电机设计论文范文

今天小编给大家找来了《电机设计论文范文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助![摘要]采用单片机与片外可编程计数/定时器协同工作来实现步进电机的调速,通过Atmega16型单片机输出高低电平控制步进电机的正、反向,并输出控制信号给片外可编程计数/定时器MSM82C53,由MSM82C53输出定时脉冲来控制步进电机,通过MSM82C53改变输出脉冲的频率从而实现步进电机的转速控制。从而实现步进电机调速与正反转的功能。

第一篇：电机设计论文范文

粗轴变频调速电机设计

摘 要：设计一种轴径较粗、频率可变、转速可调的高精度电机，解决玻璃纤维设备的动力输出问题。从润滑设计、轴承侧隙设计和定子/转子形态设计三方面分析了工艺设计要点，表明油雾式润滑可充分润滑和降温；轴承侧隙的调整有助于降低预应力，从而提高精度；优化定子/转子槽结构，并将槽数量分别设定为30和26，可使磁通量密度更加均匀，承受更大应力。根据工艺设计要点进行结构设计，开展系统性检测，并配套在玻璃纤维设备投入市场，反响较好，产生了良好的社会效益和市场效益。

关键词：电机设计；主轴；变频；调速；气道；Maxwell

引言

电机原理是根据电磁感应定律，将电能转换为动能（主要是旋转动能）的装置，是各种工业设备或家用电器的动力源。在众多电机类型中，异步电动机具有结构简单、制造和维护方便、运行可靠等优点，被广泛应用于冶金、化工、矿山、轻工等机械设备中。

粗轴变频调速电机就是异步电动机中的一种，主要应用于玻璃纤维行业，是当前电机产业的新星[1-5]。顾名思义，这种电机具有转速可调的特点，其输出转速范围为600～4 200 r/min。电机主轴直径公差控制在0.005 mm内，主轴最外端跳动精度控制在0.005 mm以内，主轴上圆锥面配合接触面积在85%以上，是一种极高精度的电机。本文首先分析其工艺设计要点，其次进行结构设计，并给出了性能检测方法。

1 工艺设计要点

1.1 润滑设计

粗轴变频调速电机的输出转速为600～4 200 r/min，在如此高的转速下，电机轴承发热比较严重，如果仍然采用封闭式油脂润滑，轴承内部的润滑脂将很快被消耗掉。经过对多种润滑方式加以比较，确定采用油雾式润滑最为合适。油雾式润滑方式不仅对轴承润滑充分，还能利用压缩空气对轴承进行降温。这也是在电机前盖和后盖的设计过程中设计油雾进出气道的原因，因为这可引导油雾气体进入电机前盖和后盖，并经过前、后导油环对前、后轴承进行润滑。在前、后导油环上设置有导向孔，把油雾气体直接导向轴承滚动体，可使轴承得到更直接、更充分的润滑。

1.2 轴承侧隙设计

在通用电机中，一般采用波形弹垫给轴承施加预应力，减少轴承运转噪音，削减电机轴的轴向串动，以提高轴承的运转精度与平稳性。由于粗轴变频调速电机输出转速时常变化，因此对轴承的预应力要求很高。况且，由于该电机主要应用于玻璃纤维行业的拉丝设备上，故必须对电机整体性能和加工精度要求严格，将轴承侧隙控制在合理范围内，才能制造出合格的产品。

因此，创新设计了一种调整侧隙的装置。将数个弹簧周向均匀分布地安放在电机后盖中，同时严格控制弹簧在电机后盖中的放入深度。弹簧的另一端与后导油环的侧面相接触，通过后轴承座上的镙钉拧紧，使弹簧对后导油环产生推力。推力通过后导油环的另一端作用在后轴承上，从而产生预应力。预应力的大小可以通过后导油环的厚度来调整：当预应力偏大时，可以磨削后导油环的端面，减小后导油环的厚度来降低预应力。

1.3 电机定子/转子设计

粗轴变频调速电机设计功率是5.5 kW，额定电压380 V，工频50 Hz下的额定转速为2 900 r/min。原定借用Y2-132S1-2电机冲片。由于电机主轴的输出端直径要求加大到标准电机的2倍之多，经过轴应力分析测算，分析得知需同时加大电机前、后轴承才能承受相应的应力，故转子冲片内径应相应加大。

转子冲片内径加大后，导致Y2-132S1-2电机冲片的磁通量密度大幅增加，而其毛坯外径只有116 mm，再减去转子槽深度，使得该冲片无法满足粗轴变频调速电机的使用，而若采用Y2-160M1-2冲片，又太浪费材料。

