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  南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 姓名:尹余琴 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:谈乐斌 20070701 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 摘要 力矩电动机是一种由伺服电动机和驱动电动机相结合而形成的特殊电机,它具有 反应速度快、转矩和转速波动小、能在低速甚至堵转的状态下稳定运行、机械特性和 调节特性的线性度好等优点,广泛应用于位置伺服和低速伺服系统中作为执行元件。 本文以应用在远程操控无人执守系统上的交流力矩电动机为例进行研究,主要内 容包括:(1)分析交流力矩电动机的基本原理、结构并建立数学模型;(2)在电源突 然断电时,由于负载惯性,容易失控,势必会造成一定的事故和伤害。基于此种情况, 针对系统的特点,设计一自锁型断电位置保护装置,并进行可行性分析与计算;(3) 对力矩电动机在工程实际应用中的过渡过程进行分析与计算,并建立力矩电动机的动 态运行方程;(4)根据力矩电动机的动态方程,运用MATLAB编程实现其动态过程 的仿真,并分析电动机在各种状态下的运行情况。 关键词:力矩电动机 断电保护 动态分析 MATLAB 南哀理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 ABSTRACT Torque motorisakindofespecial motorthatiscombinedofservomotorand ddvmg motor.Ithas manyvirtues,including fast reaction,littletorqueandrotatespeed fluctuating。excellent mechanicaland adjastive charaeteriatic,andit啪steadilymovein low speed eveninstifledrevolution.Soit widelyappliedinlocationand low-speed servosymem asasortofexecutiveelement. ACL舭rl ofAC torque motoris studiedin long—distancecontrollingandunmanned perfommcesystem.Mainly researchismadeof nextseveral aspects.Firstly,principle,configuration,and essentialcharacteristicof torque motorsis described.Secondly,torque motorsCannot stopnmningimmediately becauseof inertia,whenpowersupply willmakedroveobjectstop atstochasticposition,even itCanresultinaccidentand damage.Based factors,Idesign akind oflocation protectingequipment whichis applied suddenlyno-electricitycircumstance.SimultaneousIanalyze andcalculatethe feasibility ofthe equipment.rhirdly,Ianalyze andcalcdatethetransition procession when torque motorisusedin practicalengineering.Accordinglyofthis,I educethe dynamicequation. Fourthly,based0nthe dynamicequation,Iprogram andemulatethe torque motor’S runningprocessing inuseofMATLAB.On top oftheseemulation graphics,Ianalyze drawtheconclusior/ofthetorquemotoratallkindsofstates. KEYWORDS:Torque Motor No electricity Protector Dynamic Performance MA:n.AB 声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在 本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他入已经发 表或公布过的研究成果.