1、課程設計名稱：電機與拖動課程設計題 目：直流電動機電樞串電阻起動設計指導教師： 專 業： 班 級： 姓 名： 學 號： 遼寧工程技術大學課程設計成績評定表學 期姓 名專 業班 級課程名稱論文題目評 定 標 準評定指標分值得分知識創新性20理論正確性20內容難易性15結合實際性10知識掌握程度15書寫規范性10工作量10總成績100評語：任課教師時 間年 月 日備 注課程設計任務書一、 設計題目 直流電動機電樞串電阻起動設計二、 設計任務 某廠一臺Z4系列他勵直流電動機，參數如下：PN=200KWUaN=440VIaN=497AnN=1500r/minRL=0.076欲采用電樞串電阻啟動，試設計

2、其起動級數和各級起動電阻。三、 設計計劃電機與拖動課程設計共計一周內完成。第12天查資料，熟悉題目；第35天方案分析，具體按步驟進行設計及整理設計說明書；第6天準備答辯；第7天答辯。四、 設計要求1、 設計工作量為按要求完成設計說明書一份；2、 設計必須根據進度計劃按期完成；3、 設計說明書必須經指導教師審查簽字方可答辯。指 導 教師：仲偉堂 王繼強 王巍教研室主任：仲偉堂時 間：2008 年 6 月 27 日目 錄一、 直流電動機的基本結構5二、 直流電機的工作原理6三、 直流電機的額定值及勵磁方式6四、 直流電機的銘牌數據和主要系列8五、 他勵直流電動機9六、 他勵直流電動機的起動12七、

3、 具體電機啟動設計14八、 結論15九、 體會18十、 致謝19十一、 主要參考文獻20直流電動機電樞串電阻起動直流電動機是人類最早發明和應用的一種電機。與交流電動機相比，直流電動機有著不可比擬的優越性，但同時因結構復雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發展，使其應用不如交流電機廣泛。但直流電動機具有優良的起動、調速和制動性能，并且其供電的質量高、可靠性強，因此在化學工業中的電鍍、電解等設備，直流電焊機和某些大型同步電機的勵磁電源都使用直流發電機作為供電電源。因此，直流電機也是當今時代不可或缺的。一、直流電機的基本結構直流電機的結構示意圖如圖3-6所示。它由定子（靜止的）和轉子（旋轉的）兩個

4、基本部分組成。（一） 定子定子主要由（1）主磁極；（2）換向磁極；（3）機座、端蓋和電刷裝置等組成。 1主磁極 主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成。（1）磁極鐵心：由l1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。是磁路部分。（2）勵磁線圈：是磁路部分。產生主磁場。2 換向磁極換向磁極也是由鐵心和換向磁極繞組組成，位于兩主磁極之間，是比較小的磁極。作用：是產生附加磁場，以改善電機的換向條件，減小電刷與換向片之間的火花。3機座 機座由鑄鋼或厚鋼板制成。 作用：來安裝主磁極和換向磁極等部件和保護電機，它既是電機的固定部分，又是電機磁路的一部分。 4端蓋與電刷 作用：支持轉子的轉軸，固定電刷架。 （二）轉子

5、轉子（電樞）的組成：主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。1鐵心：由0.5厚硅鋼片疊壓而成。 作用：來嵌放電樞繞組，是直流電機磁路的一部分。2電樞繞組：其作用是產生感應電動勢和電磁轉矩。3換向器：換向器又稱整流子，其作用是將直流電動機輸人的直流電流轉換成電樞繞組內的交變電流，進而產生恒定方向的電磁轉矩，或是將直流發電機電樞繞組中的交變電動勢轉換成輸出的直流電壓。（三）氣隙 氣隙是電機磁路的重要部分。轉子要旋轉，定子與轉子之間必須要有氣隙，稱為工作氣隙。氣隙大小對電機性能有很大影響。二、直流電動機的工作原理 如圖3-5所示，電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉軸與機械負載相連，

