资源简介

项目七 搭建直流电机正反转电路
学习项目名称 搭建直流电机正反转电路
情境应用 玩具赛车
基础知识点 电磁感应现象 电磁感应定律 直流电机正反转原理
认知技能点 1. 直流电机的认识与检测 2. 拨动开关的认识与检测 3. 小型直流继电器的认识和检测
操作技能点 1. 直流电机正反转电路的搭建 2. 使用万用表测量电路的相关参数
课程场地 《电工技术基础与技能》课程教室
设计课时 6
一、项目应用
小型直流电动机应用于玩具赛车、小型风扇、风力赛车等，通过对直流电动机的控制实现车船的前进、后退、左转、右转。现在市场上玩具车琳琅满目、造型新颖，如图7-1所示是玩具车船的外形图，其基本原理类似。
二、项目原理
（一）电磁感应现象
电磁感应现象是电流磁效应的逆效应，电流能够产生磁场，磁场也能够产生电流。将一个线圈和一台检流计连接在一起构成闭合回路，如图7-2所示，当条形磁铁迅速插入或拔出线圈使，检流计的指针都会发生偏转，这说明回路中产生了电流，这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应现象。
（二）电磁感应定律
通过上述实验可知，磁铁插入或拔出的速度越快，检流计指针偏转的角度就越大，即闭合电路中的感应电流就越大。电路中有感应电流就必然存在感应电动势（即由电磁感应所产生的电动势）。这个变化的规律可以用电磁感应定律来描述：闭合回路中感应电动势的大小与回路中磁通的变化率成正比，其数学表达式为
式中 —在时间内感应电动势的平均值，单位为V；
—单匝线圈中磁通的变化量，单位为Wb；
—磁通变化所需要的时间，单位s。
若线圈有N匝，则上式变为
（三）直流电机换向方法
改变直流电动机转动方向的方法有两种：
电枢反接法
保持励磁绕组的端电压极性不变，通过改变电枢绕组端电压的极性使电动机反转。
励磁绕组反接法
保持电枢绕组端电压的极性不变，通过改变励磁绕组端电压的极性使电动机反转。
当两者的电压极性同时改变时，则电动机的旋转方向不变。他励和并励直流电动机一般采用电枢反接法来实现正反转。他励和并励直流电动机不宜采用励磁绕组反接法实现正反转的原因是因为励磁绕组匝数较多，电感量较大。当励磁绕组反接时，在励磁绕组中便会产生很大的感生电动势．这将会损坏闸刀和励磁绕组的绝缘。串励直流电动机一般采用励磁绕组反接法实现正反转，因为串励直流电动机的电枢两端电压较高，而励磁绕组两端电压很低，反接容易。
三、项目认知
（一）拨动开关
1、拨动开关的认识
拨动开关是通过拨动开关柄使电路接通或断开，从而达到切换电路的目的，具有滑块动作灵活、性能稳定可靠的特点。它一般用于低压电路，在市场上广泛应用于各种仪器、仪表设备，电动玩具，传真机，音响设备等电子产品领域。
拨动开关按结构分为钮子开关、直拨开关、直推开关。如图7-3所示是钮子开关结构示意图和实物图，当拨柄往右拨动，1、2引脚接通，2、3引脚之间断开，当拨柄往左拨动，2、3引脚接通，1、2引脚断开。
如图7-4所示是直拨开关的示意图和实物图，其中S1、S2两组按键相互独立，当拨柄往右拨，每组按键的2、3引脚接通，当拨柄往左拨，每组按键的1、2引脚接通。
如图7-5所示多级双位直推开关示意图，其拨动部分的一端有推柄，另一端有复位弹簧，当按下推柄，2、3引脚接通，松开推柄后恢复原状态，即1、2引脚接通。
拨动开关按级位分为单极双位、单极三位、双极双位以及双极三位等，其符号如图7-6所示。
2、拨动开关的检测
将数字式万用表打在欧姆档位，用两表笔（不分正、负）去检测开关的两个引脚间的通断，如图7-7(a)所示，拨动开关往上拨时2、3引脚断开，断开时如图7-7(b)所示万用表显示为无穷大，当拨动开关往下拨时2、3引脚接通，接通时如图7-7（c）所示万用表显示为零。若没有上述状况说明开关已损坏。
（二）直流电动机
1、直流电动机的结构
直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、
挖掘机械、纺织机械等，这是因为直流电动机具有调速范围广，易于平滑调速，起动、制动和过载转矩大，可靠性较高等优点。
直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置，主要由定子、转子组成，如图7-8所示。定子也称磁极，主要包括主磁极、换向磁极、电刷装置、机座等部分。定子主要用来产生磁场。主磁极：由磁极铁心和磁极绕组组成，磁极铁心上绕线圈，形成电磁铁，线圈上通以直流电产生恒定的气隙磁通。换向磁极：主要用来改善换向。电刷装置：主要与换向片配合，将直流电引入引出。机座：起支撑和固定作用。
