直流电动机能耗制动（推荐阅读）

第一篇：直流电动机能耗制动

直流电动机能耗制动仿真

实验目的：

他励直流电动机的制动有三种，能耗制动、反接制动和回馈制动。实验设备及器件：

计算机，一台（MATLAB）。实验内容：

建立仿真模型；通过图形验证。实验要求：

能够正确使用simulink建立仿真模型，并观察分析图形。1.直流电动机能耗制动仿真模型图

图中的模块有电路改变连接控制模块（Vary Connect）和仿真停止控制模块。仿真停止控制模块包括逻辑比较模块（Relation operator）和仿真停止模块（Stop simulation），仿真停止控制部分实现了当转速小于零时将仿真停止的功能，无须等到仿真时间结束，这样使仿真结果符合实际（转速不为负）设计。其他模块包括：直流电动机、信号发生器(Timer)、增益、电阻（RLC branch）、示波器（scope）、信号分离模块（Demux）。

电路改变连接模块：

对其进行封装：调用子系统（subsystem），按上述图连接。然后右键点击edit Mask。如下图设置：

设置完成后；双击子模块出现

模块参数设置：

直流电机模块参数：

直流电源模块参数：

增益模块

仿真时间设置10s

第二篇：他励直流电动机制动课程设计 0430 崔善泽

课程设计报告

设计题目：

他励直流电动机制动课程设计

学

校：

华东交通大学理工学院 学 生

姓 名：

崔 善 泽

专

业：

电气工程及其自动化

班

级：

电牵2班

学

号：

20***0

指 导

教 师：

李 房 云

摘要

本设计先介绍了他励直流电动机的工作方式，是为后面电动机制动作铺垫。对于制动，直流电机制动有很多种方式,一般有大致可分为三类，能耗制动，反接制动，回馈制动。他励直流电机能耗制动在工程上得到了广泛的使用，因为这种制动方式，简单可靠，安全经济。能耗制动原理其实就是将电流方向反向，产生相反的电磁转矩，从而产生一个与转速方向相反的力矩，达到减速制动的目的。在这次的设计中，我们着重讨论的是他励直流电机能耗制动。主要讨论关于能耗制动一些技术方面问题的分析与设计。以两种方式讲解：图示法和公式法。在图示上直观的解释了他励直流电动机的停机过程，讲解了在不同的阶段，电动机的工作特性曲线的变动，在关键点的(电动机的瞬时态)讲解。在公式法中，我们将严格依据电动的工作特性曲线来讨论不同时态的变动，并且最重要的是在公式法中我们讨论了Rb的电阻要求并讲解了为什么必须要串入电阻Rb。在下放重物的过程中方式同迅速停机一致重点放在反向启动后，电动机的运行情况。并且运用之前所介绍的基础知识来解 T，TL，To之间的关系。

关键词

制动

能耗制动

反接制动

回馈制动

迅速停机 放下重物

目录

前言…………………………………………………………………………… 3 第1章 直流电动机的工作原理………………………………………………4 第2章 他励直流电动机的电路模型…………………………………………5 第3章 他励直流电动机的机械特性…………………………………………5 3.1 机械特性表达式……………………………………………………… 5

3.2 固有机械特性………………………………………………………… 6 3.3 人为机械特性………………………………………………………… 7 第4章 他励直流电动机的制动………………………………………………9 4.1 能耗制动……………………………………………………………… 9 4.2 反接制动……………………………………………………………… 13 4.3 回馈制动……………………………………………………………… 17 第5章 他励直流电动机制动设计……………………………………………21 第6章 总结……………………………………………………………………22 致谢…………………………………………………………………………… 23

前言

电机与拖动是自动化专业的一门重要专业基础课。它主要是研究电机与电力拖动的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。通过学习使学生掌握常用交、直流电机、变压器及控制电机的基本结构和工作原理；掌握电力拖动系统的运行性能、分析计算，电动机选择及实验方法等。

