引言
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。滞留电动机是将直流电转换成机械能的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。
一、直流电动机的工作原理
如图1—1所示，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的。这样就使得电机一直旋转下去。
图1—1 直流电动机的工作原理图
二、直流电动机的结构
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
2.1、转子
电枢铁心——电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。
电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。
换向器—在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。
2.2、定子
主磁极——主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。
机座——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。
换向极——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。
端盖——端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。
三、直流电动机的分类
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。
（a）他励电动机(b) 并励电动机
（c）串励电动机（d）复励电动机
图3—1直流电动机的四种类型
四、他励直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：
在他励电动机中，当U a、R a和I f保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。
图4—1 直流他励电动机的基本接线图
电枢回路的内阻为R a1，附加电阻R k，则电枢回路的电阻总值R a= R a1+R k励磁回路励磁绕组的电阻为r f，此外也包括附加电阻R f。根据图4—1所示的电路，可以写出电枢回路的电压平衡方程
恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关机械特性硬度为α=1/β 斜率β越小，硬度α越大，机械特性越硬。直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为系：
由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：
n=U a /(C E Φ)—R a T/(C E C T Φ2)=n 0—?n=n 0—βT
如下图：
2
T em
T N
T 0
0'n 0n N
n n
图4—2直流电动机的机械特性图
1）、 固有特性
固有机械特性是指外加额定电压U N 、电枢回路中没有串接附加电阻，且励磁电流为额定电流I fN 。时的机械特性，其方程式为
M
C C R C U n N M e a
N e N 2Φ-Φ=
（4-1）
上式中，ФN 为额定励磁电流I fN 时的每极磁通(忽略电枢反应的影响)。根据方程式(4-1)可以绘出他励直流电动机的固有机械特性，如图4—2所示。由于电枢回路电阻较小，所以他励直流电动机的固有机械特性较硬。
2）、 人为特性
人为机械特性是指人为地改变电动机的参数或电源电压而得到的机械特性。他励直流电动机有以下三种人为机械特性：
（一）电枢回路串接电阻时的人为机械特性
当电动机外加额定电压U N 、励磁电流为额定电流I fN 时，在电枢回路串联附加电阻R ad ，此时的人为机械特性方程式为
M C C R R C U n N M e ad
a N e N 2Φ+-Φ=
(4-2)
将人为机械特性方程(4-1)与固有机械特性方程(4-2)相比，可以看出，电枢回路串电
阻时人为机械特性的理想空载转速n 0与固有机械特性的理想空载转速n 0相同，但其特性曲线的斜率β随串联附加电阻的增大而增大，使得人为机械特性变软，如图4—3中的直线2和直线3所示。从图中可知，在相同的负载条件下，电动机在稳定运行时的转速降△n 随串联电阻的增大而增大。所以，电枢回路串电阻的人为机械特性是一族通过理想空载转速点n 0而斜率不同的直线族。
O
T
n n 0
123
图4—3直电枢回路串接电阻时的人为机械特性
（二）降低电源电压时的人为机械特性
当电枢回路中没有串接附加电阻，且励磁电流为额定电流I fN 时，降低外加电源电压U ，此时的人为机械特性方程式为
M C C R C U n N M e a
N e 2Φ-Φ=
(4-3)
将人为机械特性方程式(4-3)与固有机械特性方程式(4-1)相比，可以看出，降低电源
电压时的人为机械特性曲线的斜率β与固有机械特性曲线的斜率β相同，即人为机械特性曲线的硬度与固有机械特性曲线的硬度相同，但其理想空载转速n 0随外加电压的降低而减小，如图4—4中的直线2和直线3所示。
在实际电动机中，降低电源电压一般是从额定电源电压向下调节，从而得到不同的人为机械特性。从图4—4中可知，在相同的负载条件下，电动机在稳定运行时的转速降Δn 不随外加电压的变化而变化。所以，降低外加电源电压的人为机械特性是一族斜率相同的平行线。
O
T
n n 0
n 01
1
2
n 02
3
图4—4改变电源电压时的人为机械特性
（三）减小励磁电流时的人为机械特性
当外加额定电压U N 、电枢回路中没有串接附加电阻时，改变励磁电流(其相应的每极磁通为Φ)的大小，此时的人为机械特性方程式为
M
C C R C U n M e a
e N 2Φ-Φ=
(4-4)
将人为机械特性方程(4-4)与固有机械特性方程式(4-1)相比，可以看出，改变励磁电流(即每极磁通Ф)时，人为机械特性曲线的斜率β随每极磁通Ф的减弱而增大，即人为机械特性曲线变软；人为机械特性的理想空载转速n 0随每极磁通Ф的减弱而增大。减弱磁通时的人为机械特性如图4—5中的直线2和直线3所示。
在实际电动机中，由于电机磁场存在饱和现象，所以改变磁通一般是从额定磁通向下调节，从而得到减弱磁通的人为机械特性。从图4—5中可知，在相同的负载条件下，电动机在稳定运行时的转速降Δn 随每极磁通的减小而增大，并且理想空载转速也随每极磁通的减小而增大，所以减弱磁通时的人为机械特性是一族理想空载转速点逐渐增大而斜率也逐渐增大的直线。
321
Φ2Φ1
ΦN
O
n 2
n 1
n 0
M
n
图4—5减小励磁电流时的人为机械特性
五、他励直流电动机的起动方法
