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授课题目 |
项目一 直流电机 |
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授课方式 |
多媒体教学 |
课型 |
新授 |
课时 |
8 |
教
学
目
标 |
知识目标 |
1．熟悉直流电机的基本结构，掌握直流电机的工作原理和铭牌数的含义
2．了解电枢绕组的几个基本概念
3．了解电枢反应的概念，掌握直流电机的电枢电动势、电磁转矩的基本公式
4．掌握直流电机的换向过程和改善换向的主要方法
5．掌握直流电动机的基本方程式和工作特性
6．了解直流发电机的分类和运行特性 |
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技能目标 |
1．能够画出绕组展开图
2．能够分析和计算直流电机的主要参数
3．能够分析直流电机的运行问题 |
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教学重点 |
实槽和虚槽、单叠绕组的展开图、功率、转矩、电动势平衡方程式 |
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教学难点 |
他励直流电动机的基本方程式、直流弧焊发电机的工作原理 |
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教学方法 |
行动导向教学法 |
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教学内容 |
1．认识直流电机的结构，了解其工作原理
2．了解直流电机的电枢绕组
3．了解直流电机的电枢反应、电枢电动势与电磁转矩
4．掌握直流电机的换向过程及改善方法S
5．了解直流电动机的种类、基本方程式和工作特性
6．认识常见直流发电机 |
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教学过程 |
任务一 |
1．相关知识
1）直流电机的特点和用途
（1）直流电机的特点
（2）直流电机的用途
2）直流电机的基本结构
（1）定子
（2）转子
3）直流电机的工作原理
（1）直流发电机的工作原理
（2）直流电动机的工作原理
4）直流电机的铭牌数据
（1）铭牌
（2）型号
（3）额定值 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
老师提供可打开的直流电动机实物，并组织学生共同完成以下任务。
1）将全班学生进行分组，并选出小组长。
2）每组分别对照实物指出直流电机的各个部件，并做简要描述（如各部件的功能或作用原理）。
3）每组分别对照实物分析直流电动机和直流发电机的工作原理。
4）分组讨论实际见过（或听过）的电动机型号及应用场合，并做简要总结。
5）讨论结束后，小组长整理讨论结果，并交给老师，老师做点评。 |
巩固所学知识，提升学生实践技能 |
3．任务测试
学生利用所学知识，可独立完成以下任务。
1）快速指出直流发电机的主要部件。
2）描述各部件的作用。
3）知晓直流发电机是如何机械能转化为动能的以及直流电动机如何将电能转化为机械能的。
4）描述直流电机具体包括哪些额定数据。 |
进一步
巩固所学知识 |
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任务二 |
1．相关知识
1）绕组的概述
（1）绕组元件
（2）绕组的有效边与端线
（3）实槽和虚槽
实槽是指电枢铁芯上实际存在的槽。在实际的电机结构中，电枢绕组元件数往往多于实槽数，常常在一个铁芯槽内放置几组绕组元件，通常把一个元件的上层边与另一个元件的下层边之间构成的一个虚拟凹槽称为一个虚槽，如图1-17所示。如果一个实槽内有u个虚槽，那么，电枢铁芯的总的虚槽数Z0和实槽数Z的关系为：
Z0 = uZ
（a）u = 1 （b）u = 2 （c）u = 3
图1-17 实槽中的虚槽
（4）元件数与虚槽数、换向片数的关系
（5）极距
（6）绕组的节距
（7）绕组的形式
2）单叠绕组
（1）单叠绕组的展开图
以虚槽数Z0、换向片数K、元件数S都为16，磁极对数p2，组成右行单叠绕组的某直流电机为例，说明单叠绕组展开图的作图方法和步骤。
① 计算绕组极距。
② 计算绕组节距。
采用整距绕组，因为是单叠右行，故：
③ 列绕组元件连接顺序表。
单叠绕组在接线时，先将绕组元件、槽及换向片按顺序编号，见表1-1。
表1-1 单叠绕组元件串顺序表
上层
下层 |
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④ 画绕组展开图。
⑤ 画磁极和电刷。
⑥ 确定元件感应电动势方向、电刷的极性、电枢旋转方向。
（2）并联支路
（3）均压线
3）单波绕组
（1）单波绕组的特点
（2）并联支路
4）其他绕组及其应用 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
请同学们自行绘制某直流电动机的单波左行绕组，已知该直流电动机的磁极对数，。
思路：首先计算各节距，然后参照单叠绕组的展开图画法进行绘制。 |
巩固所学知识，提升学生实践技能 |
3．任务测试
学生利用所学知识，完成以下任务。
1）描述绕组元件及节距的概念。
2）实槽数和虚槽数相等吗？给出理由。
3）简述绘制绕组展开图的步骤。 |
进一步
巩固所学知识 |
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任务三 |
1．相关知识
1）直流电机的电枢反应
（1）直流电机的空载磁场
（2）直流电机的电枢磁场
（3）直流电机的电枢反应
2）直流电机的电枢电动势和电磁转矩
（1）直流电机的电枢电动势
