一、设计题目
直流电动机串电阻起动分析与设计
二、设计任务
一台Z4他励直流电动机，P aN=200kW，U aN=440V，I aN =497A，n N =1500r/min，Ra=0.076Ω。
采用分级起动，起动电流最大值不超过2I aN，试求各段电阻值，并求切除电阻时的瞬时转速和电动势，并做出机械特性图，对起动特性进行分析。
摘要
此文主要围绕他励直流电动机电枢回路串电阻分级起动设计方案进行分析，首先对直流电动机的基本工作原理以及其基本结构进行简单介绍，之后对直流电机的机械特性进行分析，主要分析了电枢回路串电阻时的人为机械特性、降低电源电压时的人为机械特性以及减弱励磁磁通时的人为机械特性。对他励直流电动机的降低电枢电压起动以及增加电枢电阻起动进行分辨，最后进行电枢回路串电阻启动过程分析及其计算，最后设计了他励直流电动机电枢回路串电阻分级起动方案。
关键词：他励直流电动机电枢串电阻启动机械特性
目录
1直流电动机的基本工作原理 (1)
2直流电动机的基本结构 (1)
2.1定子部分 (1)
2.2转子部分 (2)
2.3直流电机的铭牌数据 (2)
3直流电机的励磁方式 (3)
4直流电动机特点 (4)
5直流电机的机械特性 (4)
5.1电枢回路串电阻时的人为机械特性 (4)
5.2降低电源电压时的人为机械特性 (4)
5.3减弱励磁磁通时的人为机械特性 (5)
6他励直流电动机 (6)
6.1他励直流电动机的机械特性 (6)
6.2机械特性方程式 (6)
6.3固有机械特性与人为机械特性 (7)
7他励直流电动机的起动 (7)
7.1降低电枢电压起动 (8)
7.2增加电枢电阻起动 (8)
7.2.1电枢回路串电阻启动过程分析 (8)
7.2.2电枢回路串电阻起动电阻的计算 (9)
8他励直流电动机电枢回路串电阻起动设计方案 (10)
结论 (12)
参考文献 (14)
1直流电动机的基本工作原理
导体受力方向由左手定则确定。在第一种情况下，位于N极下的导体受力方向为从右向左，而位于S极下的导体受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极下的导体转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体转到S极下，导体受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。[1]
同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。
由以上分析可以看出：任何一台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。
2直流电动机的基本结构
直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。
2.1定子部分
定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成。
a.主磁极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴两部分，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用1.0～1.5 mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。
b.机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。
c.换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电机的换向。一般电机容量超过1 kW时均应安装换向极。
换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用1.0～1.5 mm厚的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组
与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相同，但在功率很小的直流电机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。
d.电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路联结起来，并与换向器配合，起到整流或逆变的作用。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆座和压紧弹簧组成。
e.端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。[2]
2.2转子部分
转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。
a.电枢铁芯电枢铁芯是主磁路的一部分，同时用来嵌放电枢绕组。当电机旋转时，为减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5 mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。
b.电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内，并与换向器联结。电枢绕组是直流电机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。
c.换向器换向器又称整流子。对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器是由换向片组合而成的，是直流机的关键部件，也是最薄弱的部分。
换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形，嵌在含有云母绝缘的V形钢环内，拼成圆筒形套在钢套筒上，相邻的两换向片间以0.6～1.2 mm厚的云母片作为绝缘，最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部分与绕组引出线间焊接。[3]
2.3直流电机的铭牌数据
表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据。它是正确合理使用电机的依据。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。
国产电机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。
电机铭牌上所标的数据称为额定数据，具体含义如下：
额定功率PN是指在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机，额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机，额定功率是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW。
额定电压UN是指额定工作条件下电机出线端的平均电压。对于电动机，额定电压是指输入额定电压；对于发电机，额定电压是指输出额定电压。额定电压的单位为V。
额定电流IN是指电机在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A。
额定转速指对应于额定电流、额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。
额定励磁电流是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A。
励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的联结方式。根据电枢线圈与励磁线圈的联结方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励和复励等方式。
在电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同，由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。[4]
3直流电机的励磁方式
