电机与拖动课程设计直流电动机调速系统设计大学论文.docx
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电机与拖动课程设计直流电动机调速系统设计大学论文
电机与拖动课程设计报告
（2014—2015学年第二学期）
题目直流电动机调速系统设计
系别信息与控制工程系
专业电气工程及其自动化
班级1204
学号
姓名
指导教师
完成时间2015年7月7日
评定成绩
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
一台他励直流电动机，参数如下：
PN=4KW
UaN=170V
IaN=34.4A
nN=1450r/min
RL=0.076Ω
1．用其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1200r/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CeΦ的值。
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计2周内完成。
第1周查资料，熟悉题目；第2周设计方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第2周最后一天答辩。
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。
指导教师：
顾波
教研室主任：
2015年6月10日
第一章直流电动机
把电能转换为机械能的称为电动机。
直流电动机的调速性能很好，起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及。
因此，在对电动机的调速性能和起动性能要求较高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动。
但是，直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性较差，所以，在现代工业的拖动系统中，直流电动机与交流电动机“各得其所”。
直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。
第二章直流电动机的结构与工作原理
2.1直流电动机的结构
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。
图2.1直流电动机的结构
1定子结构
（1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。
主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。
图2.2主磁极结构
铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。
励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。
整个主磁极用螺钉固定在机座上，
（2）换向极
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。
换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。
（3）机座
电机定子的外壳称为机座。
机座的作用有两个：
一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；
二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。
为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。
（4）电刷装置
电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。
电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。
电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。
刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
2转子结构
（1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。
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。
图2.3电枢铁心
（2）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。
它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、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。
线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
（3）换向器
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；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。
换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。
图2.4换向器结构
（4）转轴
转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
2.2直流电动机的工作原理
图2.3直流电动机的工作原理图
如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
第三章他励直流电动机的调速
3.1调速指标
1.调速的技术指标
（1）调速范围：
指生产机械可能达到的最高转速
与最低转速之比n
，用系数D表示。
（2）静差率：
当动机在某一机械特性上运转时，由理想空载增加到额定负载，电动机的转速降落与理想空载转速之比，就称为静差率。
（3）平滑性：
在一定范围内，调速的级数越多就认为调速越平滑。
平滑程度用平滑系数
来衡量，相邻两级转速或线速度之比称为平滑系数。
值越接近于1，则平滑性越好。
（4）调速时的容许输出：
容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。
2.调速的经济指标
调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率
