湖南交通工程学院课程设计
课程设计名称：
题 目：
专 班 姓 学
电机与拖动课程设计 直流电动机能耗制动设计 业：电气工程及其自动化 级：自动化14-1班 名： X X X 号： 0000000000
课 程 设 计 成 绩 评 定 表
课程设计任务书
一、设计题目
直流电动机能耗制动设计
二、设计任务
1、说明直流电动机的基本结构和工作原理； 2、说明直流电动机的制动方法和制动过程； 3、选择能耗制动方式，按给定参数计算制动电阻值。
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计1周内完成。 第l ～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： 教研室主任：
时 间： 年 月 日
本次课程设计的主题是他励直流电动机的制动。文章首先介绍了他励直流电动机的工作方式，在此只是大略讲解，是为后面电动机制动作铺垫。先做好基础理论知识的讲解。
重点在于他励直流电动机的制动，在此我们小组分两种情况来讨论制动的情况：迅速停机和下放重物。
我们主要以两种方式讲解：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讲解T ，TL ，To 之间的关系。
最后，我们列写了一些实验中的数据，其中一些存在相对较大的误差，那是因为一些偶尔的人为因素，和环境因素造成的。 关键字:制动；迅速停机；下放重物；电阻
综述··························································································1 1 直流电动机的基本机构和工作原理····································2 2 制动方法制动和制动过程····················································3
2.1能耗制动之迅速停机································································4
2.1.1迅速停机之机械特性·······························································5 2.1.1迅速停机之状态分析·······························································5
2.2能耗制动之下放重物·······························································4
2.2.1下放重物之机械特性·······························································5 2.2.2下放重物之状态分析·······························································5
3 参数设定和计算···································································6 4 结论·······················································································5 5 参考文献···············································································5
综述
能耗制动是一种制动形式。又分为直流电机的能耗制动和交流电机的能耗制动。他励直流电机的能耗制动：电动机在电动状态运行时若把外施电枢电压U 突然降为零，而将电枢串接一个附加电阻R ，即将电枢两端从电网断开，并迅速接到一个适当的电阻上。电动机处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻上。随着动能的消耗，转速下降，制动转矩也越来越小，因此这种制动方法在转速还比较高时制动作用比较大，随着转速的下降，制动作用也随着减小。
能耗制动又分两种，分别用于不同场合：迅速停机和下放重物。若电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，则通过迅速停机的方法进行能耗制动，若拖动位能性恒转矩负载，则通过下放重物进行能耗制动。
能耗制动是一种常见的制动方法，广泛应用在工业生产中，有优点同时也存在着缺点，在这份课程设计中，我们将会仔细分析能耗制动是怎么实现的，使得我们更好的了解和利用它，同时尽最大努力提出改进。
2 直流电动机的基本结构和工作原理
直流电动机可分为两部分：定子与转子。其中定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 如下图所示：
图2-1
（1）定子
定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用是用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。 直流电动机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系确定。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。 （2）转子
转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。
换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。
