电工与电子技术教案全 程周 高教第二版D5.docx

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电工与电子技术教案全程周高教第二版D5

第5章 电动机

【课题】

5.1 三相异步电动机的基本结构与旋转磁场

【教学目标】

解释三相异步电动机的基本结构和旋转磁场。

【教学重点】

1．三相异步电动机的基本结构。

2．三相异步电动机的旋转磁场。

【教学难点】

三相异步电动机的旋转磁场。

【教学过程】

【一、复习】

1．磁路基本知识。

2．三相交流电的概念。

【二、引入新课】

三相异步电动机作为生产动力应用广泛。

其结构上的定子和转子，从电磁能够交换的角度来看，相当于变压器的一次绕组和二次绕组。

旋转磁场是使电动机转子旋转的原因。

【三、讲授新课】

5.1.1　三相异步电动机的基本结构

图5.1所示为具有笼型转子的三相交流异步电动机的结构图。

图5.1　三相笼型异步电动机结构

1．定子：

由铁心和绕在铁心上的三相绕组构成，如图5.2（a）所示。

2．铁心：

由表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压[如图5.2（b）所示]而成，其内圆周均匀分布一定数量的槽孔，用以嵌置三相定子绕组。

3．绕组：

每相绕组分布在几个槽内,整个绕组和铁心固定在机壳上。

图5.2　电动机定子

（1）定子三相绕组的六个接线端子从接线盒引出，如图5.3所示（可接成星形或三角形）。

图5.3　三相异步电动机定子接线盒

（2）定子三相绕组的联结方式：

每相绕组的额定电压等于电源的相电压时，绕组应作星形联结。

每相绕组的额定电压等于电源的线电压时，绕组应作三角形联结。

4．转子：

由转子铁心和转子绕组组成。

（1）转子铁心：

是由厚的硅钢片叠压而成的圆柱体，其外圆周冲有槽孔，以便嵌置转子绕组，如图5.4（a）所示。

（a）（b）（c）

图5.4　笼型转子

（2）转子绕组根据构造分成两种形式：

①笼型转子：

是在转子铁心槽内压进铜条，铜条两端分别焊在两个铜环（端环）上，如图5.4（b）所示。

中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸在转子铁心槽中，连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸成形，如图5.4（c）所示。