由直流电机的基本工作原理可知，电枢旋转切割气隙中的磁力线而感应电动势，电枢电流与气隙中的磁场相互作用而产生电磁转矩，因而气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介。直流电机的气隙磁场是在主磁极的励磁绕组中通以直流电流建立的。所以直流电机有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的联结方式称为励磁方式。励磁方式不同，电机的运行特性有很大的差异。[5]
直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四类。
a.他励电机
他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个相互独立的电源供电。励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压及负载基本无关。
b.并励电机
并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。
c.串励电机
串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速。串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求起动转矩很大且转速允许有较大变化的负载等。
d.复励电机
复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁（或并励）绕组。通常他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大，转速变化不大的负载。由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中。这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中。
4 直流电动机特点
a.调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。
b.起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。[6]
5 直流电机的机械特性
因为电枢电阻a R 很小，特性斜率β很小，通常额定转速降只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，
人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，他励直流电动机有电枢回路串电阻、降低电枢电压和减弱励磁磁通三种人为机械特性。
5.1 电枢回路串电阻时的人为机械特性
保持U =N U ，Φ=N Φ不变，只在电枢回路中串入电阻S R 时的人为特性为 2N a S em e N e T N U R R n T C C C +=-ΦΦ （1）
与固有机械特性相比，电枢回路串电阻时人为特性的理想空载转速不变，但斜率β随串联电阻S R 的增大而增大，所以特性变软。改变S R 的大小，可以得到一簇通过理想空载点，并具有不同斜率的人为特性。[7]
5.2 降低电源电压时的人为机械特性
保持R =a R ，0S =，Φ=N Φ不变，只改变电枢电压U 时的人为特性为 2
a em e N e T N R U n T C C C =-ΦΦ （2）
由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电时，只能在低于额定电压的范围内变化，与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率β不变，但理想空载转速随电压的降低而正比减小。因此，降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线。[8]
5.3 减弱励磁磁通时的人为机械特性
改变励磁回路调节电阻sf R 就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额
定运行时磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。
保持R =a R （S R =0），U =N U 不变，只减弱磁通时的人为特性为
2N a em e e T U R n T C C C =-ΦΦ （3） 对应的转速特性为 N a a e e U R n I C C =-ΦΦ （4）
在电枢回路串电阻和降低电压的人为特性中，因为Φ=N Φ不变，所以它们的机械特性曲线也代表了转速特性曲线。但是，在讨论减弱励磁磁通的人为特性时，因为磁通Φ是个变量，所以两条直线是不同的。
当0n =时，堵转电流为常数，而0n 随Φ的减小而增大，因此，人为特性是一组通过横坐标k =I I 点的直线。
改变磁通可以调节转速，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降。然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可以认为磁通越小，稳定转速越高。[9]
6 他励直流电动机
他励直流电动机由励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。在励磁电压f U 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流f I ，从而产生主磁极磁通Φ。在电枢电压a U 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流a I 。电枢电流与磁场相互作用产生机械以某一转速n 运转。
电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E 。电动势的方向与电枢电流的方向相反。
6.1 他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性定义为：直流电动机的电枢电压U 为常数，励磁电流f I 为常数，电枢回路电阻a R +R Ω为常数时，电动机产生的电磁转矩T 与转速n 之间的函数关系，即()n f T =。
6.2 机械特性方程式
电枢感应电动势：a e E C n =Φ
电磁转矩：T a T C I =Φ
电枢电路电压平衡方程：a a U E I R =+ 电动机转速特性方程：a e U I R n C -=Φ
由电磁转矩方程可得到a T T I C =
Φ，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式： 2e e T U R n T C C C =-ΦΦ （5）
式中：a R R R Ω=+。
若U ，R ，Φ均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线。
0n n T β=- （6）
由式（6）可知，β越大，n ?越大，机械特性曲线越斜，称之为软特性；反之将β小、n ?小的特性称硬特性。[10]
6.3 固有机械特性与人为机械特性
当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻时的机械特性称为他励直流电动机的固有机械特性。
人为地改变电动机的参数，如改变电压U 、改变磁电流f I （即改变磁通Φ）、电枢回路串电阻所得到的机械特性称为人为机械特性。
电枢回路串电阻使斜率β增大，特性曲线变软，但理想空载转速不变，所以人为机械特性为一簇经过理想空载转速点的放射性直线，变电压时的人为特性是一组平行直线。
7 他励直流电动机的起动
把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程称为起动过程。电动机起动时，必须保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。由于直流电动机带动生产机械起动，因此根据生产机械的生产工艺特点，对起动过程会有不同的要求。例如，对于无轨电车的直流电动机拖动系统，起动时要求平稳慢速的起动，因为起动过快会使乘客感到不舒服。而对于一般的生产机械的拖动系统则要求有足够的启动转矩，这样可以缩短启动时间，从而提高生产效率。
直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。
他励电动机在起动的瞬间，转速0n =,电动势0E =，由式 a a a U E I R -= （7）
