第一章 電機(jī)原理教案

1、第一章 第15頁(yè) 第一章 教案周次第1周， 章節(jié)名稱緒言1-1直流電機(jī)工作原理結(jié)構(gòu)；1-2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)1-3電機(jī)磁場(chǎng)§1-4直流電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)和轉(zhuǎn)矩授課方式理論課（）；實(shí)驗(yàn)課（ ）；實(shí)習(xí)（ ）教學(xué)時(shí)數(shù)4學(xué)時(shí)教學(xué)目的及要求要求掌握：1直流電機(jī)工作的核心物理現(xiàn)象：電磁感應(yīng)規(guī)律；2直流電機(jī)的工作原理、直流電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算；3直流電機(jī)的不同勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)及勵(lì)磁方式。教學(xué)內(nèi)容提要1 電機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展以及在本專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域的地位和作用2 直流電機(jī)的工作原理；3 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)；4 直流電機(jī)的銘牌參數(shù)；5 電機(jī)的四種勵(lì)磁方式；6 直流電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)1.

2、如何分析直流電機(jī)中的電磁感應(yīng)規(guī)律。2. 直流電機(jī)的換向器如何實(shí)現(xiàn)直流交流，交流直流的變換。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)正確解釋直流電機(jī)的特征量（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩）的物理含義。討論練習(xí)和作業(yè)教學(xué)手段多媒體與其它方式結(jié)合學(xué)時(shí)分配第一次課：1，2，3；第二次課： 4，5，6參考資料1電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) 劉啟新 中國(guó)電力出版社 2電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) 宋銀賓 機(jī)械出版社 3電機(jī)與電力拖動(dòng) 顧繩谷 合肥工業(yè)出版社 4電機(jī)原理及拖動(dòng) 彭鴻才 機(jī)械工業(yè)出版社 緒論 一、電機(jī)及電機(jī)學(xué)概念1.電機(jī)定義：是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。2.電機(jī)分類：（按運(yùn)動(dòng)方式分類）靜止電機(jī)-變壓器 電機(jī)直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 交

3、流電機(jī) 異步電機(jī) 同步電機(jī)二、本課程的任務(wù)1. 電機(jī)學(xué)及性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課2. 基本要求：了解電機(jī)、變壓器的基本結(jié)構(gòu)掌握正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的分析方法了解空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)內(nèi)部的物理情況掌握電機(jī)的運(yùn)行特性掌握電機(jī)的基本實(shí)驗(yàn)方法和操作技能3.本門課學(xué)習(xí)方法：抓住主要矛盾； 理論聯(lián)系實(shí)際； 善于運(yùn)用對(duì)比的方法。三、電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用1. 電能是現(xiàn)代常用的一種能源2. 電機(jī)是一種進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置3. 電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天等起重要作用。 磁 路1.1磁路基本定律一、 磁路的概念1. 兩種常見的磁路2.主磁通和漏磁通二、磁路基本電磁定律1.全電流定律安培環(huán)路定律 電流方向的判斷：凡

4、導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右手螺旋關(guān)系，則電流為正，反之為負(fù)。 2.磁路歐姆定律： 鐵磁材料的不為常數(shù)。3.電磁感應(yīng)定律： 變壓器電動(dòng)勢(shì)：同上；運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)：判斷方向：右手定則。4.電磁力定律：判斷方向：左手定則（主要用于分析旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩）1.2常用鐵磁性材料及其特性一、 鐵磁物質(zhì)的磁化鐵磁材料：鐵、鎳、鈷及其合金二、 磁化曲線1.磁化曲線：特性：具有高的導(dǎo)磁性能；磁化曲線呈非線性（飽和特性）2.磁滯回線磁滯現(xiàn)象：B的變化總是滯后H的變化；時(shí)的值，稱為剩磁；三、 鐵磁材料 軟磁材料：高，小，磁滯回線窄而長(zhǎng)，如：鑄鋼、硅鋼片、制作電機(jī)鐵心；硬磁材料：不高，Br大，磁滯回線寬，如：鐵氧

