電機(jī)拖動(dòng)課程教案

西安交通工程學(xué)院

教案

學(xué)年第一學(xué)期

學(xué)院（部）

課程名稱電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)

專業(yè)、年級(jí)、班級(jí)

主講教師

課程類型理論課0實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口實(shí)踐課口其它口

授課題目電機(jī)拖動(dòng)認(rèn)知授課章節(jié)緒論；第一章電機(jī)概述

授課順序緒論；電機(jī)概述學(xué)時(shí)數(shù)2

教學(xué)目的及要求：

教學(xué)1.掌握電力拖沏系統(tǒng)的基本組成和電機(jī)特點(diǎn)；

目的2.了解電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)的課程性質(zhì)、課程地位，了解該課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容；

及要3.了解電機(jī)的定義與分類；

求4.掌握直流電機(jī)的工作原理；

5.了解直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及功能；

教學(xué)重點(diǎn)：電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成；直流電機(jī)的工作原理；直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

教學(xué)難點(diǎn)：直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能。

教學(xué)

重點(diǎn)

及難

點(diǎn)

教學(xué)教學(xué)方式：理論講解、多媒體、生產(chǎn)案例

方法教學(xué)于段；多媒體

及手

段

課堂設(shè)計(jì)（教學(xué)內(nèi)容、過程、方法、圖標(biāo)等）時(shí)間分配

1.師生相互介紹。10分鐘

2.緒論概述：電機(jī)在生產(chǎn)單位的用途；電力拖動(dòng)；電機(jī)分類；該課程的

課程地位、學(xué)習(xí)方法、考核方法。40分鐘

3.直流電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)40分鐘

作業(yè)1.電力系統(tǒng)的組成？

及思2.電機(jī)的作用？電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)？

考題

《電機(jī)與控制》、《電機(jī)與變壓器》等相關(guān)資料

參考

資料

課后

小結(jié)

授課內(nèi)容一、《電機(jī)拖動(dòng)》緒論

1、電機(jī)及電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述

1）、電機(jī)

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是把電機(jī)學(xué)和電力拖動(dòng)基礎(chǔ)兩門課程rr機(jī)結(jié)合而成的一

門課程。

電機(jī)是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機(jī)電能

量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。

電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能主要由電動(dòng)機(jī)完成。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的方式稱為

電力拖動(dòng)。

由于電動(dòng)機(jī)的效率高、種類和規(guī)格多、具有各種良好的特性，電力拖動(dòng)易

于操作和控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制，因此，電力拖動(dòng)廣泛應(yīng)用于國

民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。例如各種機(jī)床、軋制生產(chǎn)線、電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)工具

乃至家用電器等，數(shù)不勝數(shù)。

為了能建立一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行簡單的分類如下:

電機(jī)的分類

從能量轉(zhuǎn)換的角度分從旋轉(zhuǎn)與否的角度分從電能的性質(zhì)分

控

發(fā)

電

變

制旋轉(zhuǎn)電機(jī)

壓

電

動(dòng)靜止電機(jī)

電

器

機(jī)

機(jī)（發(fā)電機(jī)

機(jī)（變壓器）

電動(dòng)機(jī)）

本課程主要研究電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的基本理論問題，分析研究直流電機(jī)、變壓

器、異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的簡單結(jié)構(gòu)、原理、基本電磁關(guān)系和運(yùn)行特性；并

初步聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，從生產(chǎn)機(jī)械工作的要求出發(fā)，重點(diǎn)介紹交直流拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)

靜態(tài)運(yùn)行特性，為學(xué)習(xí)自動(dòng)控制系統(tǒng)等后續(xù)專業(yè)課打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，課程既

具有較強(qiáng)的基礎(chǔ)性，又帶有專業(yè)性。

2、電力拖動(dòng)

電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成：由電源、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、負(fù)載和自動(dòng)控制裝置等部

分組成，見圖1.1。電源提供電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)所需的電能；電動(dòng)機(jī)完成電能向

機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于傳遞動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)方式和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)換，以

滿足不同負(fù)載的要求；自動(dòng)控制裝置則控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載按照設(shè)定的工作方式

運(yùn)行，完成規(guī)定的生產(chǎn)任務(wù)。

------------電源

自動(dòng)控制裝置——電動(dòng)機(jī)一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一負(fù)載

圖L1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成

2、電機(jī)發(fā)展

電力拖動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動(dòng)方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。它啟動(dòng)、