②绕线型转子：

转子的铁心槽内嵌置对称三相绕组并作星形联结。

三个绕组的末端相连，各相绕组首端通过滑环和电刷引到相应的接线盒里。

绕线转子型异步电动机转子的结构如图5.5所示。

（a）示意图（b）绕线转子

图5.5　绕线转子异步电动机结构

5.1.2　三相异步电动机的旋转磁场

1．旋转磁场：

在空间上互差120o的三相对称绕组中分别通入三相对称交流电流（如图5.6所示），它们将产生各自的交变磁场，三个交变磁场合成为一个两极旋转磁场（如图5.7所示）。

图5.7　旋转磁场的产生

旋转磁场的磁极对数p与定子绕组的空间排列有关。

通过适当的安排，可以制成两对、三对或更多对磁极的旋转磁场。

2．旋转磁场转速（同步转速）为

n0=

r/min

不同磁极对数旋转磁场的转速如表5.1所示。

表5.1 不同磁极对数旋转磁场的转速

磁极对数p

1

2

3

4

5

旋转磁场转速n0/（r·min-1）

3000

1500

1000

750

600

3．对旋转磁场形成过程分析还可知，旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序有关。

若要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对调，旋转磁场与原来旋转方向相反。

【四、小结】

1．三相异步电动机的结构

2．三相异步电动机定子绕组接入三相电源有两种联结方式：

星形或三角形。

电动机定子绕组的连接方式与外接电压有关。

3．异步电动机旋转磁场，是在对称三相绕组通入对称三相交流电流时产生的。

旋转磁场的转速称为同步转速。

n0=

4．旋转磁场方向的改变只需对调三根电源线中的任意两根。

【五、习题】

一、是非题：

1、2、3；三、填空题：

1、2；四、计算题：

1；五、作图题与简答题：

1。

【课题】

5.2 三相异步电动机的转动原理及转差率

【教学目标】

解释三相异步电动机的转动原理及转差率。

【教学重点】

三相异步电动机的转差率。

【教学难点】

三相异步电动机的转动原理。

【教学过程】

【一、复习】

三相异步电动机的旋转磁场。

【二、引入新课】

在旋转磁场的作用下，三相异步电动机转子上产生转矩并旋转。

作为异步电动机，异步程度是用转差率描述的。

【三、讲授新课】

5.2 三相异步电动机的转动原理及转差率

异步电动机运转原理：

如图5.11所示。

图5.11　异步电动机转动原理

旋转磁场以同步转速

顺时针方向旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感生电动势、感生电流，用右手定则判定其方向。

有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，用左手定则判断转子受力（F）的方向，如图5.11所示。

电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向（顺时针方向）旋转。

1．异步电动机：

转子转速

与旋转磁场转速

同方向，且

>

。

2．转差率：

同步转速

与转子转速

的差值与同步转速

之比，用s表示。

s=

3．电动机的异步程度：

电动机在起动瞬间，

=0，s=1转差率最大；空载运行时，

接近于同步转速，转差率s最小。

例如：

某四极三相异步电动机额定转速（即转子转速）

=1440r/min，其同步转速

=1500r/min，则额定转差率

=（

-

）/

=0.04。

一般情况下，异步电动机额定转差率

=0.02~0.06。

【四、小结】

1．三相异步电动机定子绕组通入三相交流电后，会在定子绕组空间产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下会转动。

2．转子的旋转方向和旋转磁场的方向是一致的，因此要想改变异步电动机的旋转方向，只要改变旋转磁场的方向即可。

3．转差率描述转子转速n2和旋转磁场转速n0（同步转速）相差的程度。

4．当电动机通电转子尚未转动瞬间，n2=0，则s=1；当转子转速等于同步转速时，n0=n2，则s=0。

一般情况下，额定转差率

=0.02~0.06。

。

【五、习题】

一、是非题：

4、5、6；二、选择题：

1、2；三、填空题：

3。

【课题】

5.3 三相异步电动机的运行特性

【教学目标】

知道三相异步电动机机械特性的概念。

【教学重点】

1．三相异步电动机机械特性分析。

2．三相异步电动机机转矩与外加电压关系。

【教学难点】

三相异步电动机机械特性分析。

【教学过程】

【一、复习】

外特性的概念。

【二、引入新课】

三相异步电动机的运行时会有各种不同的状态，这些都能够在其机械特性上反映出来。

另外，电动机的电磁转矩受电源电压的影响很大，这也是本节讨论的重点。

【三、讲授新课】

5.3.1　电磁转矩T与转子转速n2的关系曲线

1．机械特性曲线：

电动机的电磁转矩T与转子转速n2的关系曲线，如图5.12所示。

图5.12　三相异步电动机的机械特性曲线

图中：

起动转矩Tst为起动时对应的电磁转矩；

额定转矩TN为电动机带额定负载时对应的电磁转矩；

最大矩转Tm为电动机在运行中具有的最大转矩。

可见：

（1）电动机的起动转矩大于负载阻力矩时，电磁转矩随转子转速的增加而逐渐增大（沿曲线DC段上升）到最大转矩Tm。

而后随着转速的继续增大电磁转矩减小（沿曲线CA段下降）到等于负载阻力矩时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。

（2）电动机在AC段工作时若负载加重，负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻力矩达到新的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。