直流电动机的转子主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇组成。电枢铁芯：由硅钢片叠压而成，用来嵌放电枢绕组，通常是用硅钢片冲片叠压而成，以减少电枢铁芯的磁滞现象和涡流损耗。电枢铁芯固定在电动机转轴上。电枢绕组：由结构、形状相同的线圈组成，每个线圈由漆包线或绝缘的扁铜线绕成。每个线圈都预先做成相同的形状，再把绕组的两个边分别嵌入电枢铁芯的槽中。所有的电枢绕组都是双层结构形式。换向器：又称整流子，将直流电转换为交流电，从而产生恒定方向的电磁转矩。
2、直流电动机的参数
直流电动机铭牌上标出了电动机的各种数据及其额定值,标明该电动机的使用条件和要求,是选择和使用直流电动机的依据,主要有电动机型号、额定功率PN(kW)、额定电压UN(V)、额定电流lN(A)、额定转速n(r/min)、励磁方式、励磁电压UN(V)、励磁电流lN(A)等,如表7-1所示。
表7-1 直流电动机铭牌参数
直流电动机
型号 ZA-112/2-1 励磁方式 并励
功率 5.5kW 励磁电压 180V
额定电压 440V 效率 88.19%
额定电流 15A 定额 连续
转速 3000r/分钟 温升 80℃
1）型号:国产直流电动机型号由产品代号和规格代号等部分组成,用大写的拼音字母和阿拉伯数字表示,其格式为:第一部分用大写的拼音字母表示产品代号,第二部分用阿拉伯数字表示设计序号,第三部分用阿拉伯数字表示机座代号,第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。
例如:“Z2-72”,Z表示一般用途直流电动机、2表示设计序号,第二次改进设计,“7”表示机座号,7后面的2表示铁心长度代号(2号表示长铁心,1号表示
短铁心)
2）额定功率PN:电动机在铭牌规定的额定状态下运行时所能输出的有效功率,单位用w或kw表示。
3）额定电压UN:在额定工作条件下,电机出线端的(平均)电压,单位用V表示。
3、直流电动机的检测（以微型电动机为例）
1）用数字万用表检测直流电动机两接线柱间的阻值，正常情况下阻值为几欧姆左右，若阻值很大则已损坏。
2）用3V直流电源直接加在直流电动机上，正常情况下直流电动机高速转动。改变直流电源极性，直流电动机反转。
（三）小型直流继电器
1、小型直流继电器的结构和工作原理
小型直流继电器是指采用直流电流供电的一种小型电子控制器件。具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。它相当于“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用,,如图7-9b所示是其外形图。小型直流继电器由铁芯、线圈、衔铁、触头簧片等组成的，如图7-9a所示是其内部结构图，当继电器线圈通以电流时，在铁心、轭铁、衔铁和工作气隙中形成磁通回路，从而使衔铁受到电磁吸力的作用而吸向铁芯，此时衔铁带动支杆而将板簧推开，使一组或几组常闭触点断开（也可以使常开触点接通）。当切断继电器线圈的电流时，电磁力失去，衔铁在板簧的作用下恢复原位，触点又闭合。其符号如图7-9c所示。
2、小型直流继电器参数
1）线圈直流电阻，指用万用表测出的线圈的电阻值。
2）额定工作电压或额定工作电流：指继电器正常工作时，线圈的电压或电流值。小型直流继电器工作电压为直流电
3）吸合电压或电流：指继电器产生吸合时的最小电压或电流。如果只给继电器的线圈上加上吸合电压，这时的吸合是不牢靠的。一般吸合电压为额定工作电压的75%左右。
4）释放电压或电流，是指继电器两端的电压减小到一定数值时，继电器从吸合状态转到释放状态时的电压值。释放电压要比吸合电压小得多，一般释放电压是吸合电压的1/4左右。
3、小型直流继电器的检测
1）用数字万用表测量小型直流继电器线圈的直流电阻，一般在数十至数千欧，具体阻值大小与该继电器的工作电压有关。一般工作电压越低，继电器线圈的直流电阻越小。若所测线圈的电阻为无穷大，则继电器内部线圈损坏，一般不能使用。
2）在继电器线圈两端接入额定直流电压，测量常开触点阻值为零，常闭触点阻值为无穷大，说明继电器触点是好的。断开24V直流电源，继电器线圈失电，其常开触点断开，阻值为无穷大，常闭触点闭合，阻值为零。
四、项目实施
（一）项目概述
造型新颖的玩具赛车深受小孩子喜爱，本项目利用干电池、开关、小型直流继电器和直流电动机搭接一个玩具赛车，实现前进后退功能，并学会使用数字万用表测量电路中的主要参数。如图7-10所示是直流电动机正反转原理电路。
工作原理：K1是总开关，闭合K1，拨动开关K2打在下端，继电器KA1线圈得电，常开触点K11、K12闭合，电动机上获得左正右负电压，电动机正转。将拨动开关K2打在上端，继电器KA2线圈得电，常开触点K21、K22闭合，电动机上获得左负右正电压，电动机反转。打开总开关K1，电动机停止转动。