基于上述考虑，重新设计了新电机定、转子冲片槽形结构，使得在电机轴径加大的情况下，可以在10～70 Hz的频率下稳定变速。粗轴变频调速电机定、转子结构及磁通量密度云图如图1所示。其中，定子30槽，转子26槽，在额定转速下第0.005 s时的磁通量密度状态良好。

2 结构设计与检测

结合润滑、轴承侧隙和定转子形态三方面的电机工艺设计要点，进行电机结构设计，并给出检测内容。

2.1 结构设计

粗轴变频调速电机主要由1—电机主轴、2—前迷宫环、3—前轴承、4—电机前盖、5—定子、6—转子、7—平衡环、8—后轴承、9—弹簧、10—进气接口、13—圆螺母、14—止退垫圈、15—后迷宫环、16—后导油环、17—电机后盖、18—机座、11，19，23—内六角螺栓、12，20，24—弹垫、21—前导油环和22—前压盖组成。粗轴变频调速电机结构示意图如图2所示。

粗轴变频调速电机工作过程是：首先，经10—进气接口通入雾化的油体，对轴承进行润滑；其次，通入三相电至5—电机定子，产生感应磁场带动热套在1—电机主轴上的6—转子转动；最后，由1—电机主轴作为动力输出部分，把旋转动能输出。

2.2 电机检测

整机安装完成后，进行了四项检测：

首先，进行耐压和绝缘电阻的检测，以及380 V电压、50 Hz工频的常规检测，其中包括空载电流、空载功率损耗、起动电流、停车时间等。例如，空载功率损耗要控制在300 W左右，如果超过该值太多，说明电机的侧隙调节太紧，要减小后导油环的厚度。

其次，进行油路检测。检测油路回油口的出油量和前、后轴承的润滑状态。

再次，进行10～70 Hz的变频测试，包括各频率段的转速、电机的振动位移、噪音等，哪怕仅发现有一项不合格，也需马上进行调整。

最后，整机的各个主要尺寸和形位公差的检测。

通过以上对整机的系统性测试，可让用户放心使用。目前投诉率为零，表明产品质量得到了严格的保证。

3 结束语

本文设计的粗轴变频调速电机，经过工艺设计和结构设计，以及基于电机设计软件Maxwell的模拟等论证过程后，进行了样机的试生产工作。经公司电机测试部门测试和质检部门检验，产品质量完全满足了用户的使用要求和安装要求。产品已进行批量生产，并交付用户使用，目前投诉率为零。通过这次设计实践，提升了企业创新能力，将更好地参与市场竞争。期待本文可为电机设计行业人员提供启示和借鉴。

参考文献

唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2016.

成大先. 机械设计手册[M]. 北京： 化学工业出版社， 2016.

黄国治， 傅丰礼. 中小旋转电机设计手册[M]. 北京： 中国电力出版社， 2014.

张展. 实用机械传动装置设计手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.

叶玉驹， 焦永和， 张彤. 机械制图手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2012.

作者：徐立明 俞洪飞

第二篇：步进电机调速系统设计

[摘 要] 采用单片机与片外可编程计数/定时器协同工作来实现步进电机的调速,通过Atmega16型单片机输出高低电平控制步进电机的正、反向,并输出控制信号给片外可编程计数/定时器MSM82C53,由MSM82C53输出定时脉冲来控制步进电机,通过MSM82C53改变输出脉冲的频率从而实现步进电机的转速控制。从而实现步进电机调速与正反转的功能。

[关键词] 步进电机 单片机 调速系统

1、步进电机的特点

一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常[1]。

步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

2、步进电机的工作原理

步进电机是一种用电脉冲进行控制,将电脉冲信号转换成相位移的电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比,每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度.脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了电机运转的速度.当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[2]。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

3、步进电机的结构

步进电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3τ、2/3τ,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以τ表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3τ,C与齿3向右错开2/3τ,A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)下面是定转子的展开如图1所示:

图1 定子展开图

电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成,铁心内孔表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个单向磁场。永磁体产生的磁通,在每一个气隙圆周上都是单方向通过气隙的,这时作用在气隙中的磁势是同极性的,称为单极磁势。而转子包括两段,一段经永磁体磁化成N极,另一段磁化为S极,每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布,但两段转子的齿相互错开1/2个转子齿距。A)N极段截面图B)S极段截面图如图2所示:

图2 三相混合式步进电机截面图

3、步进电机的调速原理

步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速,因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度,这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率,延时的长短来具体控制步进角来改变电机的转速,从而实现步进电的调速。具体的延时时间可以通过软件来实现。