电机与拖动课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的工程设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课程打好必要的基础。电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，就需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的制动。制动的基本原理是使电动机转子上产生一个反力矩，具体有三种方法，即能耗制动、反接制动、回馈制动。

第1章

1.1直流电动机的工作原理

直流的电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备，即有直流电能→机械能。

在直流电动机中，为了产生不变的电磁转矩，尽量减小气隙，以达到最强的磁场与最高的效率，就要利用磁场的作用，由通电导体形成绕组，由转子铁心和定子磁极形成磁场，通过换向器使转子的磁极的极性始终保持和定子的极性相反，形成旋转的力矩，从而外部电路中的直流电流通过换向转变成电机内部的交 流电流，将电能转化为机械能。

a）b)图1-1 直流电动机原理图

如图1-1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流入电刷绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图（a）所示位置，在N极下面导线电流是由a到b，根据左手定理可知导线ab受力方向向左，而导线cd受力方向向右。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，这是电流方向已改变为有d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的，这样使得电机一直旋转下去。

第2章

2.1 他励直流电动机的电路模型

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图2-1所示，他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

励磁电流：IfUfRf

电枢电流：UaERaIa

IaUaET

CTRa电动机的转速：nUaRaT 2CECECT第3章 他励直流电动机的机械特性

3.1机械特性表达式

在他励电动机中，Ua、Ra、If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。

根据公式

TCTIa

EaCen

UEaIaR

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系

nUaRaTnonnoT 2CECECT其中称为理想空载转速

n0UCe

β机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性，其值为：

Radn

2dTCECTn是转速差，其值为：

nnonT

机械特性的硬度为：

dT1 dn斜率越小，硬度越大，机械特性越强。

当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。

3.2 固有机械特性

由方程式nUnRa得到他励电动机的固有特性，如图3-1所示，2CenCeCTn由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这是电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力。

nnonNNMnM

OTNTMT

图3-1 他励电动机的固有特性

固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax1.5~2.0IaN。对应转矩TM是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。

3.3 人为机械特性

1、增加电枢串接电阻的人为机械特性

在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，根据公式

nRRfUaT 2CECECT这时相当于电路电枢电阻Ra增加，理想空载转速no不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3-2所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。

图3-2 增加电枢电路电阻时的人为特性

2、降低电枢电压时的人为机械特性

Ua

当降低电枢电压时，降低时，no减小，不变，不变，人为特性如图3-3所示，机械特性平行下移。

图3-3 降低电枢电压时的机械特性

3、减弱励磁电流时的人为机械特性

减小励磁电流If，则磁通减小，no增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示。

图3-4 减弱励磁电流时的机械特性

第4章 他励直流电动机的制动

他励直流电动机的制动方法有：能耗制动，反接制动，回馈制动

4.1 能耗制动

直流电动机的制动方式有多种：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。

直流电动机开始制动后，电动机的转速从稳态转速到零或反向一个转速值（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。

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Rb，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。

能耗制动分为两种，分别用于不同场合。

4.1.1 能耗制动过程——迅速停机

制动前后如图4-1所示，与电动状态相比，制动时，系统因惯性继续旋转，n方向不变，由于磁场方向不变，故E方向也不变。由于电源被切除，电枢通过制动电阻Rb短接，电动势将产生与电动状态时方向相反的电枢电流，Ia反向，10 使得T反向而成为制动转矩，电动机的旋转速度下降至零。当n=0时，E=0，Ia=0，制动转矩T自动消失。

a）电动状态

IaT +E-M—--Ufnb）制动状态

图4-1 能耗制动迅速停机的电路图

上述制动过程也可以通过机械特性来说明，电动状态是的机械特性如图4-2中的特性1，n与T的关系为

nUnRaT

2CenCeCTn能耗制动时，Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb，故

nRaRbCeCTn2T

机械特性如图4-2中的特性2，它是一条通过原点、位于2、4象限的直线。

图4-2 能耗制动迅速停机过程

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。这是T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL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0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Rb的大小有关。Rb小，则Ia大，T大，制动过程短，停机快。但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax。由图3-1（b）可知IabEbIamaxEb式中，EbEa，是工作于b

