电托课程设计名称.docx
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电托课程设计名称
课程设计名称：
《电机与拖动》课程设计
题目：
直流电动机的调速设计
指导教师：
专业：
班级：
姓名：
学号：
课程设计成绩评定表
学期
第四学期
姓名
专业
班级
课题名称
《电机与拖动》课程设计
论文题目
直流电动机的调速设计
评
定
标
准
评定指标
分值
得分
知识创新性
20
理论正确性
20
内容难易性
15
综合实际性
10
知识掌握程度
15
书写规范性
10
工作量
10
总成绩
100
评语：
任课教师
时间
备注
课程设计任务书
一．设计题目
直流电动机调速设计
二．设计任务
有一台他励直流电动机，已知参数如下：
PN=3.5KW
UaN=150V
IaN=23.6A
nN=1220r/min
1.用其拖动通风负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至800r/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，要是转速降至900r/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1600r/min,试设计Ce
三．设计计划
电机与拖动课程设计共计一周完成。
第1-2天熟悉设计内容，查找相关资料；第3-5天分析整理，按步骤进行设计并撰写设计说明书，检验分析；第6天准备答辩；第7天答辩。
四．设计要求
1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份；
2、设计必须根据进度计划按期完成；
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。
指导教师：
仲伟堂、王继强
教研室主任：
吕振
时间：
2009年6月26日
目录
一.直流电机的概述1
二.直流电动机的基本理论2
2.1直流电动机的工作原理2
2.2直流电动机的结构3
2.3直流电动机的分类及特点5
三.他励直流电动机的调速8
3.1改变电枢电阻调速8
3.2改变电枢电压调速速10
3.3改变励磁电流调速11
四.课程设计内容13
结论15
设计体会16
参考文献17
致谢18
一.直流电机的概述
电机是利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置。
直流电机能将直流电能转换为机械能，或将机械能转换为直流电能。
将直流电能转换为机械能的叫做直流电动机，将机械能转换为直流电能的叫做直流发电机。
直流电动机的主要优点是起动性能和调速性能好，过载能力大。
因此，应用于对起动和调速性能要求较高的生产机械，例如大型机床，电力机车，轧钢机，矿井卷扬机，船舶机械，造纸机和纺织机等都广泛采用直流电动机作为原动机。
直流发电机主要用作直流电源，供给直流电动机，电解，电镀等所需的直流电能。
直流电动机的主要缺点是结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差。
随着近年电力电子学和微电子学的迅速发展，在很多领域内，直流电动机将逐步为交流调速电动机所取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。
不过在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用。
本章主要分析直流电动机的工作原理，基本结构，分类，特点等共性问题，主要介绍直流电动机的三种调速方法！
二.直流电动机的基本理论
2.1直流电动机的工作原理
图2.1直流电动机的工作原理图
图2.1中是一台简单的直流电机的模型。
N和S是一对固定的磁极，可以是电磁体，也可以是永久磁铁。
磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。
铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器，在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电枢A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。
电枢铁心、电数线圈和换向器构成的整体称为电枢。
此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B，例如将电源正极加于电刷A，电源负极加于电刷B，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a流向b，在导体cd中，电流由c流向d。
载流导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中，受到电磁力的作用，电磁力的方向用左手定则确定，可知这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针方向旋转。
当电枢旋转180o，导体cd转到N极下，ab转到S极下，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流由b流向a，从电刷B流出，用右手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。
由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。
这就是直流电动机的基本工作原理。
实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应得换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。
2.2直流电动机的结构
1.定子
直流电动机的定子由以下几部分组成：
（1）主磁极：
即原理图中的N和S极。
它由励磁绕组和主磁极铁心两部分组成，如图2.2（a）所示。
主磁极铁心通常用1～1.5mm厚的钢板叠压而成。
（2）换向磁极：
简称换向极。
它是位于主磁极之间的比较小的磁极，也由铁心和绕组两部分组成，如图2.2（b）所示。
铁心一般用整块钢或钢板加工而成。
换向极绕组和电枢绕组串联。
换向磁极的作用是用来改善换向。
因为由图2.1可以看到当线圈转动到水平位置时，原来与电刷A接触的换向片要改为与电刷B接触。
原来与电刷B接触的换向片要改为与电刷A接触。
这是电流换向，电流的变化会在电枢绕组中产生感应电动势，从而在电刷和换向器之间产生火花。
当火花超过一定程度时，会烧蚀换向器和电刷，是电机不能正常工作。