可知，起动电流 a s a U I R = （8）
在额定电压下直接启动时，由于a R 很小，a I 很大，
一般可达到电枢电流额定值的10~20倍这样大的电流是换向所不允许的。同时由于（a T CT I φ=）可知，起动转矩也能达到额定转矩的10~20，这样大的转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以至损坏传动机构，因电枢绕组导线细、电枢电阻a R 大、转动惯量有比较小、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动的。
7.1 降低电枢电压起动
这种方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小，使外加电压很低，这样可以防止产生过大的起动电流。地道电动机转速生高后，反电动势增大，电流降压，这样在逐步增加电枢两端的外加电压直到电动机达到要求的转速。若采用手工调节电压U 时，U 不能升的太快，否则电流还会发生较大的冲级。为了保证限制电枢电流，手工调节必须小心地进行。在自动化的系统中，电压的调节机电流的限制靠一些自动实现，比较方便。这种方法的优点是起稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化。缺点是初期投资打。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的。
7.2 增加电枢电阻起动
额定功率较小的电机可以采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法起动。启动前先把启动变阻器调到最大值不变。再接通电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，知道全部切除。
额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法一级保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使起动电流不超过允许值。
7.2.1 电枢回路串电阻启动过程分析
电枢回路串电阻启动方法比较简单，经济和可靠，同时可做到平滑快速起动。缺点就是起动条件非常严格。降压启动平稳，启动过程能量损耗小，容易实现自动化。降压启动的缺点就是初期投资大，启动设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。
当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U ,电枢串入全部附加电阻12K K R R +,电枢回路总电阻为112a a K K R R R R =++。假设T 为电动机的电磁转矩；L T 为由负载作用所产生的阻转矩；d j
dt ω为电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩这是启动电流为 1112a a K K U U I R R R R ==++ （9）
与起动电流所对应的起动转矩为1T
根据电力拖动系统的基本运动方程式 L d T T j dt ω-= （10）
由于起动转矩1T 大于负载转矩L T ，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。切除1K R 后，电枢回路总电阻为22a a K R R R =+。这时电动机对应于由电阻2a R 所确定的人为机械特性。在切除起动电阻1K R 的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为b n ，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。适当
地选择所切除的电阻值1K R ，使切除1K R 后的电枢电流刚好等于1I ，所对应的转矩为2T 。又有12T T >，又切除一切起动电阻2K R 。同理，电枢电流又由2I 突增到1I ，相应的电动机
转矩由2T 突增到1T 。1L T T >，沿固有特性加速到g 点1L T T =，g n n =电动机稳定运行，起
动过程结束。
在分级起动过程中，各级的最大电流1I (或相应的最大转矩2T )及切换电流2I (或与之相应的切换转矩2T )都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。
要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。[11]
7.2.2 电枢回路串电阻起动电阻的计算
二级起动时
11222a a a a I R R I R r == （11） 推广到m 级起动的一般情况，得 112(1)22...a a a m am a a am a I R R R R I R r R r β-====== （12）
式中λ为最大起动电流1I 与切换电流2I 之比，称为起动电流比(或起动转矩比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。由此可以推出
1a m a R r β=。式中m 为起动级数。由上式得
β=（13）
如给定λ,求m ,可将式1a m a R r β=取对数得1lg lg a a R r m β
?? ???= 由式112(1)22...a a a m am a a am a I R R R R I R r R r β-=
=====可得每级电枢回路总电阻
12m a a a R R r ββ== 123m a a a R R r ββ-==
（14）
2(1)a m am a R R r ββ-== am a R r β=
各级启动电阻为
112k a a R R R =-
223k a a R R R =-
334k a a R R R =-
（15）
(1)(1)k m a m am R R R --=-
km am a R R r =-
起动最大电流1I 及切换电流2I 按生产机械的工艺要求确定，一般1(1.5~2.0)N I I =，2(1.1~1.2)N I I =及电动机相应的转矩1(1.5~2.0)N T I =，2(1.1~1.2)N T I =
8 他励直流电动机电枢回路串电阻起动设计方案
a.选择启动电流1I 和切换电流2I
1(1.5~2.0)(1.5~2.0)497(745.5~994)N I I A A ==?= （16） 2(1.1~1.2)(1.1~1.2)497(546.7~596.4)N I I A A ==?=
（17）
选择1840I A =，2560I A =。
b.求出起切电流比β 12 1.5I I β=
= （18）
c.求出启动时电枢电路的总电阻am R 14400.524840aN am U R I =
==Ω （19）
d.求出启动级数m lg 4.76lg am a R r m β
?? ???==取5m = （20）
e.重新计算β，校验2I
1.47β==
（21） 1
2571I I A β==
（22） 2I 在规定范围之内。
f.求出各级总电阻
5
55 1.470.0760.52a R r β==?Ω=Ω
444 1.470.0760.35a R r β==?Ω=Ω
33
3 1.470.0760.24a R r β==?Ω=Ω
（23） 222 1.470.0760.16a R r β==?Ω=Ω
1 1.470.0760.11a R r β==?Ω=Ω
00.076a R R ==Ω
h.求出各级启动电阻
110(0.110.076)0.034st R R R =-=-Ω=Ω
221(0.160.11)0.05st R R R =-=-Ω=Ω
332(0.240.16)0.08st R R R =-=-Ω=Ω
（24） 443(0.350.24)0.11st R R R =-=-Ω=Ω
554(0.520.35)0.27st R R R =-=-Ω=Ω
结论
他励直流电动机串电阻启动计算方法为：
a.选择启动电流1I 和切换电流2I
启动电流为1(1.5~2.0)N I I =
切换电流为2(1.1~1.2)N I I =
对应的启动转矩2(1.1~1.2)N T I =
b.求出起切电流（转矩）比12
I I β= b.求出电动机的电枢电路电阻N aN aN
a aN P U I r I -
=
d.求出启动时的电枢总电阻1
aN am U R I =
e.求出启动级数lg lg am a R r m β?? ???=