RaRb点和a点时的电动势。由此可得Ra-Ra

4.1.2 能耗制动运行——下放重物

若电动机拖动位能性恒转矩负载，如图4-3所示。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0点，这一阶段，电动机处于能耗制动过程中。当 12 工作点达到0点时，T=0，但TL＞0，在重物的重力作用下，系统反向启动，工作点将由0点下移到c点，T=TL，系统重新稳定运行，这时n反向，电动机稳定下放重物。由于下放重物时，电动机是稳定运行在能耗制动状态。

图4-3 能耗制动下放重物过程

能耗制动运行与能耗制动过程相比，由于n反向，引起E反向，使得Ia和T也随之反向，两者的不同如图4-4所示，在能耗制动过程中，n＞0，T＜0；然而在能耗制动运行时，n＜0，T＞0。

能耗制动运行的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。由图4-4（b）可知，工作在c点时，只取各量的绝对值，而不考虑正、负，则

RaRbEcCEnn

CECT2TIacTLT0CT下放重物时，T0与TL方向相反，与T方向相同，故T=TL-T0。可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物时，制动电阻应为

RbCECT2nRa

TLTO 13 忽略T0，则

RbCECT2EbIamaxnRa TLRb的结果应与式Ra-Ra校验是否合适。

a）能耗制动过程

（b）能耗制动运行

图4-4 能耗制动过程与能耗制动运行得比较

4.2 反接制动

4.2.1 电压反向反接制动——迅速停机

当电动机在电动运转状态下以稳定的转速n运行时候，如图4-5所示，为了使工作机构迅速停车，可在维持励磁电流不变的情况下，突然改变电枢两端外施电压的极性，并同时串入电阻，如图4-6所示。由于电枢反接这样操作，制动作用会更加强烈，制动更快。电机反接制动时候，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rb上面。

IaTUan+MEUf-(a)电动状态 图4-5 制动前的电路图

RbIaTUaMn+EUf-(b)制动状态

图4-6 制动后的电路图

同时也可以用机械特性来说明制动过程。电动状态的机械特性如下图三的特性1，n与T的关系为

ECEnTCTIaEUaRaIanURaIaURaEaaTCECECECECT2

电压反向反接制动时，n与T的关系为

UaRaRbn(T)2CECECT

其机械特性如图4-7中的特性2。设电动机拖动反抗性恒转矩负载，负载特性如图4-7中的特性3。

2n no 3a1bTLcoTLT

图4-7 反接制动迅速停机过程

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，工作点平移到特性2上的b点，T反向，成为制动转矩，制动过程开始。在T和TL的共同作用下，转速n迅速下降，工作点沿特性2由b移至c点，这是n0，应立即断开电源，使制动过程结束。否则电动机将反向起动，到d点去反向稳定运行。电压反向反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关，Rb小，制动过程短，停机快，但制动过程中的但制动过程中的最大电枢电流，即工作于b点时的电枢电流Iab不得超过Iamax(1.52.0)IaN。由图4-7可知，只考虑绝对值时

IabUaEb

RaRb式中，Eb=Ea。由此求得电压反接制动的制动电阻为

RbUaEbRa Iamax4.2.2 电动势反向反接制动——下方重物

制动前的电路如图4-8所示，制动后的电路如图4-9所示。制动时，电枢电压不反向，只在电枢电路中串联一个适当的制动电阻Rb。机械特性方程边变为

nUaRRbaT CECECT2 16

IaIUan+MEUf-(c)电动状态

图4-8制动前的电路图

RbIaIUaMn-EUf+(d)制动状态

图4-9 制动后的电路图

若电动机拖动若电动机拖动位能性恒转矩负载，则如图4-10所示。制动前，系统工作在固有特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于TTL错误！未找到引用源。，n下降，工作点沿特性2由b点向c点移动。当工作点到达c点时，TTc错误！未找到引用源。，但TLTc错误！未找到引用源。，在重物的重力作用下，系统反向起动，工作点由c点下移到d点，TTc错误！未找到引用源。，系统重新稳定运行。这是n反向，电动机处在制动运行状态稳定下放重物。

