课程设计名称：电机与拖动课程设计题目：他励直流电动机的能耗制动学期：2013-2014学年第2学期专业：班级：姓名：学号：指导教师：课程设计任务书一、设计题目他励直流电动机的能耗制动二、设计任务对一台已知额定参数的他励直流电动机进行能耗制动，设计求出合适的制动电阻Rb，并设计求出在已知制动电阻Rb采用稳定下放重物时的转速n。
已知一台他励直流电动机PN =22kW,UaN=220V，IaN=115A,nN=1500r/min.Iamax=230A,T忽略不计。
（1）拖动TL=120N•m的反抗性恒转矩负载运行，采用能耗制动迅速停机，电枢电路中至少要串联多大的制动电阻Rb？（2）拖动TL=120N•m的位能性恒转矩负载运行，采用能耗制动以1000r/min的速度稳定下放重物，电枢电路中至少要串联多大的制动电阻Rb？三、设计计划第一天，熟悉题目，查阅有关资料，并进行初步的规划。
第二天，进行设计，并记录有关的数据和过程。
第三天，继续完善设计。
第四天，完成课程设计任务书。
第五天，进行答辩。
课程设计成绩评定表目录1.直流电动机的基本结构和工作原理 (1)1．1直流电动机的基本结构 (1)1．2直流电动机的工作原理 (3)2.他励直流电动机的制动方法和制动过程 (4)2.1直流电动机之他励直流电动机 (4)2.1.1 电流 (4)2.1.2 转速 (5)2.2他励直流电动机的制动方法和制动过程 (5)2.2.1他励直流电动机能耗制动过程之迅速停机 (6)2.2.2他励直流电动机能耗制动过程之下放重物 (7)3、参数的设定与计算 (9)3.1中间参数的计算 (9)3.2迅速停机时的制动电阻b R (10)3.3下放重物时的制动电阻b R (10)3.4迅速停机过程参数与稳定下放重物过程参数的对比 (11)4．结论 (12)参考文献 (13)摘要直流电动机的能耗制动具有制动平稳、准确、能量消耗小等优点，被广泛用于电动绞盘。
电动绞盘需要用电，依靠车辆自身的电力系统即电机驱动绞盘，而根据直流电动机能耗制动的平稳性等优点，所以研究直流电动机的能耗制动有很大的实际意义。
本设计主要设计他励直流电动机的能耗制动过程，（包括迅速停机过程和下放重物过程），采用图解法和公式法两种方法结合既直观又严谨的描述他励直流电动机的能耗制动过程。
其中包括对制动电阻的选择等，以便能耗制动更顺利的进行，让我们更加了解能耗制动的全过程。
关键词：他励直流电动机；能耗；制动1.直流电动机的基本结构和工作原理1．1直流电动机的基本结构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，换向磁极，机座，端盖等。
转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，风扇等。
如图1.1所示：图1.11、定子直流电机的定子由以下几部分组成：（1）主磁极即原理图中的N和S级。
它由励磁绕组和主磁极铁芯两部分组成，如图1.2（左）所示。
主磁极铁芯通常用1~1.5mm厚的钢板叠压而成。
（2）换向磁极简称换向极。
他是位于主磁极之间的比较小的磁极[图1.2（右）]，也由铁芯和绕组两部分组成。
铁芯一般用整块钢和钢板加工而成。
换向极绕组和电枢绕组串联。
换向极的作用是用来改善换向。
（3）机座用铸钢或厚钢板制成，外形如图 1.2(右)所示。
主磁极与换向极都用螺栓固定在机座的壁上。
机座是构成直流电机磁路的一部分。
（4）端盖等机座的两边各有一个端盖。
端盖的中心处装有轴承，用来支撑转子的转轴。
电刷插在电刷架的刷握中，顶上有一个弹簧压板，使电刷在换向器上保持一定的接触压力。
电刷架固定在端盖上。
图1.22、转子直流电机的转子主体如图1.3（左）所示，它包括以下几部分：(1)电枢铁心由图1.3（右）所示的硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。
图1.3(2)电枢绕组实际的电枢绕组并不像原理图那样只有一个线圈，而是由很多线圈按一定规则连接起来的。
绕组嵌放在电枢铁心槽。
(3)换向器由很多换向片组成，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。
(4)风扇等。
图1.4是直流电机组装后的结构图。
图1.41．2直流电动机的工作原理电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。
直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的安培力方向不变，所以电机能保持一个方向转动，产生保持方向不变的转矩。
在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转时，电机向负载输出机械功率。
与此同时，电源却向电机输出电功率。
可见，直流电动机是将直流电能转换为机械能的转动装置。
2.他励直流电动机的制动方法和制动过程2.1直流电动机之他励直流电动机他励直流电动机的电路图如图2.1所示。
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U f 的作用下，励磁绕组过励磁电流I f ,从而产生主磁通 。
在电枢电压U 作用下，电枢绕组过电枢电流I a 。
电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T ，从而拖动生产机械以某一转速n 运转。
电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E a ，电动势的方向与电枢电流的方向相反。
图2.12.1.1 电流在励磁电路中，励磁电流I f =ffR U 式中，f R 是励磁绕组的电阻，f R 一般来说比较大。
在电枢回路中，根据基尔霍夫电压定律U= E a + R a I a由此求得电枢电流I a =aaR E -U式中R a 为电枢电路的电阻，它的数值一般远小于励磁绕组的电阻R f 。
