过控1班 4组 直流电机的结构及直流电机制动特性分析

1、电机及拖动课程项目直流电机的结构及直流电机制动特性分析课程名称：电机及拖动指导教师：肖莹项目名称：直流电机的结构及直流电机制动特性分析班级组次：过控1班第4组课题组的贡献：于力一 编写项目报告、MATLAB仿真 郭正阳 整理报告、设计PPT 姚家欣 克童语 编写项目报告、设计PPT 2016年11月直流电机的结构及直流电机制动特性分析作者 于力一、郭正阳、姚家欣、克童语（燕山大学 电气工程学院）摘要：本次项目课程主要包括两个部分：直流电机的拆解实验和直流电机制动特性的分析。对于电机的拆解实验，本论文以图片和文字的形式对拆解过程进行记录分析，并且对电机的组成及各部分的作用进行论述。对于直流电机制

2、动特性分析部分，重点以直流电机带动位能性负载为例进行运行特性的分析和相关参数的计算，并给出MATLAB仿真输出结果。前言一、项目实施背景本课程研究项目是电机及拖动课程学习的一个重要组成部分。通过课程研究项目的实施，使学生在掌握电机及拖动课程理论的基础上，深入了解并掌握电机及拖动的相关知识，掌握研究(开发)技术报告的撰写方法，使学生具备独立思考问题的基本能力，提高解决工程实际问题的能力，更好地培养自动化类学生的专业技术能力和综合素质。二、项目实施目的1、掌握交流电机和直流电机的基本工作原理和机械特性；2、运用所学知识对电机进行拆解，加深对交流电机和直流电机的基本结构的理解，画出绕组展开图；3、分

3、析交流电机和直流电机的工作磁场；4、掌握交流电机和直流电机的四象限运行特性；5、利用MATLAB对交流电机和直流电机的四象限运行进行仿真研究；6、掌握研究方案报告的撰写方法；7、引导学生积极思考、主动学习，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力，培养团队合作精神、项目组织与管理。三、项目实施范围本课程项目围绕直流电机和交流电机设有一个三级项目，项目实施范围为自动化的14级自动化的七个班级，涉及交流电机和直流电机的结构、工作原理、磁场分布特征、运行特性分析，共设有8个项目主题。四、项目相关介绍本次课题项目主要是就他励直流电动机的制动特性进行分析的。制动特性主要包括能耗制动、反接制动（包括倒拉反转运

4、行）和回馈制动三个部分。本小组主要是对制动运行过程拖动位能性负载进行相关参数的计算，并且运用MATLAB进行运行状态的仿真，得到电机在第四象限的转速和电流随时间的变化关系。1.直流电机的拆解实验 实验进行前小组内对直流电机的具体结构进行了详细了解，对拆解电机的步骤进行了细致的安排，拆解电机时小组内首先明确任务分工，考虑到直流电机比较笨重，结构复杂，本组男生主要负责电机的拆解与安装操作，实验过程的记录和相关数据的测量统计主要由女生负责。为了避免安装失败，拆解电机的关键过程都进行了拍照记录，对拆解下来的零件做好标签进行分类。经过实验前小组成员的精心准备和实验过程的密切配合，直流电机的拆解实验顺利完

5、成。以下是对拆解过程的记录。1.1拆解电机 Step1 拆去接直流电机的所有接线、底脚螺栓； Step2 打开换向器的视察窗，再拆下刷杆上的连接线，拆动刷架前应在刷架与机座上做好标记，便于安装后调整电刷中性线； Step3拆动轴承端的联轴器或带轮； Step4 拆除机前小端盖，前端盖，机后小端盖，通风盖板； Step5 拆除后端盖，拆除时在端盖边缘垫以木楔用铁锤沿端盖四周轻轻均匀敲击，使端盖正口脱离机座及轴承外圈取出刷架，用纸板将换向器包好； Step6拆除转子；1.2测量数据表1-1 直流电机的铭牌数据型 号Z2-21励磁方式复激额定功率0.7kw励磁电压230V额定电压230V励磁电流0.