也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:写邕鹆土卯)年>月6日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容,可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:与蔓辨二卵夕年夕月莎日 绪论1.1 课题研究的背景、目的和意义 1.1.1选题背景 本文是根据预研课题远程操控无人执守系统为背景,选取其中的动力执行元件一 一交流力矩电动机作为研究对象。远程操控无人执守系统基于其作战的优良性能和工 作可靠、使用灵活、造价低廉等特点,一直都是军事装备中不可缺少的一个品种,早 在两次世界大战期间,航空自动武器在飞机上的安装就出现了两项重大改进,即安装 部位扩大到机翼和应用活动射击装置—炮塔,这就促进了航空自动武器的发展,加速 其实现远距离操控的自动化系统和扩大其应用范围。 电动机是机电产品的重要组成部分,是系统构成的一个重要环节,恰当的选择电 动机能够减少机械连接装置、简化系统结构、提高系统的控制性能。在某些自动控制 系统中,被控对象的运动速度相对来说较低。例如某一防空雷达天线r/min,而一般直流伺服电动机的转速为1500r/min~ 6000r/min,这时就要用齿轮减速后再去拖动天线旋转,但齿轮之间的间隙对提高自动 控制系统的性能指标很有害,它会引起系统在小范围内的振荡和降低系统的刚度。因 此,我们希望有一种低转速,大转矩的电动机来直接带动被控对象。 力矩电动机就是为满足类似上述这种低转速大转矩负载的需要而设计制造出来 的电动机。它是一种由伺服电动机和驱动电动机结合丽发展起来的特殊的控制电机。 它可以不经过齿轮等减速机构而直接带动负载运行,并由输入的控制电压信号直接调 节负载的转速,具有转速低、转矩平稳、响应侠、精度高、调节性能好、调速范围大、 运行可靠,能在低速、甚至堵转状态下长期工作,是一种直接驱动负载的执行元件, 因而在各类控制系统中通常作为执行元件广泛使用,在高精度位置随动系统中,它可 以长期工作在堵转状态;在速度控制方式的伺服系统中,它可以工作在低速状态;它 也适用于需要转矩调节,转矩反馈和需要一定张力的场合[21。 本文根据可以远距离操控的无人执守系统主要为短时低速工作、要求输出较大的 转矩、控制精度要求较高等工作特点,选取交流伺服力矩电动机作为其动力执行元件, 研究其在工程实际运行时会出现的两种工作状态一断电位置保护和得电重新起动。 1.1.2研究的目的和意义 传统的对电机的研究主要包括其控制、制动以及动态特性的分析,而电机的制动 通常也都是研究在通电时的制动。在工程实际中运行时,总会因电网故障或其他原因 使得电机遭遇突然停电的现象,由于负载的惯性,极易失控,造成一定的伤害和事故 的发生,尤其在远程操控无人执守系统中,要求的系统定位精度非常高,而一旦停电, 由于负载的转动惯量非常大,使得停机位置很随机,很难实现系统的定位,这样也极 易造成事故,所以针对这一现象,设计一套合理而切实可行的电机断电位置保护装置 具有现实的推动意义。 1.2力矩电动机的选择应用及研究现状 1.2.1力矩电动机的选择应用 力矩电动机可分为直流力矩电动机和交流力矩电动机。直流力矩电动机又分为永 磁直流力矩电动机(有刷直流力矩电动机)和无刷直流力矩电动机。交流力矩电机相 对于直流力矩电机来说,结构简单,维护容易,对环境要求低以及节能和提高生产力 等方面具有足够的优势,这使得交流力矩电机广泛应用于工农业生产、交通运输、国 防以及日鬻生活中。 选择合适的力矩电动机主要取决于以下几个方面: (1)应用所需的峰值力矩与持续力矩 (2)所期望的转速与角加速度 (3)可供使用的安装空间 (4)所期望的或可能的驱动配置 (5)所需要的冷却方式 一般情况下,选择电机是一个不断叠加计算的过程,因为在离动力直接驱动时要 按电机型号自身的惯性来共同确定所需的转矩。 在现代工业及国防科技中,交流伺服力矩电动机正在逐渐代替直流伺服力矩电动 机,这是由于交流电机本身的结构简单、坚固耐用,ftth光纤熔接机价格体积较小,重量较轻,没有整流 子机械换向,所以远比直流力矩电机易于维护。特别是由于近年来大功率电子器件, 以及用于高速微处理器与功率电子器件相结合发展出来的大功率交流逆变技术,使其 静态与动态性能不仅已经达到了直流伺服力矩电机的水平,在有些方面,比如输出转 矩的平稳性甚至超过了直流伺服力矩电机的水平。 