1、电机与拖动课程设计报告（20142015 学年 第二学期）题 目 直流电动机调速系统设计系 别 信息与控制系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 1103 学 号 311101423 姓 名 周军 指导教师 顾波 完成时间 评定成绩 目 录第一章 直流电动机 .- 1 -第二章 直流电动机的结构与工作原理 .- 2 -2.1 直流电动机的结构 .- 2 -2.2 直流电动机的工作原理 .- 3 -第三章 他励直流电动机的调速 .- 4 -3.1 电机调速指标 .- 4 -3.2 电枢串电阻调速 .- 6 -3.3 改变电枢电源电压调速 .- 7 -3.4 弱磁调速 .- 8 -第四章 课程设计
2、内容 .- 9 -4.1 采用电枢串电阻调速 .- 9 -4.2 采用电枢电压调速 - 10 -4.3 采用改变励磁电流调速 - 10 -结论 .- 11 -设计体会 .- 12 -参考文献 .- 13 - - 0 -第一章 直流电动机直流电动机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机（图 1-1） 。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产
3、生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。它与交流电动机（如三相异步电动机）相比，虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等，目前已不如交流电动机应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩，得到广泛应用。本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍。NSABEF1-1 直流电动机 图 1-2 abcd 线框 A.B. 电刷 E.F.换向器 图 1-2 为直流电动机的结构原理图，图中的 N 和 S 是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。
4、容量较大一些的电机，磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生。为了清晰，图中只画出了磁极的铁心，没有画出励磁绕组。在 N 极和S 极之间有一个可以绕轴旋转的绕组。直流电机这部分称为电枢，而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内，电枢绕组的电流称为电枢电流。线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接，铜片上有各压着一个固定不动的电刷。在直流电动机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流，这一过程称为电流的换向。换向的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。- 1 -第二章 直流电动机的结构与工作原理2.1 直流电动机的结
5、构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成。（1）磁极磁极是电动机中产生磁场的装置，如图 2-1 所示。它分成极心 1 和极掌 2 两部分。极心上放置励磁绕组 3，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座 4（即电机外壳）上，机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。NSS1234图 2-1 直流电动机的磁极及磁路1-极心 2-极掌 3-励磁绕组 4-机座（2）电枢电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片组成，一般电枢铁心采用由 0.5mm 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低
6、电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组，电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。（3）换向器（整流子）换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外- 2 -电路联结。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。 2.2 直流电动机的工作原理U+-ABNSIIFFCabd图 2-2 直流电动机原理图 图 2-2 是直流电动机的示意图。若在 A、B 之间外加一个直流电压，A
7、 接电源正极，B 接负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图 5 所示位置时，有效边 ab 在 N 极下，cd在 s 极上，两边中的电流方向为 ab，cd。由安培定律可知，ab 边和 cd 边所受的电磁力为：F=BIL式中，I 为导线中的电流，单位为安（A） 。根据左手定则知，两个 F 的方向相反，如图 5 所示，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过 180时，cd 边处于N 极下，ab 边处于 S 极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为 dc、ba，这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向、电磁转矩方向都不变。在直流电动机中，除了必须给电
8、枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式。他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图 2-3 所示。他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。MIfUfU- 3 -图 2-3 他励电动机第三章 他励直流电动机的调速为了提高劳动生产率和保证产品质量，要求生产机械在不同情况下有不同的工作速度，如扎钢机在扎制不同的品种和不同厚度的钢材时，就必须有不同的工作速度以保证生产的需要，这种人为改变