装上换向极后，线圈转到水平位置时，正好切割换向极的磁通而产生附加电动势以抵消上述的换向电动势，使换向得到改善。
由于换向极是位于主磁极之间的小磁极，不会影响电机的正常工作。
（a）主磁极（b）机座
图2.2直流电动的定子
（3）机座：
用铸钢或厚钢板制成，外形如图2.2（b）所示。
主磁极和换向极都用螺栓固定在基座的内壁上。
机座是构成直流电动机磁路的一部分。
（4）端盖等：
基座的两边各有一个端盖。
端盖的中心处装有轴承，用来支撑转子的转轴。
电刷插在电刷架的刷握中，顶上有一个弹簧压板，使电刷在换向器上保持一定的接触压力。
电刷架固定在端盖上。
2.转子
直流电机的转子主题如图2.3（a）所示，它包括以下几部分：
电枢铁心有图2.3（b）所示的硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。
（a）转子主体（b）电枢钢片
图2.3直流电机的转子
（1）电枢绕组：
实际的电枢绕组并不像原理图那样只有一个线圈，而是由许多线圈按一定规则连接起来的。
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交换的关键部件。
他由许多线圈按一定规律连接而成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈和铁心之间和上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘，为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。
（2）换向器：
由许多换向片组成，外呈圆柱形，片于片之间用云母绝缘。
在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。
（3）风扇等。
图2.4是直流电机主装后的结构图。
图2.4直流电机主装后的结构图
2.3直流电动机的分类及特点
直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有4种：
直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。
掌握4种方式各自的特点：
（a）他励电动机（b）并励电动机
（c）串励电动机（d）复励电动机
图2.5直流电动机励磁方式图
1.直流他励电动机
他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。
励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。
因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。
2.直流并励电动机
并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。
并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。
3.直流串励电动机
串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。
励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。
为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。
4.直流复励电动机
复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组（其匝数较少）。
串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同。
电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。
三.他励直流电动机的调速
电气调速是指在负载转矩不变的条件下通过人为的方法改变电动机的有关参数，从而调节电动机和整个拖动系统的转速。
调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的。
从他励电动机的机械特性方程式的一般形式：
n=
=
-
=n
-
（式中Ua--电枢供电电压（V）；
Ia--电枢电流（A）；
Ф--励磁磁通（Wb）；
Ra--电枢回路总电阻（Ω）；
C
--电动势常数；
C
--转矩常数；
可以看出他励直流电动机的调速方法有三种：
（1）改变电枢回路总电阻Ra；
（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф。
3.1改变电枢电阻调速
原理电路图3.1（a）所示，即在电枢电路内串联一个调速变阻器。
n=
-
以电动机拖动通风机负载为例，他们的机械特性和负载特性如图3.1（b）所示。
调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。
R
改变的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b。
由于此时Tn下降，工作点沿人为特性由b点移至新交点c为止。
系统在比原来低的转速下重新稳定运行。
显然，电枢电路内串入的电阻越大，n越低。
（a）
（b）
图3.1改变电枢电路的电阻调速
这种调速方法的调速性能如下：
（1）调速方向是往下调。
（2）调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。
（3）调速的稳定性差。
因为电阻增大后，机械特性硬度降低，静差率增大。
（4）调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。
（5）调速范围不大，因为低速时静差率的限制。
（6）调速时的允许负载为恒转矩负载。
总之这种调速方法缺点甚多，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。
3.2改变电枢电压调速速
降低电枢电压是电动机的机械特性如图3.2所示。
现以电动机拖动恒转矩为例。
调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。
U
降低的瞬间，工作点由a平移到人为特性上的b点，最后稳定运行在c点。
显然，U
越小，n越低。
图3.2改变电枢电压调速
这种调速方法的调速性能如下：
（1）调速的方向是往下调。
（2）调速的平滑性好，只要均匀地调节电枢电压就可以实现平滑的无级调速。
（3）调速的平稳性要比第一种好，但是随着电压的减小，转速的降低，稳定性会逐渐变差。
这是因为电枢电压减小时，机械特性的硬度虽然不变，但是理想空载转速降低，静差率逐渐增大
（4）调速的经济性方面初期投资大，需专用的可调压直流电源。