力矩电动机在国民经济各个领域中的应用十分广泛,主要有以下几个方面: (1)航空航天:在高精度陀螺监控器平台上要求采用力矩较低的力矩电机来进行控 制过程中力矩的传输。 (2)现代军事装备:在军事装备的雷达系统中有时需要雷达一天转动一转,这时就 需要采用0.00067r/min的力矩电动机。当雷达搜索飞机目标时,雷达天线由力矩电动机驱动不断进行旋转扫描。 (3)现代工业:在金属加工、纺织、造纸、橡胶、化工及电线电缆等行业中广泛应 用。主要特点是在线速度变化后,张力仍能保持在所允许范围内,适用于卷绕产品时 的张力基本保持不变,力矩电动机性能与卷绕特性能协调匹配,因此能代替传统复杂 的设备系统,可大大节省投资,并能解决传统设备维护困难的缺点。 (4)现代交通运输:在现代高速公路的自动收费系统中,需要一种既能频繁起动, 又能经常堵转,还能低速运行的适应各种状态的力矩电机来完成系统的自动收费、放 行、回位这一系列过程。 1.2.2力矩电动机的研究状况 力矩电动机早在五十年代初期就被提出,但是由于当时对伺服电动机控制精度要 求不很高,使用高速伺服电动机再经过齿轮等减速机构来驱动负载已能满足要求,致 使力矩电动机没有得到实际应用。直到五十年代后期,随着空间科学的迅速发展,力 矩电动枫才逐渐受到人们的重视,并在六十年代有了较大的发展。 近十几年来,随着力矩电动机应用的日益广泛,世界各国对力矩电动机的研究也 在深入。由于电子技术的飞速发展及新型材料的不断出现,使得人们对力矩电机进行 深入而全面的研究变得可能。目前,在对重量、外形尺寸、控制功率都有~定限制而 又要求具有快速响应、较高的速度精度及位置精度的伺服系统中,力矩电动机得到了 广泛的应用。 从国际上看,早在70年代美国已经基本完成对直流力矩电机的基础研究,有关 公司已分别建立了比较完善的直流力矩电机以及它和高灵敏度直流测速发电机构成 机组的系列化产品,美国blland公司最具代表性。现在国际上生产力矩电动机的厂家 已经很多,如美国KoUmorgcn、Poly.Scientific、英国MuirheadAerospace、德国Siemens 等公司,都已经设计生产了各种型号的力矩电动机,在这方面的技术已相对很成熟。 其中美国Kollmorgen公司的直流力矩电机由永磁场和绕线式电枢共同作用将电力转 化为转矩,用于定位和速度控制系统。英国MuirheadAerospace公司生产的直流力矩 电动机具有大力矩输出、直接响应和低速精确运转等特点,电动机采用的永磁材料有 稀土磁体、铝镍钴合金等/30]。 我国在直流力矩电机方面开展的研究也比较早,目前已形成系列化产品,其生产 工艺技术日趋成熟,如新乡新电电机电机厂生产的YU系列力矩电动机广泛应用于 纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等产品的生产加工过程中。 1.3 本文主要研究内容 本文的研究内容将包括以下几个方面: (1)分析交流力矩电动机的结构、特性、工作原理并建立数学模型。 (2)针对远程操控无人执守系统的特点,设计一套切实可行的力矩电动机断电位置 保护装置。 (3)根据系统的断电制动要求,确定断电位置保护装置的实体结构、尺寸,并进行 系统的强度及可行性验算。 (4)分析电机断电位置保护和得电重新起动两种过渡过程的动态特性。(5)运用MATLAB对过渡过程的动态特性进行仿真分析。 南京理T大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 交流力矩电动机系统2.1 交流力矩电动机的结构特点 2.1.1基本结构 交流力矩电动机主要由两部分构成,包括定子,转子,两者之间有气隙,如图2 一l所示。转子为励磁,是电机的反应部件,主要作用是产生感应电动势和电磁转矩, 一般由一个钢制圆柱体空心轴构成,轴的周围装有永磁体,永磁材料通常采用铁氧化 体或稀土材料做成,磁场强度高,矫顽磁力很强,可以有效的减小转子的惯量,提高 输出转矩和电机的功率比。由于转予上没有绕组,不通过电流,所以在运行时电机轴 的温度不会升高,这样就避免了像直流力矩电动机那样,由于温升而引起的轴的变形, 从而影响到系统的精度。定子的主要作用是产生磁场,由一个铁心和一个三相交流电 绕组构成,为了能更好的排出损耗热量,ftth光纤熔接机价格绕组通常用浇注方法制成。 交流力矩电动机结构示意图1一定子2_转子 2.1.2力矩电动机的特点 传统驱动系统通常采用酱通的伺服电机作为主驱动电机。这种伺服电机的工作转 速一般为每分钟几十转到几千转左右,对于被驱动对象在低速状态运行时(如雷达跟 踪定位阶段),需要在伺服电机输出轴后增加减速装置以实现低速运行。这种运行机构在实现低速目标的同时,使系统的结构复杂化,体积和重量明显增加,更为严重的 是减速机构的引入,使系统刚性降低、传动误差增加。而采用力矩电机的直接驱动系 统比传统的齿轮传动系统结构简单,摩擦阻力小,不存在齿隙。