第1章直流电机教案.docx

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第1章直流电机教案

一、授课时间：

第1次

二、教学目的：

掌握直流电机的基本工作原理与结构，明确额定值

三、教学重点及难点：

直流电机的基本工作原理与结构

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

1、生活中电机的应用；2、电机的作用；3、引出电机的结构、原理如何？

（二）讲授新课

1.1直流电机的概述

1.1.1基本工作原理

1、直流发电机的基本工作原理

直流电机分为直流电动机和直流发电机两大类，其工作原理可通过直流电机的简化模型进行说明。

从图可看出，导体ab和cd中感应电动势方向是交变的，而和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是在S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势输出。

感应电动势的方向由两个因素决定；1.导体的运动方向；2.气隙磁场的极性。

改变其中之一就可以改变感应电动势的方向。

2、直流电动机的基本工作原理.

电磁力F的方向由两个因素决定：

1.导体中的电流方向；2.气隙磁场的极性。

改变其中之一就可以改变电磁力F的方向。

同一台直流电机即可作发电机运行，也可作电动机运行——可逆性

1.1.2基本结构

1．定子部分

（1）机座

机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等，又是电机磁路的一部分（称为磁轭）。

机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。

（2）主磁极

主磁极的作用是产生气隙磁场，由主磁极铁心和主磁极绕组（励磁绕组）构成。

主磁极铁心一般由1.0mm～1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。

极靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀。

极身上面套有励磁绕组，绕组中通入直流电流。

整个磁极用螺钉固定在机座上。

（3）换向极

换向极用来改善换向，由铁心和套在铁心上的绕组构成，其绕组中流过的是电枢电流。

换向极装在相邻两主极之间，用螺钉固定在机座上。

（4）电刷装置

电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变成电刷端的直流量。

2．转子部分

（1）电枢铁心

电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。

电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成。

（2）电枢绕组

电枢绕组是直流电机的主要组成部分，其作用是感应电动势、通过电枢电流，它是电机实现机电能量转换的关键。

（3）换向器

换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组各元件的始端和末端与换向片按一定规律连接。

换向器与转轴固定在一起。

1.1.3直流电机的额定值

直流电机的额定值主要有下列几项：

（1）额定功率：

是指电机的输出功率，对发电机系指出线端输出的电功率。

对电动机系指转轴上输出的机械功率。

单位为W或kW。

（2）额定电压：

是指在额定工作条件下，电机出线端的平均电压。

对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。

单位为V。

（3）额定电流：

是指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值。

单位为A。

（4）额定转速：

是指对应于额定电压、额定电流、电机运行于额定功率时所对应的转速。

单位为r／min。

（5）额定温升：

是指电机允许的温升的限值，主要决定于电机的绝缘材料的绝缘等级。

直流发电机的额定功率应为

直流电动机的额定功率为

2、直流电机的主要系列

国产的直流电机种类很多，主要Z2、Z3、Z4系列。

Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。

五、课堂小结：

本节课主要讲解直流电动机和直流发电机的结构与原理，要求掌握原理，掌握主要结构，各部分的作用，掌握几个额定值和它们之间的关系。

六、布置作业：

P411-1、10、11

一、授课时间：

第2次

二、教学目的：

1、解电枢绕组的连接，掌握基本概念，

2、掌握直流电机的励磁方式

三、教学重点及难点：

1、电枢绕组的型号、节距、

2、单叠绕组单波绕组特点

3、励磁方式

难点：

绕组展开图

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

电机的结构与原理

（二）讲授新课

1.2直流电机的电枢绕组

1.2.1电枢绕组的基本知识

1、电枢绕组元件

电枢绕组的线圈数和换向片数、槽数之间应有如下的关系：

因为每一个线圈有两个边，而每一换向片总是把一个线圈的尾端与紧跟的另一个线圈的首端焊接在一起，因此，线圈数与换向片数相等；如果电枢铁心每个槽内只安排一个上层边和一个下层边（称为一个单元槽），这样，线圈数又与单元槽数相等。

由此可知，一台直流电机的线圈数S与换向片数K、槽数Z之间有如下关系：

S=K=Z

电枢绕组大多做成双层绕组，将线圈的一个有效边放在槽的上层，称做上层边（画成实线）；另一个有效边放在有一定距离的另一槽的下层，称做下层边（画成虚线）。

2、节距

（1）第一节距y1：

指一个线圈两有效边之间在电枢表面上的跨距，以槽数表示。

由于线圈边要放入槽内，所以y1应是整数。

而为了让绕组能感应出最大的电动势，应使y1接近或等于极距，即

极距τ：

式中ε——正分数，是将y1补成整数的一个正分数。

若ε=0，则y1=τ，称为整距绕组。

若取正号，则y1>τ，称为长距绕组；若取负号，则y1<τ，称为短距绕组。

为了节省铜线及方便工艺，一般多采用短距或整距绕组。

（2）第二节距y2：

指相串联的两个相邻线圈中，第一个线圈的下层边与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，y2用槽数表示。