f.重新计算β，校验2I 是否在规定范围内
若m 是取相近整数，则需重新计算2I
β=再根据得出的β重新求出2I ，并校验2I 是否在规定范围内。若不在规定范围内，需加大启动级数m 重新计算β和2I ，直到符合要求为止。
g.求出各级总电阻
12m a a a R R r ββ==
123m a a a R R r ββ-==
（25）
2(1)a m am a R R r ββ-==
am a R r β=
h.求出各级启动电阻
112k a a R R R =-
223k a a R R R =-
334k a a R R R =-
（26）
(1)(1)k m a m am R R R --=-
km am a R R r =-
参考文献
[1]汪国梁.电机学[M].北京.机械工业出版社,1988.
[2]李海发.电机学[M].科学出版社,2001.
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[10]许建国.电机与拖动基础[M].高等教育出版社,2004.
[11]林瑞光.电机与拖动基础[M].浙江大学出版社,2002.
题目 他励直流电动机串电阻启动的设计 专业：电气工程及其自动化 班级：13电牵1班 姓名：贤第 学号：20130210470103
Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ；nN=1500r/min；Ra=0.076Ω； 采用分级启动，启动电流最大不超过2Ia N,，求各段电阻值，并且求出切除电阻时的瞬时转速和电动势，并作出机械特性曲线，对启动特性进行分析。 三、设计计划 第1天查阅资料，熟悉所选题目； 第2天根据基本原理进行方案分析； 第3天整理思路，按步骤进行设计； 第4天整理设计说明书； 第5天准备答辩； 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。 3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。
摘要 他励直流电动机启动时由于电枢感应电动势Ea =CeΦn = 0 ,最初启动电流IS =U/Ra,若直接启动,由于Ra很小,ISt会十几倍甚至几十倍于额定电流, 无法换向,同时也会过热,因此不能直接启动。 要限制启动电流ISt的大小可以有两种方法:降低电枢电压和电枢回路串接附加电阻。本文仅以他励直流电动机的串电阻启动为主题进行详细的阐述。 在实际中，如果能够做到适当选用各级启动电阻，那么串电阻启动由于其启动设备简单、 经济和可靠，同时可以做到平滑启动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机，对启动电阻的级数要求也不尽相同。 关键词：他励直流电动机；启动电流；串电阻启动； 目录 引言 (5) 1 直流电动机 (7) 1.1直流电动机的工作原理 (7) 1.2直流电动机的分类 (7) 1.3他励直流电机工作原理 (8)
实验一直流电动机起动实验 一、实验目的理解直流电机的工作原理，测试直流电动及直接起动的波形。说明负载转矩、转速、电流、电磁转矩之间为何具有相应的对应关系。 二、实验的主要内容 仿真一台直流并励电动机的起动过程。电动机参数为: PN =17kW, U N = 220V, n0= 3000r/min,电枢回路电阻R a =0. 0870，电枢电感La =0. 0032H，励磁回路电阻R F=181.50,电机转动惯量J=0.76 kg ?m2。 三、实验的基本原理直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的10~20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10~20倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。 四、实验步骤 1) 建立并激电动机的仿真模型:直流电动机DCmotor 的电枢和励磁并联后由直流电源DC 供电，用Step 模块给定电动机的负载转矩，在DCmotor 的m 端连接了Demux 模块,将m 端输出的4 个信号分为4 路，以便通过示波器Scope 观察，m 端输出的转速单位为rad/s,这里使用了一个放大器(Gain), 将rad/s 转换为习惯的r/min,变换系数为:k=60/2 π =9.55。 2) 计算电动机参数: 励磁电流 励磁电感在恒定磁场控制时可取“ 0” 电枢电阻 R a =0.0870 电枢电感估算
第一章直流电机练习 一、判断题（对的打√，错的打×） 1、并励电机在运行时断开励磁绕组对电机运行没有多大的影响。（×） 2、在直流电动机的调速中，当调节器为PI调节时，表现为转速无静差。（√） 3、直流电机的电枢铁芯由于在直流状态下工作，通过的磁通是不变的，因此完全可以用整块的磁材料构成，不必用硅钢片叠成。（×） 4、降压调速适用于并励直流电动机。（×） 5、机械特性表征转速和电磁转矩的关系，直流电动机的机械特性是一条直线。（×） 6、在直流电动机起动时，采用电枢串电阻起动，在起动中过程为了快速起动和减小电阻引起的损耗，必须将电阻直接切除掉。（×） 7、一台并励直流发电机，空载运行于某一电压下，如将其转速升高10% ，则发电机的端电压升高10%。（×） 8、使用并励电动机时，发现转向不对，应将接到电源的两根线对调以下即可。（×） 9、换向器是直流电机特有的装置。（√） 10、直流发电机线圈中的感应电势是交变的。（√） 二、填空题 1、直流电动机的调速方法有：1）改变电枢两端电压调速、2）改变励磁磁通调速、 3）电枢回路串电阻调速等三种。 2、改变直流电动机旋转方向的方法有：（1）将电枢两端电压极性反接，使电枢电流方向改变；（2）将励磁电源电压反接，使励磁电流方向改变。 3、直流电动机按照电枢绕组和励磁绕组的联接方式不同可分为：他励、串励、 并励和复励电动机。 4、直流发电机中的电磁转矩方向与转子的旋转方向相反，因此电磁转矩为阻转矩；直流电动机中的电磁转矩方向与转子的旋转方向相同，因此电磁转矩为驱动转矩。 5、直流电动机正处于运行状态，若想改变它的旋转方向，可用的方法有通过改变电枢两端电压极性，而改变电枢电流方向，实现反转和带位能性负载时，通过倒拉方式实现反转。 6、直流发电机的电磁转矩与电机转子方向相反。（相同/相反） 7、并励直流发电机在原动机转向改变后，电枢两端不可以产生感应电势。（可以/不可以）
指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学移通学院 课程设计报告 设计题目：直流电机的串电阻启动过程设计 学校： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：年月 重庆邮电大学移通学院
目录 一、直流电动机的综述 (4) 1.1直流电动机的基本工作原理 (4) 1.2直流电动机的分类 (5) 1.3直流电动机的特点 (5) 二、他励直流电动机 (5) 2.1他励直流电动机的机械特性 (5) 2.2固有机械特性与人为机械特性 (6) 三、他励直流电动机的起动 (7) 3.1直流电动机的启动过程分析 (8) 3.2他励直流电动机起动电阻的计算 (9) 四、设计内容 (10) 五、结论 (11) 六、心得体会 (12) 七、参考文献 (12)
一、直流电动机的综述 1.1直流电动机的基本工作原理 图1 是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。 如果将电源正负极分别接电刷A和B,则线圈abcd中流过电流。在导体ab中，电流由a 流向b，在导体cd中，电流由c流向d，如图（a）所示。载流导体ab和cd均处于N和S 极之间的磁场当中，受到的电磁力的作用。用左手定则可知，载流导体ab受到的电磁力F 的方向是向左的，力图使电枢逆时针方向运动，载流导体cd受到的电磁力F的方向是向右的, 也是力图使电枢逆时针方向运动，这一对电磁力形成一个转矩, 即电磁转矩T，其方向为逆时针方向，使整个电枢沿逆时针方向转动。当电枢转过180°, 导体cd转到N极下，ab转到S极上，如图（b）所示。由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，再从电刷B流出。用左手定则判别可知，导体cd受到的电磁力的方向是向左的，ab受到的电磁力的方向是向右的，因而电磁转矩的方向仍是逆时针方向,使电枢沿逆时针方向继续转动。当电枢在转过180°，就又回到图（a）所示的情况。这就是直流电动机的基本工作原理。