之所以如此,主要是 由于力矩电机具有如下优点: 快速响应:由于力矩电动机直接驱动负载,电机轴与负载轴相联,省掉机械 减速装置,因而减少了整个运转部分的干摩擦,消除系统的低速跳动现象,对改善系 统低速跟踪的平滑性十分有利。同时由于力矩电动机通常运行在低速状态,且理论加 速度较大,因此系统的机械时间常数很小,一般约为十几毫秒至几十毫秒。另外。力 矩电动机的电气时间常数也很小,约为零点几毫秒至几毫秒。所以,由力矩电机构成 的系统,其动态响应迅速。 速度和位置的精度高:力矩电机直接驱动的伺服系统可以消除因采用齿轮传 动时带来的齿隙“死区”和材料弹性变形引起的误差,因此它既可使系统的放大倍数 做得很高,又能保持系统的稳定。 耦合刚度高:由于力矩电机电枢与负载传动轴直接耦合,轴径粗、距离短, 耦合稳定性好,机械共振频率高。 特性的线性度好:力矩电机的机械特性和调节特性的线性度都很好。为了使 力矩电机的转矩正比于输入电流,而与电机的转速、ftth光纤熔接机价格转角位置无关,提出将其磁路设 计成高饱和状态,并选用磁导率小、回复线较平的永磁材料做磁极,而且选择较大的 气隙。这样,就可以使电枢反应的影响显著减小,从而保证了力矩电机具有良好的线 性调节特性。同时,由于省去了齿轮传动装置,消除了齿隙“死区”,又使摩擦力矩 减小,这些都为系统的灵活控制和平稳运行创造了条件。 可堵转工作:力矩电机能长期处于堵转状态下工作,但是要注意的是电枢电 流不能超过峰值堵转电流。 并且,采用力矩电机直接驱动的系统,还具有运行可靠、维护简便、振动小、机 械噪声小、结构紧凑等优点【30】。 2.2交流力矩电动机的工作原理 交流力矩电动机的工作原理可以通过图2—2来说明。 南京理工大学硕士学位论文力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 图2—2交流力矩电动机的工作原理图 假设某交流力矩电动机为二极。转子永磁体的磁场在空问为正弦分布,定子电枢 为三相集中绕组,定子与转子绕组之间的相互位置转角用口表示。由图可看出,通过 三个绕组的磁通量分别为: Bu=B。sina 鼠=瓯sin(o:+120。) 巩=民sin(o:+2409)式中,民为励磁通的最大值。因为电机的转子是用永久磁铁励磁的,所以或是一个 常数。给相位互差的三相绕组通一正弦交流电,并控制各相的电流瞬时值,使得它们 产生的电枢磁场的方向的矢量和正好与励磁磁通的方向正交,三相的电流分别应为: 屯=‘sino: ‘=乞sin(o:+120。) 0=Lsin(o:+240。)式中,m——电流的最大值 屯、iv、0——分别为U、V、W相的电流 由于电枢磁场与励磁磁场的相互作用,在每相绕组中,都会产生出电磁转矩,三 相绕组产生的转矩之和为: =KBmIm[sin2ct+sin2(o:+120’)+sin2(a:+240。)]=1.5KB.L K——常数,与电机的极数,绕组的圈数等结构特点有关。由上式可以看出,当各相的电流严格的按照式(2—2)控制的时候,电机轴的输出转 矩与转子的位置角a无关。考虑到K与吃都是常数,所以转矩的大小完全由交流电 流的最大值‘决定。通过控制厶的值便可以实现对输出转矩的控制。 2.3交流力矩电动机的数学模型 为简化分析,在推导中,作了如下假设: (1)磁饱和、磁滞和涡流的影响忽略不计; (2)动子上没有阻尼,永磁体也没有阻尼; (3)电机定子的电势是正弦的; (4)定子三相是对称的,即它们是三个完全相同的绕组,各绕组的轴线。。 在磁场定向矢量控制条件下(L=0),交流力矩电动机的数学模型可描述如下: 1、机械运动方程 式中k,=二L妒,(2--5)fn M——电动机转子质量 B——粘滞摩擦系数 E——负载阻力 E——电磁推力 ,——永磁体有效磁链——转子线r,’=v。 ,——为逆变器输出的电源频率f——推力系数 v.——电动机同步速度 2、d--q轴电压、电流方程 妒f=上口‘蚴、‰——分别为d轴和q轴电压 ‘、i。——分别为d轴和q轴电枢电流 妒一%——分别为由d轴和q轴电枢电流产生的磁链 o‘——分别为d轴和q轴的电阻 厶、L。——分别为d轴和q轴的电感 2.4编码器的选择 用力矩电动机进行直接驱动的系统的精度由以下几个方面的因素决定:(1)系统的机械结构:包括系统的机械刚性和运行精确度。 (2)调节质量:包括驱动系统的刚性;在安装和调节编码器系统时可以达到的精度: 角度信号与速度信号的量子化(起决定作用的是在轴每转时变频器编码器求值 中的编码器线数与编码器倍频);电流、转速及位置调节器的扫描时间。 (3)编码器分辨率 因此,编码器在控制系统的精度方面起着绝对重要的作用。 编码器是将角位移转换成电信号的一种装置,又称为码盘,作为与电机系统相匹 配的检测元件,完成转子速度和位置的检测,并以检测的结果为依据使得交流力矩电 动机实现正交控制,同时使用编码器作为系统的检测元件,也可简化机械部分的结构。 