6、2A额定电流3.04A工作方式（定额）连续额定转速1450rpm绝缘等级B1.3安装电机 Step1 装配定子。铁芯和绝缘表面应无油渍和锈蚀；Step2 安装后端盖，挡尘板，机后小端盖，前端盖安装机前小端盖，联轴器；Step3将电刷放入刷盒内，压好弹簧，研磨电刷，测量各电刷刷压，压差不可超过10%.1.4分析直流电机转子定子各部分的作用1.4.1定子组成及作用（1）机座机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板

7、焊接而成。（2）主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，（3）换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。（4）电刷装置电刷装

8、置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。1.4.2转子组成及作用（1）电枢铁芯电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动

9、势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。（3）换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片

10、绝缘。2.直流电机特性分析2.1他励直流电机的工作原理线圈连着换向片，换向片固定于转轴上，随电机轴一起旋转，换向片之间及换向片与转轴之间均互相绝缘，它们构成的整体称为换向器。电刷在空间上固定不动。在电机的两电刷端加上直流电压，由于电刷和换向器的作用将电能引入电枢线圈中，并保证了同一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了电动机能连续地旋转，以实现将电能转换成机械能以拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。注意：每个线圈边中的电流方向是交变的。2.2他励直流电动机机型特性为了更好的了解他励直流电动机的运行特性，本小组首先对电机的固有机械特性以及改变

11、串接电阻、改变两极磁通、改变电枢电压的人为机械特性进行了软件仿真，由于该部分不是本题目的主要部分，这里只是列出仿真结果，相关程序见附录。 图2-1 他励直流电动机固有机械特性曲线图2-2 电枢回路串入电阻的人为机械特性图2-3 改变电枢电压的人为机械特性 图2-4 改变气隙磁通的人为机械特性2.3直流电机制动运行特性分析2.3.1能耗制动运行特性（1）原理叙述他励直流电动机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采取能耗制动，如图2-6所示，电动机运行点从ABO，BO是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但是到了O点以后，如果不采用其他办法停车，如抱闸抱住电动机轴，则由于电磁转矩

12、，小于负载转矩，系统会继续减速，即开始反转。电动机的运行点沿着能耗制动机械特性曲线从OC，C点处T=TL,系统稳定运行于C点。该处电动机的电磁转矩T0,转速n0,T与n方向相反，T为制动性转矩，这种稳定运行状态称为能耗制动运行。（2）机械特性方程 （2.1）（3）机械特性曲线 nTABOn0nAnCTL-TB-TL C 图2-5 能耗制动机械特性曲线 图2-6 能耗制动第四象限特性仿真2.3.2反接制动运行特性（1）原理叙述反接制动停车是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串入限流电阻R来实现的。拖动反抗性恒转矩负载，采用反接制动停车时，其机械特性如图2-8所示。本来电

13、动机的工作点在A，反接制动后，电动机运行点从ABC，到C点后电动机转速n=0，制动停车过程结束，应立即将电动机的电源切除。这一过程中电动机运行与第象限，T0,T与n反向，T是制动性转矩，上述过程称为反接制动过程。如果他励直流电动机拖动反抗性恒转矩负载进行反接制动的机械特性如图 所示，那么制动过程到达C点时，n=0,T0,这时若停车就应及时切除电动机的电源，否则在C点，由于T-TL,系统会反向启动，直到D点运行。如果他励直流电动机拖动位能性负载，那么电机在C点将不能实现停车，经过反向电动加速、回馈制动稳定运行在第四象限，这部分详细内容将会在反接回馈制动部分分析。(2)机械特性方程 （2.2）(3

14、)机械特性曲线AnTn0BCOTL-n0(b)Tnn0BOTL-TL-n0-TLACD（a） 图2-7 反接制动机械特性曲线图2-8 反接制动第四象限特性仿真2.3.3倒拉反转运行特性(1)原理叙述他励直流电动机拖动位能性负载运行，若电枢回路串入电阻时，转速n下降。但是，如果电阻值大到一定程度后见图2-10所示，就会使转速n0,与n方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行。与感应电动势不变、外界电压反接时的情况完全相同，因此，这也是一种反接制动，这里只给出相关原理的说明，不再进行仿真。（2）机械特性方程 （2.3）（3）机械特性曲线nATL1TL2On0TC 图2-9 倒拉