他励直流电动机串电阻启动仿真一、工作原理 电动机的起动是指电机合上电源后，从静止状态加速到所要求的稳定转速时的过程。起动时把电动机电枢直接加上额定电压是不允许的，因为在起动前，电机转速为零，由电枢电势公式可知，Ea也为零，电枢绕组电阻Ra又很小，若此时加上额定电压，会引起过大的起动电流Is，Is = UN/Ra,其值可达额定值的10～20倍。这样大的启动电流会产生强烈火花，甚至烧毁换向器；还会加剧电网电压的波动，影响同一电网上其他设备的正常运行，甚至可能引起电源开关跳闸。 直流电动机在电枢回路中串联电阻起动是限制起动电流和起动转矩的有效方法之一。建立他励直流电动机电枢串联电阻起动的仿真模型，仿真分析其串联电阻起动过程，获得起动过程的电枢电流、转速和电磁转矩的变化曲线。 二、参数计算 有一台他励直流电动机，参数如下： PN=100KW UaN=440V IaN=497A
nN=1500r/min Ra=0.076Ω 若采用串电阻启动，所串电阻计算如下： （1）选择I1和I2 I1=（1.5～2.0）IaN=(1.5～2.0)497A=(745.5~994）A I2=（1.1～1.2）IaN=(1.1～1.2)497A=(546.7~596.4）A 选择I1=850A ，I2=550A （2）求出起切电流比β 5.1550 85021===I I β （3）求出启动时的电枢电路电阻Ram Ω=Ω==518.0850 4401I U R aN am (4)求出启动级数m 74.45 .1lg 076.0518.0lg lg lg ===βa aN R R m 故取m=5 （5）重新计算β，校验I 2
1.3 直流力矩电动机 1.3.1 概述 在某些自动控制系统中，被控对象的运动速度相对来说是比较低的。例如某一种防空雷达天线的最高旋转速度为90°/s，这相当于转速15 r/min。一般直流伺服电动机的额定转速为1500 r/min或3000 r/min，甚至6000 r/min，这时就需要用齿轮减速后再去拖动天线旋转。但是齿轮之间的间隙对提高自动控制系统的性能指标很有害，它会引起系统在小范围内的振荡和降低系统的刚度。因此，我们希望有一种低转速、大转矩的电动机来直接带动被控对象。 直流力矩电动机就是为满足类似上述这种低转速、大转矩负载的需要而设计制造的电动机。它能够在长期堵转或低速运行时产生足够大的转矩，而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。它具有反应速度快、转矩和转速波动小、能在很低转速下稳定运行、机械特性和调节特性线性度好等优点。特别适用于位置伺服系统和低速伺服系统中作执行元件，也适用于需要转矩调节、转矩反馈和一定张力的场合(例如在纸带的传动中)。 1.3.2 结构特点 直流力矩电动机的工作原理和普通的直流伺服电动机相同，只是在结构和外形尺寸的比例上有所不同。一般直流伺服电动机为了减少其转动惯量，大部分做成细长圆柱形。而直流力矩电动机为了能在相同的体积和电枢电压下产生比较大的转矩和低的转速，一般做成圆盘状，电枢长度和直径之比一般为0.2 左右；从结构合理性来考虑，一般做成永磁多极的。为了减少转矩和转速的波动，选取较多的槽数、换向片数和串联导体数。 总体结构型式有分装式和内装式两种，分装式结构包括定子、转子和刷架三大部件，机壳和转轴由用户根据安装方式自行选配；内装式则与一般电机相同，机壳和轴已由制造厂装配好。 图1 - 28 直流力矩电动机的结构示意图 1.3.3 为什么直流力矩电动机转矩大、转速低 如上所述，力矩电动机之所以做成圆盘状，是为了能在相同的体积和控制电压下产
直流电动机串电阻分级启动仿真实验 电路图搭建： 如果电动机直接启动的话，设置Step1/ Step2 /Step3的起始值为0，并且step time 设为0，也就是在0时刻开始以后一直都为0值，也就是三个电阻开关保持闭合，使所串电阻短路，仿真得到转速和电枢电流的启动图形： 可以发现，启动电流在很短的时间里就冲击到很大的值，我们将电流波形横坐标和纵坐标分别放大看看： 从图中可以看到，在时间约为0.08s时刻电流冲击到了大约1840A，这很显然不符合要求，电机一启动就烧，或者启动瞬间熔断丝就烧断。
如果这时候串一个1Ω的电阻，也就是讲三个电阻值都串进电路，设置Step1/ Step2 /Step3的step time 设置为20s，得到以下波形： 可以发现启动电流变小了很多，在200A左右，这也就满足启动电流限制的要求了，但是串联的电阻不能一直在电路中，这样会造成能量损耗，因为虽然电阻很小，但是电流很大，电流平方得到损耗电功率就很大了，即使是在额定运行时，额定电流大约在88.8A，而且我们还发现在时间t=10s时刻，电机还没有达到额定运行状态，也就是启动过程太慢，这主要是串了启动电阻的原因。
现在我们采用分级启动，下次电阻降低是在电流约为额定的1.2倍时，这样我们选t=3.5s时，把串的0.518Ω的电阻去掉，使所串电阻为0.482Ω，设置step3的step time 为3.5s，得到如下仿真图： 可以发现电流会在3.5s时又有一个冲击电流，大约是210V左右，一般也能满足要求， 也就是说，二次所串的电阻0.482欧姆能够满足要求，现在我们试试如果去掉0.838Ω的电阻，只剩一只0.162Ω时仿真的波形： 很显然看出，在时间3.5s时刻，冲击电流很大，大约460V(底下的放大波形可以清楚地看出)，这也就不能满足电机的启动电流的要求。所以我们在去电阻时候要选择大小，不能一次性完全去掉，而是一次一次的分级去掉。下面就是我们进行的第二次去电阻。
1、直流电机的电枢绕组的元件中的电动势和电流是 交流的 2、直流发电机的电磁转矩是 制动 转矩，直流电动机的电磁转矩是 驱动 转矩， 3、串励直流电动机在负载较小时，a I 小 ；当负载增加时，T 增加 ，a I 增加 ； 4、当保持并励直流电动机的负载转矩不变，在电枢回路中串入电阻后，则电机的转速将 下降 5、直流发电机，电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是 ；若为电动机，则直轴电枢反应是 去磁作用，增磁作用 6、直流电机电枢反应的影响主要体现为 波形畸变 和 去磁性 7、他励直流电动机的机械特性为硬特性，当电枢串电阻之后，机械特性将变 软 8、励磁绕组断线的他励直流电动机，额定负载起动时，将出现 电流过大 情况 9、直流电机电枢磁场对空载主磁场的影响称为 电枢反应 1. 一台串励直流电动机，若电刷顺转向偏离几何中性线一个角度，设电机的电枢电流保持 不变，此时电动机转速 C 。A ：降低 B ：保持不变 C ：升高。 2. 一台直流发电机，由额定运行状态转速下降为原来的30%，而励磁电流及电枢电流不变， 则 A 。 A ：E a 下降30% B ：T 下降30% C ：E a 和T 都下降30% D ：端电压下降30% 3. 一台他励直流发电机希望改变电枢两端正负极性，采用的方法是 C 。 Ａ：改变原动机的转向 Ｂ：改变励磁绕组的接法 Ｃ：改变原动机的转向或改变励磁绕组的接法 4. 起动直流电动机时，磁路回路应 B 电源。 A.与电枢回路同时接入 B.比电枢回路先接入 C.比电枢回路后接入 5. 直流电动机的电刷逆转向移动一个小角度，电枢反应性质为 A 。 A ：去磁与交磁 B ：增磁与交磁 C ：纯去磁 D ：纯增磁 6. 一台他励直流发电机，额定电压220V ，6极，额定支路电流为100A ，当电枢为单叠绕 组时，其额定功率 C 。 A ：22kW B ：88kW C ：132kW D ：44kW 7. 直流电机运行在发电机状态时，其（ A ） A. a E U > B. a 0E = C. a E U < 8. 直流电动机的基本结构主要由静止的（ B ）和旋转的（ B ）两大部分构成。 A ：铁心，绕组 B ：磁极，电枢 C ：电枢，磁极 D ：绕组，铁心 9. 直流电动机的转子结构主要包括（ A ）。 A ：铁心和绕组 B ：电刷和换向片 C ：电枢和换向器 D ：磁极和线圈 10. 若并励直流发电机转速上升20％，则空载时发电机的端电压U 0将 B 。 A ：升高20％ B ：升高大于20％ C ：升高小于20％ D ：不变 1. 直流电机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？ （1）他励——励磁电流f I 由独立电源供给，与电枢电流a I 无关； （2）并励——励磁电流并在电枢两端，励磁电压f U 等于电枢电压U ；
直流电动机电枢串联电阻调速过程设计
