直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　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

2、來越小，因此這種制動(dòng)方法在轉(zhuǎn)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

3、份課程設(shè)計(jì)中，我們將會(huì)仔細(xì)分析能耗制動(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>　　2 他勵(lì)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&g

4、t;　　圖2-1</b></p><p><b>　　（1）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。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

5、上。機(jī)座也是磁路的一部分，常用鑄鋼制成。電刷是引入電流的裝置，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)的磁場是一個(gè)恒定不變的磁場，是由勵(lì)志繞組中的直流電流形成的磁場方向和勵(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&

6、gt;</p><p>　　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

7、用云母墊片絕緣。換向片嵌放在套筒上，用壓圈固定后成為換向器再壓裝，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>　　3 制動(dòng)方法制動(dòng)和制動(dòng)過程</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有多種

8、：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)速從穩(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。<

9、;/p><p>　　3.1能耗制動(dòng)之迅速停機(jī)</p><p>　　3.1.1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

10、磁場方向不變，故E的方向也不變。由于電源被瞬間切除，此時(shí)相對(duì)于之前正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流方向Ia改變，而磁場方向不變，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>　　3.1.2迅速停機(jī)之狀態(tài)分析&l

11、t;/p><p>　　上述過程我們也可以用公式來說明，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如圖2-1-2:</p><p><b>　　圖2-1-1</b></p><p><b>　　n與T關(guān)系如下：</b></p><p>　　能耗制動(dòng)時(shí)，如圖2-1-2：</p><p><b>　　圖2

12、-1-2</b></p><p>　　Ua=0，電樞回路中又增加制動(dòng)電阻Rb. </p><p><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*

13、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

14、/Iamax-Ra</p><p>　　3.2能耗制動(dòng)之下放重物</p><p>　　3.2.1下放重物之機(jī)械特性</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)

15、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

16、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>0的情況。</p><p><b>　　圖2-2-1</b></p><p>　　3.2.2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

17、-2：</p><p><b>　　圖2-2-2</b></p><p><b>　　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

18、2-2-3</b></p><p>　　T=TL，則可以得出：</p><p>　　n= (Ra+Rb)*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/Ia

19、c= 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，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

20、*CT*Φ*Φ*n/TL- Ra.</p><p><b>　　4 參數(shù)設(shè)定和設(shè)計(jì)</b></p><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

21、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。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

22、：</b></p><p><b>　　表3-2</b></p><p><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>

23、　　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

24、的大小要求，并以表格的形式給出。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我了解到了這不是一件容易的事情。我們要僅僅學(xué)習(xí)的是理論知識(shí)，要想真的做出點(diǎn)成績，一定要通過實(shí)踐才可以。從無知道人是，到深入了解，漸漸的喜歡了這個(gè)全新的專業(yè)，原來過程才是最美的。</p><p>　　經(jīng)過一周的奮戰(zhàn)，課程設(shè)計(jì)完成了

25、，在沒有做設(shè)計(jì)之前，還簡單的以為是對(duì)這門課程的總結(jié)，但通過這次設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法是片面的。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一種經(jīng)驗(yàn)，而且是是對(duì)自己能力的提高。通過設(shè)計(jì)讓我明白這是一個(gè)長期的積累過程，今后的工作、學(xué)習(xí)、生活中應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己。</p><p>　　設(shè)計(jì)過程中，查閱大量的有關(guān)資料，并與同學(xué)交流，學(xué)到了不少知識(shí)，收獲頗多。在設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)了獨(dú)立自主的工作能力，是自己獨(dú)立思考的能力也有所提高，在設(shè)計(jì)中

26、不僅學(xué)到了知識(shí)，也讓我感到生活的充實(shí)和學(xué)習(xí)的快樂，以及收獲知識(shí)的滿足。真正接觸到了實(shí)踐，為今后的工作奠定了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次《電機(jī)與拖動(dòng)》的課程設(shè)計(jì)是由xx三位老師精心指導(dǎo)的。他們認(rèn)真負(fù)責(zé)，態(tài)度和藹，認(rèn)真解答疑難問題,他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣。他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予

27、我無盡的啟迪。 </p><p>　　感謝同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)。沒有他們的幫助和提供資料我很難在一周內(nèi)完成設(shè)計(jì)，感謝大家對(duì)我的幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[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)