电机与拖动课程设计.docx

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电机与拖动课程设计

目录

1.直流电机的结构及原理1

1.1直流电机的基本结构1

1.2直流电动机的工作原理2

2.他励直流电动机4

2.1电枢回路中的电压平衡方程4

2.2他励直流电动机的固有机械特性4

3.电动机的调速指标6

3.1调速范围D6

3.2静差率（调速的相对稳定性）δ%6

3.3调速的平滑性6

3.4调速的经济性。

6

4.他励直流电动机降压调速8

4.1改变电枢回路电压调速8

4.2调速性能8

5课程设计内容10

总结12

参考文献13

1.直流电机的结构及原理

1.1直流电机的基本结构

1．定子

图1-1直流电动机的定子结构图

直流电机的定子由以下几部分组成:

（1）主磁极

由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成，其主要任务是产生主磁场。

磁极下面扩大的部分称为极掌，它的作用是使通过空气中的磁通分布最为合适，并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。

主磁极铁心是磁路的一部分，采用1.0~1.5mm厚的钢片叠压制成。

励磁绕组用绝缘铜线绕成。

（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，也是由铁心和绕组两部分构成的，用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。

换向极用来改善电枢电流的换向性能。

（3）机座

用铸钢或厚钢板制成，机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，并作整个电机的支架，另一方面也是电机磁路的一部分。

（4）端盖等

机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

1-1直流电动机的转子结构图

直流电机的转子包括以下几部分：

（1）电枢铁心

电枢铁心是主磁极的一部分，用硅钢片叠成，呈圆柱形，表面有许多均匀分布的槽，槽内嵌放电枢绕组。

为了加强铁心的冷却，电枢铁心上有轴向通风孔。

（2）电枢绕组

电枢绕组是直流电机产生感应电势及电磁转距以实现能量转换的关键部分。

绕组一般由铜线绕成，嵌入电枢铁心的槽中，线圈的端部都接到换向片上。

为了防止离心力将绕组甩出槽外，用槽楔将绕组导体楔在槽内。

（3）换向器

换向器由很多彼此绝缘的铜片组合而成，每个换向片都和电枢绕组连接，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。

（4）电刷装置

电刷装置包括电刷及电刷座，它们固定在定子上，其电刷与换向器保持滑动接触，以便将电枢绕组和外电流接通。

1.2直流电动机的工作原理

图1-2直流电动机的结构原理图

图1-2是一直流电动机的结构原理图。

N和S是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。

在两磁极间装设一个可以绕Z-Z'轴而旋转的绕组，在它上面装有矩形的线圈abcd，这个部分通常叫做电枢。

线圈的两端分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环上。

换向片之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。

A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。

来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里的。

当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，经电刷B流回电源负极。

这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向用左手定则来判断。

电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。

当电枢绕组的ab边转到了S极下，cd边转到了N极下时，由于连接在线圈两端的铜片和电刷的作用，电枢绕组中的电流方向变成d-c-b-a的方向，使电机继续按逆时针旋转。

