[5]。
永磁体钕铁硼（NdFeB）的出现，其低廉的价格和优越的磁性能，展示出了永磁同步电机广阔的民用开发前景。
在民用中，国外已经有一些开始使用永磁同步电机代替原来的异步交流电机的领域，如很多电梯驱动用电电梯就已经使用永磁同步电机代替了原来的异步电机。
没有去庞大的齿轮箱而是将轿厢直接用曳引轮拖动，明显的使系统的噪声和震动减小了[6]。
特别值得一提的是取消了齿轮箱，就没有了复杂的润滑系统，彻底的将漏油造成的环境污染解决了，真正的达到了环保要求，可减小电梯空间，省去机房，降低电梯成本。
永磁同步电机研制成功，不但加快了电梯行业的前进步伐，还使电动机发展水平上了一个新的台阶。
1．2.1永磁同步电机调速技术的发展概况
由于直流电机具有效率高、性能好、速度快等许多优点，所以从其诞生之日起，就一直受到人们的关注，并广泛应用于工业和生活。
然而，随着不断发展的生产技术，对设备的要求也越来越高，直流拖动许多的弊端逐渐显露出来。
直流电机由于换向器的问题，使维护的工作量增加，单机容量、最大速度和使用的环境也受到了局限，因此人们开始研究运行稳定可靠、结构简单、维护方便、成本也比较低的异步电机。
但是，电力电子器件的发展还比较落后，很多性能不能满足交流电机调速技术的要求，因此，交流调速技术的发展是缓慢的。
在相当长的时期内，直流电动机具有优良的性能，其技术一直领先于交流调速，70年代后期以来，随着电力电子技术和控制理论的迅速发展，交流调速系统的性能也得到了飞速的发展，性能可与直流调速系统相媲美，竞争。
目前，交流调速已经慢慢地取代直流调速。
从十九年代起，人们开始研究同步电机的速度控制问题。
1964德国学者率先把通信系统中的调制技术应用推广到了变频调速里面，并首先提出了用于交流传动系统中的脉宽调制也就是PWM技术。
从根源上解决了方波逆变器中一直存在的问题。
已经过去了四十多年，这项技术已经在工业生产过程中取得了巨大的经济效益，并且在最基础的调制原理上提出了规则采样、自然采样、低次谐波消去等优化调制方法。
1969年，英国广播公司成功研制了世界上第一台6400kw的交-交变频同步电机传动装置。
在1971年德国的西门子的F.Blaschke提出了矢量控制原理后，它就广泛的受到了人们的关注，并在理论[8]。
应用等各个方面进行了深入的研究和讨论。
世界上第一台4220kw交-交变频同步电机调速系统式1981年由西门子公司研制的，并且最早用于矿井的提升机传动。
交流调速有很多的算法，但是最主流的为以下几种：
（1）正弦脉宽调制技术SPWM。
SPWM法是为克服直流脉宽调制（PWM）的缺点（其输出电压中含较大的谐波分量）而发展起来的。
它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相正弦波电源。
SPWM在通用变频器中日趋成熟，并且在高压变频器领域里面也占主导的地位。
（2）空间矢量脉宽调制技术SVPWM。
矢量控制是设法在普通的三相交流电机上模拟直流电机转矩的控制的规律，我们在磁场的坐标上，通过矢量变换将三相交流电机的定子的电流分解，把他们分解为转矩电流分量和励磁电流分量，然后对两个分量相互垂直，彼此之间相互独立，然后在分别进行调节。
SVPWM觉有噪声低、电流谐波少、转矩脉动小等优点，而且相对于常规的SPWM直流电压利用率能够提高大约15%。
1．2.2永磁同步电机国内外研究热点
磁势的计算、比较好的计算机仿真模型的建立、自动化仿真问题中的精度、算法、非线性的处理等等一直都是永磁同步电机的的热点研究问题。
目前国内外对永磁同步电机的研究和设计主要集中于两个方面：
1．结构设计和研究
永磁同步电机的永磁体具有很高的矫顽力，所以充磁方向非常薄的永磁铁提供很高的磁势赫尔气隙磁密。
因此，径向磁路结构比较传统的除外，当极数非常少的时候，还可以采用混合结构或切向磁路的结构。
国内外的永磁同步电动机转子的研究形状，提高功率效率和密度的准则都是磁通的增加、减弱电枢的应对或者高速的运行来实现的。
2．优化设计
稀土材料的价格相当的昂贵，在这种情况下，如果将永磁体工作的的点选择合适，使它在能够满足电动机性能各项的指标这个前提下，使要用的材料最少，也就是要电机的成本还有体积最小。
优化设计都是用计算机来完成的，在设计之中，目标函数一般都是选择永磁体的体积。
由于永磁体的尺寸直接影响着电动机的各种指标，因而可以选择永磁体的形状和尺寸作为设计的变量，然后其他的尺寸都可以用这个变量表示。
在所有的约定条件之中，定子齿部、电抗参数和轭部磁密、起动电流、定子电密以及槽满率等都应限定在一定的范围，而功率因素、效率和启动转矩等都要大于某一个给定的值。
