电机拖动与控制教案

2023年12月13日发(作者：天鹅湖观后感)

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湘西民族职业技术学院备课用纸

（章或课）

课题： 任务一 直流电机基本理论及结构

讲授节数 8

授课班级

15-3高数控1 15-3高电力1

授课日期

日/月 日/月

教学目的要求： 1、了解直流电机的基本工作原理

2、掌握直流电机的特性

3、学会直流电机相关运算

教学重点： 1、直流电机的基本理论

2、直流电机的结构

3、直流电机的特性

教学难点： 1、直流电机相关数据的计算

2、直流电机的励磁方式

教学方法： 直观演示法、讲授法

节

次

课

时

安

排

1

2

3

4

教具： 计算机、投影仪、黑板等。

总

课

时

合 计

其 中

讲授

2

2

2

2

8

实验、实习

内 容

1.1直流电机的基本工作原理

1.2直流电机的结构及铭牌

1.3直流电机的电枢绕组

1.4之路电机的磁场与基本公式

1.5直流发电机的运行特性

1.6直流电动机的工作特性

单元复习

课堂作业

1 湘西民族职业技术学院备课用纸

(每节、每课或连排2课时)

课题：1.1直流电机的基本工作原理

1.2直流电机的结构及铭牌

讲授节数

2

授课班级

17-3高数控1班 18-5高机器人1班

授课日期

日/月 日/月

教学目的要求：

1. 了解直流电机的基本工作原理

2. 掌握直流电机的优缺点

教学重点：

1.直流电机的基本工作原理

2.直流电机的结构

教学难点：

电机额定数据的相关计算

作业布置：

书25页课后习题第6题、第7题

教 具： 多媒体课件; 器件展示

教学过程

课后小结：

转下页

2 一、组织教学

清点上课人数

维持课堂纪律

二、新课引入

1、直流电机在生活中的运用，电机的优点缺点。

2、直流电机的分类

三、新课讲授

（一） 、直流电机的基本工作原理

1、直流电动机的基本工作原理

直流电动机的工作原理，可以用一个简单的模型来说明。图1-1是一台最简单的直流电动机的模型。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金属圆柱体，称为电枢铁心。

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电流的方向是交变的，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。

2、直流发电机的基本工作原理

直流发电机的模型与直流电动机相同，不同的是电刷上不加直流电压，而是用原动机拖动电枢朝某一方向，例如朝逆时针方旋转，如图1-2所示。这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁感应线，产生感应电动势，电动势的方向用右手定则确定。

从以上分析看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，电机的实际运行方式取决于外界不同的条件。将直流电源加于电刷， 3 输入电能，将电能转换为机械能，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作为电动机运行，又能作为发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。

（二）、直流发电机的结构及铭牌

1、结构

从直流电动机和直流发电机工作原理示意图可以看出，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

（1）定子

直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场。由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。

（2）转子

运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

2、电机的铭牌

（1）铭牌数据

根据国家标准，直流电机的额定数据有：

1）额定容量（功率）PN （kW）；

2）额定电压UN（V）；

3）额定电流IN（A）；

4）额定转速nN（r/min）；

5）励磁方式和额定励磁电流IfN（A）。

直流发电机的额定容量应为PNUNIN

直流电动机的额定容量为PNUNINN

TNPNPNP9.55NΩN2πnNnN60 电动机轴上输出的额定转矩例题【1.1】讲解。

（2）国产直流电机产品型号

四、课堂小结

1.直流电机的基本工作原理。

2.直流电机的结构及铭牌

五、布置作业

书25页课后习题第6题、第7题

4 湘西民族职业技术学院备课用纸

(每节、每课或连排2课时)

课题： 1.3直流电机的电枢绕组

1.4直流电机的磁场与基本公式

讲授节数

2

授课班级

17-3高数控1班 18-5高机器人1班

授课日期

日/月 日/月

教学目的要求：

1. 了解直流电机的电枢绕组方式

2.熟练使用直流电机的基本公式

教学重点：

1.直流电机的电枢绕组

2.直流电机的磁场与基本公式

教学难点：

直流电机基本公式的相关运算

作业布置：

教 具： 多媒体课件; 器件展示

教学过程

课后小结：

转下页

5 一、组织教学

清点上课人数

维持课堂纪律

二、复习引入

1、直流电机的基本工作原理。

2、直流电机的结构

三、新课讲授

（一） 、直流电机的电枢绕组

1、电枢绕组的常用术语

（1）实槽与虚槽

电机电枢上实际开出的槽叫作实槽。电机往往有较多的元件来构成电枢绕组，但由于制造工艺等原因，电枢铁心开的槽数不能够太多。通常在每个槽的上、下层各放置若干个元件边。为了明确说明每个元件边所处的位置，引入“虚槽”概念。