2.他励直流电动机

他励电动机的电路如图2-1所示，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。

在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If，产生主磁极Ф。

在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T，拖动生产机械以某一转速n运转。

电枢旋转切割磁感线产生反电势E。

图2-1他励电动机

图2-1他励电动机的电路

2.1电枢回路中的电压平衡方程

Ua=E+IaRa

将式

E=CeФn和

代入，得到直流电动机机械特性的一般表达式：

式中，n0是电动机的理想空载转速，∆n是转速差

∆n=n0－n=

T

2.2他励直流电动机的固有机械特性

直流电动机机械特性的一般表达式：

图2-2他励直流电动机的固有特性

他励直流电动机固有特性如图2-2所示，N点对应于电动机的额定状态。

额定状态说明电动机的长期运行能力。

M点对应于电动机的临界状态，这时电枢电流Ia等于换向允许的最大电枢电流Iamax=（1.5~2.0）IaN。

对应的转矩TM是电动机所允许的最大转矩。

临界状态说明了电动机的短时过载能力。

（1）机械特性斜率

（2）机械特性硬度：

（3）额定转矩

3.电动机的调速指标

为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的经济技术指标，通常称为调速指标。

3.1调速范围D

调速范围是指电动机在额定负载下调速时，其最高转速nmax与最低转速nmin之比，用D来表示，即

不同的生产机械对调速范围的要求不同，如：

车床D=20~100，龙门刨床D=10~40，轧钢机D=1.2~3等。

电动机最高转速nmax受电动机的换向极及机械强度限制，最低转速nmin受转速相对稳定性要求的限制。

3.2静差率（调速的相对稳定性）δ%

静差率指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性

静差率δ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。

D与δ%相互制约：

静差率δ%越小，调速范围D越小，调速的相对稳定性越好；在保证一定的静差率δ%指标的前提下，要扩大调速范围D，须减少Δn，即提高了电动机机械特性的硬度。

3.3调速的平滑性

调速的平滑性由一定的调速范围内能得到的转速级数来说明。

调速的级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好，调速越平滑。

相邻两级转速之比，为平滑系数：

平滑系数越接近1，平滑性越好，当平滑系数越等于1时，平滑性最好，称为无级调速，即转速可以连续调节。

调速不连续时级数有限，称为有级调速。

3.4调速的经济性

调速的经济性主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。

调速时电能的损耗除了要考虑电动机本身的损耗外，还要考虑供电电源的效率。

调速设备初投资应该考虑电动机和供电电源两方面：

专门设计的改变磁通调速的电动机成本较普通直流电机为高；降电枢电压调速的大功率可调压电源，成本也较高；调磁通调速一般也要专门配一可调压电源，但容量要小，成本也低些。

这样综合起来考虑，电枢串电阻调速设备成本最低，而改变电源电压调速设备成本最高。

4.他励直流电动机降压调速

根据他励直流电动机的转速公式：

可见，当电枢电流Ia不变时（即负载不变），只要在电枢电压Ua，电枢电路中的附加电阻Ra和每极磁通Ф三个参数中任意改变一个，都能引起转速的变化。

4.1改变电枢回路电压调速

图4-1改变电枢回路电压调速

保持他励直流电动机磁通Ф为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电动机拖动者负载运行于不同的转速上。

 降低电源电压，电动机机械特性的硬度不变。

这样，比起电枢回路串电阻调速使机械特性变软这一点，降低电源电压可以使电动机在低速范围运行时，转速随负载变化而变化的幅度较小，转速稳定性要好得多。

降低电枢电压时电动机的机械特性如图4-1所示。

现以电动机拖动恒转矩负载为例。

调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。

Ua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，Ua越小，n越低。

Ua降低时，n0减小，β不变，α不变，机械特性平行下移。

4.2调速性能

（1）调速方向是往下调。

（2）调速的平滑性好。

只要均匀调节电枢电压就可以实现平滑的无级调速。

（3）调速的稳定性好，但是随着电枢电压的减小，转速的降低，稳定性会逐渐变差。

这是因为电枢电压的减小时，机械特性硬度虽然不变，但是理想空载转速降低，静差率δ逐渐增大。

（4）调速的经济性初期投资大，需专用的可调压直流电源，例如采用单独的直流发动机或晶闸管可控整流电源等，但运行费用不大。

（5）调速范围较大。

（6）调速时的允许负载为恒转矩负载。

因为调速时的Ф基本不变，满载电流即额定电流IaN一定，因此，如果不计低速时散热能力较差，可以认为各种转速下允许输出的转矩相同，故为恒转矩调速。

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。

5课程设计内容

改变电枢回路电压时转速n的计算

设计任务

一台他励直流电动机，参数如下

PN=11kW

UaN=440V

IaN=31A

nN=1480r/min

用他拖动恒转矩负载运行。

现采用改变电枢电压调速。

当Ua降低20%时，即Ua=352V时，试求直流电动机的转速。

例：

一台他励直流电动机，PN=11kW，UaN=440V，IaN=31A，nN=1480r/min，用他拖动恒转矩负载运行。

现采用改变电枢电压调速。

P0忽略不计。

试问当Ua降低20%时，即Ua=352V时，转速为多少？

解：

（1）求出额定转矩TN

（2）求感应电动势E

忽略T0，则

（3）求CeФ

（4）求CTФ

（5）求Ra

（6）求Ua降低20%时的转速n

总结

随着工业生产和科学技术的发展，自动控制已经普遍出现在人类生活，生产和探索新技术的各个领域，由于电能生产变换经济传输分配容量，使用控制方便，因而电力拖动已广泛应用于各类生产机械，为了满足电力拖动调速机械的生产工艺要求，提高产品质量和生成率，电力拖动系统的调速性能具有重要意义。

对于直流电动机的调速还有改变电枢电阻调速，改变励磁电流调速。

不同的调速方法有各自不同的优缺点，在实际电力拖动系统中，要根据实际情况来选择合适的调速方法，以便更好的提高生产效率。

也可以将几种调速方法结合起来，利用各种调速方法的优点，尽量避免各种调速的缺点，以得到较宽的调速范围，使调速达到较小的损耗，电动机运行时达到较高的效率，更好的满足各种生产机械对调速的要求。

参考文献

[1]林瑞光.电机与拖动基础[M].浙江：

浙江大学出版社，2006

[2]李海发.电机学[M].北京：

科学出版社，2001

[3]唐介.电机与拖动[M].第2版.北京：

高等教育出版社，2007

[4]汤蕴璆等.电机学[M].西安：

西安交通大学出版社，1993

[5]周励志.实用电工计算手册[M].辽宁科学技术出版社，1990

[6]刘景峰.电机与拖动基础[M].中国电力出版社，2006