（3）若负载的阻力矩超过了最大电磁转矩Tm，没有新的平衡点使电磁转矩等于负载转矩，电动机的转速将很快下降直到停止，处于堵转状态。

堵转时电动机定子绕组的电流可达到额定值的4~7倍。

（4）机械特性曲线中AC段为异步电动机的稳定运行区。

只要负载阻力矩介于A~C区间内，均可以找到平衡点稳定运行。

2．过载系数（过载能力）：

电动机的最大电磁转矩与额定转矩之比。

一般异步电动机的过载系数约为2~2.2，特殊用途电动机可达到3或更大。

3．起动能力：

电动机的起动转矩与额定转矩之比。

一般比例为1.7~2.2。

5.3.2　转矩与功率的关系

电动机在额定状态下运行输出额定转矩

TN=9550

式中：

TN为电动机输出额定转矩（N×m）；PN为电动机输出的额定功率（kW）；nN为电动机的额定转速（r/min）。

5.3.3　电磁转矩与电源电压的关系

电磁转矩T与电动机定子绕组上所加电压U的平方成正比。

即

T∝U2

图5.13画出了几条不同电压时的机械特性曲线。

图5.13　电源电压变化时的机械特性曲线

可见：

电动机负载阻力矩一定时，电压降低导致电磁转矩的下降，使电动机转速下降，电流增大。

如果电压下降过多，最大转矩也低于负载转矩时，则电动机会被迫停转。

[例5.1] 已知某三相异步电动机额定功率PN=4kW，额定转速nN=1440r/min，过载能力为2.2，起动能力为1.8。

试求额定转矩TN、起动转矩Tst、最大转矩Tm。

若电动机满载运行，定子绕组上电压下降20%时，电动机能否继续旋转？

能否在此状态下满载起动？

[解]　额定转矩

TN=9550

=9550´

N⋅m=26.5N⋅m

起动转矩为

Tst=1.8TN=1.8´26.5N×m=47.7N×m

最大转矩为

Tm=2.2TN=2.2´26.5N×m=58.3N×m

当电压降低20%时，据T∝U2，对应的起动转矩、最大转矩分别为

Tst=0.82Tst=0.64´47.7N×m=30.6N×m

Tm=0.82Tm=0.64´58.4N×m=37.4N×m

满载运行时：

因为负载转矩等于电磁转矩TN=26.5N×m

满载起动时：

因为负载转矩等于电磁转矩TN=26.5N×m

【四、小结】

1．电磁转矩T与转子转速n2的之间的关系也称为机械特性。

机械特性中，最值得注意的有三点：

（1）起动点，转子的转速n2=0，转差率s=1。

（2）额定点。

（3）临界点

2．三相异步电动机的机械特性上以临界点将曲线分成性质不同的两部分：

一部分是转矩增大时，转速降低；另一部分是转矩减小时，转速降低。

3．电磁转矩与电源电压的平方成正比，电动机端电压下降较多的情况下，电动机的电磁转矩会显著下降，引起电流增大，严重时会烧毁电动机。

【五、习题】

一、是非题：

7、8、9、10；二、选择题：

3、4；三、填空题：

4；四、计算题：

2、3、4。

【课题】

5.4 三相异步电动机铭牌

【教学目标】

解释三相异步电动机的铭牌和主要参数。

【教学重点】

三相异步电动机铭牌数据。

【教学难点】

铭牌数据中的额定功率、额定电压和额定电流。

【教学过程】

【一、复习】

异步电动机工作原理。

【二、引入新课】

电动机和其他电气设备一样，会在其铭牌上表明各种参数和运行条件。

这对于正确使用电动机是有指导意义的。

能够正确理解铭牌上参数的意义，是熟练技术人员必须具备的素质之一。

【三、讲授新课】

三相异步电动机的铭牌如图5.14所示。

图5.14　三相异步电动机铭牌

1．电动机型号（Y-112M-4）：

指国产Y系列异步电动机，中心机座高度为112mm，“M”表示中机座（“L”表示长机座，“S”表示短机座），“4”表示旋转磁场为四极（p=2）。

2．额定功率PN（4.0kW）：

表示电动机在额定工作状态下运行时输出的机械功率。

3．额定电压UN（380V）：

表示定子绕组上加的线电压。

通常功率3kW以下的异步电动机，定子绕组应接成星形联结；功率在4kW以上时，定子绕组作三角形联结。

