直流电机报告

《电机与电力拖动》

课程设计报告

设计题目：直流电动机制动设计

学生姓名：尤鹏达

专业班级： 14本科电气（1）班

学号： 1412406502029 指导教师：胡林林

课程设计时间： 2017.3.13-2017.3.17

目录

一、设计目的 (1)

二、系统设计要求 (1)

三、正文 (2)

（一）、直流电动机的基本结构和工作原理 (2)

（二）、反接制动 (3)

（三）、回馈制动 (5)

（四）、能耗制动 (6)

（五）、参数设定和计算 (11)

四、总结 (12)

五、参考文献 (13)

《直流电动机制动设计》课程设计报告

摘要:直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其优良的起动、调速和制动性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。直流电动机有三种制动状态：能耗制动、反接制动(电压反向反接和电动势反向反接)和回馈制动。本文在直流电动机的结构与工作原理的基础上，给出了电机制动的定义，对电机制动的方法进行了简单介绍，并着重分析了他励直流电动机制动的三种制动状态，通过一系列实验重点介绍能耗制动。

关键词:直流电动机；能耗制动；反接制动；回馈制动

一、设计目的

1、通过课程设计，对所学的直流电机的工作原理及其制动方式进行的复习与总结，巩固所学的理论知识。

2、通过本次课程设计提高学生分析问题和解决问题的能力。

3、学会使用网络资源进行相关文献和资料的查找。

4、培养团队合作的精神。

二、系统设计要求

能耗制动是一种制动形式。又分为直流电机的能耗制动和交流电机的能耗制动。他励直流电机的能耗制动：电动机在电动状态运行时若把外施电枢电压U突然降为零，而将电枢串接一个附加电阻R，即将电枢两端从电网断开，并迅速接到一个适当的电阻上。电动机处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻上。随着动能的消耗，转速下降，制动转矩也越来越小，因此这种制动方法在转速还比较高时制动作用比较大，随着转速的下降，制动作用也随着减小。

能耗制动又分两种，分别用于不同场合：迅速停机和下放重物。若电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，则通过迅速停机的方法进行能耗制动，若拖动位能性恒转矩负载，则通过下放重物进行能耗制动。

能耗制动是一种常见的制动方法，广泛应用在工业生产中，有优点同时也存在着缺点，在这份课程设计中，我们将会仔细分析能耗制动是怎么实现的，使得我们更好的了解和利用它，同时尽最大努力提出改进。

三、正文

直流电动机的启动·制动的动态性能好，可以在很多快速调速的场合应用。在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。

（一）、直流电动机的基本结构和工作原理

直流电动机可分为两部分：定子与转子。其中定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。如下图所示：

图1-1电动机模型

（1）、定子

定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用是用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路

的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。

直流电动机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系确定。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。

（2）、转子

转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。

换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。

在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。

（二）、反接制动

反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反抗性负载）。

（1）、转速反向的反接制动

他励直流电动机拖动位能性负载，如起重机下放重物时，若在电枢回路串入大电阻，致使电磁转矩小于负载转矩，这样电机将被制动减速，并被负载反拖进入第Ⅳ象限运行。

特点：ΩR 较大，使Z st T T <电枢电路的电压平衡方程式变为

a a a a E U E U R R I +=--=+)()(Ω转速反向的反接制动特性方程式为T C C R R n n T e a 2

Ω

0Φ

+-

=<0 (n 为负）

图1-2转速反向的反接制动电路图

转速反向的反接制动的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。

由曲线知，因Z st T T <重物加速下放，直到D 点Z T T =时，获得稳速下放（一般

0n n <）

由于Ω+R E U a ,2U 可达到N 必须较大，限制a I ，同时保证Z st T T <，由

a a a a a I E UI R R I +=+)(Ω2上式表明，a UI 与a EI 两者之和消耗在电枢电路的电阻ΩR R a + 上。

（2）、电枢反接的反接制动

图1-3电枢反接的反接制动图

特点：U<0,ΩR R R a += 机械特性：T C C R R n n T e a 2

Ω

0Φ

+-

-= 电枢反接的反接制动机械特性是一条过-n 0 的直线，在第二象限部分(BC 段)。（n 为正，T 为负）

（三）、回馈制动

（1）、正向回馈制动

他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第II 象限，如图中的BC 段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。在这一过程中，由于电源电压下降，使得Ea>U ,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。

在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea 增大，超过U 以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。

(2)、反向回馈制动

他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。

反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv 象限。在D 点，电动机的转速高于理想空载转速，Ea>U ，电流流向电源，属于反向回馈制动。

反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。

（四）、能耗制动

（1）、制动方法制动和制动过程

直流电动机的制动方式有多种：能耗制动、反接制动和回馈制动。在此我们选择的研究方向是能耗制动。

直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（下放重物的情况）的过程称为制动过程。对于电动机来讲，我们有时候希望它能迅速制动，停止下来，如在精密仪器的制动过程中，液晶显示屏幕的切割等等，但有的时候我们却希望电机能够慢慢地停下来，利用惯性来工作。于是，直流电动机能耗制动又分为迅速停机和下放重物两种方式。

（2）、能耗制动之迅速停机

1、迅速停机之机械特性

如图1-4所示，制动之前，转速n不为零，甚至相对较大，电动机平稳的运行。此时直流电动机的反电动势(E=Ce*Φ*n)存在甚至在某些场合很大，由于电枢电阻Ra 较小，Ia=（U-E）／R a。当我们开始制动瞬间，电动机系统因为惯性继续旋转，n的方向不变，由于磁场方向不变，故E的方向也不变。由于电源被瞬间切除，此时相对于之前正常运转状态，电流方向I a改变，而磁场方向不变，使得T反向成为制动转矩。此时电动的转速就迅速下降至零（在T和T

