他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)

1、課程設(shè)計(jì)名稱：電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)題目：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)學(xué)專班姓學(xué)期：2013-2014學(xué)年第2學(xué)期業(yè)：級(jí)：名：口號(hào)：指導(dǎo)教師：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)二、設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)一臺(tái)已知額定參數(shù)的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能耗制動(dòng)，設(shè)計(jì)求出合適的制動(dòng)電阻R，b并設(shè)計(jì)求出在已知制動(dòng)電阻R采用穩(wěn)定下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)速n。b已知一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)P=22kW,U=220V，I=115A,n=1500r/min.I=230A,TNaNaNNamax0忽略不計(jì)。（1）拖動(dòng)TL=120Nm的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，采用能耗制動(dòng)迅速停機(jī)，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻R？b（2）拖動(dòng)TL=120N

2、m的位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，采用能耗制動(dòng)以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻R？b三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第一天，熟悉題目，查閱有關(guān)資料，并進(jìn)行初步的規(guī)劃。第二天，進(jìn)行設(shè)計(jì)，并記錄有關(guān)的數(shù)據(jù)和過程。第三天，繼續(xù)完善設(shè)計(jì)。第四天，完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)書。第五天，進(jìn)行答辯。課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表學(xué)期第四學(xué)期專業(yè)電氣技術(shù)班級(jí)課題名稱電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)論文題目他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20容難易性15綜合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書寫規(guī)性10工作量10總成績100評(píng)語：任課教師王巍時(shí)間年月曰備注目錄1. 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理111

3、直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)112直流電動(dòng)機(jī)的工作原理32. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法和制動(dòng)過程42.1直流電動(dòng)機(jī)之他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)42.1.1電流52.1.2轉(zhuǎn)速52.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法和制動(dòng)過程62.2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程之迅速停機(jī)62.2.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程之下放重物83、參數(shù)的設(shè)定與計(jì)算103.1中間參數(shù)的計(jì)算113.2迅速停機(jī)時(shí)的制動(dòng)電阻Rb113.3下放重物時(shí)的制動(dòng)電阻Rb113.4迅速停機(jī)過程參數(shù)與穩(wěn)定下放重物過程參數(shù)的對(duì)比124結(jié)論13參考文獻(xiàn)14摘要直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)具有制動(dòng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確、能量消耗小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電動(dòng)絞盤。電動(dòng)絞盤需要用電，依靠車輛自身的

4、電力系統(tǒng)即電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤，而根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的平穩(wěn)性等優(yōu)點(diǎn)，所以研究直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)有很大的實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)過程，（包括迅速停機(jī)過程和下放重物過程），采用圖解法和公式法兩種方法結(jié)合既直觀又嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋鏊麆?lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)過程。其中包括對(duì)制動(dòng)電阻的選擇等，以便能耗制動(dòng)更順利的進(jìn)行，讓我們更加了解能耗制動(dòng)的全過程。關(guān)鍵詞：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；能耗；制動(dòng)1. 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理11直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)可分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。其中定子包括：主磁極，換向磁極，機(jī)座，端蓋等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，風(fēng)扇等。如圖1.1所示：圖1.1

5、1、定子直流電機(jī)的定子由以下幾部分組成：（1）主磁極即原理圖中的N和S級(jí)。它由勵(lì)磁繞組和主磁極鐵芯兩部分組成，如圖1.2（左）所示。主磁極鐵芯通常用11.5mm厚的鋼板疊壓而成。（2）換向磁極簡稱換向極。他是位于主磁極之間的比較小的磁極圖1.2（右），也由鐵芯和繞組兩部分組成。鐵芯一般用整塊鋼和鋼板加工而成。換向極繞組和電樞繞組串聯(lián)。換向極的作用是用來改善換向。（3）機(jī)座用鑄鋼或厚鋼板制成，外形如圖1.2（右）所示。主磁極與換向極都用螺栓固定在機(jī)座的壁上。機(jī)座是構(gòu)成直流電機(jī)磁路的一部分。(4) 端蓋等機(jī)座的兩邊各有一個(gè)端蓋。端蓋的中心處裝有軸承，用來支撐轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸。電刷插在電刷架的刷握中，頂上

6、有一個(gè)彈簧壓板，使電刷在換向器上保持一定的接觸壓力。電刷架固定在端蓋上。令©®主亞飪示總in的中伺軼一個(gè)損向M的展彈牯枸圖1.22、轉(zhuǎn)子直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子主體如圖1.3(左)所示，它包括以下幾部分：(1) 電樞鐵心由圖1.3(右)所示的硅鋼片疊成，表面有許多均勻分布的槽。直濟(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和電.樞鐵心沖片圖1.3(2) 電樞繞組實(shí)際的電樞繞組并不像原理圖那樣只有一個(gè)線圈，而是由很多線圈按一定規(guī)則連接起來的。繞組嵌放在電樞鐵心槽。(3) 換向器由很多換向片組成，外表呈圓柱形，片與片之間用云母絕緣。(4)風(fēng)扇等。圖1.4是直流電機(jī)組裝后的結(jié)構(gòu)圖。丄一軸承；軸：3電樞繞紐j4-換抽極繞組

