直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)設(shè)計(jì)——電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　電子與信息工程系</b></p><p>　　名 稱 電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目 直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)設(shè)計(jì)</p><p>　　專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　班 級(jí)

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　提交日期 2013年 6 月 17日 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次課程設(shè)

3、計(jì)的主題是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。文章首先介紹了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作方式，在此只是大略講解，是為后面電動(dòng)機(jī)制動(dòng)作鋪墊。先做好基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解。</p><p>　　重點(diǎn)在于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)，在此我們小組分兩種情況來討論制動(dòng)的情況：迅速停機(jī)和下放重物。</p><p>　　我們主要以兩種方式講解：圖示法和公式法。在圖示上直觀的解釋了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的停機(jī)過程，講解了在不同的階段，電動(dòng)機(jī)的工

4、作特性曲線的變動(dòng)，在關(guān)鍵點(diǎn)的(電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)態(tài))講解。在公式法中，我們將嚴(yán)格依據(jù)電動(dòng)的工作特性曲線來討論不同時(shí)態(tài)的變動(dòng)，并且最重要的是在公式法中我們討論了Rb的電阻要求，并講解了為什么必須要串入電阻Rb。在下放重物的過程中方式同迅速停機(jī)一致，重點(diǎn)放在反向啟動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。并且運(yùn)用之前所介紹的基礎(chǔ)知識(shí)來講解T，TL，To之間的關(guān)系。</p><p>　　最后，我們列寫了一些實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，其中一些存在相對(duì)較大的

5、誤差，那是因?yàn)橐恍┡紶柕娜藶橐蛩?，和環(huán)境因素造成的。</p><p>　　關(guān)鍵字:制動(dòng)；迅速停機(jī)；下放重物；電阻</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　綜述··············

6、;····································

7、83;····································&

8、#183;··1</p><p>　　1 直流電動(dòng)機(jī)的基本機(jī)構(gòu)和工作原理···························

9、·········2</p><p>　　2 制動(dòng)方法和制動(dòng)過程······················

10、;······························……3</p><p>　　2.1能耗制動(dòng)之迅速停機(jī)&

11、#183;····································

12、;···························3</p><p>　　2.1.1迅速停機(jī)之機(jī)械特性···&

13、#183;····································

14、;·······················3</p><p>　　2.1.2迅速停機(jī)之狀態(tài)分析·······&

15、#183;····································

16、;···················4</p><p>　　2.2能耗制動(dòng)之下放重物···········

17、83;····································&

18、#183;··············5</p><p>　　2.2.1下放重物之機(jī)械特性···············

19、83;····································&

20、#183;··········5</p><p>　　2.2.2下放重物之狀態(tài)分析···················

21、83;····································&

22、#183;······6</p><p>　　3 參數(shù)設(shè)定和計(jì)算························&#

23、183;····································

24、······8</p><p>　　4 結(jié)論··························

25、····································

26、3;························9</p><p>　　5 參考文獻(xiàn)·······&#

27、183;····································

28、································10</p><p><b

29、>　　綜述</b></p><p>　　能耗制動(dòng)是一種制動(dòng)形式。又分為直流電機(jī)的能耗制動(dòng)和交流電機(jī)的能耗制動(dòng)。他勵(lì)直流電機(jī)的能耗制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)若把外施電樞電壓U突然降為零，而將電樞串接一個(gè)附加電阻R，即將電樞兩端從電網(wǎng)斷開，并迅速接到一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮枭?。電?dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，將轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗在電阻上。隨著動(dòng)能的消耗，轉(zhuǎn)速下降，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也越來越小，因此這種制動(dòng)方法在轉(zhuǎn)

30、速還比較高時(shí)制動(dòng)作用比較大，隨著轉(zhuǎn)速的下降，制動(dòng)作用也隨著減小。</p><p>　　能耗制動(dòng)又分兩種，分別用于不同場(chǎng)合：迅速停機(jī)和下放重物。若電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則通過迅速停機(jī)的方法進(jìn)行能耗制動(dòng)，若拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則通過下放重物進(jìn)行能耗制動(dòng)。</p><p>　　能耗制動(dòng)是一種常見的制動(dòng)方法，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，有優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也存在著缺點(diǎn)，在這份課程設(shè)計(jì)中，我們將會(huì)仔細(xì)分

31、析能耗制動(dòng)是怎么實(shí)現(xiàn)的，使得我們更好的了解和利用它，同時(shí)盡最大努力提出改進(jìn)。</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1、說明直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；</p>

32、;<p>　　2、說明直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法和制動(dòng)過程；</p><p>　　3、選擇能耗制動(dòng)方式，按給定參數(shù)計(jì)算制動(dòng)電阻值。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1、設(shè)計(jì)工作量為按要求完成設(shè)計(jì)說明書一份；</p><p>　　2、設(shè)計(jì)必須根據(jù)計(jì)劃完成；</p>

