電機(jī)拖動與控制教案

2023年12月13日發(fā)(作者：天鵝湖觀后感)

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湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院備課用紙

（章或課）

課題： 任務(wù)一 直流電機(jī)基本理論及結(jié)構(gòu)

講授節(jié)數(shù) 8

授課班級

15-3高數(shù)控1 15-3高電力1

授課日期

日/月 日/月

教學(xué)目的要求： 1、了解直流電機(jī)的基本工作原理

2、掌握直流電機(jī)的特性

3、學(xué)會直流電機(jī)相關(guān)運(yùn)算

教學(xué)重點(diǎn)： 1、直流電機(jī)的基本理論

2、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

3、直流電機(jī)的特性

教學(xué)難點(diǎn)： 1、直流電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算

2、直流電機(jī)的勵磁方式

教學(xué)方法： 直觀演示法、講授法

節(jié)

次

課

時(shí)

安

排

1

2

3

4

教具： 計(jì)算機(jī)、投影儀、黑板等。

總

課

時(shí)

合 計(jì)

其 中

講授

2

2

2

2

8

實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)

內(nèi) 容

1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌

1.3直流電機(jī)的電樞繞組

1.4之路電機(jī)的磁場與基本公式

1.5直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

1.6直流電動機(jī)的工作特性

單元復(fù)習(xí)

課堂作業(yè)

1 湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院備課用紙

(每節(jié)、每課或連排2課時(shí))

課題：1.1直流電機(jī)的基本工作原理

1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌

講授節(jié)數(shù)

2

授課班級

17-3高數(shù)控1班 18-5高機(jī)器人1班

授課日期

日/月 日/月

教學(xué)目的要求：

1. 了解直流電機(jī)的基本工作原理

2. 掌握直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：

1.直流電機(jī)的基本工作原理

2.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

教學(xué)難點(diǎn)：

電機(jī)額定數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算

作業(yè)布置：

書25頁課后習(xí)題第6題、第7題

教 具： 多媒體課件; 器件展示

教學(xué)過程

課后小結(jié)：

轉(zhuǎn)下頁

2 一、組織教學(xué)

清點(diǎn)上課人數(shù)

維持課堂紀(jì)律

二、新課引入

1、直流電機(jī)在生活中的運(yùn)用，電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)。

2、直流電機(jī)的分類

三、新課講授

（一） 、直流電機(jī)的基本工作原理

1、直流電動機(jī)的基本工作原理

直流電動機(jī)的工作原理，可以用一個簡單的模型來說明。圖1-1是一臺最簡單的直流電動機(jī)的模型。N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵，磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的金屬圓柱體，稱為電樞鐵心。

加于直流電動機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機(jī)電樞線圈中流過電流的方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。

2、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理

直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動機(jī)相同，不同的是電刷上不加直流電壓，而是用原動機(jī)拖動電樞朝某一方向，例如朝逆時(shí)針方旋轉(zhuǎn)，如圖1-2所示。這時(shí)導(dǎo)體ab和cd分別切割N極和S極下的磁感應(yīng)線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的方向用右手定則確定。

從以上分析看出：一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷， 3 輸入電能，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作電動機(jī)運(yùn)行；如用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。同一臺電機(jī)，既能作為電動機(jī)運(yùn)行，又能作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。

（二）、直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌

1、結(jié)構(gòu)

從直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看出，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

（1）定子

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場。由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。

（2）轉(zhuǎn)子

運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞。由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

2、電機(jī)的銘牌

（1）銘牌數(shù)據(jù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：

1）額定容量（功率）PN （kW）；

2）額定電壓UN（V）；

3）額定電流IN（A）；

4）額定轉(zhuǎn)速nN（r/min）；

5）勵磁方式和額定勵磁電流IfN（A）。

直流發(fā)電機(jī)的額定容量應(yīng)為PN?UNIN

直流電動機(jī)的額定容量為PN?UNIN?N

TN?PNPNP??9.55NΩN2πnNnN60 電動機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩例題【1.1】講解。

（2）國產(chǎn)直流電機(jī)產(chǎn)品型號

四、課堂小結(jié)

1.直流電機(jī)的基本工作原理。

2.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及銘牌

五、布置作業(yè)

書25頁課后習(xí)題第6題、第7題

4 湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院備課用紙

(每節(jié)、每課或連排2課時(shí))

課題： 1.3直流電機(jī)的電樞繞組

1.4直流電機(jī)的磁場與基本公式

講授節(jié)數(shù)

