MATLAB在直流电动机设计中的应用

MATLAB在直流电动机设计中的应用

【摘要】通过具体的设计实例简要介绍了MATLAB软件在直流电动机设计中的应用，说明利用该软件求解电机设计问题非常方便，设计数据精确，效率高，有很大的优越性，在电机设计教学中可推广MATLAB软件。

【关键词】直流电动机设计；MATLAB

从1831年迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发明的第一台盘式直流电机开始，到19世纪70年代托马斯.爱迪生（Thomas Edison）以商业为目的研制直流发电机，以及目前电机大量运用于各类生活必需品和各种加工企业的生产设备，以及各种设备、机车和伺服机械之中，对电机的工作性能及工作效率的研究和设计也越发变得重要。

MATLAB软件是一个功能十分强大的工程计算及数值分析软件，利用MATLAB的优化工具箱，可以求解线性和非线性关系的问题，在电机的设计过程中引入MATLAB软件进行分析，可简化计算过程，降低分析计算强度，且保证足够的精度，以提高电机的运行性能。本文主要以直流电动机的设计为例简述直流电机的设计过程及MATLAB软件在电机设计中的具体应用。

直流电动机被广泛应用于变速驱动要求高的场合，如电动车辆的驱动、钢厂轧钢机等大功率驱动系统等。全美电气制造者协会（NEMA，National Electrical Manufacturers Association）的MG-1标准中对直流电机的标记、分类、额定值以及包装等做出了规定，这些规定又分为铭牌数据、工作环境、和机械尺寸三个栏目，直流电动机的设计也需符合此标准。直流电动机的设计主要包括最初的容量及尺寸的确定、电枢设计、磁极设计以及最后的设计调整等内容，具体设计步骤及其相互关系可参看直流电动机设计的逻辑流程图，如图1所示：

由直流电动机设计流程图可见一台电机的设计过程之繁锁，涉及到了电机各种参数的计算及电机各种特性的分析。采用传统的手工设计方法已无法达到精度和效率的要求，因MATLAB软件强大的功能，采用MATLAB软件编程的方法，将这一系列的计算过程输入计算机完成电机的设计，每次只需将不同的设计要求更改便可得到良好的设计结果，有效的解决了设计难的问题。由于直流电动机的MATLAB软件编程设计篇幅较长，这里仅以直流电动机主磁极设计过程中MALAB程序的应用为例。

一、设计举例

1.设计要求

直流并劢直流电动机，性能要求：500V、400hp、1750r/min、583AT机座、满载效率为94%、自通风冷却式。

2.主磁极设计举例

主磁极的设计是一个不需要反复计算的过程，首先确定气隙长度和机座厚度这两个尺寸，然后计算出主磁极的高度、极身和极靴的长度和宽度，最后还可利用MATLAB程序画出直流电机的电磁曲线（即磁通与磁动势之间的关系曲线），进行饱和曲线分析。主磁极设计流程图如图2所示。

3.直流电动机的特性分析

一台直流电动机设计完成后还需对其各种特性作精确的分析，尤其是电动机的机械特性，它反映了电动机带机械负载的能力。当已知所设计的电动机的相关技术参数后，我们可用MATLAB软件精确绘制其机械特性。以本文所设计的直流电动机为例，采用MATLAB源程序绘制其固有机械特性图如图3所示。由图3可见，该电动机具有略微下降趋势的机械特性，拖动机械负载时可稳定运行且具有抗干扰能力。

二、结论

通过以上的实例分析可以看出，电机的设计是一个极其复杂的过程，而借助MATLAB软件可帮助设计人员提高设计效率及精确度。大力推广MATLAB软件在电机及各类机械设计中的应用具有重要的现实意义。

参考文献：

[1]刘锦波.电机与拖动.清华大学出版社.2007.

[2]刘会灯.MATLAB编程基础与典型应用.人民邮电出版社.2008.