他励直流电动机课程设计

指导教师评定成绩：审定成绩：课程设计报告设计题目：他励直流电动机学校：重庆邮电大学移通学院学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：一、设计题目一台4级直流电动机，已知数据为：额定功率P N = 10kW，I N =53.8A,U n = 220 V，n N= 1500r/min，R a =0.29Ω，L a=0.012H，a=2,匝数为398，励磁电压：U f =220 L a=120H，最大电流为启动电流的2倍。

忽略铁耗。

试求：1.若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动，计算电阻和其它参数，做出机械特性图，2.分析能量的传递。

用Matlab中的SIMULINK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真串励、并励的不同区别。

3.对比直接启动和串电阻启动的区别（psi=0.0103;Cpsi=0.0013;）目录一、设计题目 (2)一、课程设计任务 (5)二、设备的介绍 (6)1.设备的名称 (6)2.设备的基本结构 (6)3.交流电机定子结构 (7)4.转子结构 (8)5．设备的工作原理 (9)6.电路原理图 (10)图6电路原理图 (10)三、设备的工作特性 (10)1、转动率特性 (10)2、转矩特性 (11)3、电流特性 (11)4、效率特性 (11)5、功率因数特性 (11)四、课程设计所用的基本知识 (12)1、串电阻启动 (12)2、直接启动 (14)3、铭牌 (17)五、参数计算、电路设计 (17)1.他励直流电动机空载测试 (17)2.负载特性及能量传递分析 (19)3、调速前后对比 (20)六、心得体会 (24)七、参考文献 (25)他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的转速n随转矩T而变化的特性【n=f(T)】称为机械特性。

它是选用电动机的一个重要依据。

各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。

调速从直流电动机的电枢回路看,电源电压U与电动机的反电动势Ed和电枢电流I d在电枢回路电阻R d上的电压降必须平衡。

即U=E d+I d R d，反电动势又与电动机的转速n和磁通φ有关，电枢电流又与机械转矩M和磁通φ有关。

即 z4系列直流电动机E d=Cφn，M=CφI d式中C为常数。

由此可得式中n0为空载转速，k 为Rа/C2。

以上是未考虑铁心饱和等因素时的理想关系，但对实际直流电动机的分析也有指导意义。

直流电动机有3种调速方法：调节励磁电流、调节电枢端电压和调节串入电枢回路的电阻。

调节电枢回路串联电阻的办法比较简便，但能耗较大；且在轻负载时，由于负载电流小，串联电阻上电压降小，故转速调节很不灵敏。

调节电枢端电压并适当调节励磁电流，可以使直流电动机在宽范围内平滑地调速。

端电压加大使转速升高，励磁电流加大使转速降低，二者配合得当，可使电机在不同转速下运行。

调速中应注意高速运行时，换向条件恶化，低速运行时冷却条件变坏，从而限制了电动机的功率。

接近恒功率特性,低速时转矩大，故广泛用于电动车辆牵引，在电车中常用两台或两台以上既有串励又有并励的复励直流电动机共同驱动。

利用串、并联改接的方法使电机端电压成倍地变化（串联时电动机端电压只有并联时的一半），从而可经济地获得更大范围的调速和减少起动时的电能消耗。

课程设计的意义现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产，输送和使用等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。

电机在国家经济建设，节约能源、环保和人民生活中起着十分重要的作用。

由于他励直流电动机电动机具有体积小，重量轻，运行可靠，结构坚固耐用，外形美观等特点，具有较高的效率，有良好的节能效果，而且噪音低，寿命长，经久耐用。

有很多规格，能满足国民经济各部门的不同需要。

所以研究他励直流电动机电动机意义重大。

当代大学生应该运用所学知识和技巧来解决实际问题，培养学生的动手能力。

一、课程设计任务一台4级直流电动机，已知数据为：额定功率P N = 10kW，I N =53.8A,U n = 220 V，n N= 1500r/min，R a =0.29Ω，L a=0.012H，a=2,匝数为398，励磁电压：U f =220 L a=120H，最大电流为启动电流的2倍。

