目 录
第1章 绪论 - 1 -
1.1 课题来源 - 1 -
1.2 国内外的研究历史与现状 - 2 -
1.2.1 电机的主要热计算方法 - 2 -
1.3 本文所做的工作的内容 - 6 -
第2章 电动机的硬件设计原理 - 7 -
2.1 电机的温升限值与温度的测量 - 7 -
2.1.1 温升、电机温升、温升限度 - 7 -
2.1.2 温度的测量 - 7 -
2.2 本章小节 - 12 -
第3章 硬件设计 - 13 -
3.1 硬件设计的原则 - 13 -
3.2单片机系统设计 - 14 -
3.2.1单片机介绍 - 14 -
3.2.2显示部分 - 16 -
3.2.3 时间部分 - 19 -
3.2.4测温部分 - 21 -
3.2.5 通讯模块 - 24 -
3.2.6报警部分 - 26 -
3.2.7 电源模块 - 27 -
3.2.8 ISP下载线设计 - 28 -
3.3 本章小节 - 29 -
第4章 软件设计 - 31 -
4.1 软件设计的原则 - 31 -
4.2 下位机软件设计 - 31 -
4.2.1 C语言程序 - 31 -
4.2.2测温部分 - 36 -
4.2.3串行通讯子程序 - 39 -
4.3 上位机软件设计 - 41 -
4.3.1 VB界面的设计 - 41 -
4.3.2通讯控件属性分析 - 43 -
4.3.3 上位机程序编写流程 - 45 -
4.4 程序烧写软件 - 45 -
4.4.1 V2.0的特性 - 45 -
4.4.2 V2.0的使用 - 45 -
4.5 本章小结 - 47 -
第5章 实验及数据分析 - 49 -
5.1电机表面温度的测试 - 49 -
5.2数据分析——数据融合技术 - 50 -
5.2.1 数据融合技术简介 - 50 -
5.2.2 分布图法剔除疏失误差 - 51 -
5.2.3 数据融合的方法 - 51 -
5.2.4 温度测量数据融合试验 - 53 -
5.3 本章小结 - 54 -
结 论 - 55 -
参考文献 - 57 -
致 谢 - 61 -
第1章 绪论
1.1 课题来源
沈阳某电机厂研制节能电机，为了用事实证明其电机节能，承诺客户试用该电机一段时间(比如三个月)，客户可将这段时间节省的电费作为购买电机的费用。试用期到期后，电机的所有权归客户。但为了防止某些信用度较差的客户在试用电机节电后，不给电机公司任何报酬且不归还电机，所以有必要实现时间锁定和密码保护功能。试用时间到期后，电机将跳闸，并且显示跳闸的原因（例如定义显示数字1为超过设定时间），同时提供声光报警。如果该客户要继续使用该电机，则必须向电机生产厂家索取密码，此时厂家就可以按合同规定索要自己应得的报酬。如果客户履行合同，那么电机生产厂家可以重新设定到期时间。手动按键复位后，电机可以继续正常使用。
电机制造业的发展历史己有近百年，随着电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增大，技术指标要求普遍提高。电机运行时产生的单位体积损耗的增长，引起电机各部分的温度升高，进而直接影响到电机的寿命和运行可靠性。电机各部分的温度成为电机设计和运行中重要的性能指标之一。为了检查电机性能是否合格，保证电机正常运转，必须准确测定电机额定运行时各部分的温度。在新的国家标准中，详细规定了不同绝缘等级的电机绕组对应的不同的绕组温度。超过此规定温度，电机寿命将会受到影响，甚至造成电机烧毁。电机设计中，既要提高电机的各项技术性能指标，又要降低电机的原材料费用、成本，提高加工工艺以减少成本支出，电机温升是否符合国家标准就成为主要矛盾之一。因此，准确的估算并检测电机的温升，不仅可以保证电机的安全运行，而且对提高电机的使用寿命、节约原材料和电能，以及实现自动化设计都有重要的现实意义[1]。所以，该电机生产厂家同时提出了电机温度保护的功能，如果电机温度过高，则实现电机停转，以保护电机，将损失降到最小。
根据用户的要求，我们进行了大量的相关资料的查阅，已经实现了温度采集的功能，但是对于传感器的安放以及设计是否合理，没有理论的根据。由此开展了一系列的工作。进行了相关的资料搜索，发现相关课题有很多学者在研究，也为该课题进一步的研究打下理论基础。
1.2 国内外的研究历史与现状
通常电机的容量越大，其工作效率越高，但相应的电机发热量也迅速增加[2]。电机的温升在一定程度上决定了电机的容量。
对于电机发热和冷却问题,可从两方面加以解决:一、选用耐温较高的绝缘材料；二、合理使用冷却方式，提高电机的冷却效果，使电机不超过规定的温升极限。当前，Y型异步电机已使用F级绝缘材料，而绝缘等级更高的C级绝缘材料也在研制当中。电机冷却技术业已取得了极大的发展，对中小型电机而言，还是以风扇强迫空气流动以冷却电机；对大型电机，其冷却方式随电机的容量、转速、电压等级等技术条件的不同而不同，它基本上都是由生产实践逐步积累形成的[2]。