15、反转机械特性曲线2.3.4回馈制动运行特性（1）原理叙述如图2-10（a）所示为他励直流电动机电源电压降低，转速从高向低天界的过程。原来电机运行在固有机械特性曲线的A点上，电压降为U1后，电动机运行点从ABCD，最后稳定运行在D点。在这一降速过程中，从BC这一阶段，电动机的转速n0，而电磁转矩T0,转速n0,T与n反向，称为反向制动运行。（2）机械特性方程 （2.4）（3）机械特性曲线nTL1TL2ABOCD-n0-UN,Ra+R TOTL1nABn01n0CT(a)正向回馈制动运行（b）反向回馈制动运行 图2-10 回馈制动机械特性曲线 图2-11 回馈制动第四象限特性分析3.参数计算 这里

16、采用参考资料中一例题提供的他励直流电动机的参数进行计算与仿真。额定数据如下，电枢回路的总电阻，系统的飞轮矩为，负载转矩为，反接制动其实电流为.计算过程如下:分别考虑以1175rpm高速下放位能性负载和以212rpm低速下放位能性负载。由以上对他励直流电动机制动特性的分析可知，能耗制动和倒拉反转运行适合低速下放重物，反向回馈制动（反接制动拖动位能性负载）适合高速下放重物。在仿真过程可以实现对制动过程中的各参量的输出，这里仅对制动的过渡过程进行分析。(1) 反向回馈制动高速下放重物反向回馈制动机械特性方程为亦可写作 (2-5)相应的动力学方程为 (2-6)对于位能性负载，回馈制动在D点不停车，则整

17、个制动过程包括停车、反向制动运行以及回馈制动状态，最后稳定运行在C点，考虑到整个制动阶段外部条件并未发生变化，过度过程可以采用统一表达式来描述，过渡曲线为 (2-7) (2-8)总的制动时间为 串入电阻为 (2-9)运行程序计算结果为（2）能耗制动低速下放重物能耗制动过程的机械特性可表示为相应的动力学方程为拖动系统的基本关系式为 (2-10)整理得 (2-11)式中，机电时间常数。对于位能性负载，当时，整理得 (2-12) （2-13）总的制动时间为 由转速特性可以求得能耗制动时串入电阻RB由 可得 (2-14)运行程序计算出结果如下 （3）倒拉反转运行低速下放重物倒拉反转运行的机械特性为亦可

18、写作 (2-15)可得 (2-16)系统的动力学方程为 (2-17)前文已述，倒拉反转运行下放位能性负载时与反接制动过程类似，这里对倒拉反转运行的制动过程不再赘述。4.直流电机在实际生活中的应用直流电机具有良好的启动和调速性能，常用于对启动和调速要求较高的场合，如大型可逆轧钢机，矿井卷扬机，宾馆高速电梯，龙门刨床，电力机车，内燃机车，城市电车，地铁列车，电动自行车，造纸和印刷机械，船舶机械，大型精密机床，和大型起重机等生产机械中；在日常生活中直流电机的应用相对于交流电机而言比较少，基本都是一些小功率的比如说那些充电后使用的转动的电器都是直流电机，比如电动剃须刀、玩具赛车，电动自行车等。5.项目

19、实施结论与体会 本次的三级项目任务对于我们来讲，收获颇多。 首先，在任务的第一部分拆解和组装电机中，我们第一次脱离了课本来亲手对电机进行操作，这与课本中的图片是不同的，我们看到了立体的“活生生”的电机，它让我们把它的结构以及组成部分深深的刻在了脑子里，换句话说，我们对电机的结构有了更进一步的认识。得心应手的拆解，有条不紊的分装，使我们信心倍增，观察定子，转子，测量数据，一系列的操作非常顺利。然而，在安装过程中，我们却遇到了麻烦，孔对不准，无法上螺丝，这让我们如同丈二的和尚，摸不着头脑。一次一次的尝试，换来的却是一次一次的失败，但是我们并没有气馁，依然饱含热血地不断尝试，功夫不负有心人，终于，我