在远程操控无人执守系统中的检测元件选择使用光电编码器,因为它的类型决定 整个系统的组成、结构以及影响系统的跟踪精度等。 光电编码器作为测量角度和速度的传感器,它具有以下优点: (1)输出的信号是数字量,容易与数字电路相适配; (2)精度和分辨率较高,以及较强的抗干扰能力,能够保证整个系统的测量精度; (3)信号处理电路简单,自身的转动惯量小,在组成系统时,对系统的动态性能影 正因为它具有以上优点,力矩电动机的控制部分选择采用光电编码器来实时检测电机转过的角度,并将其信号送控制器进行处理。因为它的精度对于整个系统的精度 起决定性的作用,所以选用高分辨率的光电编码器就显得十分重要。 光电编码器有绝对值式和增量式两种类型。前者输出的信号经锁存器可直接接到 单片机的I/O口,接口电路和信号处理简单,系统也不需要定为零位,安装时只要保证编码器的零位与电机的机械零位对齐便可直接测量位置。增量式光电编码器以脉冲 的形式输出信号,它通常给出这样一些信号:A、么、B、B、z、z六个信号,其中, A与B相差90。,A、B分别与一、露反相,它们每转输出多个脉冲信号,Z(或Z) 是零位参考,一般每转输出1个或数个脉冲信号,所有这些信号都是方波信号。它测 量位置的过程是:利用Z(或Z)作为参考信号,定出相对零位,然后通过定时计量 A(或B)的脉冲数来计算实际位置。增量式光电编码器与绝对值式光电编码器相比 较,它占用单片机的I/O口较少,但信号处理复杂,不过在采用光栅细分技术后,它 的精度和分辨率可以做得很高,而且要比同精度和分辨率的绝对值式光电编码器便宜 很多150I。 应用在远程操控无人执守系统中的交流力矩电动机期望定位精度为O.1mrad,因 为妄熹ao.1mrad,因而可以选用16位的绝对值式编码器。等离子切割机工作原理视频讲解编码器的合理布置如图2 一3所示。图2--3 编码器的合理布置结构示意图 2.5力矩电动机的力矩波动 力矩波动是指转子处于不同位置时,堵转转矩的峰值与平均值之差。 10 南京理工大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际成用中的特性分析 力矩电动机的力矩波动力矩波动的大小是表征力矩电机性能优劣的一个重要的性能指标,也是影响力矩 电机用于直接驱动系统低速平稳运行的一个重要因素。 由于力矩电动机经常运行在低速或堵转状态, 直接驱动系统工作转速较低,电 机系统产生的力矩波动直接作用于负载,对系统的稳定性和控制精度影响较大。在高 精度控制系统中,如果力矩波动的频带落在控制带以外,力矩波动产生的影响将十分 明显。当力矩电机工作在高速区时,力矩波动通常能被转子惯量吸收,但工作在低速 区时,力矩波动会严重影响伺服系统的速率、位置精度,有时甚至使系统无法正常工 作。这就要求直流力矩电机在低速时的力矩波动不能很大,必须控制在一定范围内。 2。5.1力矩波动产生的原因 一般来说,力矩电机力矩波动产生的主要原因包括以下几方面: 换向引起的力矩波动:由于电枢反应使气隙磁通密度的分布产生畸变以及绕组短 矩,使换向不在零磁通密度处,元件中电流变换时存在力矩波动。此外,由于绕组元 件数、换向片数是有限的,使得反电动势发生波动。还有其它机械原因,如电刷与换 向器接触不均匀,摩擦力矩变化影响输出转矩的平稳性等。 电枢铁芯齿槽引起的力矩波动:齿槽使得气隙磁场发生周期性交化,产生磁阻力 矩,同时电枢绕组布于槽内,受槽所限,电枢导体不能连续分布,也会引起输出力矩 的波动1271。 2.5.2抑制力矩波动的措施 目前对力矩电机力矩波动的抑制主要是通过电机系统原理堡计的完善及提高加 工工艺水平,使系统产生的波动力矩较小。具体措施包括以下几方面: 采用扁平式电枢,可增加电枢槽数、元件数和换向片数:正确选择电枢的槽数, 使它与电机的极对数之间无公约数,可削弱电枢转动时引起的电机磁场的脉动。 在一个槽内分布虚槽,以增加换向片数,从而减少换向元件匝数和换向电势。 采用斜槽,以削弱齿谐波磁场引起的力矩波动,减小槽口宽度,采用磁性槽楔, 削弱气隙磁阻的变化,从而减小阻力矩。 适当减小电刷宽度,以减小换向区域,等离子切割机工作原理视频讲解使得换向元件在磁通密度为零附近进行换 向;适当加大电机的气隙【27】。 由于远程操控无人执守系统要求的定位精度较高,而电机的力矩波动肯定会影响 系统的转矩跟踪精度:并且力矩电机直接与负载相连,电机产生的转矩波动直接作用 在负载上,对负载的平稳运行影响较大。所以对力矩电机进行力矩波动抑制是十分必 要的,而且必须尽量减小其力矩波动,以求获得高质量的伺服特性。 