6、這時便有電流從電源的正極流出，經電刷A流入電樞繞組，然后經電刷B流回電源的負極。在圖3-5所示位置，在N級面下導線電流是由a到b，根據左手定則可知導線ab受力的方向想左，而cd受力的方向是向右的。當兩個電磁力對轉軸所形成的電磁轉矩大于阻轉矩時，電動機逆時針旋轉。當線圈轉過180度時，這時導線的電流方向已經改變為由d到c和b到a，因此電磁轉矩的方向仍然是逆時針的。這樣，就使得電機一直旋轉下去。三、直流電機的額定值及勵磁方式（一）直流電機的額定值為了使電機安全可靠地工作，且保持優良的運行性能電機廠家根據國家標準及電機的設計數據，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉速等規定了保證值，這些保證值稱

7、為電機的額定值。直流電機的額定值有： 1額定容量 （功率）（kW） 2額定電壓 （V）；3額定電流 （A）;4額定轉速 （rmin）；5勵磁方式和額定勵磁電流 （A）1電樞電動勢：電樞電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應電動勢，也就是電樞繞組里每條并聯支路的感應電動勢。所以，我們可以先求一根導體的在一個極距范圍內所產生的平均電動勢，再求一條支路的。一個磁極極距范圍內，平均磁密用 表示，極距為 ，電樞的軸向有效長度為 ，每極磁通為，則一根導體的平均電動勢為：又因為：所以：2電磁轉矩： 如果電動勢和發電機相關，那么，電磁轉矩和電動機可以聯系在一起，求解電磁轉矩的過程和求解電動勢是一樣的：1）先求一

8、個導體的平均電磁力：2）平均電磁力乘以電樞的半徑，即得到一根導體所受的平均轉矩：3）電機總的電磁轉矩則為：式中： 是一個常數，稱為轉矩常數， 是電樞總電流，從表達式可以看出，電磁轉矩的大小正比與每極磁通和電樞電流。3轉矩平衡方程式： 直流發電機在穩態運行時，電機的轉速為n,作用在電樞上的轉矩共有三個：一個是原動機輸入給發電機轉軸上的驅動轉矩 ；一個是電磁轉矩T；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以及鐵損耗引起的轉矩，叫空載轉矩，用表示T0,.空載轉矩是一個制動性轉矩,永遠與轉 速n的方向相反 4功率平衡方程式：從原動機輸入的機械功率可用下式表示 ： 式中電磁功率PM為轉換成電樞回路的電功率：則發電

9、機的效率為：（二）直流電機的勵磁方式1勵磁方式：直流電機的勵磁繞組的供電方式。2直流電機種類：按勵磁方式分為有（1）他勵直流電機；（2）并勵直流電機；（3）串勵直流電機；（4）復勵直流電機等四種，如圖37所示。 四、直流電機的銘牌數據和主要系列（一）直流電機的銘牌數據每臺直流電機的機座上都有一個銘牌，其上標有電機型號和各項額定值，用以表示電機的主要性能和使用條件，圖3-8為某臺直流電動機的銘牌。1.電機型號：型號表明電機的系列及主要特點。知道了電機的型號，便可從相關手冊及資料中查出該電機的有關技術數據。 2.額定功率PN：指電機在額定運行時的輸出功率。 對發電機是指明輸出電功率PNUNIN 對

10、電動機是指明輸出的機械功率PNUNINN3.額定電壓UN：指額定運行狀況下，直流發電機的輸出電壓或直流電動機的輸入電壓。4.額定電流IN：指額定電壓和額定負載時允許電機長期輸人（電動機）或輸出（發電機）的電流。5.額定轉速nN：指電動機在額定電壓和額定負載時的旋轉速度。6.電動機額定效率N：指直流電動機額定輸出功率PN與電動機額定輸人功率P1UNIN比值的百分數。五、他勵直流電動機（一） 他勵直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性：是在穩定運行情況下，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系，即n=f(T)。（二）他勵直流電動機機械特性方程式1機械特性方程式還可以寫成n=n0T=n0n （3-11）

