课程设计名称：《电机与拖动》课程设计题目：直流电动机电枢串电阻起动设计指导教师：专业：班级：姓名：学号：辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表课程设计任务书一、设计题目直流电动机电枢串电阻起动设计二、设计任务某厂一台Z4系列他励直流电动机，参数如下：PN=200KWUaN=440VIaN=497AnN=1500r/minRL=0.076Ω欲采用电枢串电阻启动，试设计其起动级数和各级起动电阻。
三、设计计划电机与拖动课程设计共计一周内完成。
第1~2天查资料，熟悉题目；第3~5天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第6天准备答辩；第7天答辩。
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。
指导教师：仲伟堂王继强王巍教研室主任：仲伟堂时间：2008 年 6 月 27 日目录一、直流电动机的基本结构 (5)二、直流电机的工作原理 (6)三、直流电机的额定值及励磁方式 (6)四、直流电机的铭牌数据和主要系列 (8)五、他励直流电动机 (9)六、他励直流电动机的起动 (12)七、具体电机启动设计 (14)八、结论 (15)九、体会 (18)十、致谢 (19)十一、主要参考文献 (20)直流电动机电枢串电阻起动直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。
与交流电动机相比，直流电动机有着不可比拟的优越性，但同时因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，使其应用不如交流电机广泛。
但直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，并且其供电的质量高、可靠性强，因此在化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源都使用直流发电机作为供电电源。
因此，直流电机也是当今时代不可或缺的。
一、直流电机的基本结构直流电机的结构示意图如图3-6所示。
它由定子（静止的）和转子（旋转的）两个基本部分组成。
（一）定子定子主要由（1）主磁极；（2）换向磁极；（3）机座、端盖和电刷装置等组成。
主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。
（1）磁极铁心：由l~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。
是磁路部分。
（2）励磁线圈：是磁路部分。
产生主磁场。
2 ．换向磁极换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。
作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。
3．机座机座由铸钢或厚钢板制成。
作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机磁路的一部分。
4．端盖与电刷作用：支持转子的转轴，固定电刷架。
（二）转子转子（电枢）的组成：主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。
1．铁心：由0.5㎜厚硅钢片叠压而成。
作用：来嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一部分。
2．电枢绕组：其作用是产生感应电动势和电磁转矩。
3．换向器：换向器又称整流子，其作用是将直流电动机输人的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。
（三）气隙气隙是电机磁路的重要部分。
转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。
气隙大小对电机性能有很大影响。
二、直流电动机的工作原理如图3-5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，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。
在图3-5所示位置，在N级面下导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向想左，而cd受力的方向是向右的。
当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩时，电动机逆时针旋转。
当线圈转过180度时，这时导线的电流方向已经改变为由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。
三、直流电机的额定值及励磁方式（一）直流电机的额定值为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。
直流电机的额定值有：1．额定容量 （功率）（kW ） 2．额定电压 （V ）； 3．额定电流 （A ）; 4．额定转速 （r ／min ）；5．励磁方式和额定励磁电流 （A ） 1．电枢电动势：电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。
所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。
一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为Ф，则一根导体的平均电动势为：‘又因为：所以：2．电磁转矩：如果电动势和发电机相关，那么，电磁转矩和电动机可以联系在一起，求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的： 1）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：3）电机总的电磁转矩则为：式中： 是一个常数，称为转矩常数， l B av τΦ=lv B e av av =602np v τ=602np e av Φ=a av av i l B f ⋅=2Df T av x =a T a a a av I C I a pNp N a I l l D N a I l B T Φ=Φ=⋅Φ==ππττ222222apNC Tπ2=是电枢总电流，从表达式可以看出，电磁转矩的大小正比与每极磁通和电枢电流。