（2）直流电机的电磁转矩 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
利用仪态直流发电机已有的参数及条件计算出其电枢电动势和电磁转矩。
思路：通过已知条件可以求出电动势常数和转矩常数，将它们代入相应的公式求解即可，结果参考如下。 |
巩固所学知识， |
3．任务测试
学生利用所学知识，回答以下问题。
1）什么是电枢反应？
2）直流电机的电枢电动势的大小跟什么有关？ |
进一步
巩固所学知识 |
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任务四 |
1．相关知识
1）换向过程
2）换向器的打火
（1）打火现象
（2）打火原因
3）改善换向的方法
（1）正确安装换向极
（2）合理选择电刷 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
学生分组，帮助小明解决“将某小容量无换向极的电机换向”这一问题。
思路：先考虑本任务给出的换向方法能否实现，若无法解决，尝试移动电刷位置，并分析结果。 |
巩固所学知识，提升学生实践技能 |
3．任务测试
学生利用所学知识，回答以下问题。
1）直流电机产生换向火花的原因有哪些？
2）直流电机安装换向极的作用是什么？ |
进一步
巩固所学知识 |
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任务五 |
1．相关知识
1）直流电动机的种类
（1）他励电动机
（2）并励电动机
（3）串励电动机
（4）复励电动机
2）他励直流电动机的基本方程式
（1）电动势平衡方程式
他励直流电动机在稳定运行时，加在电枢两端电压为U，电枢电流为Ia，电枢电动势为Ea，由电动机的工作原理可知，此时Ea与Ia是反向的，即Ea是反电动势，若以U，Ea，Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机的电动势平衡方程式为：
（1-17）
式中：Ra——电枢电阻。
该平衡方程式表示了电源电压除一小部分被电枢电阻消耗外，其余被电动机吸收转换为反电动势去带动电动机转动。
（2）转矩平衡方程式
他励电动机的电磁转矩Tem为拖动性转矩。当电动机以恒定的转速稳定运行时，电磁转矩Tem与负载转矩TL及空载转矩T0相平衡，即：
（1-18）
由此可见，电动机轴上的电磁转矩一部分与负载转矩相平衡，另一部分是空载损耗。
（3）功率平衡方程式
直流电动机工作时，从电网吸收电功率P1，除去电枢回路的铜损耗pCua、电刷接触损耗pCub及励磁回路铜耗pCuf后，其余部分功率转变为电枢上的电磁功率Pem。
电磁功率并不能全部用来输出，它的一部分是运行时的机械损耗、铁损耗pFe和附加损耗pad，剩下的部分才是轴上对外输出的机械功率P2：
（1-19）
直流电动机的功率流程如图1-27所示。
图1-27 直流电动机的功率流程
3）他励直流电动机的工作特性
（1）转速特性
（2）转矩特性
（3）效率特性 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
组织学生利用所学知识帮助小明分析、讨论并判断他进行测试得到的曲线（见图1-29）的正确性。
图1-29 测试曲线
思路：转速特性、转矩特性、效率特性的理论知识分析该曲线的正确性。
提示：该转速特性曲线错误。 |
巩固所学知识， |
3．任务测试
学生利用所学知识，回答以下问题。
1）直流电机产生换向火花的原因有哪些？
2）直流电机安装换向极的作用是什么？ |
进一步
巩固所学知识 |
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任务六 |
1．相关知识
1）并励发电机
（1）并励发电机电动势的建立
（2）功率、转矩、电动势平衡方程式
① 功率平衡方程式
直流发电机输入的是机械功率P1，除去机械损耗和铁损耗pFe以后，剩下的是电磁功率Pem，电磁功率Pem即是机械能转换成为电能的这部分功率，功率平衡方程式为：
（1-23）
式中：，p0为空载损耗，它们的单位均为kW。
发电机向负载供电时，电枢绕组中的电流将产生铜损耗，在电磁功率中除去电流在绕组中产生的铜损耗pCu，余下的则是输出的电功率P2。则有：
（1-24）
综合上述两式，可得直流发电机的功率平衡方程式为：
（1-25）
而直流发电机的效率为：
（1-26）
②转矩平衡方程式
由于，将式（1-23）两边同除以可得发电机的转矩平衡方程式：
（1-27）
式中：T1——原动机拖动发电机的转矩，即输入驱动转矩，单位为N·m；
Tem——发电机的电磁转矩，单位为N·m；
T0——发电机的空载转矩，单位为N·m。
③电动势平衡方程式
在他励发电机中输出功率P2 = UIa，电磁功率，铜耗为，代入式（1-24）可得：
将上式两边都除以Ia，可得发电机的电动势平衡方程式为：
（1-28）
（3）并励发电机的外特性
2）直流弧焊机
（1）直流弧焊发电机的工作原理
（2）弧焊整流器 |
带领学生学习
新知识 |
2．任务实施
1）任务描述
小明去参观某工厂，看到一台铭牌和数据缺失的他励直流电机，已知，，，，，，，忽略附加损耗。小明想判断这台电机是发电机运行还是电动机运行，并想知道它的电磁转矩、输入功率和效率。
2）任务执行
组织学生利用所学知识帮助小明解决上述问题。
思路：通过比较电机的电枢电动势与端电压U，可以判断电机的运行方式，然后根据已知条件，计算要求参数即可。 |
巩固所学知识，提升学生实践技能 |
3．任务测试
学生利用所学知识，完成以下任务。
1）写出并励发电机功率、转矩、电动势平衡方程式。
2）简述直流弧焊发电机的工作原理。 |
进一步
巩固所学知识 |
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课堂总结 |
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