指导教师评定成绩： 审定成绩： 湖南交通工程学院 课程设计报告 设计题目：直流电机的串电阻调速过程设计 院系：电气与信息工程系 学生姓名：张蕴 专业：电气工程及其自动化 班级： 14级电气工程及其自动化（1）班 学号： 144139240471 指导教师：陈海文 设计时间： 2017 年 11 月
课程设计任务书 一、设计题目 直流电机的串电阻调速过程设计 二、设计任务和要求 1.熟练直流电机的机械特性和电气特性； 2.根据图片提示，综合运用知识分析直流电机的运行过 程； 3.计算每个阶段变化过程中的阻值对系统的影响； 4.推导出每个速度变化过程中电阻值的公式； 5.根据以下直流电动机特性 Pn=85KW Uan=380V Ian=176A Nn=1450r/min 欲用电枢串电阻启动，启动级数初步为3级 1)选择启动电流I1,切换电流I2和切换电流I3 2)求出起切电流比 3)求出启动时电枢电路的总电阻Ram 4)求出启动级数m 5)重新计算，校验I2,I3 6)求出各级总电阻 7)求出各级启动电阻 8)结论 9)提交整个设计报告和测试报告
目录 一、直流电动机的综述 (4) 二、他励直流电动机 (5) 三、设计内容 (12) 四、结论 (14) 五、心得体会 (16) 六、参考文献 (17)
一、综述 直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。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。 直流电动机 - 特点： (一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 (二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。 直流电动机–工作原理：
第二篇直流电机 一、填空题： 1.直流电机电枢导体中的电动势是电动势，电刷间的电动势是电动势。 交流；直流 2.直流电机电枢绕组中流过的电流方向是___________的，产生电磁转矩的方向是___________的（填变化或 不变）。 变化；不变 3.直流电机的主磁路不饱和时，励磁磁动势主要消耗在________上。 气隙 4.直流电机空载时气隙磁密的波形曲线为____________波。 平顶 5.直流电机的磁化特性曲线是指电机空载时______________与______________之间的关系曲线。 每极气隙磁通0与励磁磁动势2F f（F0） 6.一台6极他励直流发电机，额定电流为150A，若采用单叠绕组，则电枢绕组的支路电流为A，若 采用单波绕组，则电枢绕组的支路电流为A。 25；75 7.一直流电机，Q u=S=K=22，2p=4，右行单叠绕组，绕组节距y=y K= ，y1= ，y2= 。 5；1；4或6；1；5 8.一台四极直流电机，元件数为21，换向片数为____________，构成左行单波绕组，则合成节距为 ____________，第一节距为____________，第二节距为____________，并联支路数为______________。 21；10；5；5；2 9.直流电机电刷放置的原则是：。 空载时正负电刷间的感应电动势最大 10.直流电机的励磁方式分为____________、____________、____________、____________。 他励；并励；串励；复励 11.直流电机负载运行时，___________ 对__________ 的影响称为电枢反应。 电枢磁动势；励磁磁场 12.直流发电机的电磁转矩是___________转矩，直流电动机的电磁转矩是___________转矩。 制动；驱动（或拖动） 13.直流发电机，电刷顺电枢旋转方向移动一角度，直轴电枢反应是___________的；若为电动机，则直轴电 枢反应是___________的。 去磁；助磁（或增磁） 14.直流电机电刷在几何中性线上时，电枢反应的作用为：（1）_____________________________；（2）使物 理中性线_____________________________ ；（3）当磁路饱和时起_____________作用。 使气隙磁场发生畸变；；偏移几何中性线一个角度；；去磁作用 15.并励直流发电机自励建压的条件是：_____________________________，__________________________， __________________________________ 。 电机有剩磁；励磁绕组并联到电枢两端的极性正确；励磁回路的电阻小于与电机转速相应的临界电阻16.他励直流发电机的外特性是一条下垂的曲线，其原因有：(1)___________________；(2) ____________
F 实验一直流电动机起动实验 一、实验目的 理解直流电机的工作原理，测试直流电动及直接起动的波形。说明负载转矩、 转速、电流、电磁转矩之间为何具有相应的对应关系。 二、实验的主要内容 仿真一台直流并励电动机的起动过程。电动机参数为: PN =17kW, U N = 220V, n0= 3000r/min,电枢回路电阻R a =0. 0870，电枢电感La =0. 0032H，励磁回路电阻R =181.50,电机转动惯量J=0.76 kg ?m2。 三、实验的基本原理 直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电 磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可 达电枢电流额定值的10~20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10~20倍，这 样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖 动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、枢 电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不 允许采用直接起动的。 四、实验步骤 1)建立并激电动机的仿真模型:直流电动机DCmotor 的电枢和励磁并联后由直流电源DC 供电，用Step 模块给定电动机的负载转矩，在DCmotor 的m 端连接了Demux 模块,将m 端输出的4 个信号分为4 路，以便通过示波器Scope 观察，m 端输出的转速单位为rad/s,这里使用了一个放大器(Gain), 将rad/s 转换为习惯的r/min,变换系数为:k=60/2π =9.55。 2)计算电动机参数: 励磁电流 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0” 电枢电阻 电枢电感估算R a =0.0870
直流电动机的工作原理：在电枢线圈中通入直流电流，电枢在磁场中旋转，换向器和电枢一起旋转。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab，cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是从电刷A流入的方向，在S极下，电流总是从电刷B流出的方向。由此保证了每个磁极线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机连续旋转。 直流发电机的工作原理：把电枢线圈感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用， 使之从电刷端引出时为直流电动势。 直流电机的结构：定子（主磁极，换向极，机座，端盖，电刷装置）作用：产生磁场 转子（电枢铁心，电枢绕组，换向器，轴，风扇） 主要是电枢，作用：产生电磁转矩和感应电动势 可逆原理：同一台电机，既能做电动机运行，又能做发电机运行的原理，称为可逆原理。 直流电机的励磁方式：4种，串励，并励，他励，复励。 直流电机的空载磁场：直流电机不带负载时运行的状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似为零，所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场。电枢磁动势：由电枢电流所建立的磁动势. 电枢反应：电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响，称为电枢反应。 电枢反应影响电动机转速，发电机端电压。 