12 南京理工丈学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 3力矩电动机的断电位置保护 应用在远程操控无人执守系统上的交流力矩电动机,如果突然切断电源或因故障 电网突然停电时,由于电动机无励磁电流,即无磁场,此时电动机的转矩近似为零(电 动机的剩磁忽略不计),负载转动惯量很大,电动机将在无制动的情况下惯性运动, 容易失控,会造成停机位置随机,这既影响了生产效率,也不利于机械设备的准确定 位,尤其在火炮等军事设备中,这甚至会造成很大的事故和伤害。因而为了提高生产 效率和实现系统的准确定位,必须对电机采取有效的断电制动措施,以实现其突然断 电的位置保护。 3.1电动机制动分类及要求 电动机的失电制动的本质是对断电后电动机的惯性动能进行适当的控制和处理, 以符合系统的工作需要。制动过程中要吸收负载及电动机上的动能,以使电机减速或 停转,它基于一定的控制线路而运行,是集机械结构及电磁控制于一体的有机统一体。 3.1.1电动机制动的分类及特点 表1常用电机制动方式的分类及特点 制动 制动方式 工作原理 工作特点 适用范围 效果 电机断电后,利用电磁铁 制动 行程短、机械冲击 前者广泛应用 电磁自一机械自锁装置产生的 平稳、 小、安全性高,能承 于起重、卷扬、 锁制动自锁,使得电机断电后迅 迅速 受频繁动作,前者用 电梯以及制动 速停转于意外断电制动保 要求较严格的 电磁抱利用弹簧一电磁铁装置 护,后者既可用于通 机械;后者适用 闸制动产生的摩擦阻力,使得电 电制动也可用于断 于地面机械 机断电后迅速停转电制动 电动一液利用弹簧一重锤一液压 制动 制动力矩均匀,冲击 适合于要求缓 装置产生的摩擦阻力,使缓和 力较小 慢停机的场合 压制动 电机在断电后停转 利用弹簧一液压力或手 制动 摩擦转矩大,制动力 适合于紧急制 带式制动 动力,迫使电机停转 迅速 动的场合圆盘式 利用弹簧力一电磁力或 制动 制动时冲击力较小 常用于小型电 制动 液压力,迫使电机停转 缓和 机系统的制动 南京理工大学硕士学位论文. 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 电机断电时,改变其输入 效果 制动力矩大,速度 适合于不经常 电源的相序,使产生一个 明显, 快,但机械冲击力和 制动的场合,如 逆旋转的制动力矩,以强 准确 制动电流对设备和 铣、镗、中型车 反接制动 制电机停转 电网的影响较大,能床的主轴控制 定性 耗也很大,制动到零 时须及时断电,否则可能反向起动 断电后,有剩磁的转子切 制动 不需要外界供给任 用于对停机位 割自相短接的定子绕组 效果 何能量,省电,线路 置要求不高的 产生感应电流,并与旋转 较能 简单、故障率低,但 小型电机系统 短接制动 磁场相互作用,产生锖8动 制动力不太强力矩,迫使转子停转 电机断电时,即向定子绕制动 需外界提供直流电 用于电机容量 组通入直流电,以产生一准确、 源,但能量损耗小, 较大和起动频 个固定磁场,使惯性旋转平稳 可方便的调节制动 繁的场合 能耗制动的转子绕组切割磁场产 转矩,但低速时制动 生制动力矩而使电机停效果差 断电后,有剩磁转子惯性制动 不需外界供结任何 用于某些停机 切割定子绕组,使之产生 效果 能量,线路较简单, 需要缓冲的场 感应电动势,RC中的电 容、电流通过定子绕组建有一段微爬行,但制 电容制动 立磁场,使转子动能转化 动力矩只能在转速 为电能并在RC中变为热 高于1/3~1/2同步 能而消耗,使电机很快停 机速时发生,同时电 容的容量要求较大当电机转速高于旋转磁 制动 不需要外界供结任 适合于高速转 场同步转速时,转子导体 效果 何能量,比较经济, 换成低速以及 产生感应电流,并在旋转 但只有当电机转速限制重物降速 再生制动 磁场的作用下产生一个 高于旋转磁场同步 的场合 反旋转方向的制动力矩 转速时才有效 而达到制动目的 14 南京理T大学硕士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 3.1.2电动机制动的原则和要求 。各种制动方式在工作原理、制动效果、优缺点等方面均有所不同,使用场合也各 有侧重,因而,制动方式的选择必须根据电机系统的工作环境和要求,并结合各种制 动方式的特点,作具体情况具体分析,同时还应遵循以下原则: (1)安全性原则。安全是质量的保证,也是电机制动方式选取的首要前提。 (2)实用性原则。满足电机系统的工作需要是制动的核心目的,应根据传动系统的 功率大小,对制动的缓急要求和制动精度等来选择合适的制动方式。 (3)效益性原则。节能增效是市场经济的必然要求,因此在符合安全要求和满足系 统制动要求的前提下,制动方式的选择还应考虑到制动系统设计成本的节约。 (4)创新原则。各种制动方式都或多或少的存在着缺点和不足,这就需要通过技术 的创新加以改进啷,。 