这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制,实际上就是改变输出脉冲的时间间隔[3],单片机控制步进电机加减速运转可实现的方法有软件和硬件两种:软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电机控制中要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间,使单片机无法同时进行其他工作;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的,在每次进入定时中断后,改变定时常数,从而升速时使脉冲频率逐渐增大,减速时使脉冲频率逐渐减小,这种方法占用CPU时间较少,在各种单片机中都能实现,是一种比较实用的调速方法。采用硬件电路方法还有一种方式,就是依靠单片机控制片外计数器产生脉冲,来对步进电机的加减速进行调节。这种方法占用的CPU时间更少,而且可以腾出CPU更多的时间用来进行其它工作。

4、调速系统设计

4.1驱动方式的确定

并于步进电机的驱动一般有两种方法,一种是通过CPU直接来驱动,这种方法一般不宜采用,因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让步进电机的转动;另一种是通过CPU来间接驱动,就是把从CPU输出的信号进行放大,然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动步进电机,这种方法比较安全可靠。还有一种是利用片外计数器产生所需的信号,从而使CPU来间接驱动。这种方式比较安全可靠,而且能够节省CPU很多时间可以做其它的工作。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机,利用片外可编程定时器共同驱动步进电机。由于选择了开环系统,就无需进行控制的反馈操作,这样就可以达到控制目的。

4.2驱动电路的选择

步进电机的驱动电机有多种,但最为常用的就是单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分控制驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路,它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单,因它的工作效率低,特别是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量,这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动,因这两个电源分别是一个为高压一个为低压,因此也称为高低压驱动电路。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出现谷点,这样必然引起力矩在谷点处下降。不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱动则可以克服这种缺点,并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是一种很好的驱动电路,它可以用较高的電源电压,同时无需外接电阻来限定期额定电流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动,所以会产生较大的电磁噪声。细分驱动是用脉冲电压来供电的,对于一个电压脉冲,转子就可以转动一步,一般会根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕阻会轮流切换,固可以使步进电机的转子旋转。细分控制的电路一般分为两类,一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶梯形电流,这种方法简单,但效率低。另一种是用单片机采用数子脉宽调制的方法获得阶梯电流[4],这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高转速的调节范围比较广,固选用驱动芯片PMM8713来驱动,并通过片外可编程计数器来实现步进电机的调速。

4.3基本方案的确定

因本次设计的要求,选用三相三拍步进电机,单片机选用Atmega16及片外可编程计数器MSM82C53作为控制器,选用8713作为步进电机的驱动芯片并通过光电耦合来驱动步进电机。采用Atmega16型单片机与片外可编程计数/定时器MSM82C53协同工作来达到,通过Atmega16型单片机输出高低电平控制步进电机的正、反向,并输出控制信号给片外可编程计数/定时器MSM82C53,由MSM82C53输出定时CP脉冲来控制步进电机,通过MSM82C53改变输出脉冲的频率从而实现步进电机的转速控制。系统原理框图如3所示:

5、结论

步进电机调速系统适用各种现场自动化控制,特别应用于小功率负载的控制;具有成本底,性能稳定,可靠性高等优点。本文对步进电机的特点,结构及工作原理做了介绍。主要分析了步进电机的调速原理,在理论分析的基础上,设计了一种新的调速系统。步进电机调速系统可方便地应用于各种自动化控制系统与领域。可以作为以后推广应用的参考。

参 考 文 献

[1] 陈理壁.步进电机及其应用[M].上海科学技术出版社,1989.

[2] 刘保延等编著.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨工业大学出版社,1997.

[3] 陆广平,张美琪,沈加庆.基于AVR单片机的步进电机运动控制系统设计[J].微电机,2009,Vol.43(3):92-94.

[4] 黄法恒,刘利.基于单片机的步进电机升降速及精度控制研究[J].微电机,2009,Vol.43(3):95-97.■

作者：张海军

第三篇：电机转子嵌绝缘纸机的设计

摘要：在机械加工高度发达的当代，绝大多数手工生产已被机械生产所代替，使得生产效率极大提高，不仅解放了生产力，同时也提高了时间利用利率。在这样的背景下，基于机械原理背景知识，设计了一种自动绝缘纸嵌入机，代替了手工的重复劳动，运用合理的机械方案配置，达到高效生产的要求。

关键词：电机转子嵌绝缘纸机;机构;方案;模型

1、电机转子嵌绝缘纸机的功能及要求

电机转子嵌绝缘纸机的工艺动作主要有：

(1)送纸。将一定宽度、卷成一卷的绝缘纸送一定量到位;

(2)切纸。按要求切下一段绝缘纸;

(3)插纸。将插刀对折切下的绝缘纸插入空槽内;

(4)推纸。将已有部分绝缘纸插入槽内的绝缘纸推到要求的位置;

(5)间歇转动电机转子。间歇转动转子使之进入下一循环工作。

2、电子转子嵌绝缘纸机的方案以及方案的确定

2.1送纸机构的方案

該机构所要完成的具体动作工艺为：将一卷的绝缘纸送出，同时有一定的间歇运动。在送纸的过程中，尽可能的保证送出的纸的工整性，以防给后面的裁纸和插纸造成不必要的麻烦，降低工作效率和工作质量。对于送纸机构，送纸和间歇运动不同方案评价：