制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動(dòng)機(jī)的類型多，且具有

各種不同的運(yùn)行特性來滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和

信號(hào)的變換與傳送方便，易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動(dòng)已成為國民經(jīng)濟(jì)電

氣自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

3、本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》是電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要任

務(wù)是使學(xué)生掌握常用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,

電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算，電機(jī)容量選擇及試驗(yàn)方法等，為學(xué)習(xí)《工

廠電氣控制設(shè)備》、《自動(dòng)控制原理》、《交直洸調(diào)速系統(tǒng)》等課程準(zhǔn)備必要的

基礎(chǔ)知識(shí)。

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)達(dá)到下列要求：

1.掌握常用交、直流電機(jī)及變壓器的基本理論（電磁關(guān)系、能量關(guān)系）。

2.掌握控制電機(jī)的工作原理、主要性能及用途。

3.掌握分析電動(dòng)視機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基本理論。

4.掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的基本原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

5.掌握選擇電動(dòng)機(jī)的原則和方法。

6.掌握電機(jī)的基本試驗(yàn)方法及技能，并具有熟練的運(yùn)算能力。

7.了解電機(jī)與電力拖動(dòng)今后的發(fā)展方向。

4、課程目標(biāo)

《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程在于通過電機(jī)的理論、應(yīng)用、電氣控制方法、電氣

控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生成為一名電機(jī)及控制技術(shù)方面的應(yīng)用

型技術(shù)人才。

5、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

一、特點(diǎn)：本課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、實(shí)踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)與電力拖動(dòng)的工

作原理要用電學(xué)、磁學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論，既要有時(shí)間概念，又要有空間概念，

所以理論性較強(qiáng)；而用理論分析各種電機(jī)和電力拖動(dòng)的實(shí)際問題時(shí)，必須結(jié)合電

機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀點(diǎn)和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應(yīng)注

意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作技能和計(jì)算能力，所以實(shí)踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門課程應(yīng)該

特別注意理論聯(lián)系實(shí)際。

二、學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

1、抓主略次

2、掌握基本概念、基本原理和主要特性

3、對(duì)比學(xué)習(xí)，找共性和特點(diǎn)

4、理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)驗(yàn)和下廠實(shí)習(xí)結(jié)合

5、帶著問題學(xué)（預(yù)習(xí)每節(jié)相關(guān)的思考題）

二、第一章直流電機(jī)

§1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

一、直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)是由靜止的定子部分和轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成的，定、轉(zhuǎn)子之間有一

定大小的間隙（以后稱為氣隙）。

1一換向器；2—電刷裝置；3一機(jī)座；4一主磁極；5一換向極；6一端蓋;

7—風(fēng)扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心

1.定子部分：直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。

（1）主磁極又稱主極。在一般大中型直流電機(jī)中，主磁極是一種電磁鐵。

（2）換向極容量在Ikw以上的直流電機(jī)，在相鄰兩主磁極之間要裝上換向極。

換向極又稱附加極或間極，其作用為了改善直流電機(jī)的換向。

（3）機(jī)座一般直流電機(jī)都用整體機(jī)座。所謂整體機(jī)座，就是一個(gè)機(jī)座同時(shí)起

兩方面的作用：一方面起導(dǎo)磁的作用，一方面起機(jī)械支撐的作用。

（4）電刷裝置電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。

2、轉(zhuǎn)子部分：直流電機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和

風(fēng)扇等組成。

（1）電樞鐵心電樞鐵心作用有二，一個(gè)是作為主磁路的主要部分；另一個(gè)是

嵌放電樞繞組。

（2）電樞繞組它是直流電機(jī)的主要電路部分，是通過電流和感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢

以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

（3）換向器在直流發(fā)電機(jī)中，它的作用是將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為電刷

端上的直流電動(dòng)勢；在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上所通過的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組

內(nèi)的交變電流。

二、直流電機(jī)的基本工作原理

1.直流發(fā)電機(jī)的工作原理

直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)相同，

不同的是電刷上不外加直流電壓，而是利

用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞朝某一方向例如逆時(shí)針

方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示。這時(shí)導(dǎo)體ab和cd

分別切割N極和S極卜?的磁力線，產(chǎn)生感

應(yīng)電動(dòng)勢，電動(dòng)勢的方向用右手定則確定。在圖示情況下，導(dǎo)體必中電動(dòng)勢的

方向由〃指向小導(dǎo)體cd中電動(dòng)勢的方向由d指向C,所以電刷A為正極性，

電刷B為負(fù)極性。電樞旋轉(zhuǎn)180。時(shí)，導(dǎo)體〃轉(zhuǎn)至N極下，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向由