5、體、釹鐵硼等制造永久磁鐵；四、磁滯損耗和渦流損耗磁滯損耗：磁疇之間產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生的，渦流損耗：渦流與鐵心電阻相作用產(chǎn)生的損耗，鐵損：磁滯損耗+渦流損耗，。第一節(jié) 直流電機(jī)的基本工作原理一、基本工作原理直流電機(jī)的構(gòu)成（1）.定子：主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋、電刷裝置；（2）.轉(zhuǎn)子：電樞鐵心、電樞繞組、換向裝置、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸（3）.氣隙*注意：同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式；直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)電樞式。 1.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)裝有換向裝置的交流電動(dòng)機(jī)；（1） 原理：帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用并形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)（2） 特點(diǎn)： a、 外加電壓并非直接加于線圈，而是通過(guò)電刷和換向器再加到

6、線圈b、 電樞導(dǎo)體中的電流隨其所處磁極極性的改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。c、 電樞電動(dòng)勢(shì)反電勢(shì)（與I反向）；d、 電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩（與n同向）*說(shuō)明：直流電機(jī)是可逆的，它們實(shí)質(zhì)上是具有換向裝置的交流電機(jī)。2、脈動(dòng)的減小電樞繞組由許多線圈串聯(lián)組成 第二節(jié) 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、 主磁極建立主磁場(chǎng)（N、S交替排列）a、 主極鐵心磁路，由1.01.5mm厚鋼板構(gòu)成b、 勵(lì)磁繞組電路、由電磁線繞制二、 機(jī)座磁路的一部分（支承）框架，鋼板焊接或鑄剛?cè)?電樞鐵心磁路，0.5mm厚硅鋼片疊壓而成（外圓沖槽）四、 電樞繞組電路。電磁線繞制（閉合回路，由電刷分成若干支路）五、 換向器換向片間相互絕緣（

7、用云母或塑料）六、 電刷裝置a、 電刷石墨或金屬石墨b、 刷握、刷桿、連線（銅絲辨）七、 換向極改善換向，由鐵心、繞組構(gòu)成（放置于主極之間或繞組與電樞繞組串聯(lián)）三、勵(lì)磁方式1.定義：主磁極的激磁繞組所取得直流電源的方式；2.分類：以直流發(fā)電機(jī)為例 分為：他激式和自激式（包括并激式、串激式和復(fù)激式） 他激：激磁電流較穩(wěn)定；并激：激磁電流隨電樞端電壓而變；串激：激磁電流隨負(fù)載而變，由于激磁電流大，激磁繞組的匝數(shù)少而導(dǎo)線截面積較大；復(fù)激：以并激繞組為主，以串激繞組為輔。*說(shuō)明：為了減小體積，小型直流電機(jī)采用永磁式。7 直流電機(jī)的型號(hào)和額定值(type and rated values)1.型號(hào)： Z

8、 2-9 2 鐵心長(zhǎng)度代號(hào) 機(jī)座號(hào) 第二次改型設(shè)計(jì) 直流2.額定值額定功率:輸出電功率額定電壓：；額定電流：；額定值之間的關(guān)系： 電動(dòng)機(jī)：。第三節(jié) 空載和負(fù)載時(shí)直流電機(jī)的直流電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)一、 空載時(shí)直流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)1、 主磁通和漏磁通2、 氣隙磁場(chǎng)波形圖3、 特點(diǎn)：（1）I單獨(dú)產(chǎn)生，即F單獨(dú)產(chǎn)生；（2）平頂波（3）幾何中性線B為零二、 負(fù)載時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞電流I（一）交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)1、 電刷放在幾何中性線2、 電刷是電樞電流的分界線3、 磁動(dòng)勢(shì)分布波形為三角形4、 磁場(chǎng)波形馬鞍形5、 電刷位于幾何中心線上，F(xiàn)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)6、 磁動(dòng)勢(shì)的計(jì)算（1） 電負(fù)荷（線負(fù)荷）A電樞表面單位長(zhǎng)度