（3）换向片节距yk：

是线圈两端所连接的换向片之间的距离，用该线圈跨过的换向片数来表示，

（4）合成节距y：

合成节距y是指相串联的两个相邻线圈对应的有效边之间的距离，用槽数来表示

1.2.2单叠绕组：

1、展开图

2、连接顺序图

3、并联支路图

4、特点：

（1）同一主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路。

（2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于支路电动势。

（3）电枢电流等于各支路电流之和。

1.2.3单波绕组

单波绕组由于连接方法与单叠绕组不同，故特点也不同，主要有：

（1）同极性下各元件串联起来组成一个支路，支路对数a=1，与磁极对数p无关。

（2）电刷数等于主磁极数，电枢电动势等于支路感应电动势。

（3）电枢电流等于两条支路电流之和。

四、课堂小结：

本节课主要讲述直流电机的电枢绕组，阐述基本概念、单叠绕组、单波绕组的连接及特点，直流电机的励磁方式。

五、布置作业：

P411-2、1-12

一、授课时间：

第3次

二、教学目的：

感应电动势和电磁转矩

三、教学重点及难点：

感应电动势和电磁转矩

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

直流电机的励磁方式

（二）讲授新课

1.3直流电机的励磁方式

1.3.1直流电机的励磁方式

1．他励直流电机

励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。

图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。

永磁直流电机也可看作他励直流电机。

2．并励直流电机

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。

作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

3．串励直流电机

串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。

这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。

4．复励直流电机

复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。

一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。

1.3.3电枢反应

所谓电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响，电枢反应对电机的运行性能有很大的影响。

（1）电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变。

（2）电枢反应使主磁场削弱。

（3）由于磁通密度分布不均匀，使电枢绕组中每元件感应电动势不等，造成换向片电位差不等，增加换向困难。

1.4电枢电动势和电磁转矩

1.4.1直流电机的电枢电动势

电枢绕组处在磁场中转动时将产生感应电动势，称电枢电动势。

电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每条支路里的感应电动势。

每条支路所含的元件数是相等的，而且每个支路里的元件都是分布在同极性磁极下的不同位置上的。

这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘上一条支路里总的导体数，就是电枢电动势。

一根导体中的感应电动势可通过电磁感应定律求得，其表达式为

式中是一个主磁极下的平均气隙磁通密度，与每极主磁通的关系为

由此导得

线速度v可以表示为

式中：

为极距；p为极对数；n为电枢转速；L为导体的有效长度。

可得每根导体的电动势为

每条支路中的感应电动势为

式中：

为电动势常数，当电机制造好后仅与电机结构有关。

N为电枢导体总数。

磁通的单位为Wb，转速n的单位为r／min，感应电动势的单位为V。

感应电动势公式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关。

当电机制造好以后，电机结构常数Ce不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。

1.4.2直流电机的电磁转矩

当电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中将受到电磁力，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩。

