资源简介

【课题】
第一章 直流电动机
新授课
【教学目标】
1．知识目标：了解直流电动机的基本结构和分类。
2．能力目标：掌握单相异步电动机的基本工作原理。
3．情感目标：激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度。
【教学重点】
电动机的结构。
【教学难点】
直流电动机的分类。
【教学方法】
读书指导法、分析法、演示法、练习法。
【课时安排】
2课时（90分钟）。
【教学过程】
〖新课〗
第一节 直流电动机的结构和分类
一、直流电动机的基本结构
直流电动机的基本结构也是由定子、转子和结构件（端盖、轴承等）三大部分所组成。图是一台电磁式直流电动机的结构示意图。
1. 定子
定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分。
2．转子(电枢)
转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，又称为“电枢”。
电枢包括电枢铁心、电枢绕组及换向器。
二、直流电动机分类
四类励磁式直流电动机中，他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组各由独立的电源供电，而串励、并励和复励式的励磁绕组与电枢绕组共用一电源，所以又统称为“自励式”。其中串励式、并励式的励磁绕组分别与电枢绕组串联和并联。复励式的励磁绕组分为两个绕组，一组与电枢绕组串联，一组与电枢绕组并联；如果两个绕组所产生的磁通方向相一致，则称为积复励；如果两个绕组所产生的磁通方向相反，则称为差复励。
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理
（师生互动，提问绪论介绍的换向式电动机运转过程）
思考：
电枢电流方向不变，会出现什么情况？
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程
1. 电磁转矩T
CT——转矩常数
2. 电枢电动势E
Ce——电动式常数
3. 电枢回路电压平衡方程式
电枢回路等效电路如图所示，可得：
或
例 一台直流电动机在正常运行时外加直流电源电压220V，电枢电流为10A电枢电阻为，求反电动势。
解：
三、直流电动机的机械特性
（一）他励（并励）式电动机的机械特性
硬机械特性：机械特性曲线的工作段接近于水平。软，反之。
1. 当电动机稳定运行时
此时工作点对应图中a 点上。
2. 电动机负载增加，转速下降时
此时工作点对应下图b点上。
：电动机的机械负载变化时，通过E的的变化反映到电枢电路，引起电流变化。
思考：
如果负载转矩增加造成电动机的转速下降，电动机内部如何调节？
（二）串励式电动机的机械特性
软机械特性：工作磁通随负载变化。负载增加、电流增加，与电枢电流成正比，故转矩增加，转速n显著下降。
如图所示
适用于电动工具，即负载经常变化，转速不要求稳定的场合。
特点：过载能力强，不允许空载或轻载运行（起动时带上20%~30%的额定负载）。防止“飞车”。
复励式直流电动机的机械特性介于两者之间。
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
一、直流电动机的起动
直流电动机的起动电流很大，可达额定电流的10 ~ 20倍。这么大的启动电流会烧毁电枢绕组和换向器，所以直流电动机不允许直接启动。一般采用起动时在电枢回路中串联起动电阻的方法，减小起动电流，起动结束后将起动电阻从电路中切除。
例2-2 直流电动机的额定电压为110V，额定电流为13.5A，电枢电阻为0.4，求直接起动电流。若将起动电流限定在额定电流的两倍，应串联多大的起动电阻？
解：直接起动电流
可见直流电动机的起动电流很大。为限制启动电流，串联起动电阻R1，则电枢回路中总电阻为
起动电流设定为27A，则起动电阻为：
日用电器中直流电动机容量很小，可采用全压直接起动。因为全压起动，起动电流大，使电刷、换向器产生较大火花，不但使其使用寿命缩短，还因其表面电阻增大，造成电动机在额定运行状态下的转速下降，这是电子音响设备中支流电动机的常见故障。
二、直流电动机的反转
永磁式直流电动机：
通常改变电枢绕组电流方向，来改变的运转方向。
串励式直流电动机：
改变励磁绕组或者电枢组接线方式来改变转向。
思考题：
若同时改变直流电动机励磁绕组和电枢绕组的电流方向，电动机的转向如何改变？将串励式电动机接上交流电源，情况如何？
三、直流电动机的调速
（复习公式）
从直流电动机的转速方程中可以看出，直流电动机的转速与电源电压U、磁通和电枢绕组有关，可见直流电动机的调速方法有三种。
1. 调压调速：，不受U的影响。调解U可以平滑的调解电动机转速，且机械特性硬度不受影响，如图所示