3．转矩平衡方程式：直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩 ；一个是电磁转矩T ；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示T0,.空载转矩是一个制动性转矩,永远与转 速n 的方向相反4．功率平衡方程式：从原动机输入的机械功率可用下式表示 ：式中电磁功率PM 为转换成电枢回路的电功率：则发电机的效率为：（二）直流电机的励磁方式1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。
2．直流电机种类：按励磁方式分为有（1）他励直流电机；（2）并励直流电机；（3）串励直流电机；（4）复励直流电机等四种，如图3－7所示。
四、直流电机的铭牌数据和主要系列a a ai I 2=01T T T +=0011)(P PT T T P M +=Ω+=Ω=a a a a a a a a MR I UI I R I U I E T P 2)(+=+==Ω=cuacuf cua f p p P p I I U ++=++=2)(∑∑+-==pP p P P 2121η（一）直流电机的铭牌数据每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件，图3-8为某台直流电动机的铭牌。
1.电机型号：型号表明电机的系列及主要特点。
知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。
2.额定功率PN：指电机在额定运行时的输出功率。
对发电机是指明输出电功率PN＝UNIN对电动机是指明输出的机械功率PN＝UNINηN3.额定电压UN：指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。
4.额定电流IN：指额定电压和额定负载时允许电机长期输人（电动机）或输出（发电机）的电流。
5.额定转速nN：指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。
6.电动机额定效率ηN：指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输人功率P1＝UNIN 比值的百分数。
五、他励直流电动机（一）他励直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。
（二）他励直流电动机机械特性方程式1．机械特性方程式还可以写成n=n0－βT=n0－Δn （3-11）2．机械特性曲线如图3－12所示（三）他励直流电动机的固有机械特性当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为由于电枢绕组的电阻Ra阻值很小，而φN值大，因此Δn很小，固有机械特性为硬特性。
（四）他励直流电动机的人为机械特性为人为机械特性：人为地改变电动机气隙磁通φ、电源电压U和电枢回路串联电阻Rpa 等参数，获得的机械特性。
（1）人为机械特性方程为（2）人为机械特性的特点为1）理想空载转速n0保持不变；2）机械特性的斜率β随Rpa的增大而增大，特性曲线变软。
图3-l3为不同Rpa时的一组人为机械特性曲线。
从图中可以看出改变电阻Rpa大小，可以使电动机的转速发生变化，因此电枢回路串电阻可用于调速。
2．改变电源电压时的人为机械特性（1）人为机械特性方程为（2）人为机械特性的特点为1）理想空载转速n0正比于电压U，U下降时，n0成正比例减小；2）特性曲线斜率p不变。
图3－14为调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。
因此，降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。
3．改变磁通时的人为机械特性（1）人为机械特性方程式为（2）人为机械特性的特点是1）理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通φ，n0升高；2）斜率β与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。
图3－l5所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着φ减弱，n0升高，曲线斜率变大。
若用于调速，则φ越小，转速越高。
六、 他励直流电动机的起动直流电动机的起动与别的电动机的起动不同，他励直流电动机不允许直接起动。
因为他励直流电动机电枢电阻Ra 阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的10－20倍，起动转矩也很大。
过大的起动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。
而过大的起动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。
所以全压起动只限于容量很小的直流电动机。
（一）起动方法直流电动机的起动包括直接起动、降压起动和电枢回路串电阻起动。
（二）电枢回路串电阻起动此时起动电流将收到外加起动电阻的限制，随着电机转速n 的升高，反电动势E 增大，再逐步切除外加电阻－直到全部切除，电动机达到所要求的转速。
这种起动方式对于额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法启动。
起动前先把启动变阻器调到最大值，加上励磁电压Uf ，保持励磁电流为额定值不变。
再接电枢电压，电动机开始起动。
随着转速的升高，逐渐减小启动变阻器的电阻，直到全部切除。
额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。
下面就是一个三级起动的例子。
（三）起动过程分析起动开始瞬间，电枢电路中接入全部起动电阻，起动电流 达到最大值，即 随着电动机转速的不断增加，电枢电 流和电磁转矩将逐渐减小，电动机沿着曲线1的箭头所指的方向变化。