一根导体在磁场中所受电磁力的大小可用下式计算

（1-13）

式中，为一根电枢导体中流过的电流；Ia为电枢总电流；a为电枢并联支路对数。

一根电枢导体产生的电磁转矩为

总的电磁转矩为

式中：

CT=

为转矩常数，仅与电机结构有关；D=

为电枢铁心直径。

电枢电流的单位为A，磁通单位为Wb时，电磁转矩的单位为N·m。

从Ce与CT的表达式可以看出

CT=9.55Ce

由Tem=CTΦIa可看出，制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。

六、课堂小结：

本节课着重讲述直流电机的感应电动势和电磁转矩，会正确使用两个公式。

六、布置作业：

P411-3、1-5

一、授课时间：

第4次

二、教学目的：

重点掌握电势平衡方程式、转矩平衡、功率平衡方程式

三、教学重点及难点：

电势平衡方程式、转矩平衡、功率平衡方程式

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

直流电机的原理

（二）讲授新课

1.5直流电动机的运行原理 

1.5.1直流电机的基本方程式

1、电动势平衡方程式

并励电动机电枢回路与励磁回路的电动势平衡方程式如下：

2、转矩平衡方程式

得出电动机稳态运行时的转矩平衡方程式为

3、功率平衡关系

并励电动机

Pe=UI=U（If+Ia）=UIf+（Iara+2△Ub+Ea）Ia

=pcuf+pcua+pc+Pem

Pem=TemΩ=（T2+T0）Ω=P2+P0

=P2+pFe+pmec

1.5.2直流电动机的工作特性

1、直流电动机的工作特性（普遍的）

端电压U=UN（额定电压）

电枢回路中无外加电阻

励磁电流I=IfN（额定励磁电流）时

电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率η三者与输出功率P2之间的关系

2、并励直流电动机的工作特性（特殊的）

1）转速特性

当U=U，I=If时，n=f（Ia）的关系曲线

n=（U/Ceφ）-（RaIa/Ceφ）

2）转矩特性 

当U=U，If=IfN时，Tem=f（Ia）的关系曲线

Tem=CTφIa

3）效率特性

当U=UN，If=IfN时，η=f（Ia）的关系曲线

（1）铜耗

电流流过导体时，消耗在电阻内的损耗；

其次是励磁回路的铜耗pcuf=IfRf；还有电刷接触损耗

（2）铁耗

电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗

（3）机械损耗

机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗

（4）附加损耗

附加损耗p△又称杂散损耗

附加损耗主要包括：

*（电枢铁心上齿槽存在，使气隙磁通大小脉振和左右摇摆在）铁心中引的铁损耗；

*电枢反应使磁场畸变引起的电枢铁耗

*换向电流产生的铜耗等

因为难于精确计算

*对无补偿绕组的直流电机，附加损耗按额定容量1%估算

*对有补偿绕组的直流电机，附加损耗按额定容量0.5%估算

对于并励直流电动机

因为磁通基本不变，转速基本不变 , 所以励磁损耗、铁耗和机械损耗可以认为不变 .  如果不计附加损耗，效率为：

可见效率曲线有一个最大值，令：

当电动机不变损耗等于随电流平方而变的可变损耗时，电动机效率达到最大。

此结论对所有电机有普遍意义

五、课堂小结：

本节课针对直流电动机讲述其基本的平衡方程式，重点掌握电势平衡方程式、转矩平衡、功率平衡方程式，要求活学活用。

六、布置作业：

P421-18、19

一、授课时间：

第5次

二、教学目的：

直流发电机的基本方程式、直流电动机的运行特性

三、教学重点及难点：

直流发电机的基本方程式

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

直流电动机的基本方程式

（二）讲授新课

1.6直流发电机的运行原理 

1.8.1直流发电机的基本方程式

1、电动势平衡方程式

作发电机运行：

2、转矩平衡方程式

在发电机中，原动机的拖动转矩为T1，其转矩平衡方程式则为

得出发电机稳态运行时的转矩平衡方程式为

3、功率平衡关系

并励发电机

P1=T1Ω 

=（Tem+T0）Ω

=Pem+P0

=Pem+pFe+pmec

Pem=EaIa

=（U+Iara+2△Uc）Ia

=UIa+Ia2ra+2Ia△Uc

=UI+UIf+Ia2ra+2Ia△Uc

=P2+pcuf+pcua+pc

1.6.2直流电动机的运行特性

1、空载特性

当n=nN时，励磁绕组端加上励磁电压Uf，调节励磁电流If0，使发电机空载端电压U0=（1.1-1.3）U，然后再使If0逐步降到零,这样测得的空载端电压U0和励磁电流If0关系,即为他励发电机空载运行时特性曲线U0=f（If0）

2、直流发电机的外特性

（1）负载增加，去磁性质的电枢反应引起气隙合成磁通的减小，从而使相应的感应电动势下降

（2）此时电枢回路的电阻和电刷压降R0I0增大

以上两个因素都促使发电机端电压下降

并励发电机外特性曲线斜率更大的原因

3、调节特性

n=nN，U=常数，励磁电流与负载电流之间的关系。

特点：

调节特性是随负载电流增大而上翘的。

五、课堂小结：

本节课主要讲述直流电动机的运行特性和直流电动机的运行特性，掌握基本的平衡表达式。

六、布置作业：

P421-16、17

一、授课时间：

第6次

二、教学目的：

1、并励直流发电机空载电压的建立；2、并励直流发电机的运行特性；3、复励直流发电机的外特性；4、直流电机的换向

三、教学重点及难点：

并励直流发电机空载电压的建立

四、教学内容及过程：

（一）引入新课：

直流发电机原理

（二）讲授新课

1.6.3并励直流发电机空载电压的建立

1、空载电压的建立

对于励磁绕组的端电压Uf和励磁电流Ir

若从电机磁路关系上考虑要满足空载特性，

即U0=f（If0）

而从电路关系上观察，必须遵循伏安特性，

即Uf=rf*If0

由此可见，U0、If0必须同时满足空载特性和伏安特性

所以U0和If0之值就是表示上述两种特性的曲线交点：

A的坐标

并励直流发电机的自励

2、并励直流发电机自励的三个条件：

*电机必须有剩磁

*励磁绕组并联到电枢的极性必须正确

*励磁回路中电阻小于rfc（称为临界值）

1.6.4并励直流发电机的运行特性

1、空载特性

2、外特性

3、调节特性

1.7直流电机的换向

换向：

直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短接后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程。

国家标准将火化的大小划分为五个等级：

1级、

级、

级、2级、3级

对正常工作的直流电机，火化等级不超过

级；短时过载，不超过2级

五、课堂小结：

本节课着重讲述并励直流发电机空载电压的建立、并励直流发电机的运行特性、复励直流发电机的外特性、直流电机的换向，重点掌握并励直流发电机空载电压的建立过程。

六、布置作业：

P421-8、9