在一般的拖动装置中,对电动机的制动有以下要求: (1)要有足够大的制动转矩,以使电动机及其传动机构不致受到过大的冲击而损伤 为宜,同时制动电流不宜过大。 (2)制动的平滑性。 (3)制动的可靠性。按照要求,准确可靠的停在某个位置,或将转速限至指定值。 (4)制动的经济性。它由制动过程中能量的损失及其设备投资来衡量。 (5)制动时间。一般来说,制动越快越好,但耍考虑电动机及其传动机构的强度所 允许的条件m,。 3.2力矩电动机的断电保护装置的选择 3.2.1力矩电动机的断电保护装置的类型 从国内外的研究来看,研究电机的断电制动,主要采用的是机械的电磁抱闸制动, 即利用弹簧一电磁铁装置产生的摩擦阻力,使得电动机断电后停转,如图3一l所 这种电磁制动装置结构简单,机械冲击小,但由弹簧伸长产生的摩擦阻力较小,而在远程操控无人执守系统中,负载的转动惯量非常大,仅靠弹簧——电磁铁产生的 摩擦力不足以使得电机停转,因而采用自锁型电磁制动。同时要将电磁自锁制动应用 与远程操控无人执守系统中还有许多亟待解决的技术难点:(1)如何解决制动力的缓 冲问题,以减小制动时的机械撞击;(2)如何设计制动系统的机构,实现制动力的放 大与传递;(3)如何解决实际运行时周围环境对电磁系统的干扰问题;等等。 堕室型互盎学硕士学位论文 电磁抱闸制动装置示意图本文设计的这种电磁制动自锁装置可以初步解决上述的一些技术问题,如采用环 形弹簧来缓冲制动力的冲击,采用齿轮变速机构来实现制动力的放大与传递,方案具 有一定的可行性与应用价值。 3.2.2断电保护装置的实体结构、尺寸及工作原理 16 图3—_2断电保护装置的实体结构图l l一力矩电机2一齿轮2 3一齿轮3 4一齿轮4 5一齿轮5 6一牙嵌式离合器 7—杠杆8一电磁铁9一蜗轮1l一圆盘手柄 图3—.3断电保护装置的实体结构图2 lO一蜗杆 12一环形弹簧 工作原理:在电网突然断电时,电磁铁打开,在弹簧(注:电磁铁中衔铁和铁心 之间装有一弹簧)的作用下,衔铁的运动推动杠杆转动,同时由于杠杆的转动推动离 合器接合,当离合器完全接合时,电机由于负载惯性,仍在继续转动,经过齿轮变速 箱的加速,使得离合器转动,同时带动蜗轮蜗杆发生动作,由于蜗轮蜗杆具有自锁功 能,对电机产生制动力作用,同时蜗杆上的轴向力通过其端部的一个可以双向受压的 环形弹簧来缓冲,弹簧的缓冲将产生一个振荡的过程,当环簧的振荡幅度lmm时, 可以认为自锁过程结束,电机停机位置稳定。同时在失电时,当要求调整电机的停机 位置时,可通过手动调节蜗杆端部的手柄。在电机重新得电时,电磁铁吸合,同时带 动杠杆的偏转使得离合器打开,自锁装置失效,电机可以重新起动运行。 18 南京理工丈学确士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 根据要求初步选定系统各部分的参数如下: (1)齿轮变速系统 总传动比为i=8, 分为两级齿轮传动,第一极的传动比‘=4,第二极的传动比之=2 每极的传动效率为仇=砚=0.95 齿轮的模数均为m=2mm 齿数分别为z2=96,乃=24,气=60,%=30 齿轮的转动惯量分别为: 以=4.0x10—2kg*m2、以=1.6lO-4姆 脚2、以=8.7x10-3堙 册2、以=5.5xlO-4姆 (2)具有自锁功能的蜗轮蜗杆装置.传动比为‘=62 传动效率为玑=O.5 模数m=3.15nun 蜗轮齿轮乃=62,蜗杆头数毛o=1 蜗杆分度圆直径氏=56ram,蜗轮的分度圆直径为西=194mm 蜗杆分度圆柱的导程角为,,tany=懒形 /H10 蜗杆的质量%o=10kg 蜗轮蜗杆的转动惯量分别为: 五=4.4x10.2七g 肼2、‘o=3.8x10。kg (3)离合器:离合器选用牙形为正梯形的牙嵌式离合器,利用两个半离合器端面上的牙互相嵌合或脱开以达到主、从动轴的离合,这种离合器采用端面圆周均匀分布的 许多齿形副传递转矩,因而体积小,传动力矩大,同时响应速度较快,故此处选用牙 嵌式离合器。 离合器轴径d=40nun,牙齿外径D=120ram,内径D1=90nflm 牙齿齿数z=9 齿高厅=10m研,齿顶高^=5,5rnm,齿根高琏=4.5ram 牙形为正梯形,牙齿工作面的倾斜角度为口=8。 分度线ram 齿顶宽乞=‘-21qtga=15.3ram 齿根宽‘=‘+2%喀a=18.1mm 离合器的转动惯量分别为: 以=7.6x10。堙 带拨叉的半离合器部分的质量rn6=2.4kg19 (4)杠杆 总长^=200ram 衔铁伸出部分与杠杆连接处螺栓至杠杆固定端的长度为如=lOOmm 杠杆的质量鸭=O.3堙 各运动表面之间的摩擦系数f=O.1 3.3断电位置保护过程的分析与计算 高低电动机带动负载旋转结构示意图1一力矩电动机2一工作台3一负载 已知制动前力矩电动机的最大转速nm。=20r/min,高低电机带动的负载转动范围 为[一7。,87。】