4．额定电流IN（8.8A）：

表示电动机额定运行时定子绕组的线电流。

5．额定转速nN（1440r/min）：

表示电动机在额定运行时转子的转速。

6．防护方式（IP44）：

表示电动机外壳防护的方式为封闭式电动机。

7．频率f（50Hz）：

表示电动机定子绕组输入交流电源的频率。

8．工作制（工作制S1）：

表示电动机可以在铭牌标出的额定状态下连续运行。

S2为短时运行，S3为短时重复运行。

9．绝缘等级（B级绝缘）：

表示电动机各绕组及其他绝缘部件所用绝缘材料的等级。

绝缘材料按耐热性能可分为Y、A、E、B、F、H、C七个等级，如表5.2所示。

目前，国产Y系列电动机一般采用B级绝缘。

表5.2　绝缘材料耐热性能等级

绝缘等级

Y

A

E

B

F

H

C

最高允许温度/oC

90

105

120

130

155

180

大于180

此外，铭牌上标注“LW82dB”是电动机的噪声等级。

除铭牌上标出的参数之外，在产品目录或电工手册中还有其他一些技术数据。

例如：

10．功率因数：

指在额定负载下定子电路的功率因数。

11．效率：

指电动机在额定负载时的效率。

它等于额定状态下输出功率与输入功率之比，即

N=

´100%=

´100%

12．温升：

指在额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的差值。

[例5.2]　在[例5.1]中，若UN=380V，cos

=0.82，Ist/IN=7.0，效率=0.84，求额定电流、起动电流。

[解]

=

=

=0.84

可得

IN=

A=8.8A

Ist=7IN=7⨯8.8A=61.6A

【四、小结】

三相异步电动机铭牌数据主要有：

电动机型号、额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定转速nN、防护方式、频率f、工作制、绝缘等级等。

【五、习题】

二、选择题：

5、6；四、计算题：

5、6。

【课题】

5.5 单相异步电动机

【教学目标】

知道单相异步电动机的结构和使用。

【教学重点】

1．电容分相式异步电动机定子电路。

2．罩极式单相异步电动机的旋转磁场。

【教学难点】

罩极式异步电动机异步电动机的工作原理。

【教学过程】

【一、复习】

1．旋转磁场。

2．交流异步电动机的工作原理。

【二、引入新课】

单相异步电动机的应用日益增多，但其旋转磁场及转子运转情况与三相交流异步电动机不同，其特殊性就表现在这方面。

【三、讲授新课】

5.5.1　电容分相式单相异步电动机

电容分相式异步电动机的定子电路如图5.15所示。

图5.15　电容分相式单相异步电动机定子电路

定子有两个在空间互差90°的绕组U1U2、V1V2。

其中U1U2称为工作绕组，流过的电流为I2。

V1V2绕组中串有电容器，称为起动绕组，流过的电流为I1。

适当选择电容器C的容量，可使两个绕组中的电流相位差为90°，这样在空间上互成90°的两相绕组通入互差90°的两相交流电，便产生了旋转磁场，如图5.16所示。

图5.16　互差90°的两相电流的旋转磁场

在旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转。

有的单相异步电动机采用在起动绕组中串入电阻的方法，使得两相绕组中的电流在相位上存在一定的角度，也可以产生旋转磁场。

5.5.2　罩极式单相异步电动机

罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为笼型，如图5.17所示。

图5.17　罩极式单相异步电动机

罩极：

定子磁极上开一个槽，在较小磁极上套一个短路铜环。

磁极绕通入单相交流电，铁心中便产生交变磁通，铜环中产生感应电流。

由楞次定律可知，感应电流产生的磁场将阻碍原来磁场的变化，使罩极下穿过的磁通滞后于未罩铜环部分穿过的磁通，如同磁通总是从未罩部分向罩极移动，好像磁场在旋转，从而获得起动转矩。