2

授課班級

17-3高數(shù)控1班 18-5高機(jī)器人1班

授課日期

日/月 日/月

教學(xué)目的要求：

1. 了解直流電機(jī)的電樞繞組方式

2.熟練使用直流電機(jī)的基本公式

教學(xué)重點(diǎn)：

1.直流電機(jī)的電樞繞組

2.直流電機(jī)的磁場與基本公式

教學(xué)難點(diǎn)：

直流電機(jī)基本公式的相關(guān)運(yùn)算

作業(yè)布置：

教 具： 多媒體課件; 器件展示

教學(xué)過程

課后小結(jié)：

轉(zhuǎn)下頁

5 一、組織教學(xué)

清點(diǎn)上課人數(shù)

維持課堂紀(jì)律

二、復(fù)習(xí)引入

1、直流電機(jī)的基本工作原理。

2、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

三、新課講授

（一） 、直流電機(jī)的電樞繞組

1、電樞繞組的常用術(shù)語

（1）實(shí)槽與虛槽

電機(jī)電樞上實(shí)際開出的槽叫作實(shí)槽。電機(jī)往往有較多的元件來構(gòu)成電樞繞組，但由于制造工藝等原因，電樞鐵心開的槽數(shù)不能夠太多。通常在每個槽的上、下層各放置若干個元件邊。為了明確說明每個元件邊所處的位置，引入“虛槽”概念。

每個虛槽的上、下層各有一個元件邊。圖中所示情況u = 3。若實(shí)槽數(shù)為Q，虛槽數(shù)為Qμ，則Qμ=uQ。

（2）、元件數(shù)、換向片數(shù)與虛槽數(shù)

因?yàn)槊總€元件有兩個元件邊，而每一個換向片連接兩個元件邊，又因?yàn)槊總€虛槽包含兩個元件邊，所以一般來講，繞組的元件數(shù)、換向片數(shù)和虛槽數(shù)三者應(yīng)相等。

（3）極距

極距就是沿電樞表面圓周上相鄰兩磁極間的距離。

（4）繞組節(jié)距

a、第一節(jié)距b、合成節(jié)距Y：相串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊之間的節(jié)距稱為合成節(jié)距。它表示每串聯(lián)一個元件后，繞組在電樞表面前進(jìn)或后退了多少個虛槽，是反映不同形式繞組的一個重要標(biāo)志。

c、換向器節(jié)距：Y1?Qμ???整數(shù)2p

Y?Yk

d、第二節(jié)距：表示相串聯(lián)的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊之間的距離。

2、單疊繞組

（1）計(jì)算節(jié)距

（2）繪制繞組展開圖

1）畫16根等長、等距的平行實(shí)線代表16個槽的上層，在實(shí)線旁畫16根平行虛線代表16個槽的下層。一根實(shí)線和一根虛線代表一個槽，編上槽號。

2）按節(jié)距Y1連接一個元件。例如將1號元件上層邊放在1號槽的上層，其下層邊應(yīng)放在1+Y1=1+4=5槽號的下層。由于一般情況下，元件是左右對稱的，為此，可把1號槽的上層（實(shí)線）和5號槽的下層（虛線）用左右對稱的端接部 6 分連成1號元件。注意首端和末端之間相隔一片換向片寬度，為使圖形規(guī)整起見，取換向片寬度等于一個槽距，從而畫出與1號元件首端相連的1號換向片和相鄰的與末端相連的2號換向片，并依次畫出3～16號換向片。顯然，元件號、上層邊所在槽號和該元件首端所連換向片的編號相同。

3）畫1號元件的平行線，可以依次畫出2～16號元件，從而將16個元件通過16片換向片連成一個閉合的回路。

4）單疊繞組的展開圖已經(jīng)畫成，但為幫助理解繞組工作原理和電刷位置的確定，一般在展開圖上還應(yīng)畫出磁極和電刷。

5）畫磁極。

6）畫電刷。電刷組數(shù)也就是刷桿數(shù)等于極數(shù)（本例中為4），必須均勻分布在換向器表面圓周上。

（3）單疊繞組連接順序表

（4）單疊繞組的并聯(lián)支路圖

（5）單疊繞組的特點(diǎn)

a、同一磁極下的各元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)，即a=p。

b、當(dāng)元件形狀左右對稱，電刷在換向器表面的位置對準(zhǔn)磁極中心線時(shí)，正、負(fù)電刷短路元件中的感應(yīng)電動勢最小。

c、電刷個數(shù)等于極數(shù)。

3、單波繞組

（1）計(jì)算節(jié)距

（2）繪制展開圖

7 （3）單波繞組連接順序表

（4）單波繞組的并聯(lián)支路圖

（5）單波繞組的特點(diǎn)