7、；葺一屯樞鐵心；6后端蓋;7刷桿座；&換向器：9屯刷：1主癥阪11«座；12Sjffi繞紐;和一風(fēng)扇：】4前端語圖1.412直流電動(dòng)機(jī)的工作原理電動(dòng)機(jī)定子提供磁場，直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的安培力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生保持方向不變的轉(zhuǎn)矩。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，電機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械沿著與電磁轉(zhuǎn)矩相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)向負(fù)載輸

8、出機(jī)械功率。與此同時(shí)，電源卻向電機(jī)輸出電功率。可見，直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。2. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法和制動(dòng)過程2.1 直流電動(dòng)機(jī)之他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路圖如圖2.1所示。勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電。在勵(lì)磁電壓U的作用下，勵(lì)磁繞組過勵(lì)磁電流I,從而產(chǎn)生主磁通。ff在電樞電壓U作用下，電樞繞組過電樞電流I。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁a轉(zhuǎn)矩T，從而拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速n運(yùn)轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢E，電動(dòng)勢的方向與電樞電流的方向相反。a圖2.12.1.1電流在勵(lì)磁電路中，勵(lì)磁電流RR式中，f是勵(lì)磁繞組的電阻，f一般來說比較大

9、。在電樞回路中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律U=E+RIaaa由此求得電樞電流U-EI=aaRR。fa式中R為電樞電路的電阻，它的數(shù)值一般遠(yuǎn)小于勵(lì)磁繞組的電阻a根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式，電樞電流I還滿足下式a2.1.2轉(zhuǎn)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用下式表示URn二一alCeCC62EET由此可以得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性如圖2.1.2所示2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法和制動(dòng)過程一般來說，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有3種：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。在此我們選擇的研究方向是能耗制動(dòng)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)是：將電樞與電源斷開，串聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻R，使電b機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電

10、樞回路的電阻上。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)開始制動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零（迅速停機(jī)的情況）或反向一個(gè)轉(zhuǎn)速值（下放重物的情況）的過程稱為制動(dòng)過程。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來講，我們有時(shí)候希望它能迅速制動(dòng)，停止下來，如在精密儀器的制動(dòng)過程中，液晶顯示屏幕的切割等等，但有的時(shí)候我們卻希望電機(jī)能夠慢慢地停下來，利用慣性來工作。于是，直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)又分為迅速停機(jī)和下放重物兩種方式。2.2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程之迅速停機(jī)1）狀態(tài)分析制動(dòng)前后的電路如圖2.2.1所示。電動(dòng)狀態(tài)如圖2.2.1（a）所示，n與T的關(guān)系UaC6ERaCC62ET制動(dòng)時(shí)，如圖2.2.1(b)所示，U=0，電樞回路中又增加制動(dòng)電阻Rn與T的

11、關(guān)系abR+RTn=abTCC62ET(a)電動(dòng)狀態(tài)(b)制動(dòng)狀態(tài)圖2.2.12)機(jī)械特性迅速停機(jī)的機(jī)械特性如圖2.2.2中的特性2所示，它是一條通過原點(diǎn)、位于2、4象設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。制動(dòng)前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上。制動(dòng)瞬間，因機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，工作點(diǎn)由a點(diǎn)平移到能耗制動(dòng)特性2上的b點(diǎn)。這時(shí)T反向，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)過程開始。在T和TL的共同作用下，轉(zhuǎn)速n迅速下降，工作點(diǎn)沿特性2由b點(diǎn)移至0點(diǎn)。這時(shí)，n=0，T也自動(dòng)變?yōu)榱悖苿?dòng)過程結(jié)束。能耗制動(dòng)過程的效果與制動(dòng)電阻R的大小有關(guān)。R小，則I大，T大，制動(dòng)過程短，bba停機(jī)快。但制動(dòng)過程的最大電樞電流

12、，即工作于b點(diǎn)的電樞電流I不得超過I。由圖abamax2.2.1(b)可知EI=b<Iabamaxab式中，E=E，是工作于b點(diǎn)和a點(diǎn)時(shí)的電動(dòng)勢。由此求得baE>-RbIaamax2.2.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程之下放重物1)狀態(tài)分析能耗制動(dòng)過程如圖2.2.3(a)所示，n與T的關(guān)系R+RTn=abTCC62ET平衡時(shí)，即能耗制動(dòng)運(yùn)行如圖2.2.3(b)所示，n與T的關(guān)系R+RTn=abTCC62LET（a）能耗制動(dòng)過程（b）能耗制動(dòng)運(yùn)行圖2.2.3（2）機(jī)械特性下放重物的機(jī)械特性如圖2.2.4中的特性2所示，它也是一條通過原點(diǎn)、位于2、4象限的直線。設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)