,整个旋转体的转动惯量Jl=650kgm2,负载转矩Tfl=350Nm,高低 方向转动的物体的质量M=630kg,其质心至坐标原点的距离R=I.1m,要求电机从 失电到稳定停机,其转过的角度不超过10。。 3.3.I根据要求确定电磁铁和离合器的响应时间 假设在离合器响应的过程中电机转过的角度磁不超过7。,离合器接合后自锁过 童塞堡王大学亟士学位论文 力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 程电机转过的角度不超过3。,因而可以保证在整个断电制动过程中电机转过的角 度不超过10。。 对于高低电机,在电机突然断电后,带动负载向上转动的运动方程式为: 乃I+KMgRCOSOj=-jl毛(3--1) 若电机带动负载向下转动,则其运动方程式为: KMgRCOS0l—ol=‘,l占2(3--2) 式中MgRcosOI——负载的重力矩 K——平衡系数 因为系统中装有一平衡机,用来平衡负载的重力矩,假设在鼠位置,平衡机产生 的平衡力矩能完全将重力矩平衡掉,即MB(岛)=MgRcos最。若电机带动负载旋转至 07>B位置时,、等离子切割机工作原理视频讲解平衡机产生的平衡力矩将大于负载的重力矩,即M。(p7)>MgRcos07, 若电机带动负载旋转至0<鼠时,平衡机产生的平衡力矩将小于负载的重力矩,即 %(回<MgReosO。 考虑一种极限的情况:假设电机突然断电前,带动负载向下以最大转速旋转至0 =30。的位置,假设此时平衡机能平衡掉杀的重力矩,则此时的运动方程为: 11-u-MgR cos 30"一0 2,J占(3--3)所以占:丁MgRcos304-Tft:ii::!:!二!害:。3。,,口d,。: 制动前电机的角速度=垒詈净=詈石r4d/s 设电机断电后,电磁铁及离合器的响应时间为‘,则口。=t,+占,f?(3--4) 一10.938t,s0.058取t,=58ms 经过tt时间后,电机的角速度q=国+毛^=,r+o.385o.058=2.1lrad/s即要求电磁铁和离合器必须在58ms内完成响应过程,即电磁铁完全打开,离合器完 全合上。 21 3.3.2对离合器的齿进行强度校核: 牙齿工作面的挤压_应力: 巳=器[crj] 式中Z一离合器轴传递的转矩丁:—MgRco—s30"-Tit:壶竺竺!:!:兰二竺“.。 95u95 口一工作储备系数,取为2.0 A一牙的承压工作面积,4=圭(。十乞)^=166,5脚'2 z,一计算牙数,:,=与1~爹1 D,一牙齿平均直径,q:旦垒=105mm所以q=焉=意淼N/mm2=2N/mm2<吲娟8伽 牙龈黼弯曲觑吒=器瓴】 南卜诛计笪可知.冼用该离合器n-I以满足强度要求。3.3.3离合器接合过程中的响应分析 由上面的计算可知,若要求电机在失电后,在离合器响应过程中,电机转过的角 度不大于7。,则要求衔铁及离合器的响应时问不大于58ms。设离合嚣在开始接合 时的转差为一齿宽。即两个半离合器错开三2鱼z笠=盖号=20。,则当离合器开始正对着 接合时,需要先转过20。,这段时间内经过齿轮变速箱的变速,电机将转过 塑室些王厶堂墅字僮塑——力矩电动机在工程实际应用中的特性分析 呈笋=三}=2.5.,所以从离合器开始正对着接合到完全接合衔铁及离合器的目标响应 时间应为: (582二兰)船=37.3船 离合器接合过程中的受力示意图由躅合器矮台过程中的受力不意图可知,当两个半离合器开始正对着接合时,其 运动方程为: 2Fx=等c,。一哮x,一加。g(3--7)式中x一离合器在杠杆的推动下其齿嵌入的位移,图示取水平向左为x的正方向,mill k一弹簧刚度,取k=72N/mm 昂一弹簧的预紧力,冗昙肋,取届=(30+5k)N=390N %一整个运动部分的等效质量,衔铁的质量%=0.9kg %=%+争(m,+=2.4+圳10-罂0(0.9+0.3)=3(堙) 代入式(3—7)即为:专+6 x=64 方程(3—8)为关于x的二阶线性微分方程,运用MATLAB进行计算求解得其通解为:工=cIcos妇+c2s纽届+323 式中cl、C2为积分常数,由初始条件确定。在t--0时,x=0,堡:0 【0--C2解得:C1=--32/3,C2=0 (3—10)由上面分析可知,要求当t=37.3ms时,x10mm。 将t=37.3ms代入式(3--10)得:x=10.9mm,满足响应要求。 经过分析计算可知,当弹簧的刚度72N/mm,均可满足系统的响应时间要求。 3.3。4电磁铁的设计计算 采用直动式电磁铁,其结构示意图如图3--6所示,衔铁和铁心之间装有一受力 弹簧,弹簧的刚度根据系统的响应时间要求选用。 图3—6电磁铁的结构示意图1一衔铁2一弹簧 3一线一壳体

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