的共同作用下）。当n=0时，E=0;Ia=0;制

L

动转矩和负载转矩都消失，电动机自动停机。

图1-4迅速停机之机械特性图

2、迅速停机之状态分析

上述过程我们也可以用公式来说明，电动状态时，如图1-5:

图1-5能耗制动迅速停机电路图

n与T关系如下：

能耗制动时，如图1-6：

图1-6能耗制动迅速停机电路图

Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb.

n与T关系如下：

n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)

那么为什么要串入电阻Rb呢？如果没有Rb，在制动的瞬间，E的大小不变(E=Ce*Φ*n)，一般情况E的值较大，那么此时的电流将会很大，很可能超出电枢回路电流的最大允许值Iamax,所以我们一般在迅速停机制动的同时，也串入一个电阻，并且这个电阻值有要求：

Iab=E/(Ra+Rb)<= Iamax

式中，Ea=Eb，是工作于b点和a点时的电动势。由此求得:

Rb>=Eb/Iamax-Ra

（3）、能耗制动之下放重物

1、下放重物之机械特性

如图1-7，如果电动机位能性很转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，速度

不会突变，则由a点移动b点，此时电动机处于能耗制动状态，此时由b点移动到O 点，这个过程与能耗制动的迅速停机过程情况一样。但此时电动机不会停止不动而是，在负载转矩的作用下，电动机反转，即反向启动，工作点开始在第四象限继续下移，此时n反向，Ia又回到正向，那么T依旧提供向上拉力，TL不变，则当下降速度越来越大，E（正向）也越来越大（E=Ce*Φ*n），Ia也越来越大，T也越来越大（T=CT*Φ*Ia），最终在c点处达到平衡。这是能耗制动下放重物的过程。

能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得Ia与最初的上升时方向相同，T也同样。下图是能耗制动过程中，n>0，T<0;在能耗制动运行时，n<0,T>0的情况。

图1-7能耗制动迅速停机过程

2、下放重物之状态分析

能耗制动的运行过程也可以用公式来说明。如图1-8：

图1-8制动后的电路图

n与T关系如下：

n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)

当平衡的时候，如图1-9：

图1-9制动后的电路图

T=TL，则可以得出：

n= (Ra+Rb)*TL /(CＥ*CT*Φ*Φ)

同样，能耗制动运行的效果与制动电阻Rb的大小有关，Rb小，特性2 的斜率小，转速小，下放重物慢(Rb在满足要求内)。那么在c点时：

Ra+Rb=Ec/Iac= C Ｅ*CT*Φ*Φ*n/(TL -To)

下放重物时，To 和TL 方向相反，与T 方向相同，故T= TL-To .可见，若要以转速下放负载转矩为TL 的重物时，制动电阻应为:

Rb=Ce*CT*Φ*Φ*n/(TL -To)- Ra 如果我们忽略了To ，则: Rb= C Ｅ*CT*Φ*Φ*n/TL - Ra .

（五）、参数设定和计算

一台他励直流电动机，参数如下：PN = 5.6kW ，UN=220V ，IN=31A ，nN=1000r/min ，电枢电阻Ra = 0.4Ω，负载转矩TL=49 ，电枢电流不能超过额定电流的2倍，忽略空载转矩T0。

电动机拖动反抗性负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少？若采用电枢反接制动停车，电阻最小值是多少？

电枢串联电阻值：

208.0=-=

N

a

N N N e n R I U C φ

电动状态的稳定转速：

min /10102

r T C C R C U n N

T e a

N e N =-=

φφ

能耗制动电阻：

Ω=--=

99.2bk a bk

a

R I E R

电枢反接制动电阻：

Ω=-+-

=54.6a bk

a

N bk R I E U R

电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300r/min 速度下放重物，采用倒拉反接制动运行，电枢回路应串入多大电阻？若采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大电阻？

倒拉反接稳定制动时的电枢电流：

Ω==

67.24N

T L

bk C T I φ

倒拉反接制动电阻：

Ω=--=

05.11a bk

a

N bk R I E U R

能耗制动稳定运行时的电阻：

Ω=--

=13.2a bk

N e bk R I n

C R φ

想使电动机以n = -1200r/min 速度，在反向回馈制动运行状态下，下放重物，电枢回路应串多大的电阻？若电枢回路不串电阻，在反向回馈后制动状态下，下放重物的转速是多少？

反向回馈制动运行时的电阻：

Ω=---=

8.0a bk

a

N bk R I E U R

反向回馈制动运行，不串电阻时的转速：

min

/1105r C R I U n N

e a

bk N -=--=

φ

四、总结

直流电动机的制动方式有多种，本文设计的研究方向重点是能耗制动，根据制动要求和条件的不同能耗制动又分为迅速停机和下放重物，并以他励直流电动机为例进行分析。

通过本次课程设计，我对所学的直流电机的工作原理及其调速方式有了进一步的认识，巩固了所学的理论知识。

本次课程设计提高了我分析问题和解决问题的能力，提高了我的团队意识。

五、参考文献

[1] 刘锦波.张承.电机与拖动[M].北京：清华大学出版社.2006

[2]王中鲜.MATLAB建模与仿真应用[M].北京：机械工业出版社.2010

[3]许晓峰.电机与拖动学习指导[M].北京：高等教育出版社.2010

教师评语及成绩评定：

指导教师签名：

年月日