9、速度的方法称为调速。可以用机械的方法或电气的方法实现调速。这里只分析电气调速方法及其性能特点。电气调速是人为的改变电气参数，有意识地使电动机工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电动机转速进行的一种控制，它与电机在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念。根据直流电动机调速公式 n=可见，当电枢电流不变时（即负载不变） ，只要在电枢电压 U、电枢电路附加电阻和每极磁通 三个参数中，任意改变一个，都能引起转速的变化。因此，他励直流电动机可以有三种调速方法。3.1 电机调速指标（1）调速范围调速范围是只指电动机在额定负载下调素时，其最高转速与最低转速之
10、比，用 D 表示，即D= minax不同的生产机械对对调速范围的要求不同，如车床 D=20100，龙门刨床 D=1040，扎钢机 D=1.203 等。电动机最高转速 nmax 受电动机的换向及机械强度限制，最低转速相对稳定（即静差率）要求的限制。（2）静差率（调速的相对稳定性）静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落n 与该机械特性的理想空载转速 n0 之比，用*表示，即- 4 -= =0n式中，n 为额定负载转矩 Tem=TL 时的转速 nNn0 1n0 nTN图 3 - 1从上式可以看出，在n 相同时，机械特性越“硬” ，额定负载时转速降越小，静差率 越小，转速的相
11、对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。图 3-1 中机械特性1 比机械特性 2“硬” 。静差率除了与机械特性硬度有关外，还与理想空载转速 n0 成反比。对于同样“硬度”的特性，如图 3-2 中特性 1 和特性 3，虽然转速将相同，但其静差率却不同。为了保证转速的相对稳定性，常要求静差率应不大于某一允许值（允许值） 。 n1 n2nNn0nin eTN321n图 3 - 2调速范围 D 与静差率 两项性能指标是相互制约的，当采用同一种方法调速时，静差率要求较低时，则可以得到较低的调速范围；反之，静差率要求较高时，则调速范围小。如果静差率要求一定时，采用不同的调速方法，其调速范围不同，如果改变
12、电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大。调速范围与静差率是相互制约的，因此需要调速生产机械，必须同时给出静差率与调速范围这两项指标，以便选择适当的调速方法。（3）调速的平滑性- 5 -调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数 表示，即= 1in平滑系数 越接近 1，说明调速的平滑性越好。如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，=1，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。（4）调速的经济性经济性包含两方面的内容，一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗，另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用。一台电动机当采用不同的调速方法时，电动机容许输出的功率和转矩随转
13、速变化的规律是不同的，但电动机实际输出的功率和转矩是有负载需要所决定的，而不同的负载，其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的，因此在选择调速方法时，既要满足伏在要求，又要尽可能是电动机得到充分利用3.2 电枢串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同阻值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图 3-3 所示，图中的负载为恒转矩负载。从图 3-3 可以看到，当电枢回路串入电阻 R 时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。nn00TLTe mAA1A2nn1n2RaRa+ R1Ra
14、 +R2图 3-3 电枢串电阻调速机械特性如图 3-3 中传入的电阻 ,交点 的转速 低于交点 的转速 ，它们都比原2R12A2n1A1n来没有外串电阻的交点 A 的转速 n 低。电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢- 6 -回路串入电阻后电动机的机械特性变“软” ，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低3.3 改变电枢电源电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般包保持励磁磁通为额定值。电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上如
15、图 3-4 中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为 A，转速为 n；电压降到 后，交1U点为 ,转速为 ；电压为 ，交点为 ，转速为 ；电压为 ，交点为 ，转速为1A1n2U2A2n33A；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变点数电源电压调速方法的范围也只能3n在额定转速与零转速之间调节。图 3-4改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，集市电动机在低速运行时，转速随附在变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。no 2no 1noA2A1An2n1nOTLTe m21N2