在这种情况下制动运行时，由于n反向，E也随之反向，由图可以看出，这时E与Ua的作用方向也变为一致，但错误！未找到引用源。和T的方向不变，T与n方向相反，成为制动转矩，与负载转矩保持平衡，稳定下放重物。所以这种反接制动称为电动势反向的反接制动运行。

电动势反接制动的效果与制动电阻Rb的大小有关。Rb错误！未找到引用源。小，特性2的斜率小，转速低，下放重物满。由图五知，在d点运行时，为简化 分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbUaEdCT(UaCEn)IadT可见，若要以转速n下放负载转矩为TL的重物，制动电阻应为

Rb忽略To，则

RbCT(UaCEn)Ra

TLToCT(UaCEn)Ra TLn3n0abocTCTLTd图4-10反接制动下放重物过程

4.3 回馈制动

4.3.1 正向回馈制动——电车下坡

电车在平地行驶或上坡时，负载转矩TL阻碍电车前往行驶。如图4-11所示：

图4-11 回馈制动电车下坡过程

系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，TL反向变成帮助电车往下行驶，负载特性变为特性3。在T和TL的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但TLT，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-12所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-12 正向回馈制动时的电路图

正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-13所示：

（a）改变电枢电压调速（b）改变励磁电流调速

图4-13 调速是出现的正向回馈制动

在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时间，加快调速过程。

4.2.2 反向回馈制动——下放重物

制动时，将电枢电压反向，并在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-14所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-14 反向回馈制动时的电路图

这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-15所示：

图4-15 回馈制动下放重物过程

制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，T0，但TL0，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，TTL，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。

在上述制动过程中，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。

反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且EUa，Ia方向不变，T方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。

回馈制动的效果也与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

由图4-14（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbEUaCEnUaCT（CEnUa）

TIaTCT可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

RaCT（CEnUa）Ra TLT0忽略T0，则

RaCT（CEnUa）Ra TL采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的Rb还要满足RbUaEbRa的要求。Iamax第5章 他励直流电动机的制动设计

一台他励电动机设PN22KW,UaN440V，IaN65.3,nN600r/min，IaMAX/IaMIN2，T0忽略不计。拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，计算电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于多少？ 解：由额定数据求得：

UaNRaPNIaN2210344065.31.5865.3IaNPN22103E336.91VIaN65.3CECTE336.910.562nN6006060CE0.5625.365223.1460PN6022000TNNm350.32Nm2nN23.14600 迅速停机时：TL0.8TN0.8350.32Nm280.256NmIaTL280.25652.24CT5.365EIamaxRa(357.461.58)1.16265.3EUaRaIa(4401.5852.24)V357.46VRb即电枢电路中应串入的制动电阻值不能小于1.16的电阻。

总结

一、能耗制动

制动时在电动机的绕组中串接电阻，电动机相当于发电机，将拥有的的能量转换成电能消耗在所串联的电阻上。这种方法在各种电机制动中广泛应用，变频控制也用到了。从高速到低速，这是电气的频率变化的很快，但电动机的转子带着负载有较大的机械惯性，不可能很快的停止，这样就产生反电动势电动机处于发电状态，其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动力矩，迫使转子较快停下来但由于通常变频器是交→直→交整流电路是不可逆的，因此无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，称崩升电压，当超过设定上限值电压时，制动回路导通，这就是制动单元的工作过程，制动电阻流过电源，从而将动能边热能消耗电压随之下降，待到设定下限时即断。这种制动方法属不可控，制动力矩有波动，制动时间是人为设定的。