2. 调磁调速：。调解励磁电流改变磁通，从而改变转速，机械特性变软。
如图所示
3. 调解电枢电阻调速：
在电枢回路中串联变阻器，增大电枢绕组。调速范围小，机械特性变软，精度低。但简单易行，用于调速比在2:1以下的小功率直流电动机中使用。
永磁式电动机采用调压或调电枢绕组的方式来调速。
* 第四节 其他类型的直流电动机
一、永磁式直流电动机结构
（一）定子采用永久磁铁制成，其他结构与他励式无区别。
实际操作：
拆卸一台永磁直流电动机观察其内部结构。（可视频或动画演示）如图所示
1. 定子
包括永久磁铁（磁钢）和机壳。
2. 转子
转子铁心由三翼式的硅钢片叠压而成，如下图所示 。
换向器由三块瓦型换向片装在衬套上构成圆柱形。如上图所示
三槽电枢绕组的线端与相应的换向片相连，两种连接方法：
一种是三个线圈的一端分别接换向片，另一端接在一起；另一种方法是三个线圈首尾串联，三个接线点分别接换向片。
3. 端盖
后端盖有塑料制成，内平行安装一对电刷。
（二）永磁式直流电动机的运转特性
与他励（并励）式直流电动机基本相同。
采用直接起动，调压或调解电枢绕组电阻进行调速。
二、无刷直流电动机
无刷直流电动机属于永磁式直流电动机。是有换向片和电刷的直流电动机的改进。
组成：电动机本体、转子位置传感器、电子换向控制电路三部分组成。如图所示
1. 电动机本体
组成：
主定子——相当于电枢
主转子——永久磁钢制成
2. 转子位置传感器
起转子位置跟踪作用。
（1）电磁式：转子上有一扇型导磁片，发送相应电信号。
特点：输出信号大、工作可靠、寿命长、结构较简单但体积大、制造工艺复杂。
（2）光电式：由一个旋转的遮光罩和固定不动的光源和光电管组成。当光线射到光电管上时，有电流输出。三个光电管依次接受光线照射，使绕组轮流通电，电动机持续旋转。
特点：传感器性能稳定、结构简单、抗震能力差、光源寿命短，对环境要求较高。
（3）磁敏式：利用磁敏感的半导体材料制成，常有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻。磁敏元件感应转子位置信号处理后，可控制电动机的定子绕组按顺序通电。
3．电子换向控制电路
由位置信号处理单元和功率逻辑开关单元组成。其原理框图(a)。
无刷直流电动机的缺点：转矩随转子位置变化的波动较大。
增加定子绕组的相数可以减少转矩的波动，但又相应提高了电动机的造价。而且即使如此，其转矩仍然不如有刷直流电动机平稳。
三、直流伺服电动机
能够将输入的电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出的电动机，也称执行电动机。
基本要求是：在输入信号到来之前，转子静止不动；当信号到来时，转子立即转动，而且其转速与信号电压能保持线性关系；当信号消失时，转子立即停转，无自转现象。
工作原理与他励直流电动机基本相同
（一）印制绕组永磁式直流伺服电动机
又称盘状转子直流伺服电动机，因其转子如盘状而得名，由于转子的铁心很小，因而这种电动机惯性很小，可以快速起动和制动。
印制绕组永磁式直流伺服电动机的结构如图所示。
优点：机械和电磁的惯性小；换向性能好，较精确的转子定位；转子导体散热条件好；电动机轴向尺寸小。
（二）空心杯电枢直流伺服电动机
特点：电枢没有铁心只有绕组，绕组按一定形式编织成薄壁圆筒形，用环氧树脂粘结成型，并与电枢支架粘结在一起成杯子形状，称为“空心杯电枢”，如图 (b)所示。
空心杯电枢直流伺服电动机的磁路如图(c)所示，主磁极由永久磁钢制成，外加直流电源通过正负电刷加给杯形转子绕组后，带电流的转子绕组在磁场中产生电磁转矩而转动起来。
优点：电枢质量轻，转动惯量小，快速响应性能好，主要用于高精度的自动控制系统中。
缺点：杯形转子生产工艺复杂，价格较高。
（二）无槽电枢直流伺服电动机
无槽电枢直流伺服电动机的结构与一般直流电动机相仿，主要区别是电枢铁心上没有齿槽，电枢绕组均匀分布在光滑的电枢铁心外圆上，并用环氧树脂等材料将绕组和铁心紧固在一起，如图所示。
磁极可以是永久磁钢，也可以采用电磁式结构。无槽电枢直流伺服电动机的运行性能虽然不及空心杯电枢电动机，但结构较简单，制造方便，且工作可靠。
板书：
第一节 直流电动机的结构和分类
一、直流电动机的基本结构
二、直流电动机分类
第二节 直流电动机工作原理与运行特性
一、直流电动机的运转原理
二、直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程
三、直流电动机的机械特性
第三节 直流电动机的起动、反转和调速
一、直流电动机的起动
二、直流电动机的反转
三、直流电动机的调速
* 第四节 其他类型的直流电动机
（2-3）
（2-3）
E稳定
（2-2）
平衡
平 衡

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