a、上層邊位于同一極性磁極下的所有元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1，與極對數(shù)無關(guān)。

b、當(dāng)元件形狀左右對稱、電刷在換向器表面上的位置對準(zhǔn)主磁極中心線時(shí)，支路電動勢最大。

c、單從支路數(shù)來看，單波繞組可以只要兩組電刷，但為了減少換向器的軸向長度，降低成本，仍按主極數(shù)來裝置電刷，稱為全額電刷。在單波繞組中，電樞電動勢仍等于支路電動勢，電樞電流也等于支路電流之和。

單疊繞組與單波繞組的主要區(qū)別在于并聯(lián)支路對數(shù)的多少。單疊繞組可以通過增加極對數(shù)來增加并聯(lián)支路對數(shù)。適用于低電壓大電流的電機(jī)；單波繞組的并聯(lián)支路對數(shù)a =1，但每條支路串聯(lián)的元件數(shù)較多，故適用于小電流較高電壓的電機(jī)。

（二） 、直流電機(jī)的磁場與基本公式

8 1、直流電機(jī)的勵磁方式

（1）他勵直流電機(jī)

他勵式直流電機(jī)的勵磁繞組和電樞分別由兩個不同的電源供電，這兩個電源的電壓可以相同，也可以不同。這種勵磁方式的直流電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，一般用于大型和精密直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中。

（2）并勵直流電機(jī)

并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，其勵磁回路上所加的電壓就是電樞電路兩端的電壓。并勵式直流電機(jī)的特性與他勵式基本相同，但比他勵式節(jié)省了一個電源，并勵式直流電機(jī)一般用于恒壓系統(tǒng)，中小型直流電機(jī)多為并勵式。

（3）串勵直流電機(jī)

串勵直流電機(jī)是將勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)起來。串勵式直流電機(jī)不允許空載或輕載運(yùn)行。

（4）復(fù)勵直流電機(jī)

復(fù)勵直流電機(jī)的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個繞組與電樞繞組并聯(lián)，另一個與電樞繞組串聯(lián)。復(fù)勵式直流電機(jī)不能用于可逆驅(qū)動系統(tǒng)中。

2、直流電機(jī)的磁場

（1）空載時(shí)的主磁場

電機(jī)的空載是指發(fā)電機(jī)不輸出電功率，電動機(jī)不輸出機(jī)械功率，這時(shí)電樞電流很小，電樞磁動勢也很小，所以電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場就可以看作是主磁場。

（2）負(fù)載時(shí)的電樞磁場

電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中有電流流過，它將產(chǎn)生一個電樞磁場。在磁極軸2x線處，電樞磁場為零。作用在這個閉合回路上的磁動勢為Nia?2xAπDa

（3）電樞反應(yīng)

有負(fù)載時(shí)電樞磁動勢對主磁極的影響叫作電樞反應(yīng)。電刷在幾何中性線處時(shí)，電樞磁場和主極磁場相互垂直，此時(shí)的電樞反應(yīng)叫作交軸電樞反應(yīng)。

3、電樞繞組的感應(yīng)電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩

（1）電樞電動勢

電樞電動勢是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組每條支路的感應(yīng)電動勢，即一條支路中各元件感應(yīng)電動勢之和。

pNEa?Φn?CeΦn60a通過計(jì)算，電機(jī)感應(yīng)電動勢表達(dá)式為

（2）電磁轉(zhuǎn)矩

4、直流電機(jī)的基本方程

（1）直流電動機(jī)的基本方程

a、電壓平衡方程式U?Ea?IaRa

Tb、轉(zhuǎn)矩平衡方程式emc、功率平衡方程式?T2?T0

P1?Pem?pCua

9 d、電磁功率Pem?EaIa?pNΦIa2πn?TemΩ2πa60

（2）直流發(fā)電機(jī)的基本方程

a、平衡方程式

E直流發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電樞回路方程式ab、他勵直流發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系?U?IaRa

EaIa?UIa?Ia2RaP1?Pem?p0?P2?pCua?pm?pFe

四、課堂小結(jié)

1.直流電機(jī)的電樞繞組

2.直流電機(jī)的磁場與基本公式

五、布置作業(yè)

書25頁課后習(xí)題第10題、第13題

10

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