（5）调速范围大，远比第一种大得多。
（6）调速时允许负载为恒转矩负载。
总之，这是一种性能优越的调速方法，广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中。
3.3改变励磁电流调速
改变励磁电流的大小便可改变磁通的大小，从而达到调速的目的。
3.3改变励磁电流调速
改变励磁电路的电阻或者改变励磁绕组的电压都可以是励磁电流改变。
前一方向可如图3.1（a）所示，在励磁电路内串联一个调速变阻器，当变阻器电阻增大时，励磁电流减小，磁通也随之减小；后一方法需要专用的可调压的直流电源，减小励磁电压，则励磁电流以及磁通随之减小。
现以他励电动机拖动横功率负载为例，它们的机械特性和负载特性如图3.3所示。
调速前，系统工作在固有特性和负载特性的交点a上。
改变励磁电流的瞬间，工作点a平移到人为特性上的b点。
最后稳定运行在认为特性和负载特性的交点c上。
显然，I
越小，n越大。
这种调速方法的调速性能如下：
（1）调速方向是往上调，因为励磁电流不能超过其额定值，因此只能减小励磁电流，从而使磁通减小，转速上升。
（2）调速的平滑性好，只要均匀的调励磁电流的大小便可以实现无能调速转速增加，静差率不变。
（3）调速的稳定性好，虽然励磁电流减小时，机械特性硬度下降，但因理想空载转速增加，静差率不变。
（4）调速的经济性较好，因为它是在功率较小的励磁电路内控制励磁电流的，功率损耗小，运行费用低。
但基本采用电压可调的直流电源供电，则需增加初期投入。
（5）调速的范围因为受机械强度、电枢电压的去磁作用和换向能力的限制，最高转速和换向能力的限制，最高转速一般只能达到额定转速的1-2倍，所以调速范围不大。
（6）调速时的允许负载为恒功率负载。
在对调速要求很高的电力拖动系统中通常都是同时采用改变电枢电压和改变励磁电流两种调速方法，从而可扩大调速范围，实现双向调速。
四.课程设计内容
一、设计任务
有一台他励直流电动机，已知参数如下：
PN=3.5KW
UaN=150V
IaN=23.6A
nN=1220r/min
1.用其拖动通风负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至800r/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，要是转速降至900r/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1600r/min,试设计Ce
1.采用电枢串电阻调速：
电动机的电枢电阻
Ra=（U-P
/I
）=（150-3500/23.6）=1.69Ω
在额定状态下运行时
E=U
-I
•Ra=（150-23.6*1.69）=111.13V
Ce
=E/n
=111.13/1220=0.091
CT
=60Ce
/2
=0.869
T
=60P
/2
n
=60/（2*3.14）*3500/1220N•m=27.4N•m
由于通风机负载的转矩和转速成正比，所以n=800r/min时的转矩为：
T=（n/N）2TN=（800/1220）2*27.4=11.78N•m
no=Ua
/Ce
=150/0.091r/min=1648r/min
n=n0-n=1648-800=848r/min
n=（Ra+Rr）T/CTCe
2
Rr=△nCTCe
/T-Ra=（848*0.091*0.869/11.78-1.69）Ω=4Ω
2.采用电枢电压调速
由上题已知可求得：
电枢电压减小后
△n=（Ra+Rr）T/CTCe¢2=1.69*27.4/（0.091*0869）=585.57
r/min
n0=n+△n=（900+585.57）r/min=1485.57r/min
由此求得
Ua=Ce
n0=0.091*1485.57=135.19V
3.采用改变励磁电流调速
由于恒功率负载的转矩和转速成正比关系，故忽略空载转矩时，调速后的电磁转矩为：
T=n
T
/n=1220*27.4/1600=20.89N•m
1600=160/Ce
-1.69*20.89/C
Ce
2
整理得1600（Ce
）2-160Ce
+3.7=0
解得：
Ce
=0.0637或0.0363
结论
经过以上关于他励直流电动机的调速内容的课程设计，我们可以知道实现调速的三种不同的方法即：
串电枢电阻调速，改变电枢电压调速，改变励磁电流的调速。
在实际应用中根据不同的情况选用不同的方法，例如调速的方向哪个比较方便，平滑性，稳定性，经济性等。
三种调速的方法各有优缺点，改变电枢电阻调速的缺点比较多，所以只适用于调速范围小，调速时间不长的小容量电机中，而改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法，被广泛的应用。
改变励磁电流的调速方法通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。
完成整个课程设计后，我进一步的了解了关于电动机的基础，掌握了他励直流电动机的三种调速方法，同时学习的过程中让我对电机的运行原理及过程有了进一步的认识。
设计体会
通过对此次课程的设计学习，我感觉自己对电机与拖动又有了新的认识，不但明白了电动机的工作原理，了解了它的基本结构，还对它怎么有效地工作有了进一步的认识，以前对电动机只是听说，通过这次的课程设计，我终于知道了它的奥妙，同时也对电机与拖动这门学科产生了浓厚的兴趣。
在这次对直流电动机调速设计的过程中，让我深深的体会到了把握住知识的重要性，以前的学习知识片面的，完成设计后才了解了自己对知识的不足之处，并在设计的过程中得以补充和扩展，还增强了我的学习技巧以及把握知识重点的能力，这些都让我有所满足。
这次的课程设计也许会有很多的不足之处，希望老师多多批评与指正，同时我也会在以后的日子里不断的努力学习，提高自己的知识水平，让自己进步。
.
参考文献
1.唐介.电机与拖动.北京:
高等教育出版社.2003.7
2.唐介.控制微电机.北京:
高等教育出版社1987.4
3.李发海.电机学.北京:
科学出版社.1991
4.汤蕴.电机学西安:
西安交通大学出版社1993
5.吴浩烈电机及电力拖动基础重庆大学出版社2001.2
6.杨长能电机学重庆大学出版社1994
致谢
本次课程设计是在我们的老师的亲切关怀和细心指导下完成的，他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染着我，让我敢于创新，自我努力上进，认真的投入到课程设计的学习中去，才完成了本次的设计。
感谢所有老师对我的教育与培养，他们的细心指导让我感动不已，感谢你们，我敬爱的老师。
同时我还要感谢我的同组同学，是大家的一起努力才完成的这次设计，谢谢你们。
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