制动电阻的选取经验：

<一>电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；

<二>不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件； <三>制动时间可认为选择；

<四>小容量变频器（7.5Kw）一般是内接制动单元和制动电阻的； <五>当在快速制动出现过电压时说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值

二、反接制动

直流电动机，将电机的电源正负反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反交流电机制动采用改变相序的方法产生反向转矩，原理类似。反接制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。

三、回馈制动

当采用有源逆变技术控制电机时，将制动时再发生 电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，并将电能消耗在电网上从而实现制动。

致谢

感谢指导老师的指导和解惑，还有同学间的团结协作，密切配合，各抒己见使我的这次课程设计圆满成功。另外，在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。

通过这次课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。

参考文献

[1] 陈勇 罗萍 向敏 电力拖动与控制 北京 人民邮电出版社2011.10 [2] 李岚 电力拖动与控制 机械工业出版社 2011.1

第三篇：电机与拖动课程设计 他励直流电动机的回馈制动

辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计

第一章

直流电动机工作原理

图1-1 直流电动机工作原理示意图

图1.1是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩逆时针方向旋转，如图1-1(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图1-1（b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。

辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计

第二章

直流电动机的分类

根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励、并励、串励和复励四种。

图2-1 直流电动机按励磁方式的分类

辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计

第三章

他励直流电动机的机械特性

在他励电动机中，Ua,Ra,If保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。根据公式：

TCTIa

ECEn

UaEIaRa

可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系：

UIRUIRURaEnaaaaaaaTn0T

CECECECECECECT2当Ua、Ra、为常数时，nfT为一条向下倾斜的直线，如图3所示：

图3-0 他励直流电动机的固有特性

Ua 称为理想空载转速； CERa  称为机械特性的斜率，大小反映软特性与硬特性； 2CECTRaT 称为负载时的转速降。

nTCECT由于电枢电路电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大,固有特性为硬特性。其中： n0 3

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3.1 固有机械特性

UUN、N电枢回路不串电阻时的机械特性。其方程式为：

UIRUIRURaE naaaaaaaTn0T

CECECECECECECT2由于Ra较小，特性的斜率小，所以他励直流电动机的固有机械特性是一条稍稍向下

倾斜的直线，如3-2所示：

图3-1 他励直流电动机的固有特性

固有特性称为硬特性，其额定转速变化率为：

nn0nNN%n100%

N3.2 电枢串接电阻时的人为机械特性

将电枢回路串接电阻，而保持电源电压和励磁磁通不变其机械特性如图3-2所示： 4

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图3-2 电枢串接电阻时的人为机械特性

与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点:

