直流电动机能耗制动课程设计.docx
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直流电动机能耗制动课程设计
综述
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。
2他励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2-1
（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。
3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。
3.1能耗制动之迅速停机
3.1.1迅速停机之机械特性
如图2-1-1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）／Ra。
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Ia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TL的共同作用下）。
当n=0时，E=0;Ia=0;制动转矩和负载转矩都消失，电动机自动停机。
图2-1-1
3.1.2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2-1-2:
图2-1-1
n与T关系如下：
能耗制动时，如图2-1-2：
图2-1-2
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
3.2能耗制动之下放重物
3.2.1下放重物之机械特性
如图2-2-1，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2-2-1
3.2.2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2-2-2：
图2-2-2
n与T关系如下：
n=-（Ra+Rb）*T/（CＥ*CT*Φ*Φ）
当平衡的时候，如图2-2-3：
图2-2-3
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=CＥ*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=CＥ*CT*Φ*Φ*n/TL-Ra.
4参数设定和设计
我们选定一台他励电动机，其中Pn=22kW，Uan=440V，Ian=65.3A，Nn=600r/min.Iamax=2Ian,To忽略不计。
在拖动TL=0.8Tn的反抗性横转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb1；在拖动TL=0.8Tn的位能性横转矩负载，采用能耗制动以n=300r/min恒速下放重物，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb2。
则他们应满足下面表格。
迅速停机：
电机给定参数
中间参数
迅速停机
PN
（kW）
UaN
（V）
IaN
（A）
nN
（r/min）
Iamax
（A）
TL
（N·m）
Ra
（Ω）
E
（V）
CEΦ
CTΦ
Ia
（A）
Eb
（V）
Rb
（Ω）
22
220
115
1500
230
120
0.25
191.3
0.1275
1.2182
98.51
195.37
≥0.6
表3-1
下放重物：
电机给定参数
中间参数
下放重物
PN
（kW）
UaN
（V）
IaN
（A）
nN
（r/min）
Iamax
（A）
n
（r/min）
Ra
（Ω）
E
（V）
CEΦ
CTΦ
TL
（N·m）
Rb
（Ω）
22
220
115
1500
230
300
0.25
191.3
0.1275
1.2182
120
0.138
表3-2
结论
直流电动机的制动方式有多种，本课程设计的研究方向是能耗制动，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。
首先，本设计先介绍了直流电动机的结构组成和工作原理，文字说明的同时也附加了图像，使描述更具体容易理解。
其次，是制动的详细过程，包括迅速停机和下放重物，迅速停机和下放重物又同时用机械特性和状态分析两种角度进行描述和分析，并附有图像说明和公式分析。
最后，参考相关资料本设计给出了一组合理的状态数据，并根据以上公式计算出两种情况下的制动时所需电阻Rb的大小要求，并以表格的形式给出。
心得体会
通过这次课程设计，我了解到了这不是一件容易的事情。
我们要仅仅学习的是理论知识，要想真的做出点成绩，一定要通过实践才可以。
从无知道人是，到深入了解，渐渐的喜欢了这个全新的专业，原来过程才是最美的。
经过一周的奋战，课程设计完成了，在没有做设计之前，还简单的以为是对这门课程的总结，但通过这次设计发现自己的看法是片面的。
课程设计不仅是对所学知识的一种经验，而且是是对自己能力的提高。
通过设计让我明白这是一个长期的积累过程，今后的工作、学习、生活中应该不断的学习，努力提高自己。
设计过程中，查阅大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，收获颇多。
在设计中，培养了独立自主的工作能力，是自己独立思考的能力也有所提高，在设计中不仅学到了知识，也让我感到生活的充实和学习的快乐，以及收获知识的满足。
真正接触到了实践，为今后的工作奠定了基础。
致谢
这次《电机与拖动》的课程设计是由任玉凤、荣德生、王继强三位老师精心指导的。
他们认真负责，态度和蔼，认真解答疑难问题,他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。
他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
感谢同学对我的帮助和指点。
没有他们的帮助和提供资料我很难在一周内完成设计，感谢大家对我的帮助。
参考文献
[1].清华大学，唐介主编：
《电机与拖动》（第二版）.高等教育出版社.2007年
[2].电子工业大学.陈勇，陈亚爱主编.《电机与拖动基础》.电子工业出版社.2007年
[3].清华大学，彭红才主编《电机原理与拖动》（第二版）.机械工业出版社.2006年
[4].人民邮电大学，梁南丁，滕颖辉主编.《电机与拖动》.北京大学出版社。
2008年
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