近年来，由于新材料、新工艺的使用和电机冷却技术的发展，促进了大型发电机和电动机的单机容量逐渐增大，但同时使电机运行时产生的单位体积损耗增加，引起电机各部分温度升高，这直接影响到电机的安全。因此，准确的温升计算不仅是制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的主要问题之一。
1.2.1 电机的主要热计算方法
（1）简化公式法
简化公式法是电机制造厂设计时常用的一种方法。首先，计算出各部分的热负载，再通过牛顿散热公式: (为散热系数)得到相应的温升。此法计算简单方便，因此易于被工厂接受，但计算精度较差，只能计算出电机的平均温升，不能满足日益提高的设计工作的需要。
（2）等效热路法
等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的热源为绕组的铜损耗(槽部、端部)，铁损耗(齿部、轭部)，这些损耗所在部件在计算时认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络。采用电路网络中基尔霍夫定律来列出全部热平衡方程，然后用求解线性电路的方法，计算电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升。如果要提高计算精度，必须增加网络节点和热阻数，但这使工作量大大增加，失去其计算工作量小等优点。
等效热路法有一些基本假设，通过这些假设可以把成熟的电路理论用在等效热路中。这些假设是:所分布的真实热源和热阻被少量的集中热源和等值热阻所代替，并假定后两者不取决于热流的大小。这样，就能将等效热路法用于线性热回路，并采用普通的代替法进行求解。
目前国内外很多文献仍采用热网络计算大型电机温升。早在1955年，美国AIEE即发表Rosenberry采用热路法的一篇有关“铸铝笼型感应电动机的瞬态起动温升”范文。1986年和1987年，电力科学院李德基等人采用该方法分别计算了汽轮发电机绕组间接冷却转子和定子槽部三维温度场[3][4]。1987年日本学者H.Ohishi等人利用具有700个节点的网络模型分析了具有单匝线圈的旋转电机中定子线圈股线中的温度分布[5]。1988年李德基等人研究了绝缘老化对定子温升的影响[5]。1989年湖南大学方日杰等人也利用上述方法计算了两台大型水轮发电机额定运行时的定子三维温度场[7]。1995年北京计算中心的曹国宣分析了采用气隙取气斜流冷却方式的氢内冷汽轮发电机局部风路堵塞时的转子温度场[8]。1998年华中理工大学武卫东等人采用等效热路法计算了一台大型水轮发电机，并利用曲线拟合技术对计算结果进行了可视化处理[9]。
热路法的运用不只是消极地核算所设计的电机的温升、温度分布，更重要的是设计时能够利用这一方法，从温升的角度来寻求最佳的经济效益指标，同时通过改变个别热阻，还可以寻找电机局部温升和总的平均温升的规律。
（3）温度场法
由于电机单机容量的不断增大以及电磁负荷的不断提高，要求对电机各部分的温升进行较精确的计算，尤其需要准确的指出各部分的最高温升及其出现的位置。而电子计算机的广泛应用，为人们从场的角度研究计算电机的温升提供了工具。温度场法就是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转向微观，从总体转到局部单元上来，求得每一点的温度和温升，于是在整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而，更加准确、合理地指导电机的设计工作。这种方法是由E.阿罗尔德率先提出来的，后又经P.李克杰尔和O.波姆进一步研究过。1974年，A.И.鲍里先科等人合作出版了《电机中的空气动力学和热传递》一书，给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。求解温度场的常用方法有:有限差分法和有限元法。
①有限差分法
有限差分法就是用差分来近似代替微分，把求解域内的偏微分方程和有关的边界条件，化成适用于区域内部和边界上各个节点处的差分方程组，然后用古典方法或计算机来求解联立的差分方程组。
1989年电力科学研究院的李德基等人采用有限差分法对汽轮发电机转子在过电流和突加额定转子电流下的暂态三维温度场进行了计算[10]； 1990年哈尔滨大电机研究所范永达等用有限差分法计算了氢冷情况下大型汽轮发电机转子绕组温度场[11]；1991年上海交大的向隆万等人计算了汽轮发电机氢内冷副槽转子三维温度场，并研究了通风孔道阻塞、换热系数、表面损耗等对温度场的影响[12]。1993年北京计算中心曹国宣用有限差分法计算了水内冷汽轮发电机转子温度场[13]。
