中北大学
课程设计说明书
学生姓名：王昆鹏学号：0905054116 学院：信息与通信工程学院
专业：自动化
题目：他励直流电机人为机械特性仿真分析
指导教师：
2011年 1月 1日
课程设计任务书
2011/2012 学年第一学期
学院：信息与通信工程学院
专业：自动化
学生姓名：王昆鹏学号：0905054116 课程设计题目：电机及电力拖动综合实验
他励直流电机人为机械特性仿真分析起迄日期： 1 月2 日～ 1 月7 日
课程设计地点：中北大学
指导教师：刘长明
系主任：王忠庆
下达任务书日期: 2012 年1月 1日
课程设计任务书
课程设计任务书
课程设计说明书
1直流电动机的构造
直流电机主要由磁极、电枢和换向器（整流子）三部分组成。
图1 直流电机的组成部分
1.1磁极
结构见图用硅钢片叠成，固定在机座上。
极心上放置励磁绕组在电机中产生磁场，极掌的作用是使电机的空气隙中的磁感应强度的分
布最为合适，并且挡住励磁绕组不至于掉下来。
磁极和机座都是磁路的一部分。
1.2电枢
电枢铁心是由硅钢片叠成的圆柱体，表面沿轴线冲有槽；槽中放电枢绕组，用来感应电动势。
直流电机的电枢是旋转的。
见图2
直流电机的电枢铁心片直流电机的电枢结构图
图2
1.3换向器
它是直流电机特有的装置。
换向器装在转轴上。
电枢绕组的导线按一定规则焊接在环向片的凸出部分。
在换向器的表面用弹簧压作固定的电刷，是转动的电枢绕组。
2 直流电动机工作原理
图3 直流电动机工作原理示意图
2.1 图3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。
2.2 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3(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3（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。
2.3 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。
3 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：
a I C T T Φ=
n Φ=E C E a a a R I E U +=
可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系：
T T C C R C U C R I C U C R I U C E
T E E E E E E β-=Φ
-Φ=Φ-Φ=Φ-=Φ=
02
a a a a a a a a n n 当Φ、、a a R U 为常数时，()T f n =为一条向下倾斜的直线，如图4所示：
图4 他励电动机的固有特性
其中： Φ
=E C U a
0n 称为理想空载转速； 2
a
Φ=
T E C C R β 称为机械特倾性的斜率，大小反映软特性与
硬特性； T C C R T n T E Φ
=
=∆a
β 称为负载时的转速降。
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。
3.1 固有机械特性
N U U =、N Φ=Φ电枢回路不串电阻时的机械特性。
其方程式为：
T T C C R C U C R I C U C R I U C E
T E E E E E E β-=Φ-Φ=Φ-Φ=Φ-=Φ=
02
a a a a a a a a n n 由于a R 较小，特性的斜率β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4所示：
固有特性称为硬特性，其额定转速变化率为： %100%0N
N N n n n n -=∆
3.2 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6所示：
图6 电枢串接电阻时的人为机械特性
图7 改变电源电压时的人为机械特性
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a R 的变化
而变化；
2、随着串接电阻的加大，特性的斜率β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()0n n =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0a =k R ，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7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β不变，理想空载转速0n 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、α不变，机械特性的硬度不变。
3.4 减小励磁电流时的人为特性
减小励磁电流I ，则磁通Φ减小，0n 增加，β增加，α减小，人为特性如图8所示：
图8 减小励磁电流时的人为特性
课题(串电阻改变人为机械特性)
设某他励直流电动机额定值如下：Pn=22kW,Un=220V,IN=115A,Nn=1500r/min,电枢电阻Ra=0.18,试通过使用MATLAB软件编程改变电枢回路电阻，得到四条人为机械特性曲线：
3 程序清单
clc
clear
pn=22;Un=220;In=115;Nn=1500;ra=0.18;
Cefai=(Un-In*ra)/Nn;
Ctfai=9.55*Cefai;
Tn=Ctfai*In
Ra1=0.18;Ra2=0.58;Ra3=0.98;Ra4=1.38;
for m=1:4
if m==1;
Ro=Ra1;
elseif m==2
Ro=Ra2;
elseif m==3
Ro=Ra3;
else
Ro=Ra4;
end
for i=1:400
Tem(i)=1.2*Tn*i/300;
rpm(i)=Un/Cefai-(ra+Ro)/(Cefai*Ctfai)*Tem(i );
TL(i)=Tn;
end
plot(Tem,rpm,'-',TL,rpm,'-');
hold on;
end
grid on;ylim([0,1800]);xlabel('电磁转矩
T/N.M');ylabel('转速/rpm');
gtext('R=0.18 Ohms');gtext('R=0.58 Ohms'); gtext('R=0.98 Ohms');gtext('R=1.38 Ohms'); title('\fontsize{14}\bf 改变点数回路电阻的电机的人为机械特性')
4 仿真结果：(Tn=145.93 N.m)
5 原理分析：
1.改变电枢回路电阻的电机人为机械特性都由理想空载点转速出
发；
2.串电阻越大特性却陡，即越软，转速稳定性越差；
3.串电阻为零时，即得固有机械特性；
4.串电阻时，功率损耗大，转速不稳定，则调速不能连续；
6 总结
通过本次电机拖动课程设计，我学会了使用matlab对电机系统进行仿真分析，在课程设计的过程中遇到了很多问题，如matlab 程序语言的使用等等，但还是通过同学间的合作一一克服了，感觉收获挺大的。
另外对电机系统的人为机械特性有了进一步的巩固。
拖动负载运行的他励直流电动机，其转速是由工作点决定的，工作点，电动机的转速也就改变了。
对具体负载而言其转矩是一定的，不能改变，但是他励直流电动机的机械特性却可以人为的改变通过改变电动机的机械特性，而是电动机与负载两条特性的交点随之变动，从而可达到调速的目的。
本次课程设计所使用的串电阻调速的方法是不经济的，因为在电枢回路所串调速电阻Ra上产生很大损耗，减小部分就是小号在串接电阻上的损耗，尽管这种方法损耗大，低速时转速不稳，不能连续调速。
但是，由于大的线路简单，所用设备小，在一些对调速性能要求不高的设备中还是有很大应用的，大容量电机一般不采用。