在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。
3 制动方法制动和制动过程
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。
2.1能耗制动之迅速停机
2.1.1迅速停机之机械特性
如图2-1-1所示，制动之前，转速n 不为零，甚至相对较大，电动机平稳的运行。此时直流电动机的反电动势(E=Ce*Φ*n) 存在甚至在某些场合很大，由于电枢电阻Ra 较小，Ia=（U-E ）／Ra 。当我们开始制动瞬间，电动机系统因为惯性继续旋转，n 的方向不变，由于磁场方向不变，故E 的方向也不变。由于电源被瞬间切除，此时相对于之前正常运转状态，电流方向Ia 改变，而磁场方向不变，使得T 反向成为制动转矩。此时电动的转速就迅速下降至零（在T 和TL 的共同作用下）。当n=0时，E=0; Ia=0; 制动转矩和负载转矩都消失，电动机自动停机。
图2-1-1
2.1.2迅速停机之状态分析
上述过程我们也可以用公式来说明，电动状态时，如图2-1-2:
图2-1-1
n 与T 关系如下：
n=
UaRa
−∗T EET能耗制动时，如图2-1-2：
图2-1-2
Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb . n 与T 关系如下：
n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)
那么为什么要串入电阻Rb 呢？如果没有Rb ，在制动的瞬间，E 的大小不变(E=Ce*Φ*n)，一般情况E 的值较大，那么此时的电流将会很大，很可能超出电枢回路电流的最大允许值Iamax , 所以我们一般在迅速停机制动的同时，也串入一个电阻，并且这个电阻值有要求：
Iab=E/(Ra+Rb)
式中，Ea=Eb，是工作于b 点和a 点时的电动势。由此求得:
Rb>=Eb/Iamax-Ra
2.2能耗制动之下放重物
2.2.1下放重物之机械特性
如图2-2-1，如果电动机位能性很转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a 上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，速度不会突变，则由a 点移动b 点，此时电动机处于能耗制动状态，此时由b 点移动到O 点，这个过程与能耗制动的迅速停机过程情况一样。但此时电动机不会停止不动而是，在负载转矩的作用下，电动机反转，即反向启动，工作点开始在第四象限继续下移，此时n 反向，Ia
又回到
正向，那么T 依旧提供向上拉力，TL 不变，则当下降速度越来越大，E （正向）也越来越大（E=Ce*Φ*n），Ia 也越来越大，T 也越来越大（T=CT*Φ*Ia），最终在c 点处达到平衡。这是能耗制动下放重物的过程。
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 与最初的上升时方向相同，T 也同样。下图是能耗制动过程中，n>0，T0的情况。
图2-2-1
2.2.2下放重物之状态分析
能耗制动的运行过程也可以用公式来说明。如图2-2-2：
图2-2-2
n 与T 关系如下：
n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)
当平衡的时候，如图2-2-3：
图2-2-3
T=TL，则可以得出：
n= (Ra+Rb)*TL /(CＥ*CT*Φ*Φ)
同样，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，转速小，下放重物慢(Rb 在满足要求内) 。那么在c 点时：
Ra+Rb=Ec/Iac= CＥ*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)
下放重物时，To 和TL 方向相反，与T 方向相同，故T= TL-To. 可见，若要以转速下放负载转矩为TL 的重物时，制动电阻应为:
Rb=Ce*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)- Ra
如果我们忽略了To ，则:
Rb= CＥ*CT*Φ*Φ*n/TL- Ra.
3 参数设定和计算
我们选定一台他励电动机，其中Pn=22kW，Uan=440V，Ian=65.3A，Nn=600r/min.Iamax=2Ian,To忽略不计。
在拖动TL=0.8Tn的反抗性横转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb1；在拖动TL=0.8Tn的位能性横转矩负载，采用能耗制动以n=300r/min恒速下放重物，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb2。则他们应满足下面表格。 迅速停机：
下放重物：
结论
直流电动机的制动方式有多种，本课程设计的研究方向是能耗制动，根据制动要求和条件的不同能耗制动又分为迅速停机和下放重物，并以他励直流电动机为例进行分析。
首先，本设计先介绍了直流电动机的结构组成和工作原理，文字说明的同时也附加了图像，使描述更具体容易理解。
其次，是制动的详细过程，包括迅速停机和下放重物，迅速停机和下放重物又同时用机械特性和状态分析两种角度进行描述和分析，并附有图像说明和公式分析。
最后，参考相关资料本设计给出了一组合理的状态数据，并根据以上公式计算出两种情况下的制动时所需电阻Rb 的大小要求，并以表格的形式给出。
参考文献
[1]. 清华大学，唐介主编：《电机与拖动》(第二版). 高等教育出版社.2007年