13、載，制動(dòng)前，系統(tǒng)工作在機(jī)械特性1與負(fù)載特性3的交點(diǎn)a上，電動(dòng)機(jī)以一定的速度提升重物。在需要穩(wěn)定下放重物時(shí)，讓電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。工作點(diǎn)由機(jī)械特性1上的a點(diǎn)平移到特性2上的b點(diǎn)，并迅速移動(dòng)到O點(diǎn)，這一階段，電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)過程中。當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)0點(diǎn)時(shí)，T=0，但是TL>0，在重物的重力作用下，系統(tǒng)反向起動(dòng)，工作點(diǎn)將由0點(diǎn)下移到c點(diǎn),T=TL，系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)n反向，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定下放重物，即能耗制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。同樣，能耗制動(dòng)運(yùn)行的效果與制動(dòng)電阻R的大小有關(guān)，R小，特性2的斜率小，轉(zhuǎn)bb速低，下放重物慢（R在滿足要求）。那么在c點(diǎn)時(shí)：bER+R=二abIacL0下放重物時(shí)，T和T方向相反

14、，與T方向相同，故T=0LT-T.可見，若要以轉(zhuǎn)速下放L0負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T的重物時(shí)，制動(dòng)電阻應(yīng)為:LRbCC62nRT-TL0忽略T0則:R=-RaCC62nETTL3、參數(shù)的設(shè)定與計(jì)算對(duì)一臺(tái)已知額定參數(shù)的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能耗制動(dòng)，設(shè)計(jì)求出合適的制動(dòng)電阻R，b并設(shè)計(jì)求出在已知制動(dòng)電阻R采用穩(wěn)定下放重物時(shí)的轉(zhuǎn)速n。b已知一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)P=22kW,U=220V，I=115A,n=1500r/min.I=230A,TNaNaNNamax0忽略不計(jì)。（1）拖動(dòng)TL=120Nm的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，采用能耗制動(dòng)迅速停機(jī)，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻R？b（2）拖動(dòng)TL=120Nm的位能性恒轉(zhuǎn)

15、矩負(fù)載運(yùn)行，采用能耗制動(dòng)以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物，電樞電路中至少要串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻R？b3.1中間參數(shù)的計(jì)算忽略T0,則E=22x103115V二191.3VaN60CCaN220-191.3aN115191.3150060x3.14Q=0.25Q二0.1275x0.1275=1.2182I3.2 迅速停機(jī)時(shí)的制動(dòng)電阻RbT120I二-二1A二98.51AaCe1.2182TE二E二U-RI二(220-0.25x98.51)V二195.3/VbaaaaE195.37RnR=(0.25)Q=0.6QbIa230amax由此可知，該他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在采用能耗制動(dòng)的迅速停機(jī)時(shí)電樞電路應(yīng)

16、串聯(lián)的制動(dòng)電阻Rb至少為0.6q。3.3 下放重物時(shí)的制動(dòng)電阻RbR+RabacCenETCjTCCe2n=ETTL°1275X】2182X1000Q=1.2943Q120CCe2nETTLR二(1.29430.25)Q二1.0443QaE195.37R>i-R=(-0.25)Q二0.6QbIa230amax由于1.0443>0.6,滿足要求，所以該他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)采用能耗制動(dòng)以1000r/min的速度穩(wěn)定下放重物時(shí)，在電樞電路中應(yīng)串聯(lián)1.0443Q的制動(dòng)電阻。3.4迅速停機(jī)過程參數(shù)與穩(wěn)定下放重物過程參數(shù)的對(duì)比表3-1迅速停機(jī)參數(shù)表3-2穩(wěn)定下放重物參數(shù)電機(jī)給定參數(shù)中間參數(shù)

17、下放重物PUInInTREC6C6IRNaNaNNamaxLaETab(kW)(V)(A)(r/m(r/m(N(Q)(V)(A)(Q)in)(A)in)m)22220115150023010001200.25191.0.12751.218298.51.0443314結(jié)論直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有多種，包括能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)、回饋制動(dòng)?？紤]到能耗制動(dòng)被廣泛應(yīng)用到汽車的電動(dòng)絞盤，所以本課程設(shè)計(jì)的研究方向是能耗制動(dòng)，根據(jù)制動(dòng)要求和條件的不同能耗制動(dòng)又分為迅速停機(jī)和下放重物，并以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。首先，本設(shè)計(jì)先介紹了直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，文字說明的同時(shí)也附加了圖像，使描述更具體容易理解

18、。其次，是制動(dòng)的詳細(xì)過程，包括迅速停機(jī)和下放重物，迅速停機(jī)和下放重物又同時(shí)用狀態(tài)分析和機(jī)械特性兩種角度進(jìn)行描述和分析，并附有圖像說明和公式分析。最后，參考相關(guān)資料本設(shè)計(jì)給出了一組合理的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上公式計(jì)算出兩種情況下的制動(dòng)時(shí)所需電阻Rb的大小要求，并以表格的形式給出對(duì)比。b短短的一周課程設(shè)計(jì)，讓我收獲很多，通過查閱資料，仔細(xì)安排課程設(shè)計(jì)的全過程，讓我對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理有了更為清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)通過對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的研究與學(xué)習(xí)，更加深刻的了解了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)及能耗制動(dòng)的工作過程。但是，在這幾天的課程設(shè)計(jì)中，遇到了不少困難，認(rèn)識(shí)到自己知識(shí)面的狹窄，動(dòng)手動(dòng)腦能力的缺乏，做事的細(xì)