9、上的安培導(dǎo)體數(shù)A=Z*I/*D式中：Z電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)I導(dǎo)體內(nèi)的電流（即支路電流）D電樞直徑（外徑）（2） 距原點(diǎn)為+x及-x的閉合回路的磁動(dòng)勢(shì)（兩個(gè)磁極即一對(duì)磁極）（3） 距原點(diǎn)x處每個(gè)氣隙的磁動(dòng)勢(shì)（即每極磁動(dòng)勢(shì)）（4） 交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的最大值（距原點(diǎn)/2處，即幾何中型線處）（二）直軸電樞磁動(dòng)勢(shì) 若電刷從幾何中性線移過(guò)角，則可把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成直軸磁動(dòng)勢(shì)和交軸磁動(dòng)勢(shì) 三、 電樞反應(yīng)1.概述空載：氣隙中磁場(chǎng)僅由主磁場(chǎng)的激磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生（）負(fù)載：Ff+電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞反應(yīng)定義：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)激磁磁動(dòng)勢(shì)的作用使氣隙中的磁場(chǎng)發(fā)生變化。2.主磁場(chǎng)：以主磁極的軸線對(duì)稱分布 幾何中性線：兩相鄰主磁極的軸線對(duì)稱分

10、布，此處B=0； 物理中性線：B=0處的直線位置3.電樞磁場(chǎng)：總是以電刷相接觸的換向片相連的導(dǎo)體為界交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)：與主磁場(chǎng)垂直4.電樞反應(yīng)性質(zhì)電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng) 性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)； 作用：使氣隙磁場(chǎng)畸變；使氣隙磁場(chǎng)削弱；電刷不在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng) 雙反應(yīng)理論：，分直軸和交軸分別分析； 交軸：同； 直軸：根據(jù)電機(jī)性質(zhì)不同，有去或助磁作用。四、 換向概述（一）、換向過(guò)程1.換向定義：從+到-的過(guò)程；2.換向周期：Tk，幾毫秒；3.換向原因：電磁、機(jī)械、電化學(xué)和電熱（二）、換向元件中的電動(dòng)勢(shì)主要分析電磁原因：換向過(guò)程中換向元件的電動(dòng)勢(shì)不為零。1. 電抗電動(dòng)勢(shì) ： 從+到- 方向：

11、由楞次定律知，阻礙換向，與換向前相同；2.旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)ek 物理中性線偏移幾何中性線B0由于電樞反應(yīng)影響e0 方向：對(duì)換向起阻礙作用，與換向前同，其大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)載大小有關(guān)。（三）、改善換向的方法1.換向的不良后果：產(chǎn)生火花； 火花等級(jí)：2.改善換向的方法裝設(shè)換向磁極；增加換向回路的電阻；電刷移到氣隙磁場(chǎng)的物理中性線附近。第四節(jié) 直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)距一、電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1 電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 一條支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（即根導(dǎo)體）2 的計(jì)算：（1） 一根導(dǎo)體產(chǎn)生的平均電動(dòng)勢(shì)：=lv 式中：Ba = =l = =（2） 一條支路的電動(dòng)勢(shì)，即電樞電動(dòng)勢(shì)Ea 式中： 每極磁通量； n轉(zhuǎn)

12、速（）； Ea電樞電動(dòng)勢(shì)（V）； Ce電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。二、直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距1 直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距全部電樞導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩2 的計(jì)算(1) 一根導(dǎo)體所受點(diǎn)電磁力： favia(2) 全部電樞導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，即直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Bav=Nfav=Navlia=即：式中: 每極磁通量（Wb） ；電樞總電流（A） ；電磁轉(zhuǎn)矩（N*m）； CT轉(zhuǎn)矩常數(shù) 三、與的關(guān)系周次第2周 章節(jié)名稱§1-5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性習(xí)題課授課方式理論課（）；實(shí)驗(yàn)課（ ）；實(shí)習(xí)（ ）教學(xué)時(shí)數(shù)4學(xué)時(shí)教學(xué)目的及要求要求掌握：1直流電機(jī)的基本運(yùn)行方程式；2電動(dòng)機(jī)的工作特性分析；3電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗分析。教學(xué)內(nèi)容提