1、理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻Ra的变化而变化；

2、随着串接电阻的加大，特性的斜率加大，转速降落n加大，特性变软，稳定性变差；

3、机械特性由与纵坐标轴交于一点nn0但具有不同斜率的射线族所组成；

4、串入的附加电阻越大，电枢电流流过附加电阻所产生的损耗就越大。

3.3 改变电源电压时的人为机械特性

此时电枢回路附加电阻Rka0，磁通保持不变。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。

由机械特性方程，得出这时的人为机械特性如图3-3所示。

与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为：

1、特性斜率不变，理想空载转速n0降低；

2、机械特性曲线平行下移，机械特性由一组平行线所组成；

3、不变，机械特性的硬度不变。

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图3-3 改变电源电压时的人为机械特性

3.4 减小励磁电流时的人为特性

减小励磁电流I，则磁通减小，n0增加，增加，减小，人为特性如图3-4所示：

图3-4 减小励磁电流时的人为特性

第四章 他励直流电机的制动

为了满足生产和生活的需要，电力拖动系统往往需要使电动机尽快停转或者由高速运行迅速转为低速运行，为此需要对电动机进行制动，同时对于位能性负载的工作结构，为

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了获得稳定的下降速度也需要对电动机进行制动。

制动是电动机一个重要的运行状态，其运行的特点是电磁转矩Tm的方向与旋转方向n相反。

4.1 他励直流电动机的制动种类

他励直流电动机的制动方法包括能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

4.2 回馈制动

他励电动机回馈制动的特点是：使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。

回馈制动又分为以下两种类型。

4.2.1 正向回馈制动——电车下坡

电车在平地行驶或上坡时，负载转矩TL阻碍电车前往行驶。如图4-1所示：

图4-1 回馈制动电车下坡过程

系统工作在机械特性与负载特性2的交点a上。电车下坡时，TL反向变成帮助电车向下加速行驶，负载特性变为特性3。在T和TL的共同作用下，n加速，工作点由a点沿特性1向上移动。到达n0时，T0，但TL0，即-TL与n方向相同，在TL作用下，电机继续加速，工作点越过n0继续向上移动。这时T反向，成为阻止电车下坡的制动转矩。但

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TLT，工作点继续上移，直至机械特性1与负载特性3的交点b为止，TTL，电车恒速往下行驶。自从工作点越过n0后，nn0，使得EUa，电动机就进入了回馈制动过程，到达b点后，电机便处于回馈制动运行。由于这种回馈制动，电枢电压方向没有改变，故称正向回馈制动。正向回馈制动与电机状态相比，虽然n、E、Ua的方向都未改变，但因EUa，使得Ia以及T反向，两者的区别如图4-2所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-2 正向回馈制动时的电路图

正向回馈制动在调速过程中也时常出现，当电动机减速时，若减速后的理想空载转速低于减速前的转速，电机便会在调速过程的某一阶段处于正向回馈制动过程。如图4-3所示：

（a）改变电枢电压调速（b）改变励磁电流调速

图4-3 调速时出现的正向回馈制动

在改变电枢电压调速和改变励磁电流调速时，工作点都要从a点平移到b点，然后经c点到达d点稳定运行。在bc阶段，nn0，电机处于正向回馈制动过程中。它的存在，有利于缩短bc短的时间，加快调速过程。

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4.2.2 反向回馈制动——下放重物

制动时，将电枢电压反向，并且在电枢回路中串联一个制动电阻Rb。制动前后的电路图如图4-4所示：

（a）电动状态（b）制动状态

图4-4 反向回馈制动时的电路图

这时，电动机拖动的是位能性恒转矩负载。如图4-5所示：

图4-5 回馈制动下放重物过程

制动前，系统运行在机械特性1与负载特性3的交点a上。制动瞬间，工作点平移到人为特性2上的b点，T反向，n迅速下降。当工作点到达c点时，在T和TL的共同作用下，电动机反向起动，工作点沿特性2继续下移。到达d点时，转矩等于理想空载转矩，T0，但TL0，在重物的重力作用下，系统继续反向加速，工作点继续下移。当工作点到达e点时，TTL，系统重新稳定运行。这时的电动机在比理想空载转速高的转速下稳定下放重物。

在上述制动过程中，bc段电机处于电压反向反接制动过程，cd段电机处于反向起动过程，de段电机处于回馈制动过程，在e点电机处于回馈制动运行。由于这种回馈制动是

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在电枢电压反向后得到的，故称反向回馈制动。

反向回馈制动运行时，与图4-4（a）的电动状态时相比，如图4-4（b）所示，由于n反向，E反向，且EUa，Ia方向不变，T方向不变，但与n方向相反，成为制动转矩。电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能送回电源。

回馈制动的效果也与制动电阻Rb的大小有关。Rb小，则特性2的斜率小，转速低，下放重物慢。

由图4-4（b）可知，回馈制动运行时，为简化分析，只取各量的绝对值，而不考虑其正负，则

RaRbEUaCEnUaCT（CEnUa）

TIaTCT可见，若要以转速n下放负载转矩TL的重物，制动电阻应为

RaCT（CEnUa）Ra TLT0忽略T0，则

RaCT（CEnUa）Ra TL采用回馈制动下放重物时，转速很高，超过了理想空载转矩，要注意转速不得超过电机允许的最高转矩（产品目录或电机手册中可以查到）。同时还要注意有上式求得的Rb还要满足Rb