[2]. 电子工业大学. 陈勇，陈亚爱主编. 《电机与拖动基础》. 电子工业出版社.2007年 [3]. 清华大学，彭红才主编《电机原理与拖动》(第二版). 机械工业出版社.2006年 [4]. 人民邮电大学，梁南丁，滕颖辉主编. 《电机与拖动》. 北京大学出版社。2008年
湖南交通工程学院课程设计
课程设计名称：
题 目：
专 班 姓 学
电机与拖动课程设计 直流电动机能耗制动设计 业：电气工程及其自动化 级：自动化14-1班 名： X X X 号： 0000000000
课 程 设 计 成 绩 评 定 表
课程设计任务书
一、设计题目
直流电动机能耗制动设计
二、设计任务
1、说明直流电动机的基本结构和工作原理； 2、说明直流电动机的制动方法和制动过程； 3、选择能耗制动方式，按给定参数计算制动电阻值。
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计1周内完成。 第l ～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： 教研室主任：
时 间： 年 月 日
本次课程设计的主题是他励直流电动机的制动。文章首先介绍了他励直流电动机的工作方式，在此只是大略讲解，是为后面电动机制动作铺垫。先做好基础理论知识的讲解。
重点在于他励直流电动机的制动，在此我们小组分两种情况来讨论制动的情况：迅速停机和下放重物。
我们主要以两种方式讲解：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讲解T ，TL ，To 之间的关系。
最后，我们列写了一些实验中的数据，其中一些存在相对较大的误差，那是因为一些偶尔的人为因素，和环境因素造成的。 关键字:制动；迅速停机；下放重物；电阻
综述··························································································1 1 直流电动机的基本机构和工作原理····································2 2 制动方法制动和制动过程····················································3
2.1能耗制动之迅速停机································································4
2.1.1迅速停机之机械特性·······························································5 2.1.1迅速停机之状态分析·······························································5
2.2能耗制动之下放重物·······························································4
2.2.1下放重物之机械特性·······························································5 2.2.2下放重物之状态分析·······························································5
3 参数设定和计算···································································6 4 结论·······················································································5 5 参考文献···············································································5
综述
能耗制动是一种制动形式。又分为直流电机的能耗制动和交流电机的能耗制动。他励直流电机的能耗制动：电动机在电动状态运行时若把外施电枢电压U 突然降为零，而将电枢串接一个附加电阻R ，即将电枢两端从电网断开，并迅速接到一个适当的电阻上。电动机处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻上。随着动能的消耗，转速下降，制动转矩也越来越小，因此这种制动方法在转速还比较高时制动作用比较大，随着转速的下降，制动作用也随着减小。
能耗制动又分两种，分别用于不同场合：迅速停机和下放重物。若电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，则通过迅速停机的方法进行能耗制动，若拖动位能性恒转矩负载，则通过下放重物进行能耗制动。
能耗制动是一种常见的制动方法，广泛应用在工业生产中，有优点同时也存在着缺点，在这份课程设计中，我们将会仔细分析能耗制动是怎么实现的，使得我们更好的了解和利用它，同时尽最大努力提出改进。
2 直流电动机的基本结构和工作原理
直流电动机可分为两部分：定子与转子。其中定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 如下图所示：
图2-1
（1）定子
定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用是用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。 直流电动机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系确定。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。 （2）转子