11、 2機械特性曲線如圖312所示（三）他勵直流電動機的固有機械特性當他勵直流電動機的電源電壓、磁通為額定值，電樞回路未接附加電阻Rpa時的機械特性稱為固有機械特性，其特性方程為 由于電樞繞組的電阻Ra阻值很小，而N值大，因此n很小，固有機械特性為硬特性。 （四）他勵直流電動機的人為機械特性 為人為機械特性：人為地改變電動機氣隙磁通、電源電壓U和電樞回路串聯電阻Rpa等參數，獲得的機械特性。（1）人為機械特性方程為 （2）人為機械特性的特點為1）理想空載轉速n0保持不變；2）機械特性的斜率隨Rpa的增大而增大，特性曲線變軟。 圖3-l3為不同Rpa時的一組人為機械特性曲線。 從圖中可以看出改變電阻

12、Rpa大小，可以使電動機的轉速發生變化，因此電樞回路串電阻可用于調速。2改變電源電壓時的人為機械特性（1）人為機械特性方程為 （2）人為機械特性的特點為1）理想空載轉速n0正比于電壓U，U下降時，n0成正比例減小；2）特性曲線斜率p不變。圖314為調節電壓的一組人為機械特性曲線，它是一組平行直線。因此，降低電源電壓也可用于調速，U越低，轉速越低。 3改變磁通時的人為機械特性（1）人為機械特性方程式為（2）人為機械特性的特點是1）理想空載轉速與磁通成反比，減弱磁通，n0升高；2）斜率與磁通二次方成反比，減弱磁通使斜率增大。圖3l5所示為一組減弱磁通的人為機械特性曲線，隨著減弱，n0升高，曲線斜率

13、變大。若用于調速，則越小，轉速越高。 六、 他勵直流電動機的起動直流電動機的起動與別的電動機的起動不同，他勵直流電動機不允許直接起動。因為他勵直流電動機電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動的起動電流很大，通常可達額定電流的1020倍，起動轉矩也很大。過大的起動電流引起電網電壓下降，影響其他用電設備的正常工作，同時電動機自身的換向器產生劇烈的火花。而過大的起動轉矩可能會使軸上受到不允許的機械沖擊。所以全壓起動只限于容量很小的直流電動機。（一） 起動方法直流電動機的起動包括直接起動、降壓起動和電樞回路串電阻起動。（二） 電樞回路串電阻起動此時起動電流將收到外加起動電阻的限制，隨著電機轉速n的升

14、高，反電動勢E增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動機達到所要求的轉速。這種起動方式對于額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內串聯起動變阻器的方法啟動。起動前先把啟動變阻器調到最大值，加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流為額定值不變。再接電樞電壓，電動機開始起動。隨著轉速的升高，逐漸減小啟動變阻器的電阻，直到全部切除。額定功率較大的電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中既有比較大的起動轉矩，又使起動電流不會超過允許值。下面就是一個三級起動的例子。（三）起動過程分析起動開始瞬間，電樞電路中接入全部起動電阻，起動電流 達到最大值，即 隨著電動機轉速的不斷增加，電樞電流和電磁轉矩將逐漸減小，電動

15、機沿著曲線1的箭頭所指的方向變化。當轉速升高至 ，電流降至Ist2（圖中b點）時，接觸器KM1觸頭閉合，將電阻 R1 短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到特性曲線2上的c點（c點的位置可由所串電阻的大小控制），電動機又沿曲線2的箭頭繼續加速。當轉速升高至n2電流又降至Ist2（圖中d點）時，接觸器KM2觸頭閉合，將電阻R2短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到特性曲線3上的e點，電動機又沿曲線3的箭頭繼續加速。當轉速升高至n3電流又降至Ist2（圖中f點）時，接觸器KM3觸頭閉合，將電阻R3短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到固有特性曲線4上的g點，電動

16、機又沿曲線4的箭頭繼續加速，最后穩定運行在固有特性曲線上的h點，起動過程結束。（四）他勵直流電機啟動電阻的計算 選擇啟動電流I1和切換電流I2 為保證與啟動轉矩T1對應的啟動電流I1不會超過所允許的最大電樞電流Iamax,選擇：I1=（1.52.0）IaN，對應的啟動轉矩TI=（1.52.0）TN。為保證有一定的加速轉矩，減少啟動時間，一般選擇切換轉矩為T2=（1.11.2）TL，對應的切換電流I2為I2=（1.11.2）IL。求出起切電流比 = 求出電動機的電樞電路電阻Ra Ra可以根據實測或者銘牌上提供的額定值進行估算，由于在忽略T0的情況下，P2=Pe=EIa，因此，在額定狀態下進行時，