UaEbRa的要求。Iamax

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结论

他励电动机回馈制动就是使电动机的转速大于理想空载转速，因而EUa，电机处于发电状态，将系统的动能转换成电能回馈给电网。如果直流电源采用电力电子设备,则需要有逆变装置才能将电能回馈给电网.回馈制动主要分为一下两种:正向回馈制动—电车下坡.电动机车下坡时，重力加速度将使车速增高，为了安全需要制动限速。当电动机转速升高而增大的电枢感应电动势大于电网电压时，电动机便变为发电机运行，它的电枢电流和电磁转矩的方向都将倒转，就限制了转速进一步增高，起了制动作用。电枢电流方向倒转，电功率回馈到电网，故称为回馈制动，回馈的电功率来源于电动机车下坡时所释放出来的位能。反向回馈制动—下放重物.辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计

心得体会

我们通过学习电机与拖动，对他励直流电动机有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次他励直流电动机的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。

在此次的他励直流电动机的设计过程中，我更进一步地熟悉了电动机的结构及掌握了各组成部分的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想中的每一个环节，设计中各个部分的功能是如何实现的。各个部分能够完成什么样的功能，使用材料时应该注意那些要点。同一个部分可以用哪些材料实现，各种材料实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。

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参考文献

【1】.唐介

《电机与拖动》

高等教育出版社 【2】.汤蕴

《电机学》

西安交通大学出版社 【3】.刘启新

《电机与拖动基础》

中国电力出版社 【4】.唐介

【5】.李晓竹

高等教育出版社

中国矿业大学出版社 13 《控制微电机》

《电机与拖动》

第四篇：选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能.动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程.由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

一.能耗制动和回馈制动就效果而言，是一样的。都是为电机提供制动电流的通路。二.如何选择是用能耗制动单元？还是回馈单元？这要通过这两种制动模式的特点来决定。前者如果100%长期连续工作，制动单元和制动电阻要选择的功率足够大，这对于大功率的制动带来了不方便，比如说电阻的散热问题和体积问题很突出呀，而后者，就可以连续的100%的工作。体积相对能耗制动而言很小。但是，能耗制动的成本比回馈制动的要小很多。

综上得到的结论是：，对于短时制动的系统，毫不犹豫地选择能耗制动单元+电阻，经济省钱。对于长期100%功率制动的系统，必须要采用能量回馈单元，没商量。对于15kW以下的系统，推荐使用能耗制动，不论是短时的还是长期的。因为从成本上说是合算的（即便是100%的功率连续制动）。

第五篇：直流电动机 教案一

直流电动机 教案一

直流电动机 教案一

（一）教学目的

1．知道直流电动机的原理和主要构造。

2．知道换向器在直流电动机中的作用。

3.了解直流电动机的优点及其应用。

4．培养学生把物理理论应用于实际的能力。

（二）教具

如课本图12—10的挂图和模型，两个箭头标志（可用饮料盒铝片制作），自制直流电动机模型（参见图12—2），直流电动机原理挂图一幅，小型直流电动机一台，学生电源一台。

（三）教学过程

1．复习

提问：上节课我们做实验给磁场中的导体通电，发现了什么？（学生回答：通电导体在磁场中受力）。

提问：这个力的方向与哪两个因素有关？（学生回答之后，教师强调：改变电流方向，或改变磁感线方向，导体受力方向就随着改变）

提问：出示如课本12—10甲的挂图和模型，根据上面的结论，通电线圈在磁场中是怎样受力的？（学生回答：ab边受力向上，cd边受力向下）

提问：在这两个力的作用下，线圈怎样运动？（学生回答：线圈会转动）

提问：这个现象中能量是怎样转化的？（学生回答：电能转化为机械能）

2．引入新课

教师陈述：电动机就是利用通电线圈在磁场中受力而转动的现象制成的，它将电能转化成机械能。下面我们来研究电动机是如何利用上述现象制成的，当然，我们先讨论最简单的一种电动机—直流电动机。给出直流电动机定义，并板书：