尽管国内外的永磁同步电机的研究设计已经做了大量的工作，但是到今天为止，永磁同步电机在我们国家都还没有得到全面的推广。
这是有很多原因的。
其中一个就是永磁同步电机的成本高昂，但是这个问题随着永磁材料的发展，永磁同步电机的成本必然降低，而且如何采用最适合的量完成永磁同步电机，是之成本下降已经成为了一个重点。
此外，永磁同步电机之中的铁损耗的计算也相当的复杂，如何准备的去分析、计算这是高性能的永磁同步电机的关键点。
永磁同步电机的启动过程研究和稳定性研究一直是国内外专家们分析的焦点。
随着社会的发展，永磁同步电机显的愈渐重要。
第二章电梯的概述及主要电气设备
2.1电梯的概述
（1）人们对于电梯的速度要求越来越高，高速电梯的数量逐年增加。
（2）电梯的拖动技术已有较大的发展，由于直流电梯维修量大、能耗大等缺点。
正逐渐的被交流电梯所取代，液压电梯由于其机房位置灵活，运行平稳，使得其在低楼层场合得到非常广泛的应用。
与此同时交流拖动电梯更是得到较迅速的发展，己由之前的变级调速发展成为调频调压调速及调压调速，使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加满足人们心理的预期要求，电梯的舒适度也得到极大地改善。
（3）电梯逻辑控制己由过去简单的继电器—接触器式控制发展为可编程序控制和微机控制，控制方式也由原有的信号控制、手柄控制发展为并联控制、集选控制、群控等多种方式，电梯可靠性大大提高。
（4）电梯的管理功能不断得到加强，以不断满足用户的使用要求。
如消防员专用、紧急停车操作、防捣乱系统等。
（5）智能群控管理得到更加广泛应用。
（6）机械传动方面，由于国际上机械加工工艺水平的不断提高，使行星齿轮和斜齿传动传动在电梯上的应用普遍开来，使得电梯的传动形式多样化。
2.2电梯的的控制部分主要电气设备
电机是机械和电器一体工作的大型的复杂产品，其中机械就相当于我们人的身躯，电器部分就相当于我们的神经，将机械和电器结合起来，就变成了我们现代科学的综合产品——电梯。
就电梯的结构来说，比较传统的分发是分为机械部分和电器部分，但是用功能系统来描述更加能够反映电梯的特点，下面介绍一下电梯机械部分的结构：
2.2.1曳引电动机
曳引电动机具有提升机构，由电磁制动器（也称电磁抱闸）、驱动电动机、减速器及曳引轮组成。
2.2.2自动门机
完成电梯的开门与关门：
电梯的门有轿门（中有一个）和厅门（每层站一个）。
只有电梯停靠在某层站时，此层厅门才允许开启；
同时也只有当厅门、轿门全部关闭时才允许启动运行。
2.2.3层楼指示
层楼指示又叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅和轿门的上方；
现多由LED点阵结或数码管构组成，与运行方向指示、呼梯盒做成一体结构。
2.2.4呼梯盒
呼梯盒用以在每层召唤电梯。
安装在地面1米左右的墙面上。
基站与顶站有一个按钮，中间层站由上呼与下呼组成。
按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯号已被接收并被记忆；
当电梯满足呼梯要求而停层开门时，呼梯记忆灯熄灭。
基站的呼梯盒上常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。
2.3.5操纵箱
操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。
操纵箱上没有与电梯经层站数相同的内选层按钮，上下层启动按钮，开关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关，照明等控制开关。
2.3.6平层及开门装置
平层及开门装置由磁铁板和上、下平层感应器组成，上行时，上层首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至下层插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；
下行时，下层首先插入隔磁铁板，发出减速信号至上层插入隔磁铁板时，发出停车及开门的信号。
2.3.7停车装置
电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运行到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内，以此检测电梯所处位置和平层信号。
2.3.8开关装置
安全窗及其开关，安全
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