每个虚槽的上、下层各有一个元件边。图中所示情况u = 3。若实槽数为Q，虚槽数为Qμ，则Qμ=uQ。

（2）、元件数、换向片数与虚槽数

因为每个元件有两个元件边，而每一个换向片连接两个元件边，又因为每个虚槽包含两个元件边，所以一般来讲，绕组的元件数、换向片数和虚槽数三者应相等。

（3）极距

极距就是沿电枢表面圆周上相邻两磁极间的距离。

（4）绕组节距

a、第一节距b、合成节距Y：相串联的两个元件的对应边之间的节距称为合成节距。它表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，是反映不同形式绕组的一个重要标志。

c、换向器节距：Y1Qμ整数2p

YYk

d、第二节距：表示相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边之间的距离。

2、单叠绕组

（1）计算节距

（2）绘制绕组展开图

1）画16根等长、等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁画16根平行虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽，编上槽号。

2）按节距Y1连接一个元件。例如将1号元件上层边放在1号槽的上层，其下层边应放在1+Y1=1+4=5槽号的下层。由于一般情况下，元件是左右对称的，为此，可把1号槽的上层（实线）和5号槽的下层（虚线）用左右对称的端接部 6 分连成1号元件。注意首端和末端之间相隔一片换向片宽度，为使图形规整起见，取换向片宽度等于一个槽距，从而画出与1号元件首端相连的1号换向片和相邻的与末端相连的2号换向片，并依次画出3～16号换向片。显然，元件号、上层边所在槽号和该元件首端所连换向片的编号相同。

3）画1号元件的平行线，可以依次画出2～16号元件，从而将16个元件通过16片换向片连成一个闭合的回路。

4）单叠绕组的展开图已经画成，但为帮助理解绕组工作原理和电刷位置的确定，一般在展开图上还应画出磁极和电刷。

5）画磁极。

6）画电刷。电刷组数也就是刷杆数等于极数（本例中为4），必须均匀分布在换向器表面圆周上。

（3）单叠绕组连接顺序表

（4）单叠绕组的并联支路图

（5）单叠绕组的特点

a、同一磁极下的各元件串联起来组成一条支路，并联支路对数等于极对数，即a=p。

b、当元件形状左右对称，电刷在换向器表面的位置对准磁极中心线时，正、负电刷短路元件中的感应电动势最小。

c、电刷个数等于极数。

3、单波绕组

（1）计算节距

（2）绘制展开图

7 （3）单波绕组连接顺序表

（4）单波绕组的并联支路图

（5）单波绕组的特点

a、上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路对数恒等于1，与极对数无关。

b、当元件形状左右对称、电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大。

c、单从支路数来看，单波绕组可以只要两组电刷，但为了减少换向器的轴向长度，降低成本，仍按主极数来装置电刷，称为全额电刷。在单波绕组中，电枢电动势仍等于支路电动势，电枢电流也等于支路电流之和。

单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数a =1，但每条支路串联的元件数较多，故适用于小电流较高电压的电机。

（二） 、直流电机的磁场与基本公式

8 1、直流电机的励磁方式

（1）他励直流电机

他励式直流电机的励磁绕组和电枢分别由两个不同的电源供电，这两个电源的电压可以相同，也可以不同。这种励磁方式的直流电机具有较硬的机械特性，一般用于大型和精密直流电机驱动系统中。

（2）并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，其励磁回路上所加的电压就是电枢电路两端的电压。并励式直流电机的特性与他励式基本相同，但比他励式节省了一个电源，并励式直流电机一般用于恒压系统，中小型直流电机多为并励式。

（3）串励直流电机

串励直流电机是将励磁绕组和电枢绕组串联起来。串励式直流电机不允许空载或轻载运行。

（4）复励直流电机

复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个绕组与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。复励式直流电机不能用于可逆驱动系统中。

2、直流电机的磁场

（1）空载时的主磁场

电机的空载是指发电机不输出电功率，电动机不输出机械功率，这时电枢电流很小，电枢磁动势也很小，所以电机空载时的气隙磁场就可以看作是主磁场。

（2）负载时的电枢磁场

电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，它将产生一个电枢磁场。在磁极轴2x线处，电枢磁场为零。作用在这个闭合回路上的磁动势为Nia2xAπDa

（3）电枢反应

有负载时电枢磁动势对主磁极的影响叫作电枢反应。电刷在几何中性线处时，电枢磁场和主极磁场相互垂直，此时的电枢反应叫作交轴电枢反应。

3、电枢绕组的感应电动势与电磁转矩

（1）电枢电动势

电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每条支路的感应电动势，即一条支路中各元件感应电动势之和。

pNEaΦnCeΦn60a通过计算，电机感应电动势表达式为

（2）电磁转矩

4、直流电机的基本方程

（1）直流电动机的基本方程

a、电压平衡方程式UEaIaRa

Tb、转矩平衡方程式emc、功率平衡方程式T2T0

P1PempCua

9 d、电磁功率PemEaIapNΦIa2πnTemΩ2πa60

（2）直流发电机的基本方程

a、平衡方程式

E直流发电机在稳态运行时的电枢回路方程式ab、他励直流发电机的功率关系UIaRa

EaIaUIaIa2RaP1Pemp0P2pCuapmpFe

四、课堂小结

1.直流电机的电枢绕组

2.直流电机的磁场与基本公式

五、布置作业

书25页课后习题第10题、第13题

10

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