电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程称为启动。电动机在启动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速n 都随时间变化，是一个过渡过程。开始启动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为启动电流，对应的电磁转矩称为启动转矩。一般对直流电动机的启动有如下要求：
（1）启动转矩足够大，电动机才能顺利启动； （2）启动电流要限制在一定的范围内；
（3）启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。
一）直接起动：
直接启动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上启动。直接启动又称为全压启动。由于启动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势
0=Φ=n C E e a
则启动电流为
a N
a a N st R U R E U I =-=
由于电枢绕组的电阻R a 很小，所以启动电流st I 很大，可达到额定电流的十几倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大中、容量的
电动机不能直接起动。
二）降电压起动
降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流
I
st
，电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，
保证电动机按需要的加速度升速。这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小，启动转矩容易控制，启动平稳，启动能耗小，是一种较好的启动方法。
三）电枢串电阻启动
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，同时可以中道平滑快速情动，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。
下面所以直流他励电动机电枢电路串电阻二级启动为例说明启动过程。
（1） 启动过程分析
如图5—1（a ）所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路家电源电压U 。出点K M1、K M2均断开，电枢传入了全部附加电阻R k1+R k2电枢回路总电阻为R al =r a +R k1+R k2
。这时启动电流为：
与启动电流所对应的启动转矩为T 1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图5—1（b ）中的曲线1所示。
U
M
r
a
r a2
n 0
h
e
c
I
T
O
T L
I L
I 2
T 2g m
f
d
3
2
b
1
R al
α
r a
R a2
r a1
K m1
K m2
R k1R k2+
-
（b ）特性图
（a ）电路图
图5—1直流塔里电动机分二级启动的电路和特性
根据电力拖动系统的基本运动方程：
式中： T ——电动机的电磁转矩；
T L ————由负载作用所产生的阻转矩；
J 错误！未找到引用源。 ——电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。
由于启动转矩T 1大于负载转矩T L ,电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升，电动机开始启动。在图5—1（b ）中，由a 点沿着曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b 点时，为保证一定的加速转矩，控制触点K M1闭合，切除一段启动电阻R k1后，b 点所对应的电枢电流I 2成为切换电流，其对应的电动机的转矩T 2成为切换转矩。切除R K1后 ,电枢回路总电阻为R a2=r a +R k2。这时电动机对应于由电阻R a2确定的人为机械特性，见图4—2（b ）中曲线2。在切除启动电阻R K1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为n b ，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。适当的选择切除的电阻值R k1，使切除R k1后的电枢电流刚好等于I 1,所对应的转矩为T 2，即在曲线2上的c 点。又有T 1>T 2,电动机在加速转矩作用下，由c 点沿曲线2上升到d 点。控制点K M2闭合，又切除一切
启动电阻R
k2
。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固定的机械特性上。电枢电流
又由I
2突增到I
1
相应的电动机转矩由T
2
突增到T
1
。T
1
>T
2
，沿固有特性加速到g点T=T
L
，
n=n
g
电动机稳定运行，启动过程结束。
在分级启动过程中，各级的最大电流I
1（或者相应的最大转矩T
2
）及切换电流I
2
（或者与之对应的切换转矩T
2
）都是不变的，这样，使得启动过程中有均匀的加速。
要满足以上电枢回路串接电阻分级启动的要求，前提是选择合适的各级启动电阻。下面讨论如何计算启动电阻。
（2）启动电阻的计算
在图4—2（b）中，对点a，有
即：
当从曲线1转换到曲线2时，亦即从点b切换到点c的时候，由于切除电阻R
k1
进行的很快，如忽略电感的影响，可假定n
b =n
c
，即电动势E
b
=E
c
，这样的点有
在c点
两式相除，考虑到E
b =E
c
，得
同样，当从d点转换到e点时，得
这样，如图4所示的二级启动，得
推广到m级启动的一般情况，得
错误！未找到引用源。=……=错误！未找到引用源。
式中λ为最大启动电流I
1与切换电流I
2
之比，成为启动电流比（或启动转矩比），
它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。由此可以推出
式中m为启动级数。由上式得
如给定λ，求m，可将式
取对数得
由式
错误！未找到引用源。=……=错误！未找到引用源。可得每级电枢回路总电阻
：
各级启动电阻为：
：
启动最大电流I1及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般
I1=（1.5～2.0）I N
I2=（1.1～1.2）I N
以及电动机相应的转矩
T1=（1.5～2.0）I N
T2=（1.1～1.2）I N
六、直流电动机电枢串电阻起动设计
1、选择启动电流I1
I1=（1.5~2.0）I N=（1.5~2.0）×20.4A=(30.6~40.8)A
选择I1=40A
2、求出电动机的电枢电路的电阻Ra
错误！未找到引用源。Ω=3.55Ω
3、求出启动时电枢电路的电阻Ram
R am= 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。Ω=11Ω
4、求出起切电流比β
错误！未找到引用源。= 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。
=1.76
5、求出I2校验I2