根据电磁转矩公式，电枢电流I a 还满足下式I a =φT C T 2.1.2 转速他励直流电动机的转速可以用下式表示T C C R C U T E aE 2n φφ-=由此可以得到他励直流电动机的固有机械特性如图2.1.2所示图2.1.22.2他励直流电动机的制动方法和制动过程一般来说，他励直流电动机的制动方式有3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。
他励直流电动机能耗制动的特点是：将电枢与电源断开，串联一个制动电阻R b ，使电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。
他励直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零（迅速停机的情况）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。
2.2.1他励直流电动机能耗制动过程之迅速停机（1）状态分析制动前后的电路如图2.2.1所示。
电动状态如图2.2.1（a ）所示，n 与T 的关系T C C R C U T E aE 2a n φφ-=制动时，如图2.2.1（b ）所示，U a =0，电枢回路中又增加制动电阻b R n 与T 的关系T C C R R T E ba 2-n φ+=（a ）电动状态 （b ）制动状态 图2.2.1（2）机械特性迅速停机的机械特性如图2.2.2中的特性2所示，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。
图2.2.2设电动机拖动的是反抗性恒转矩负载。
制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a 上。
制动瞬间，因机械惯性，转速来不及变化，工作点由a 点平移到能耗制动特性2上的b 点。
这时T 反向，成为制动转矩，制动过程开始。
在T 和T L 的共同作用下，转速n 迅速下降，工作点沿特性2由b 点移至O 点。
这时，n=0，T 也自动变为零，制动过程结束。
能耗制动过程的效果与制动电阻R b 的大小有关。
R b 小，则I a 大，T 大，制动过程短，停机快。
但制动过程的最大电枢电流，即工作于b 点的电枢电流I ab 不得超过I amax 。
由图2.2.1(b)可知maxb ab a ba I R R E I ≤+=式中， E b =E a ，是工作于b 点和a 点时的电动势。
由此求得aa b b R I E R -≥max2.2.2他励直流电动机能耗制动过程之下放重物（1）状态分析能耗制动过程如图2.2.3（a ）所示，n 与T 的关系T C C R R T E ba 2-n φ+=平衡时，即能耗制动运行如图2.2.3（b ）所示，n 与T 的关系L T E ba T C C R R 2-n φ+=（a ）能耗制动过程 （b ）能耗制动运行图2.2.3（2）机械特性下放重物的机械特性如图2.2.4中的特性2所示，它也是一条通过原点、位于2、4象限的直线。
图2.2.4设电动机拖动位能性恒转矩负载，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，让电动机处于能耗制动状态。
工作点由机械特性1上的a 点平移到特性2上的b 点，并迅速移动到O 点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。
当工作点到达O 点时，T=0，但是T L >0，在重物的重力作用下，系统反向起动，工作点将由O 点下移到c 点，T= T L ，系统重新稳定运行，这时n 反向，电动机稳定下放重物，即能耗制动运行状态。
同样，能耗制动运行的效果与制动电阻b R 的大小有关，b R 小，特性2 的斜率小，转速低，下放重物慢(b R 在满足要求)。
那么在c 点时：b a R R +==accI E 02T T n C C L T E -φ下放重物时，0T 和L T 方向相反，与T 方向相同，故T= L T -0T .可见，若要以转速下放负载转矩为L T 的重物时，制动电阻应为:=bR 02T T n C C L T E -φ—a R 忽略0T ，则:b R = aL T E R T n C C -2φ3、参数的设定与计算对一台已知额定参数的他励直流电动机进行能耗制动，设计求出合适的制动电阻R b ，并设计求出在已知制动电阻R b 采用稳定下放重物时的转速n 。
已知一台他励直流电动机P N =22kW,U aN =220V ，I aN =115A,n N =1500r/min.I amax =230A,T 0忽略不计。
（1）拖动T L =120N •m 的反抗性恒转矩负载运行，采用能耗制动迅速停机，电枢电路中至少要串联多大的制动电阻R b ？（2）拖动T L =120N •m 的位能性恒转矩负载运行，采用能耗制动以1000r/min 的速度稳定下放重物，电枢电路中至少要串联多大的制动电阻R b ？3.1中间参数的计算忽略T 0,则E =V V I P N N 3.19111510223a =⨯= R 1153.191220a a a -=-=N N I E U Ω=0.25Ω1275.015003.191n ===NE EC φ 2182.11275.014.3260260=⨯⨯==φπφE T C C 3.2迅速停机时的制动电阻b RA A C T I T L 51.982182.1120a ===φ V V I R U E E 37.195）51.9825.0-220（-a a a a b =⨯===0.6ΩΩ）25.0-23037.195（-a amax b b ==≥R I E R 由此可知，该他励直流电动机在采用能耗制动的迅速停机时电枢电路应串联的制动电阻b R 至少为0.6Ω。