电流变化半周期磁通变化情况如图5.18所示。

5.18　罩极式单相异步电动机的旋转磁场

罩极式单相异步电动机不能改变转向（磁场总是从未罩部分向罩极移动），它的起动转矩较分相式单相异步电动机的起动转矩小。

【四、小结】

罩极式单相异步电动机：

在凸极式转子磁极上开槽，并在较小磁极上套一个短路铜环，在交变磁通作用下，短路铜环中感应电流阻止原磁通的变化，使其滞后。

从磁极端面上看，相当于磁通从未罩部分向罩极部分移动，从而获得起动转矩。

【五、习题】

一、是非题：

11、12、13、14；二、选择题：

8、9；三、填空题：

5；五、作图题：

4、5。

【课题】

5.6 同步电动机

【教学目标】

知道同步电动机的结构与用途。

【教学重点】

1．三相同步电动机结构与运转。

2．反应式同步电动机。

3．永磁式同步电动机。

【教学难点】

1．反应式同步电动机。

2．永磁式同步电动机。

【教学过程】

【一、复习】

1．异步电动机工作原理。

2．磁铁材料的磁化。

【二、引入新课】

同步电动机的特点是转子的转速始终与定子旋转磁场转速相同。

同步电动机主要分三相同步电动机和微型同步电动机两类。

微型同步电动机在生产和生活中的应用是很广泛的。

【三、讲授新课】

5.6.1　三相同步电动机的结构及运转原理

1．三相同步电动机结构：

（1）定子与三相异步电动机的定子结构完全相同，通入三相交流电后，产生旋转磁场。

（2）转子与异步电动机不同，它通常在凸出的磁极上装有直流励磁绕组，如图5.19所示。

（a）外形图（b）结构示意图

图5.19　三相同步电动机

当转子励磁绕组中通入直流电时，便在转子上产生恒定的磁极，该磁极被定子旋转磁场吸住并拖动转子以同步转速旋转。

2．图5.20为三相同步电动机的运转原理图。

图5.20 三相同步电动机运转原理

3．三相同步电动机起动方式：

异步起动，同步运转。

即转子边沿安装许多类似笼型异步电动机转子的导条，如图5.21所示。

图5.21 三相同步电动机转子笼型导条

起动时使转子先异步起动，当转子转速接近同步转速时，再通入直流励磁电流，旋转磁场就会立即吸住转子同步运转。

4．三相同步电动机运行的特点：

（1）恒速性：

负载的阻转矩不超过允许值，转速总是等于同步转速。

（2）功率因数可调性：

通过对转子励磁电流的调节来改变电动机本身的功率因数。

①准励磁状：

cos=1电动机呈电阻性，相当于纯阻性负载；

②欠励磁状态：

减小励磁电流，可使电动机呈感性，相当于感性负载；

③过励磁状态：

增大励磁电流，可使电动机呈容性，相当于容性负载。

5．作为同步补偿机使用，使其空载运行，向电网输送无功电流，提高功率因数。

5.6.2　微型同步电动机

1．反应式同步电动机

转子是用软磁材料做成凸极式，转子异步起动，当转子转速接近同步转速时，转子被旋转磁场磁化产生磁极，如图5.22（a）所示。

当转子转速与旋转磁场的同步转速稍有差异，就会使磁力线扭曲，即旋转磁场的轴线与转子纵轴不重合，如图5.22（b）所示。

而磁力线总是力图沿磁阻最小的路径通过，于是便有迫使转子纵轴向旋转磁场轴线重合的转矩（即磁阻转矩）产生，最终转子在磁阻转矩的作用下与旋转磁场同步旋转。

（a）外形（b）转子被磁化（c）磁感线被扭曲

图5.22　反应式同步电动机

2．磁滞式同步电动机

转子中间开槽使得沿不同方向的磁阻不同，在定子旋转磁场的作用下，将产生一定的磁阻转矩。

另外，硬磁材料制成的转子，具有较强的磁滞效应，又将产生磁滞转矩，如图5.23所示。

图（a）为开始时转子被定子旋转磁场所磁化的示意图。

而当定子磁极旋转一角度θ后，转子上已被磁化的磁性并未消失，表现为旋转磁场与转子磁极轴线之间将出现空间位置的夹角θ，即磁滞角。

磁滞角使气隙中旋转磁场对转子磁极的作用力F分解为径向作用力Fn和切向作用力Ft。