I2= 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。A=22.73A
在规定范围之内。
I
2
6、求出各级总电阻
R a3=R a=3.55Ω
R a2=βR a=1.76×3.55Ω=6.25Ω
R a1=β2R a=1.762×3.55Ω=11Ω
7、求出各级启动电阻
P K1=R a1-R a2=（11-6.25）Ω=4.75Ω
R K2=R a2-R a3=（6.25-3.55）=2.7Ω
七、结论
他励直流电动机串电阻启动计算方法
①选择启动电流I1和切换电流I2
启动电流为
I1=（1.5~2.0）I N 切换电流为
I2=（1.~11.2）I N 对应的启动转矩
T2=（1.1~1.2）I N ②求出起切电流（转矩）比β
③求出电动机的电枢电路电阻ra
④求出启动时的电枢总电阻Rm
⑤求出启动级数m
⑥重新计算β，校验I2是否在规定范围内
若m是取相近整数，则需重新计算I2
错误！未找到引用源。
再根据得出的β重新求出I2，并校验I2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I2，直到符合要求为止。
⑦求出各级总电阻
R a1=βR a2=βm r a
R a2=βR a3=βm-1r a
︰
R am=βr a
⑧求出各级启动电阻
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。
八、体会
这是我第一次进行课程设计，在同学们的齐心努力下顺利完成了这一周的直流电动机电枢串电阻启动设计，以下是我经过这次课程设计之后的几点心得体会：
1、在设计之前，务必要仔细阅读书本对直流电动机的结构有一个系统的了解，对
其工作原理要熟悉掌握这样设计起来才会得心应手。
2、在设计时，不能妄想一次就将整个程序设计好，“反复修改,不断改进”是设计的必经之路。
3、电路机启动的设计采用什么方式是非常重要的，因为它关系到你要用的什么样的电路图，而且要有一个清晰的思路和一个合理的电路图。
4、第一次设计在过程中遇到问题是很正常的，我们通过认真仔细查阅参考文献和老师的细心指导找到问题的原因，解决问题。
5、最后，通过这次课程设计我收获了很多，为以后的设计积累了宝贵的经验。
九、参考文献
[1]唐介：电机与拖动高等教育出版社2005年
[2]孟宪芳：电机与拖动西安电子科技大学出版社，2006年
[3]汤天浩：电机与拖动基础机械工业出版社，2004年
[4]许建国：电机与拖动基础高等教育出版社，2004年
[5]林瑞光：电机与拖动基础浙江大学出版社，2002年
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。
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。
煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：
摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298
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 ；
直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。
各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：
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) ____________
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
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。
X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开
关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，
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)
第一章：概述 直流电动机是人类发明最早和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复、维护苦难，价格昂贵等缺点制约了它的发展，应用不及交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。 转速调节的主要技术指标是：调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率，以及调速时的允许负载性质等（静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度就越高）。而直流电动机的突出优点是恰好是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能，过载能力较强，热动和制动转矩较大。 因此，从可靠性来看，直流电动机仍有一定的优势。 调节直流电动机转速的方法有三种： （１）电枢回路串电阻； （２）改变励磁电流； （３）改变电枢回路的电源电压； 而本文从另一个角度来阐述直流电机的速度控制，即利用自动控制中的反馈来调节电机的平稳运行以达到各项性能指标。
第二章：系统数学模型 本系统的简化方框图为： 其对应的原理图为： 控制系统的被控对象为电动机（带负载），系统的输出量是转速w ，参数亮是Ui 。控制系统由给定电位器、运算放大器1（含比较作用）、运算放大器2（含RC 校正网络）、功率放大器、测速发电机、减速器等部分组成。 工作原理为：当负载角速度ω和电动机角速度m ω一致的时候，反馈电压为0，电机处 于平衡状态即电动机运行稳定。当负载的角速度收到干扰的作用时，ω和m ω失谐，控制系统通过反馈电压的作用来改变 m ω直到达到新的一致使系统恢复稳定，电机稳定运行。
2.1直流电动机的数学模型： 直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。图2.2是一个电枢控制式直流电动机的原理图。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。 设为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩 为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻 为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量 根据电路的克希霍夫定理 (2-1) 电机的主动转矩 (2-2) 其中为电机的力矩常数。 反电势 (2-3) 式中为电机反电势比例系数 力矩平衡方程
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。