转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。
换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。
在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。
3 制动方法制动和制动过程
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。
2.1能耗制动之迅速停机
2.1.1迅速停机之机械特性
如图2-1-1所示，制动之前，转速n 不为零，甚至相对较大，电动机平稳的运行。此时直流电动机的反电动势(E=Ce*Φ*n) 存在甚至在某些场合很大，由于电枢电阻Ra 较小，Ia=（U-E ）／Ra 。当我们开始制动瞬间，电动机系统因为惯性继续旋转，n 的方向不变，由于磁场方向不变，故E 的方向也不变。由于电源被瞬间切除，此时相对于之前正常运转状态，电流方向Ia 改变，而磁场方向不变，使得T 反向成为制动转矩。此时电动的转速就迅速下降至零（在T 和TL 的共同作用下）。当n=0时，E=0; Ia=0; 制动转矩和负载转矩都消失，电动机自动停机。
图2-1-1
2.1.2迅速停机之状态分析
上述过程我们也可以用公式来说明，电动状态时，如图2-1-2:
图2-1-1
n 与T 关系如下：
n=
UaRa
−∗T EET能耗制动时，如图2-1-2：
图2-1-2
Ua=0，电枢回路中又增加制动电阻Rb . n 与T 关系如下：
n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)
那么为什么要串入电阻Rb 呢？如果没有Rb ，在制动的瞬间，E 的大小不变(E=Ce*Φ*n)，一般情况E 的值较大，那么此时的电流将会很大，很可能超出电枢回路电流的最大允许值Iamax , 所以我们一般在迅速停机制动的同时，也串入一个电阻，并且这个电阻值有要求：
Iab=E/(Ra+Rb)
式中，Ea=Eb，是工作于b 点和a 点时的电动势。由此求得:
Rb>=Eb/Iamax-Ra
2.2能耗制动之下放重物
2.2.1下放重物之机械特性
如图2-2-1，如果电动机位能性很转矩负载。制动前，系统工作在机械特性1与负载特性3的交点a 上，电动机以一定的速度提升重物。在需要稳定下放重物时，速度不会突变，则由a 点移动b 点，此时电动机处于能耗制动状态，此时由b 点移动到O 点，这个过程与能耗制动的迅速停机过程情况一样。但此时电动机不会停止不动而是，在负载转矩的作用下，电动机反转，即反向启动，工作点开始在第四象限继续下移，此时n 反向，Ia
又回到
正向，那么T 依旧提供向上拉力，TL 不变，则当下降速度越来越大，E （正向）也越来越大（E=Ce*Φ*n），Ia 也越来越大，T 也越来越大（T=CT*Φ*Ia），最终在c 点处达到平衡。这是能耗制动下放重物的过程。
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 与最初的上升时方向相同，T 也同样。下图是能耗制动过程中，n>0，T0的情况。
图2-2-1
2.2.2下放重物之状态分析
能耗制动的运行过程也可以用公式来说明。如图2-2-2：
图2-2-2
n 与T 关系如下：
n= -(Ra+Rb)*T/(CＥ*CT*Φ*Φ)
当平衡的时候，如图2-2-3：
图2-2-3
T=TL，则可以得出：
n= (Ra+Rb)*TL /(CＥ*CT*Φ*Φ)
同样，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，转速小，下放重物慢(Rb 在满足要求内) 。那么在c 点时：
Ra+Rb=Ec/Iac= CＥ*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)
下放重物时，To 和TL 方向相反，与T 方向相同，故T= TL-To. 可见，若要以转速下放负载转矩为TL 的重物时，制动电阻应为:
Rb=Ce*CT*Φ*Φ*n/(TL-To)- Ra
如果我们忽略了To ，则:
Rb= CＥ*CT*Φ*Φ*n/TL- Ra.
3 参数设定和计算
我们选定一台他励电动机，其中Pn=22kW，Uan=440V，Ian=65.3A，Nn=600r/min.Iamax=2Ian,To忽略不计。
在拖动TL=0.8Tn的反抗性横转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb1；在拖动TL=0.8Tn的位能性横转矩负载，采用能耗制动以n=300r/min恒速下放重物，电枢电路中应串入的制动电阻为Rb2。则他们应满足下面表格。 迅速停机：
下放重物：
结论
直流电动机的制动方式有多种，本课程设计的研究方向是能耗制动，根据制动要求和条件的不同能耗制动又分为迅速停机和下放重物，并以他励直流电动机为例进行分析。
首先，本设计先介绍了直流电动机的结构组成和工作原理，文字说明的同时也附加了图像，使描述更具体容易理解。
其次，是制动的详细过程，包括迅速停机和下放重物，迅速停机和下放重物又同时用机械特性和状态分析两种角度进行描述和分析，并附有图像说明和公式分析。
最后，参考相关资料本设计给出了一组合理的状态数据，并根据以上公式计算出两种情况下的制动时所需电阻Rb 的大小要求，并以表格的形式给出。
参考文献
[1]. 清华大学，唐介主编：《电机与拖动》(第二版). 高等教育出版社.2007年
[2]. 电子工业大学. 陈勇，陈亚爱主编. 《电机与拖动基础》. 电子工业出版社.2007年 [3]. 清华大学，彭红才主编《电机原理与拖动》(第二版). 机械工业出版社.2006年 [4]. 人民邮电大学，梁南丁，滕颖辉主编. 《电机与拖动》. 北京大学出版社。2008年