33、<p>　　3、設(shè)計(jì)說明書必須經(jīng)指導(dǎo)教師審查。</p><p>　　1 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　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，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。 如下圖所示：</p><p><b>　　圖2-1</b></p&g

34、t;<p><b>　?。?）定子 </b></p><p>　　定子就是發(fā)動(dòng)機(jī)中固定不動(dòng)的部分，它主要由主磁極、機(jī)座和電刷裝置組成。主磁極是由主磁極鐵芯（極心和極掌）和勵(lì)磁繞組組成，其作用是用來產(chǎn)生磁場(chǎng)。極心上放置勵(lì)磁繞組，極掌的作用是使電動(dòng)機(jī)空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度分配最為合理，并用來阻擋勵(lì)磁繞組。主磁極用硅鋼片疊成，固定在機(jī)座上。機(jī)座也是磁路的一部分，常用鑄鋼制成。電刷是引入電

35、流的裝置，其位置固定不變。它與轉(zhuǎn)動(dòng)的交換器作滑動(dòng)連接，將外加的直流電流引入電樞繞組中，使其轉(zhuǎn)化為交流電流。 </p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是一個(gè)恒定不變的磁場(chǎng)，是由勵(lì)志繞組中的直流電流形成的磁場(chǎng)方向和勵(lì)磁電流的關(guān)系確定。在微型直流電動(dòng)機(jī)中，也有用永久磁鐵作磁極的。 </p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)子 </b></p><p>　　

36、轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，主要由電樞和換向器組成。電樞是電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的部分，主要包括電樞鐵芯和電樞饒組。電樞鐵芯成圓柱形，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放電樞繞組。通有電流的電樞繞組在磁場(chǎng)中受到電磁力矩的作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，起了能量轉(zhuǎn)換的樞紐作用，故稱“電樞”。 </p><p>　　換向器又稱整流子，是直流電動(dòng)機(jī)的一種特殊裝置。它是由楔形銅片疊成，片間用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上，用壓圈固定后成為

37、換向器再壓裝，在轉(zhuǎn)軸上電樞繞組的導(dǎo)線按一定的規(guī)則焊接在換向片突出的叉口中。 </p><p>　　在換向器表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組得以同外電路連接起來，并實(shí)現(xiàn)將外部直流電流轉(zhuǎn)化為電樞繞組內(nèi)的交流電流。</p><p>　　2 制動(dòng)方法和制動(dòng)過程</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有多種：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

38、耗制動(dòng)。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)開始制動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)姆€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速到零或反向一個(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。</p><p>　　2.1能耗制動(dòng)之迅

39、速停機(jī)</p><p>　　2.1.1迅速停機(jī)之機(jī)械特性</p><p>　　如圖2-1-1所示，制動(dòng)之前，轉(zhuǎn)速n不為零，甚至相對(duì)較大，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行。此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(E=Ce*Φ*n)存在甚至在某些場(chǎng)合很大，由于電樞電阻Ra較小，Ia=（U-E）／Ra。當(dāng)我們開始制動(dòng)瞬間，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因?yàn)閼T性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，n的方向不變，由于磁場(chǎng)方向不變，故E的方向也不變。由于電源被瞬間切除，此時(shí)相

40、對(duì)于之前正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流方向Ia改變，而磁場(chǎng)方向不變，使得T反向成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速就迅速下降至零（在T和TL的共同作用下）。當(dāng)n=0時(shí)，E=0;Ia=0;制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都消失，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。</p><p><b>　　圖2-1-1</b></p><p>　　2.1.2迅速停機(jī)之狀態(tài)分析</p><p>　　上述過程我們也可

41、以用公式來說明，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如圖2-1-2:</p><p><b>　　圖2-1-1</b></p><p>　　能耗制動(dòng)時(shí)，如圖2-1-2：</p><p><b>　　圖2-1-2</b></p><p>　　Ua=0，電樞回路中又增加制動(dòng)電阻Rb.</p><p>&

42、lt;b>　　n與T關(guān)系如下：</b></p><p>　　n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ) </p><p>　　那么為什么要串入電阻Rb呢？如果沒有Rb，在制動(dòng)的瞬間，E的大小不變(E=Ce*Φ*n)，一般情況E的值較大，那么此時(shí)的電流將會(huì)很大，很可能超出電樞回路電流的最大允許值Iamax,所以我們一般在迅速停機(jī)制動(dòng)的同時(shí)，也串入一個(gè)電阻，并且這個(gè)電