来说明
P）
3.2电枢串电阻调速
电枢串电阻后，电阻上流过电流产生压降，电枢端电压降低。
从图可知：
电枢端电压的数值受负载影响很大，转速受负载的影响也很大，在空载时几乎没有调速作用。
在负载Tz下，串不同电阻得到不同转速，n1>n2>n3>n4。
从n1将为n2过程：
电机在a点稳定运行，电枢电阻突增至R2时,该瞬间n、Ea不能突变，Ia及M减小，由a→b，转矩M降为M’随着n及Ea的下降，Ia及M不断增高，
直到系统转速为n2时，M’=Mz，建立新的平衡，调速过程结束。
系统稳定运行于c点。
图3.1电枢串电阻调速
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
小容量直流电动机用晶闸管整流装置作为可调电源。
对容量大的直流电动机，用机组作为可调直流电源，用晶闸管装置调节发电机G的励磁电流，即调节其感应电势，即电动机M的电源电压。
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。
改变电枢电源电压调速方法的有电视调速的平滑性好，即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需的可调电源设备投资较高。
这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛使用
降低电源电压的机械特性方程为：
改变电源电压U0，可以得一组平行线。
图.3.2改变电枢电源电压调速
3.4弱磁调速
小容量可在励磁回路串接可调电阻，大容量用单独可控硅整流装置向励磁回路供电。
，当φ↓，n0↑
电机在A点稳定运行→突加RΩ调励磁→励磁未饱和，If,φ按指数规律减小，而n不突变→Ea随φ减小而↓→Ia=（U-Ea）/Ra↑,比φ减小的量大→T随Ia↑而↑→T>Tz，系统加速→n
由n1上升达某一值时，使Ea回升→引起Ia回落→T回落→直到T=Tz达新稳定点B。
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
图3.3弱磁调速
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。
第四章课程设计内容
一台他励直流电动机，参数如下：
PN=4KW
=170V
=34.4A
=1450r/min
RL=0.076Ω
1.用其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1200r/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
的值。
内容解析：
1.采用电枢串电阻调速：
电动机的电枢电阻
Ra=（
-PN
）/
=（170-4000/34.4）/34.4Ω=1.56Ω
在额定状态运行时
E=
-Ra
=（170-1.56×34.4）V=116.34V
=E/
=116.34/1450=0.0802
Φ=60CeΦ/2p=60/（2×3.14）×0.0802=0.766
TN=60PN/2pnN=60/（2×3.14）×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/
）2TN=（1200/1450）2×26.36N.m=18.05N.m
=
/
=160/0.0802r/min=1995r/min
n=
-
=（1995-1450）r/min=545r/min
由
n=（Ra+
）T/
得
=
n
/T-Ra=（545×0.0802×0.766/18.05-1.56）Ω=0.295Ω
2.采用电枢电压调速：
由上题求得Ra=1.56Ω
=0.0802
=0.766
=26.36N.m
电枢电压减小后D
n=Ra
/
=1.56×26.36/（0.0802×0.766）r/min=669.37r/min
=n+
n=（1000+669.37）r/min=1669.37r/min
由此求得
=
=0.0802×1669.37V=133.9V
3.采用改变励流调速
由上求得Ra=1.56Ω
=26.36N.m
由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系，故忽略空载转矩时，调速后的电磁转矩为
T=
/n=1450×26.36/1800N.m=21.23N.m1800=160/
-1.27×21.23/
得
=0.0647或0.0242
结论
通过以上所讨论的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，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，这次做课程设计的收获是从来没有体验过的，也是我应该好好珍惜的。
设计体会
在这次课程设计过程中，碰到的难题就是对相关参数的计算，因为在学习中没能很好的系统的总结电机相关知识。
在整个课程设计中贯穿的计算过程没能很好的把握。
在今后要认真学习，对直流电机的参数和自控系统课程进行补充。
为以后的工作做铺垫，在完成课程设计的同时我也在复习一遍电机拖动和自控系统这两门课程，把以前一些没弄懂的问题基本掌握了。
对于一个电路的设计，首先应该对它的理论知识很了解，这样才能设计出性能好的电路。
整流电路中，开关器件的选择和触发电路的选择是最关键的，开关器件和触发电路选择的好，对整流电路的性能指标影响很大。
总之这次电路的设计，基本上达到了设计的功能要求。
在以后的实践中，我将继续努力学习电路设计方面的理论知识，并理论联系实际，争取在电路设计方面能有所提升，为以后更好的学习打好基础。
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.王毓东.电机学.杭州浙江大学出版社.1990
4.杨长能.电机学.重庆：
重庆大学出版社.1994
5.李发海.电机学.北京：
科学出版社.1991
6.刘启新.电机与拖动基础.北京：
中国电力出版社.2005
7.汤蕴.电机学.西安：
西安交通大学出版社.1993
致谢
非常感谢所有教导过我的老师们，他们不但在课程设计中指导我们学习和生活，而且在完成课程设计期间给我许多帮助和建议，他们兢兢业业、对工作认真负责的态度为我们做出了好的表率，时刻鞭策着我们向他们学习。
非常感谢我的同组同学们，在与他们共同的学习、工作、生活过程中，他们给予了我及时的帮助和建议，特别是资料和解决设计问题。
我对他们致以真诚的谢意和衷心的祝福。
最后，向所有帮助过我的人致以最诚挚的谢意。
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