〈第五节直流电动机〉

3．进行新课

(1)使磁场中的通电线圈能连续转动的办法

很多同学可能马上想到通电线圈在磁场中不能连续转动（转到平衡位置要停下来），而实际的电动机要连续转动。怎样解决这个问题呢？（此处可告诉学生把理论用于实际需要再付出很多劳动，还可简介各国对理论应用于实际的重视，以培养学生对应用科学的兴趣）要解决这个问题，我们还得进行深入研究。

提问：在上节课的演示实验中，线圈转到平衡位置时是立即停止吗？为什么它不立即停止？（学生答：由于惯性线圈会稍转过平衡位置）

提问：转过平衡位置后，为什么它又转回来呢？（利用模型分析：转过平

衡位置后，ab边受力仍朝上，cd边受力仍朝下，正是这一对力使线圈转回来的）

提问：要使线圈不转回来，应该在线圈刚转过平衡位置时就改变线圈的受力方向，即使线圈刚转过平衡位置就使ab边受力变为向下，cd边受力变为向上。怎样才能使线圈受力方向发生这样的改变呢？

引导学生回忆影响受力方向的两个因素，从而得出：应该在此时改变电流方向，或者改变磁感线方向。进一步引导学生分析：改变磁感线方向就是要及时交换磁极，显然这不容易做到；实际的直流电动机是靠及时改变电流方向来改变受力方向的。

板书：〈1．使磁场中的通电线圈连续转动，就要每当线圈刚转过平衡位置，就改变一次电流方向。〉

(2)换向器

提问：怎样才能使线圈刚转过平衡位置时就及时改变电流方向呢？

让学生想办法并开展讨论，教师下

去了解学生的情况并鼓励和指导。

教师出示：两个半圆铝环和电刷，指出：靠这两样东西就可以解决问题。待学生思考片刻，教师出示已准备的与课本图12—12相似的模型，说明铝环与线圈的连接情况和铝环与电刷的配合过程。

引出换向器的概念并板书：

〈2．换向器的作用：当线圈刚转过平衡位置时，换向器能自动改变线圈中电流的方向，从而改变线圈受力方向，使线圈连续转动。〉

让学生仔细观察课本图12—12，进一步弄清楚线圈转动过程，重点是甲图和丙图，回答教师填空式的提问：

甲图：电流方向是a→b→c→d，受力方向是ab边受力向上，cd边受力向下，转动方向是顺时针。

丙图：电流方向是d→c→b→a，受力方向是ab边受力向下，cd边受力向上，转动方向是顺时针。

(3)直流电动机的构造

出示：直流电动机，介绍主要构造：磁极、线圈、换向器、电刷。

板书：〈3．直流电动机的构造〉

演示：给直流电动机通电转动，提高学生兴趣（若时间不允许，可省些演示）。告诉学生：下节课同学们将自己装一台小直流电动机，进一步弄清楚它的有关知识。

让学生阅读课文最后两个自然段，了解直流电动机的优点和应用。

4．小结（略）

5.作业：（不要求笔做）

(1)预习下节内容。

(2)比较直流电动机和交流发电机，从原理、构造和能量转化等方面说出它们的区别。

（四）说明

1．本节采用程序性的提问和讨论，启发学生弄清线圈受力情况和转回来的原因，以及解决问题的办法，可以培养学生的思维和创造能力。

2．换向器是教学的难点，制作放

大的直观模型很有必要。靠这一节课教学，一部分学生可能还没有完全弄清楚，下节课学生将进一步认识它。

3．通过前面几节的学习，学生识图能力应该有所提高，本节电动机原理图要尽量让学生自己看图理解。