1.传送链：链传动为啮合传动，不存在弹性滑动和打滑现象，且能够较好平衡平均传动比，但传动平稳性较差且无法保证传递纸的工整性。

2.滚轮：通过一对滚轮的配合，可以很好的压住绝缘纸，别于后面机构的裁纸动作。橡胶材质外壳极好的保证了绝缘纸的工整性，但传递动力较小。

3.槽轮机构：槽轮机构的尺寸较小，结构较为简单，机械效率高，并且能够较为平稳和间歇传动。但其在传动是产生柔性冲击，故常用于速度不太高的场合。

2.2切纸插纸和推纸机构的方案

该机构所要完成的具体动作工艺为：将送过来的绝缘纸按要求切下一定的长度，用插刀将对折切下的纸插入电机转子绝缘槽内。对于裁纸和插纸机构的选型方案如下：

1.平面六杆机构：优点运动形式多样，可实现平面空间、转动摆动等复杂运动;制造简单方便;单位面积受到的压力较小，润滑容易，磨损损耗校小。缺点是可能会发生自锁现象，高速运动时会引起较大的动载荷和振动失效，只能用于运动速度较低的场合。

2.曲柄滑块机构：优点是设计制备简单，易实现运动。缺点是占用空间大，存在死点，对于平面度和耐磨性要求高。

3.凸轮机构：凸轮机构最大的优点是通过对于凸轮轮廓尺寸的设计，即能实现期望动作，设计方便、结构简单，广泛应用于自动化企业和设备生产当中。缺点是精度和粗糙度要求高，易磨损;固定不可变，适用于速度不高的场合。

2.3各机构方案的方案以及方案确定

根据上述各机构的选型，根据设计要求、各机构的相容性以及机构尽可能的简单的原则，组成电机转子绝缘纸插入机运动方案如下：

1.送纸机构：选择了滚轮作为送纸机构。尽管传动力较小，但依然可以满足绝缘纸的传送。而且滚轮的使用寿命长，更换简单，传动部分选择槽轮机构，虽然有柔性冲击，但是结构较为简单，而凸轮机构制造较为困难。

2.切纸和插纸机构：在裁纸和插纸工艺过程中，对执行机构的运动精度要求较低，且不需要很大的工作力。所以选择了曲柄滑块机构作为裁纸和插纸的执行机构。

3.推纸机构：相对于四杆机构，凸轮机构误差相对较小，运动也较为稳定，但是凸轮机构制造较为困难，本着节省成本的原则，选择了误差完全可以承受的四杆机构。

4.分度转位机构：在分度转位机构上，尽管不完全齿轮机构简单制造方便，槽轮机构存在柔性冲击，但处于运动的许可范围之内。比较而言不完全齿轮机构不适合设计要求，所以选用槽轮机构作为分度转位的执行机构。

3、电机转子嵌绝缘纸机机构运动循环图的确定

4、样机模型建立

根据以上关于送纸、切纸和插纸、推纸分度转位机构的选型和尺寸设计，最终设计了电机转子嵌绝缘纸机。下图为示意图：

其运动的过程如下：

1、送纸：将一定宽度、卷成一卷的绝缘纸通过滚子送到平台上，后静止，等待切刀和插刀等下一步动作;

2、切纸：按需要切下一段绝缘纸，然后作急回运动，等待下一次的运动;

3、插纸：将插刀对折切下的绝缘纸，插入空槽内，其运动过程与切刀相同;

4、间歇转动电机转子：间歇转动转子60度，等待使之进入下一工作循环。

5.参考文献

[1]机械原理教程，第3版，申永胜，清华大学出版社，2015;

[2]基于ADAMS的凸轮机构分析与动态仿真，唐琼，安徽理工大学学报(自然科学版)，2010，第4期;

[3]龙门式压力机执行机构的设计，黄健，锻压装备与制造技术，2018，第4期;

[4]曲柄导杆传动运动装置的创新研究与模型制作，袁恒、王云鹏、高海强、信丽华、唐佳，产业与科技论坛，2013，第22期;

[5]机械原理课程设计，赵满平、马星国，东北大学出版社 ，，2005.10;

[6]精密机械结构设计，蒋秀珍，清华大学出版社，2011.04;

[7]工程创新与机器人技术，李卫国、郭连考、王利利，北京理工大学出版社 ，2013.05;

[8]机械设备修理工艺学，晏初宏，机械工业出版社，1999.10;

[9]理论力学(第4版)，郝桐生，高等教育出版社，2003.3。

作者：沈锐博 王钦旭