忽略铁耗。

试求：1.若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动，计算电阻和其它参数，做出机械特性图，2.分析能量的传递。

用Matlab中的SIMULINK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真串励、并励的不同区别。

3.对比直接启动和串电阻启动的区别（psi=0.0103;Cpsi=0.0013;）二、设备的介绍1.设备的名称他励直流电动机2.设备的基本结构图1 他励直流电动机结构图1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心；7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇而其分解图如下图所示：图2 他励直流电动机内部分截图3.交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。

图3 定子铁心机座:是用作固定与支撑定子铁芯。

定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。

图4 定子绕组绕组分类：单层绕组和双层绕组。

绕组应用：单层绕组一般用在10kW 以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。

4.转子结构转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。

转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。

气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.2~1.5mm范围。

图5 转子结构图5．设备的工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。

如右图4是他励直流电动机转动的原理图（途中只显示出两根导条），当电磁沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。

电动势的方向由右手定则来确定。

因为运动是相对的，假如磁极不对，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。

在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。

该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定，由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。

异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：定子绕组通入三相交流电流→产生旋转磁场→切割转子绕组→转子绕组产生感应电势→转子中产生感应电流→转子电流与磁场作用→产生电磁转矩→运行。

6.电路原理图图6 电路原理图三、设备的工作特性他励直流电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。

1、转动率特性通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率，用s表示。

关于转差率的定义如下：当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转2、转矩特性他励直流电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。

3、电流特性空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。

4、效率特性其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近异步电动机似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗是，电机大道最大效率。

额定效率载64-94%之间；最大效率发生在（0.7-1.0）倍额定效率处。

5、功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。

如果附在继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。

四、课程设计所用的基本知识1、串电阻启动为减少起动电流，可以在电动机起动时在定子回路中串入电阻器，起动结束后，再将电阻短接。

串电阻启动方式的优点的设备简单、造价低；缺点是能量损耗较大。

图7 电动机定子串电阻电路原理图控制过程如下：1、合上电源刀闸QS，线路有电。

2、按下启动按钮SB2，接触器KM1和时间继电器KT的线圈同时得电吸合，KM1的主触点闭合，电动机定子串电阻R降压起动。

接触器KM1的辅助常开接点闭合电路实现自锁。

时间继电器KT的线圈得电后，开始延时。

3、时间继电器延时的时间到，时间继电器的延时闭合的常开接点闭合，接触器KM2线圈得电吸合，KM2的主触点闭合，将电阻器R 短接，电动机在全压下运行，KM2的辅助常开接点闭合实现电路自锁，同时KM2的辅助常闭接点断开，切除接触器KM1和时间继电器KT线圈的电路，使KM1和KT失电复位。

4、电动机过电流保护由热继电器FR完成。

图8电动机定子串电阻接线示意图2、直接启动直接启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。

电动机直接启动的电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以直接启动。

这一要求对于小容量的电动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。

对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动。

直接启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。

由于刚启动的时候转差率为1，也就是转子处于堵转状态，这时候由于转差率太大，也就是说转子导条和定子磁场的相对速度很高，这时候就会在转子导条的两端产生一个比较高的感应电压，由于转子导条处于短路状态，所以肯定会产生一个很大的启动电流，如果结合变压器来考虑的话，那么电动机转子就相当于变压器的负载侧，负载侧短路就相当于原边短路，所以转子的电流变化势必会表现在定子上面，这就会造成定子绕组输入电流达到额定电流的4到7倍，一旦转子转动起来以后，转差率变小，感应到转子上面的电压也会降低，这样转子电流就会降低，转子电流的变化同样也会表现在定子绕组上，这样等电动机启动结束以后其实感应到转子上的电压是比较低的，由于感应到转子的电压比较低，这样转子上面的电流也不会太大，相应的定子上面的电流也就不会太大，一旦加载以后，转差率的改变就会改变转子以及定子的电流，使用自偶变压器降压启动:采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。