13、要時(shí)間分配1直流電機(jī)的換向。2直流電機(jī)的電勢(shì)平衡方程式，轉(zhuǎn)矩平衡方程式。3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性。4 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的有關(guān)計(jì)算。第一次課：1 2第二次課：3 4教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)換向的電磁過(guò)程。直流電機(jī)的電勢(shì)平衡方程式，轉(zhuǎn)矩平衡方程式的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)表達(dá)的異同。討論練習(xí)和作業(yè)討論：1 如何分析直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡問(wèn)題？2 直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)速度n=0時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩是否為零？當(dāng)電樞電流為零時(shí)，電動(dòng)勢(shì)是否為零？3 換向機(jī)的如何正確安裝？教學(xué)手段多媒體與其它方式結(jié)合參考資料1電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) 劉啟新 中國(guó)電力出版社 2電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ) 宋銀賓 機(jī)械出版社 3電機(jī)與電力拖動(dòng) 顧繩谷 合肥工業(yè)出版社 4電機(jī)原

14、理及拖動(dòng) 彭鴻才 機(jī)械工業(yè)出版社 第五節(jié) 直流電機(jī)的基本方程一、電動(dòng)勢(shì)平衡方程 式中：電樞回路總電阻；：正、負(fù)電刷電壓降，一般為0.62伏； 發(fā)電機(jī)：取“+”；電動(dòng)機(jī)：取“-”；忽略電刷壓降，則*結(jié)論：發(fā)電機(jī)：；電動(dòng)機(jī)：；即根據(jù)與U的大小判斷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。二、直流電機(jī)的功率平衡方程以并激直流電動(dòng)機(jī)為例： pCuapCuf pad P1 Pem P2 (電能) 定子 轉(zhuǎn)子 p0=pmec+pFe電動(dòng)機(jī)： 電能機(jī)械能電機(jī)效率：三、轉(zhuǎn)矩平衡方程1.發(fā)電機(jī)：2.電動(dòng)機(jī)：四、直流電機(jī)的可逆性改變電機(jī)的外界條件，可以改變其運(yùn)行狀態(tài)。 例：直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若去掉原動(dòng)機(jī)，Ea當(dāng) E

15、a<U時(shí),Ia反向,電動(dòng)運(yùn)行.。四、直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性（機(jī)械特性）電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系曲線：=f（）（1）n=f（）與勵(lì)磁方式有關(guān)（2）自然（固有）機(jī)械特性與人工（人為）機(jī)械特性 固有機(jī)械特性： ； ； 人工機(jī)械特性：； （3）硬特性與軟特性2 工作特性指= 常數(shù)時(shí), ，與的關(guān)系曲線(1) 轉(zhuǎn)速特性(2) 轉(zhuǎn)矩特性(3) 效率特性(4) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（一） 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性指U=UN=常數(shù)，常數(shù)，1 接線圖2 表達(dá)式 =n0-RaTe/ CTCe23 曲線 *特點(diǎn)：硬特性4 引起下降的原因T2TeIaIaRan0Ra/ CTCe2（二） 工作特性1 轉(zhuǎn)速特

16、性或（1） 表達(dá)式（2） 分析：P2T2TeIa（3） 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整率 =(n0-nN)/nN2 轉(zhuǎn)矩特性 （1）表達(dá)式 （2）分析3 效率特性同其它電機(jī)：可變損耗等于不變損耗時(shí)，習(xí)題例1-1 有一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，千瓦，伏，安，轉(zhuǎn)分，歐，試求額定狀態(tài)下的： (1)輸入功率和總損耗； (2)銅耗、電磁功率和鐵耗與機(jī)械損耗之和； (3)額定電磁轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩和空載損耗轉(zhuǎn)矩 。 解：通過(guò)本例幫助讀者熟練地掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能量平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。因此我們可結(jié)合功率流程圖得出下列關(guān)系式： 應(yīng)用題中所給出的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出： 輸入功率： 總損耗： 銅耗： 電磁功率： 或 電磁轉(zhuǎn)矩：。 或(上面兩種計(jì)算結(jié)果有誤差，是由系數(shù)955造成的) 輸出轉(zhuǎn)矩： 空載損耗轉(zhuǎn)矩： 或： 例12 電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)與例1-1同，試求： (1)理想空載轉(zhuǎn)速與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 ；(