工艺设计
1、核对元器件清单
表7-2 元器件清单
序号 名称 规格 数量
1 干电池 12V 1个
2 开关 直拨开关 2个
3 电池盒 1节装 1个
4 小型直流继电器 SMI-12VDC-SL2C 双常开6脚 2个
4 小型直流电动机 12V,0.3A 1个
6 绝缘胶布 若干
7 赛车模型 1个
2、电路元件布局
将元器件按照如图7-11所示的位置布局在面包板上。
3、装配并调试电路
将所有元件焊接完成后，将12V电池接入电路中，进行调试。按下总开关K1，电动机正转，再按下前进后退开关K2，电动机反转。再按下总开关K1电动机停止转动。用数字万用表测量电动机两端电压为U=12V，测量流过电动机电流为I=100mA，功率为P=UI=1200mW。
任务执行
在所给的参考时间内，按表7-3 项目任务执行表中的执行步骤，对照执行标准完成执行内容中的各项任务，任务完成后在执行结果中打√，如有疑问请立即咨询指导老师。
表7-3项目任务执行表
序号 执行步骤 执行内容 执行标准 参考时间 执行结果
1 核对元件清单并检测 电池的检测 判断质量好坏 5分钟
拨动开关的检测
直流电动机的检测
小型直流继电器的检测
2 根据电路元件布局图在面包板上插装元件 焊接开关K1 见图7-11 30分钟
焊接开关K2
焊接直流继电器KA1
焊接直流继电器KA2
焊接直流电动机M
焊接电池盒
3 电路参数的测试与计算 拨动开关K1，K2，观察电动转动情况 拨动K2，赛车能前进后退 20分钟
在电动机转动的情况下，用数字万用表测量电动机两端电压电流 实测值为U= V，I= mA
五、项目评价
根据表7-4完成任务检测。
表7-4 任务检测标准
序号 检测内容 执行标准 自评 教师评
1 电路功能 1.电路功能完全实现 -A
2.实现部分功能 -B
3.不能实现功能 -C
2 工艺要求 1.电路布局美观合理 -A
2.布局欠美观 -B
3.布局杂乱无章 -C
3 安全文明 1.工具摆放整齐，仪表使用规范，无安全事故 -A
2.工具不齐，但无安全事故 -B
3.出现安全事故或损坏仪表 -C
六、项目拓展
（一）左手定则判断安培力——直流电动机正反转原理
通电线圈在磁场中切割磁感线会运动，受力方向用左手定则判断：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一个平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向。如图7-12a所示，选取通电线圈的中轴线，对每一边通过左手定则判断线圈的受力方向，当磁场线垂直于线圈时（图乙），两边的受力正好平衡，此时线圈不会发生运动。如果磁场线不垂直于线圈（图甲），那么线圈就会发生相应的旋转，在安培力的作用下获得动能。因为获得动能，在线圈再次运动到平衡点时会因为惯性继续运动，所以电动机能够一直转动。这就是电动机的原理。
如图7-12b所示是直流电动机正反转工作原理图，N、S是定子磁极，abcd是固定在导磁圆柱体上的线圈，线圈的末端ad连接到彼此绝缘可随线圈一起转动的换向片上，当电刷A、B上分别接上正负电源，有电流流过的线圈在磁场中开始逆时针转动，当电刷A、B电源极性方向相反，线圈在磁场中顺时针转动，实际的直流电动机是多组线圈在磁场中转动。由此可知，改变直流电动机电刷上的电源极性即可实现电动机的正转反转。
（二）电磁感应定律——直流电动机趣味拓展
电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体会产生电动势，此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。
如图7-13所示将小型直流电动机两电源端接发光二极管，用手轻轻转动电
机轴，可以使发光二极管发光。这是因为小型直流电动机发挥了发电机的作用，发电机原理与电动机相反，转动的线圈在磁场中产生了电流，从而使发光二极管发光。
七、项目练习
一、填空题
1.利用磁场产生电流的现象称为 。
2.直流电动机是一种将电能转化为机械能的装置，主要由 、 组成。
3.改变直流电动机电源 即可改变转动方向。
4.已知直流电动机额定电压UN=220V，额定电流IN=3A，效率为η=0.8，则额定输出功率PN= 。
二、选择题
1.下列哪个是直拨开关（ ）
A. B. C.
2.下列哪个是单级双位开关的符号（ ）
A. B. C.
3.下列哪个是小型继电器的线圈部分的符号（ ）
A. B. C.

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