切向作用力Ft可形成磁滞转矩，使转子沿旋转磁场方向旋转，如图5.23所示。

所以，磁滞式同步电动机是受磁滞转矩和磁阻转矩共同作用而旋转的。

（a）（b）（c）

图5.23　磁滞式同步电动机转矩形成原理

3．永磁式同步电动机

永磁式同步电动机的转子是由永久磁铁制成的凸极式转子。

定子绕组通过单相交流电产生旋转磁场后，转子永久磁场将产生与旋转磁场相同的磁极数，因而被定子旋转磁场拖入同步运转。

【四、小结】

1．同步电动机的功率因数可以调整。

2．三相同步电动机定子结构和异步电动机一样。

3．同步电动机的转子有两种类型：

凸极式转子的磁极突出；隐极式转子的外层为圆柱形而磁极形状并不明显。

4．微型同步电动机按转子形式不同分为反应式、磁滞式和永磁式同步电动机。

【五、习题】

一、是非题：

5；二、选择题：

7；五、作图题：

6。

【课题】

5.7 直流电动机

【教学目标】

知道直流电动机的结构和用途。

【教学重点】

1．直流电动机的励磁方式。

2．直流电动机的机械特性。

【教学难点】

直流电动机的转动原理。

【教学过程】

【一、复习】

交流电动机的转动原理。

【二、引入新课】

直流电动机结构较交流电动机复杂得多，但其在运行性能上有许多优点是交流电动机暂时没有的。

本节内容偏多，主要讲教学重点，其他问题一带而过。

【三、讲授新课】

5.7.1　直流电动机的结构及转动原理

图5.24所示为直流电动机结构示意图。

图5.24　直流电动机结构示意图

图中：

（1）N、S为直流电动机定子主磁极，主磁极上绕有励磁绕组。

（2）线圈abcd装在可转动的圆柱形铁心上，合称电枢,线圈称为电枢绕组。

（3）与电枢绕组两端相连的是两个彼此绝缘的圆弧形铜片，即换向片。

电刷AB紧压在换向片上并与外加直流电源相通。

5.7.2　直流电动机的励磁方式

1．按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同,直流电动机可分为他励、并励、串励、复励四种。

电路如图5.25所示。

（a）他励（b）并励（c）串励（d）复励

图5.25　直流电动机的励磁方式

2．四种励磁的直流电动机的机械特性曲线分别如图5.26所示。

图5.26　直流电动机的机械特性

（1）他励和并励直流电动机具有硬机械特性。

当负载增大时转速略有下降，但变化不大。

（2）串励电动机具有软机械特性。

当负载增大时转速大幅下降。

但当负载很轻或接近空载时，转速将很高。

（3）复励电动机具有的机械特性曲线介于以上两种电动机机械特性曲线之间，适用于起动转矩较大，转速变化不大的负载。

【四、小结】

1．为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电动机内部的交变电流，这一过程称为电流的换向。

换向用的铜片称为换向片。

互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。

2．直流电动机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖组成。

3．直流电动机转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

4．直流电动机的励磁方式

（1）他励电动机的励磁电流由另外直流电源供给。

（2）并励电动机的电枢绕组和励磁绕组是并联关系，是同一电源供电。

（3）串励电动机的电枢电流就是励磁电流。

（4）复励电动机分积复励和差复励之分，积复励就是电动机既有并励，又有串励，并且两个励磁的作用是相互加强的；差复励是两个励磁的作用相互减少。

【五、习题】

一、是非题：

16、17、18；五、作图题：

3、7、8。

【课题】

5.8 控制电机

【教学目标】

知道控制