17、。求出啟動時電樞啟動總電阻Rm m級啟動時電樞啟動總電阻為。求出啟動級數m m的計算公式為重新計算，校驗I2是否在規定范圍之內。若m是取相近整數，則需重新計算。根據式重新計算，并根據= 重新計算I2，并校驗I2是否在所規定的范圍之內。若不在規定范圍之內，需加大啟動級數m，重新計算和I2，直到滿足要求為止。求出各級總電阻R0=RaR1=R0=RaR2=R1= 求出各級啟動電阻 .(3)若啟動級數已定,計算步驟如下:選擇電流I1，計算出Ra，Rm，I2，根據求出的I2效驗其是否在規定范圍內，否則加大啟動級數m重新計算，最后求出各級總電阻和啟動電阻。七、具體電機起動設計根據設計任務書，我的電機啟動設

18、計如下：（1）選擇I1和I2 I1=（1.52.0）IaN=（1.52.0）A=(745.5994)A I2=（1.11.2）IaN=（1.11.2）A=(546.7596.4)A選擇電流 I1=840A I2=560A（2）求出起切電流比 （3）求出啟動時的電樞電路電總阻Rm （4）求出啟動級數m 取m=5（5）重新計算，效驗I2 I2規定范圍內（6）求出各級總電阻 （7）求出各級啟動電阻八、 結論i. 電樞回路串電阻啟動設備簡單，操作方便，同樣可以把啟動電流限制在所允許的范圍內，但在啟動過程中要將電阻分段切除。一般對于額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內串聯啟動變阻器的方法啟動。額定功率

19、較大的電動機一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中既有比較大的啟動轉矩，又使啟動電流不會超過允許值。ii. 三種啟動方法的比較(1)直接啟動： 1、優點：不需要專用的設備，操作簡單，投資較小。 2、缺點：啟動電流將達到很大的數值，將出現強烈的換向火花， 造成換向困難，還可能引起過流保護裝置的誤動作或引起電網電壓的下降，影響其他用戶的正常用電；啟動轉矩也很大，造成機械沖擊，易使設備受損。(2)降壓啟動: 1、優點：啟動平穩，啟動轉矩容易控制，啟動過程中能量損耗小，易于實現自動化。2、缺點：需要專用電源，初期投資較大，啟動設備復雜。（3）串電阻啟動：1、優點：啟動方法簡單，且設備簡單，操作方便，容

20、易實現。 2、缺點：能耗較大，不宜用于頻繁啟動的大、中型電動機。一、他勵支流電動機串電阻啟動計算方法 選擇啟動電流I1和切換電流I2I1=（1.52.0）IaN，對應的啟動轉矩TI=（1.52.0）TN 對應切換轉矩為T2=（1.11.2）TL對應的切換電流為I2=（1.11.2）IL 求出起切電流比= 求出電動機的電樞電路電阻Ra在額定狀態下進行時，。求出啟動時電樞啟動總電阻Rm m級啟動時電樞啟動總電阻為。求出啟動級數m重新計算，校驗I2是否在規定范圍之內。若m是取相近整數，則需重新計算。根據式重新計算，并根據= 重新計算I2，并校驗I2是否在所規定的范圍之內。若不在規定范圍之內，需加大啟動級數m，重新計算和I2，直到滿足要求為止。求出各級總電阻R0=RaR1=R0=RaR2=R1= 求出各級啟動電阻 .九、體會歷時一周的課程設計即將結束了，在這一周的時間里，我學到了很多。由于是第一次做課程設計，一切成都事從頭開始，在摸索中成長的我感覺一切都比較生疏但也很新鮮。在做課程設計時，我不僅學到了關于專業課的知識，還學到了很多電腦的應用知識，很好的訓練了自己的動手能力，可以說是理論聯系實際的完