电枢反应的作用：1负载时气隙磁场发生了畸变。2呈去磁作用。 改变电动机转向的方法：1改变电枢两端电压极性。2互换励磁绕组极性。 电机圆周在几何上分成360度，这个角度成为机械角度或空间角度。 导体切割磁场，经过N，S一对磁极，因而一对磁极占有的空间是360度 直流电机的3种调速方法:1改变电枢电压调速，2电枢回路串电阻调速，3改变励磁调速。 并励直流发电机的自励条件：1电机磁路中有剩磁 2励磁绕组并联到电枢两端 3励磁回路的总电阻小于临界点组 换向:元件内电流方向改变的过程。 变压器的分类：电力变压器，特种变压器. 变压器的主要部件：铁心，绕组，油箱。铁心和绕组装配组成器身。 变压器的特性指标：变压器二次侧的电压变化，变压器的效率 三相异步电动机的工作原理：就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转 子绕组内所感生的电流互相作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。 旋转磁场：一种极性不和大小不变，以一定转速旋转的磁场。 三相异步电动机的结构：定子（定子铁心，定子绕组，机座，端盖，风扇） 转子（转子铁心，转子绕组，转轴，气隙） 机械角度：电机圆周在几何上分成360度，机械角度总是360度。 电角度=P×机械角度=p×360 p:极对数
课程设计名称：电机与拖动课程设计 题目：他励直流电动机串电阻启动 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号：
直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。直流电动机是将直流电能转换成机械能而带动生产机械运转的电器设备。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的启动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和启动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直流电动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。 关键词：直流电机；串电阻；启动；原理；分类：机械特性；变速
1 直流电动机简介............................... 错误！未定义书签。 2 直流电机的基本结构 (1) 2.1 定子 (1) 2.2 转子.................................... 错误！未定义书签。 2.3 气隙.................................... 错误！未定义书签。 3 直流电动机的工作原理 (2) 4 直流电机的分类 (3) 5 他励直流电动机的机械特性 (5) 6 直流电机的名牌数据和主要系列 (6) 7 固有机械特性与人为机械特性 (7) 8 他励直流电动机串电阻起动 (8) 9 起动电阻的计算 (10) 10 设计得出结论 (12) 体会............................................ 错误！未定义书签。参考文献........................................ 错误！未定义书签。
淮阴工学院 课程设计说明书 作者: 学号： 学院: 机械工程学院 专业: 机械电子工程 题目: 他励直流电动机串电阻启动的设计指导者：
绪论 (1) 1直流电动机 (2) 1.1直流电动机的工作原理 (2) 1.2直流电动机的分类 (2) 1.3直流电动机的工作原理 (2) 2他励直流电动机 (4) 2.1他励直流电动机的机械特性 (4) 2.2他励直流电动机的启动 (5) 2.21对启动的要求 (5) 2.22电枢回路串电阻启动 (5) 2.3直流电动机电枢串电阻启动设计方案 (8) 2.31分级启动主回路和控制回路以及相关电器元件 (10) 2.32启动特性曲线 (10) 3设计体会 (11) 4参考文献 (12)
绪论 直流他励电动机控制器的优点是，线路无需切换即可实现牵引与制动的转换，带载能力强，防空转性能好。但是，如果不能掌握正确的启动方法，电机还是不能正常运行的。下面，我们就要对电机的启动过程和方法做一些必要的分析。 由于启动瞬间n=0，电枢电动势0=Φ=n K E e ，而电枢电阻有很小，所以启 动电流R U n =st I 将达到很大的数值。过大的启动电流，会引起电网电压的波动，影响其他用户的正常用电，并且会使电动机轴上受到很大的冲击。这种不采取任何措施就直接把电动机加上额定电压的启动办法，称为直接启动。处个别容量很小的电动机可以直接采用外，一般直流电动机不允许直接启动【1】。 在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低启动电压或在电枢回路串电阻的方法【2】。本文对他励直流电机进行细致的介绍，用图片与文字相结合的方式 对他励直流电机工作时过程中的变量与时间的关系进行描绘，使我们更加清楚的了解他励直流电机的工作原理。
运动控制系统课程设计 课题：他励直流电动机启动 系别：电气与信息工程学院 专业： 学号： 姓名： 指导教师：
城建学院 2015年1月4日 成绩评定· 一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
二、评分 课程设计成绩评定
目录 一、设计目的 (1) 二、设计要求 (1) 三、设计容 (1) 3.1、直流电动机 (1) 3.1.1直流电动机 (1) 3.1.2直流电动机的分类 (2) 3.1.3他励直流电机工作原理 (2) 3.2 他励直流电动机的启动 (3) 3.2.1 他励直流电动机串电阻启动 (3) 3.2.2 直流电动机电枢串电阻起动设计方案 (6) 3.2.3 多级启动的规律 (7) 3.3 结论 (7) 3.4他励直流电动机串电阻起动特性分析 (8) 四、设计体会 (10) 五、参考文献 (10)
一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算；课程设计报告的整理工作。 三、设计容 有一台他励直流电动机，已知参数如下Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ；Nn=1500r/min；Ra=0.076Ω；采用分级启动，启动电流最大不超过2IA,，求出各段电阻值，并作出机械特性曲线，对启动特性进行分析。 他励直流电动机的启动时间虽然很短，但是如果不能采用正确的启动方法，电动机就不能正常地投入运行。为此，应对电动机的启动过程和方法进行必要的分析。 直接启动时，他励直流电动机电枢加额定电压Un，电枢回路不串任何电阻，此时由于n=0，Ea=0，所以启动电流Ist=Un/Ra，由于电枢回路总电阻Ra较小，所以Ist可以达到额定电流In的十几甚至几十倍。这样大的电流可能造成电机换向严重不良，产生火花，甚至正、负电刷间出现电弧，烧毁电刷及换向器。另外，过大的启动电流使启动转矩Tst过大，会使机械撞击，也会引起供电电网电波动，从而引起其他接于同一电网上的电气设备的正常运行，因此是不允许的。一般只有微型直流电动机，由于自身电枢电阻大，转动惯量小，启动时间短，可以直接启动，其他直流电机都不允许直接启动。 在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低启动电压或在电枢回路串电阻的方法。他励直流电动机在电枢回路中串电阻，具有良好的启动特性、较大的启动转矩和较小的启
第六章控制电动机 6.1、有一台交流伺服电动机，若加上额定电压，电源频率为50Hz，极对数p=1，试问它 的理想空载转速是多少？ 解：n0=60*f/p=60*50/1=3000r/min 6.2、何谓“自转”现象？交流伺服电动机是怎样克服这一现象，使其当控制信号消失时能 迅速停止？ 答：自转是伺服电动机转动时控制电压取消，转子利用剩磁电压单相供电，转子继续转动。 克服这一现象方法是把伺服电动机的转子电阻设计的很大，使电动机在失去控制信号，即成单相运行时，正转矩或负转矩的最大值均出现在S m>1的地方。当速度n为正时，电磁转矩T为负，当n为负时，T为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电磁转矩的方向总是与转子转向相反，所以是一个制动转矩。由于制动转矩的存在，可使转子迅速停止转动，不会存在自转现象。 6.3、有一台直流伺服电动机，电枢控制电压和励磁电压均保持不变，当负载增加时，电动 机的控制电流、电磁转矩和转速如何变化？ 答：当负载增加时，电磁转矩增大；由n=U c/(K eΦ)-RT/(K e K tΦ2)可知，负载增大后，转速变慢。根据T= K tΦI a可知，控制电流增大。 6.4、有一台直流伺服电动机，当电枢控制电压U c=110V时，电枢电流I a1=0.05A，转速 n1=3000r/min；加负载后，电枢电流I a2=1A，转速n2=1500r/min。试作出其机械特性n=f(T)。 解：由电动机电压平衡方程式得： U c=E+I a R a=K eΦn+ I a R a