但该方法不足之处是，由于采用的是直交网格，因此它较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，对于复杂的二类边界条件及内部介质界面的处理比较困难，宜于求解边界比较规则的电机温度场问题。
②有限元法
有限元法是一种常用的数值计算方法，R.Courant于1943年首先提出，上世纪50年代由航空结构工程师们所发展，随后逐渐波及到土木结构工程，到了上世纪60年代，在一切连续领域，都愈来愈广泛的得到应用。我国冯康教授和西方科学家各自独立奠定了有限元方法的数学基础。它是把求解域剖分成许多个单元，组成离散化模型，再用各个单元节点上的数值解去逼近连续场的真实解，它是一种离散化模型的数值解。它与差分法相比，具有剖分灵活(可以用任意形状的网格分割区域，还可以根据场函数的需要疏密有致地、自如地布置节点)，对于复杂的几何形状，边界条件、不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都能灵活地加以考虑，通用性强。故用有限元求解温度场，可以求出场域内各点的温度值，从而更准确地描述整个求解域内温度的分布。
1976年，Armor等人采用标量位的有限元法计算了大型汽轮发电机定子铁芯的三维温度场，对电机内温度场的计算做出了开创性的工作，但他忽略了定子铁心与绕组间的热传递。1984年，河北工学院的颜威利和孟庆龙分别用有限元法对起重电磁铁的温度场进行了计算[15]；1986年，李德基等人对大型发电机定子绕组槽部温度场进行了计算。1988年，苏联的A.B.帕什科夫斯基用综合有限元法研究了电机的温度场[16]。河北工学院的王赞明等人用四面体单元有限元法对起重电磁铁中的三维温度场和电磁场进行了计算；1990年，苏联的B.N.雅科夫斯基等人研究了水轮发电机定子端部的损耗和发热，但只是总体的论述，没有进行具体计算[17]；上海交通大学杨美伦、张景铸采用四面体单元有限元法对300MW汽轮发电机副槽通风氢内冷转子槽部温度场进行了计算[18]；华中理工大学辜承林等人采用有限元法求解了SFS7-20000/110电力变压器铁芯温度场，并对磁密、油流速度、特征尺寸、油温等影响铁芯温升的因素进行了数值模拟研究[19]。1991年，北京重型电机厂的裴远航用三维有限元法计算了汽轮发电机定子线圈的温升分布，推导了损耗、通风和表面散热系数[20]；Rkobacb等人采用有限元法计算了罗古斯克水电站水轮发电机转子阻尼条和磁极压板瞬态温度场[21]。1992年宁波大学的岑理章在Armor所进行的计算的基础上，考虑了定子铁心与绕组间的热交换，用正三棱柱单元有限元法分析计算了QFS-300-2型双水内冷汽轮发电机定子铁心三维温度场[22]。汤蕴珍、张大为用有限元法对水轮发电机定子最热段的三维温度场进行了计算[23]；日本的学者S.Doi等人用流体可视化结果对大型汽轮发电机定子铁心端部进行了三维热分析，用实验方式确定了其通风状况与表面散热系数[24]。采用有限元法对提高电机设计中的各项性能具有重要意义。1998年东南大学黄学良等人提出了一种新的基于拱形体单元的计算电机温度场的有限元模型，并利用该模型计算了SF125-96/1560型发电机的铁芯温度场，该方法适合于具有圆柱体结构区域的温度场问题[25]。1997-2000年哈尔滨理工大学的孔祥春、李伟力等人采用直三棱柱单元有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进行了深入的研究，同时采用平面三角元结合流体相似理论对一台俄罗斯电力问题研究所生产的200MW、2极汽轮发电机径切两向空冷系统转子二维温度场进行了计算。2000年，哈尔滨电机厂的李广德等人采用六面体等参元计算了水轮发电机半齿、半槽、半轴向长度的定子三维温度场[26]；哈尔滨大电机研究所的鲁长彬等人利用三维CAD与有限元分析软件相结合的方法，计算了大型水轮发电机水内冷定子绕组及铁心的三维温度分布[27]；哈尔滨理工大学的温嘉斌等人采用六面体等参元对大型水轮发电机转子三维温度场及其通风系统进行了综合计算研究。近些年来，随着数值计算方法的发展，一些新的分析方法也被引入到电机温度场的计算领域，例如边界元法[26]、小波—伽辽金有限元法[29]等。但这些方法或者由于算法程序不易实现，或者因为计算精度的高低尚缺乏实证，应用还不普遍。目前在电机温度场计算领域应用最广的还是有限元法。
通过上述发现，现在对电机的发热计算已经达到了一个比较完善的程度，但是这些