20、们在老师和同学们的帮助下克服了困难，按时完成了电机的安装。三个小时的时间看似短暂，但是我们不仅仅提高了自身的动手操作能力和增强了对直流电机结构的感性认识，更体会到了团结、不放弃的惊人力量，让我们在今后的学习生活中更加坚定信念，勇往直前。我们又利用课余时间对直流电机的制动特性进行了系统的分析，计算，画图，分工都很明确，俗话说，众人拾柴火焰高，我们的火焰也是越烧越旺。通过这项任务，我们巩固了自己所学的知识，同时也培养了自己分析问题和解决问题的能力，为以后的课程和工作打下了坚实的基础。 参考文献：1 李发海 王岩编著.电机与拖动基础.北京：清华大学出版社.2012.2 刘锦波 张承慧编著.电机与拖动

21、.北京:清华大学出版社.2006.附录%绘制他励直流电动机人为机械特性clc; clear;U_N=220;P_N=22;I_N=115;n_N=1500;R_a=0.18;R_f=628;p=2;z=372;a=1; C_E=p*z/(60*a); C_T=9.55*C_E; Ia_N=I_N-U_N/R_f;C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N;C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N;Phi_N=C_EPhi_N/C_E; Ia=0:Ia_N;n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia;Te=C_TPhi_N*Ia;P1=U_N*Ia+U_N*

22、U_N/R_f;T2_N=9550*P_N/n_N;figure(1);plot(Te,n,k-);xlabel(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速n);title(固有机械特性);ylim(0,1800);figure(2);R_c=0;n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,r-);xlabel(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速n);title(降低电压人为机械特性);hold on;R_c=0; for coef=1:-0.25:0.25; U=U_N*coef; %U=U_N:-20:140;

23、 n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(U=,num2str(U),V); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str);endfigure(3);n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,k-);xlabel(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速n);title(增加电枢电阻人为机械特性);hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EP

24、hi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,k-); str=strcat(R=,num2str(R_c+R_a),Omega); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str);endfigure(4);R_c=0;n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,k);xlabel(电磁转矩Te/N.m);ylabel(转速n/rpm);title(改变磁通的人为特性);hold on;U=U_N;for coef=1:-0.25:0.25;

25、 Phi=Phi_N*coef; n=U/(C_E*Phi)-R_a/(C_E*Phi*C_T*Phi)*Te; plot(Te,n,b-); str=strcat(phi=,num2str(coef),*phi_N); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str);end%能耗制动过程位能性负载第四象限clcclearPn=5.6*1e+3;Un=220;In=31;Nn=1000;ra=0.4;GD2=9.8;TL=49;n1=-1175;n2=-212;Cefai=(Un-In*ra)/Nn;Ctfai=9.55*Cefai;EaN=Cefai*Nn;R

26、b=-Cefai*n2/In-ra;TM=GD2*(Rb+ra)/(375*Cefai*Ctfai);nz=-(Rb+ra)*TL/(Cefai*Ctfai);Iz=TL/Ctfai;tb=TM*log(Nn+abs(nz)/abs(nz)+3*TM;for i=1:400 t(i)=20*TM*i/400; n(i)=nz+(Nn-nz)*exp(-t(i)/TM); ia(i)=Iz+(-2*In-Iz)*exp(-t(i)/TM);end subplot(2,1,1); plot(t,n,-) title(能耗制动) xlabel(时间);ylabel(转速); hold on; subplot(2,1,2); plot(t,ia,b.) axis(0 10 -60 40); xlabel(时间);ylabel(电流); hold on; disp(End); tb Rb %反向回馈制动过程位能性负载第四象限clcclearPn=5.6*1e+3;Un=220;In=31;Nn=1000;ra=0.4;GD2=9.8;TL=49;n1=-1175;n2=-212;Cefai=(Un-In*ra)/Nn;Ctfai=9.55*Cefai;EaN=Cefai*Nn;Rb=(-Un