所以110=K e Φ×3000+0.05R a 110=K e Φ×1500+1×R a 解得：K e Φ=0.0357；R a =56.41Ω 所以T 1=K t ΦI a1=9.55 K e ΦI a1=9.55×0.0357×0.05=0.017N ·m T 2=K t ΦI a2=9.55 K e ΦI a2=9.55×0.0357×1=0.341N ·m 由（n=n 1=3000r/min ，T 1=0.017 N ·m ）和（n=n 2=1500r/min ，T 2=0.341 N ·m ）两点在n-T 特性表达式为 6.5、若直流伺服电动机的励磁电压一定，当电枢控制电压U c =100V 时，理想空载转速 n 0=3000r/min ；当U c =50V 时，n 0等于多少？ 解：根据直流伺服电动机的机械特性公式可知n 0=U c /( K e Φ)，所以理想空载转速与电枢控 制电压成正比。所以当U c =50V 时，理想空载转速n 0等于1500r/min 。 6.6、为什么直流力矩电动机要做成扁平圆盘状结构？ 答：直流力矩电动机的电磁转矩为T=BI a NlD/2，在电枢体积相同的条件下，D 增大时，铁 心长度l 就应减小；其次，在相同电流I a 以及相同用铜量的条件下，电枢绕组的导线 3000 1500 0.017N ·m (0.05A) 0.341N ·m (1A)
直流电动机电枢串联电阻 调速过程设计 The final edition was revised on December 14th, 2020.
指导教师评定成绩： 审定成绩： 湖南交通工程学院 课程设计报告 设计题目：直流电机的串电阻调速过程设计 院系：电气与信息工程系 学生姓名：张蕴 专业：电气工程及其自动化 班级： 14级电气工程及其自动化（1）班 学号： 指导教师：陈海文 设计时间： 2017 年 11 月
课程设计任务书 一、设计题目 直流电机的串电阻调速过程设计 二、设计任务和要求 1.熟练直流电机的机械特性和电气特性； 2.根据图片提示，综合运用知识分析直流电机的运行过 程； 3.计算每个阶段变化过程中的阻值对系统的影响； 4.推导出每个速度变化过程中电阻值的公式； 5.根据以下直流电动机特性 Pn=85KW Uan=380V Ian=176A Nn=1450r/min 欲用电枢串电阻启动，启动级数初步为3级 1)选择启动电流I1,切换电流I2和切换电流I3 2)求出起切电流比 3)求出启动时电枢电路的总电阻Ram 4)求出启动级数m 5)重新计算，校验I2,I3 6)求出各级总电阻 7)求出各级启动电阻 8)结论 9)提交整个设计报告和测试报告
目录 一、直流电动机的综述 (4) 二、他励直流电动机 (5) 三、设计内容 (12) 四、结论 (14) 五、心得体会 (16) 六、参考文献 (17)
一、综述 直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。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。 直流电动机 - 特点： (一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 (二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。 直流电动机–工作原理：
同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场) 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120 分布的线圈代表三相对称交流绕组。 图1.1同步电机结构模型 1.1工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主
磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E0 =4.44fNψ Φ 感应电势频率:感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p ，即 f=pn/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 1.2同步转速 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。
电机与拖动测试题A 一、填空题（40分） 1、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_相反_____，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向__相同_____。 2、直流电动机的励磁方式有____他励________、___并励_______、___串励_______、_____复励_______四种。 3、并励直流发电机自励建压的条件是_______；_______；_______。(主磁路存在剩磁；并联在电枢两端的励磁绕组极性要正确，使励磁电流产生的补充磁通方向与剩磁磁通方向相同；励磁回路的总电阻必须小于临界电阻) 4、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当_______时为电动机状态，当_______时为发电机状态。（E a〈U；E a〉U） 5、直流发电机的绕组常用的有_______和_______两种形式，若要产生大电流，绕组常采用_______绕组。（叠绕组；波绕组；叠） 6、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向_______。（相反；相同） 7、单迭和单波绕组，极对数均为p时，并联支路数分别是_______，_______。（2p；2） 8、直流电机的电磁转矩是由_______和_______共同作用产生的。（每极气隙磁通量；电枢电流） 9、直流电机电枢反应的定义是_______，当电刷在几何中线时，电动机产生_______性质的电枢反应，其结果使_______和_______，物理中性线朝_______方向偏移。（电枢磁动势对励磁磁动势的作用；交磁；气隙磁场产生畸变；对主磁场起附加去磁作用） 10、他励直流电动机的固有机械特性是指在_______条件下，_______和_______的关系。（U=UN、φ=ΦN，电枢回路不串电阻；n；Tem 11、直流电动机的起动方法有____ ___。（降压起动、电枢回路串电阻起动） 12、如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流大约是电动状态运行时电枢电流的 _______倍。（2） 13、当电动机的转速超过_______时，出现回馈制动。（理想空载转速） 14、拖动恒转转负载进行调速时，应采_______调速方法，而拖动恒功率负载时应采用_______调速方法。（降压或电枢回路串电阻；弱磁） 直流电机定子主磁极的作用是___产生磁场__________。 15、直流电动机的电磁制动有___能耗制动________、_反接制动_________ 、___回馈制动_______三种。 16、串励直流电动机的特点是：负载变化时励磁电流及主磁通同时该变，故负载变化时 ________转速________________变化很大，电磁转距则近似正比于电流的平方 变化。 17、直流电动机的静差度越小，表明电动机转速的相对稳定性越__高____，也表明机械特性越__硬_____。 18、可用下列关系来判断直流电机的运行状态：当___U>E____时为电动机状态，当__E>U____时为发电机状态。 I_______共同作用产19、直流电机的电磁转矩是由__每极气隙磁通 ______和__电枢电流 a 生的。