16、 1 Nn图 3-5 弱礠调速机械特性- 7 -3.4 弱磁调速励直流电机电枢电流电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机的转速提高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图 3-5 所示。从图 3-5 中可以看出，当励磁磁通为额定值 N时，电动机和负载的机械特性的交点为 A,转速为 n:励磁磁通减少为 2时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为 A1,转速为 n1;励磁电流减少为 1，交点为 A2，转速为 n2。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机的所允许最高转速之间进行调节，至于电动机所允许最高转速值是受
17、换向与机械强度所限制，一般约为 1.2m 左右，特殊设计的调速电动机，可达 3 nN 或更高。弱磁调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。在实际的电力拖动系统中可以将几种调速方法结合起来，这样，可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内任何转速上运行，而且调速时的损耗较小，运行效率较高，能很好的满足各种生产机械对调速的要求。- 8 -第四章 课程设计内容他励直流电动机，参数如下：PN=4KWUaN=170VIaN=34.4AnN=1450r/minRL=0.0761. 用其
18、拖动通风机负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至 200r/min，试设计电枢电路中的调速电阻。2. 用其拖动恒转矩负载运行，负载转矩等于电动机的额定转矩，采用改变电枢电压调速时，要使转速降至 1000r/min，试设计电枢电压值。3. 用其拖动恒功率负载运行，采用改变励磁电流调速，要使转速增至 1800r/min，试设计 Ce 的值。 4.1 采用电枢串电阻调速电动机的电枢电阻Ra=（U aN - PN IaN）/ I aN =（170-4000/34.4）/34.4=1.56在额定状态运行时E= UaN -Ra IaN =(170-1.5634.4)V=116.34VCe=E/ n
19、 N =116.34/1450=0.0802CT=60Ce/2 =60/(23.14)0.0802=0.766TN=60 PN /2 nN =60/(23.14)4000/1450N.m=26.36N. m由于通风机负载的转矩与转速的平方成反比，故 n=1200r/min 时的转矩为T=(n/ nN)2TN=(1200/1450) 226.36N.m=18.05N.mn0= UaN / Ce=160/0.0802r/min=1995r/minn= n0-n=（1995-1450）r/min =545r/min由于- 9 -n=( Ra +Rr)T/ CT Ce 2由此求得Rr= n CT Ce
20、 2/T- Ra =(5450.08020.766/18.05-1.56)=0.2954.2 采用电枢电压调速由上题求得：Ra=1.56Ce=0.0802CT=0.766TN =26.36N.m电枢电压减小后n=Ra TN / CT Ce 2=1.5626.36/(0.08020.766)r/min=669.37r/minn0=n+ n=(1000+669.37)r/min=1669.37r/min由此求得Ua= Cen 0=0.08021669.37V=133.9V4.3 采用改变励磁电流调速由上求得 Ra=1.56TN =26.36N.m由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系，故忽略空载转矩
21、时，调速后的电磁转矩为T= nN TN /n=145026.36/1800N.m=21.23N.m1800=160/ Ce-1.2721.23/ C T Ce 2得Ce=0.0647 或 0.0242- 10 -结论通过以上的课程设计，我了解了关于他励直流电动机的调速的内容，我们可知实现调速可以有三种不同的方法：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。具体采用哪种方法要根据具体需要和各方面实际条件来决定，比如平滑性、稳定性。经济性等。三种调速方法各有优缺点，改变电枢电阻调速的缺点较多，所以只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法
22、，被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。通过这个设计我跟深入的了解了他励直流电动机的调速方法，使我对电动机的运行原理及过程有了新的认识，让我知道了做学问需要严紧的思维，和认真的态度，所以，这次做课程设计的整体过程让我感受颇深，希望自已在以后的生活中能够将学习的知识与社会实践想结合，达到最大的利用程度。- 11 -设计体会这次课程设计需要感谢顾波老师的悉心指导，通过每章的展示，让我们能更快更好的了解直流电动机，通过上课，在计算机教室的的上课过程中，我们有在课程设计中不明白的，老师会
23、非常耐心的的指导，而且在过程中老师通过简易平实的语言让我能够完全能够理解老师的意思，从课程设计的开始到最后，老师很负责任，非常感谢老师。在课程设计过程中，我还要感谢我们同组的同学，他们也为我的课程设计提供了很大的帮助，特别是资料和解决设计问题，共同阅读相关资料，有小问题大家共同讨论解决，通过大家的积极努力很快的完成了本此课程设计，在这个过程中我们有过小分歧，在这里谢谢大家的谅解，感谢大家的帮助！- 12 -参考文献1.唐介. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社. 2003.72.唐介. 控制微电机. 北京：高等教育出版社. 1987.43.王毓东. 电机学. 杭州浙江大学出版社. 19904.杨长能. 电机学. 重庆：重庆大学出版社. 19945.李发海. 电机学. 北京：科学出版社. 19916.刘启新. 电机与拖动基础. 北京：中国电力出版社. 20057.汤蕴. 电机学. 西安：西安交通大学出版社. 1993- 13 -