43、阻值有要求：</p><p>　　Iab=E/(Ra+Rb)<= Iamax</p><p>　　式中，Ea=Eb，是工作于b點(diǎn)和a點(diǎn)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。由此求得:</p><p>　　Rb>=Eb/Iamax-Ra</p><p>　　2.2能耗制動(dòng)之下放重物</p><p>　　2.2.1下放重物之機(jī)械特

44、性</p><p>　　如圖2-2-1，如果電動(dòng)機(jī)位能性很轉(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，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)，速度不會(huì)突變，則由a點(diǎn)移動(dòng)b點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)由b點(diǎn)移動(dòng)到O點(diǎn)，這個(gè)過程與能耗制動(dòng)的迅速停機(jī)過程情況一樣。但此時(shí)電動(dòng)機(jī)不會(huì)停止不動(dòng)而是，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，即反向啟動(dòng)，工作點(diǎn)開始在第四象限繼續(xù)下移，此時(shí)n反向，Ia又

45、回到正向，那么T依舊提供向上拉力，TL不變，則當(dāng)下降速度越來越大，E（正向）也越來越大（E=Ce*Φ*n），Ia也越來越大，T也越來越大（T=CT*Φ*Ia），最終在c點(diǎn)處達(dá)到平衡。這是能耗制動(dòng)下放重物的過程。</p><p>　　能耗制動(dòng)運(yùn)行與能耗制動(dòng)過程相比，由于n反向，引起E反向，使得Ia與最初的上升時(shí)方向相同，T也同樣。下圖是能耗制動(dòng)過程中，n>0，T<0;在能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，n<0,T&

46、gt;0的情況。</p><p><b>　　圖2-2-1</b></p><p>　　2.2.2下放重物之狀態(tài)分析</p><p>　　能耗制動(dòng)的運(yùn)行過程也可以用公式來說明。如圖2-2-2：</p><p><b>　　圖2-2-2</b></p><p><b>

47、;　　n與T關(guān)系如下：</b></p><p>　　n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)</p><p>　　當(dāng)平衡的時(shí)候，如圖2-2-3：</p><p><b>　　圖2-2-3</b></p><p>　　T=TL，則可以得出：</p><p>　　n= (Ra+R

48、b)*TL /(CＥ*CT*Φ*Φ)</p><p>　　同樣，能耗制動(dòng)運(yùn)行的效果與制動(dòng)電阻Rb的大小有關(guān)，Rb小，特性2 的斜率小，轉(zhuǎn)速小，下放重物慢(Rb在滿足要求內(nèi))。那么在c點(diǎn)時(shí)：</p><p>　　Ra+Rb=Ec/Iac= CＥ*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)</p><p>　　下放重物時(shí)，To和TL方向相反，與T方向相同，故T= TL-To.可見

49、，若要以轉(zhuǎn)速下放負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL的重物時(shí)，制動(dòng)電阻應(yīng)為:</p><p>　　Rb=Ce*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)- Ra</p><p>　　如果我們忽略了To，則:</p><p>　　Rb= CＥ*CT*Φ*Φ*n/TL- Ra.</p><p><b>　　3 參數(shù)設(shè)定和計(jì)算</b></p>

50、<p>　　我們選定一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其中Pn=22kW，Uan=440V，Ian=65.3A，Nn=600r/min.Iamax=2Ian,To忽略不計(jì)。</p><p>　　在拖動(dòng)TL=0.8Tn的反抗性橫轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用能耗制動(dòng)實(shí)現(xiàn)迅速停機(jī)，電樞電路中應(yīng)串入的制動(dòng)電阻為Rb1；在拖動(dòng)TL=0.8Tn的位能性橫轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用能耗制動(dòng)以n=300r/min恒速下放重物，電樞電路中應(yīng)串入的制動(dòng)電阻為Rb2。

51、則他們應(yīng)滿足下面表格。</p><p><b>　　迅速停機(jī)：</b></p><p><b>　　表3-1</b></p><p><b>　　下放重物：</b></p><p><b>　　表3-2</b></p><p>&l

52、t;b>　　結(jié)論</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有多種，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。</p><p>　　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。</p><p>　　其次，是

53、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)用機(jī)械特性和狀態(tài)分析兩種角度進(jìn)行描述和分析，并附有圖像說明和公式分析。</p><p>　　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。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&

54、gt;　　[1]. 清華大學(xué)，唐介主編：《電機(jī)與拖動(dòng)》(第二版).高等教育出版社.2007年</p><p>　　[2]. 電子工業(yè)大學(xué).陳勇，陳亞愛主編.《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》.電子工業(yè)出版社.2007年</p><p>　　[3]. 清華大學(xué)，彭紅才主編《電機(jī)原理與拖動(dòng)》(第二版).機(jī)械工業(yè)出版社.2006年</p><p>　　[4]. 人民郵電大學(xué)，梁南丁，滕穎