c指向d,電刷A與cd所連換向片接觸，仍為正極性；導(dǎo)體外轉(zhuǎn)至S極下，感

應(yīng)電動(dòng)勢的方向變?yōu)?。指向A電刷B與c必所連換向片接觸，仍為負(fù)極性?？?/p>

見，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向是交變的，而通過換向器和電刷

的作用，在電刷A和B兩端輸出的電動(dòng)勢是方向不變的直流電動(dòng)勢。這種作用

稱為整流作用。若在電刷A和B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電

能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基木工作原理。

同時(shí)應(yīng)該注意到，帶上負(fù)載以后，電樞導(dǎo)體成為載流導(dǎo)體，導(dǎo)體中的電流方

向與電勢方向相同，利用左手定則，還可以判斷出由電磁力產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向

與運(yùn)動(dòng)方向相反，起制動(dòng)作用。

根據(jù)上述原理分析，可以看出直流發(fā)電機(jī)有如下特點(diǎn)：

1、直流發(fā)電機(jī)將輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率輸出；

2、利用換向器和電刷，直流發(fā)電機(jī)將導(dǎo)體中的交變電勢和電流整流成直流輸出；

3、直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相同。

4、電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用。

從以上分析可以看出：一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可

以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界不同的條件。

2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

圖1.1是一臺(tái)最簡單的直流電動(dòng)機(jī)的模型，N和S是一對(duì)固定的磁極（一

般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵）。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱

為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abed,線圈的兩端

分別接到相互絕緣的兩個(gè)弧形銅片上，弧形銅片稱為換向片，它們的組合體稱為

換向器。在換向器上放置固定不動(dòng)而與換向片滑動(dòng)接觸的電刷A和B,線圈abed

通過換向器和電刷接通外電路。電樞鐵心、電樞線圈和換向器構(gòu)成的整體稱為電

樞。

此模型作為直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源加于電刷A和B,例如將電源

正極加于電刷A,電源負(fù)極加于電刷B,則線圈abed中流過電流。在導(dǎo)體出?中，

電流由。流向從在導(dǎo)體cd中，電流由。流向d。載流導(dǎo)體必和cd均處于N和

S極之間的磁場當(dāng)中，受到電磁力的作用。電磁力的方向用左手定則確定，可知

這一對(duì)電磁力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，使整個(gè)

電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180。，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，c力轉(zhuǎn)到S極下,

如圖1.1S）所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c,而

ah中的電流由b流向從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方

向仍是逆時(shí)針方向。

由此可見，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，變?yōu)?/p>

電樞線圈中的交變電流，這種將直流電流變?yōu)榻蛔冸娏鞯淖饔梅Q之為逆變。由于

電樞線圈所處的磁極也是同時(shí)交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不

變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。

同時(shí)可以看到，一旦電樞旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體就會(huì)切割磁力線，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)電勢。

在圖1.1⑷所示時(shí)刻，可以判斷出向?qū)w中的運(yùn)動(dòng)電勢由〃指向而此時(shí)的導(dǎo)

體電流由a指向/?,因此直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流和電勢方向相反。

圖1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

根據(jù)上述原理，可以看出直流電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：

(1)直流電動(dòng)機(jī)將輸入電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出；

(2)電磁轉(zhuǎn)矩起驅(qū)動(dòng)作用；

(3)利用換向器和電刷，直流電動(dòng)機(jī)將輸入的直流電流逆變成導(dǎo)體中的交

變電流；

(4)直流電動(dòng)機(jī)導(dǎo)體中的電流與運(yùn)動(dòng)電勢方向相反。

3、

課程類型理論課口實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口實(shí)踐課口其它口

§1.2.2-1.2.3直流電機(jī)額

授課題目直流電機(jī)的額定值和電樞繞組授課章節(jié)

定值和樞繞組

授課順序直流電機(jī)的電樞繞組概念；結(jié)構(gòu)及術(shù)語學(xué)時(shí)數(shù)2

教學(xué)目的：

教學(xué)1.掌握直流電機(jī)的額定值；

目的2.掌握直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)專業(yè)術(shù)語；

及要3.掌握繞組的展開圖畫法；

求4.熟悉電樞繞組的展開圖的分析；

教學(xué)重點(diǎn)：額定值；電樞單層繞組結(jié)構(gòu)尺寸術(shù)語；展開圖的畫法。

教學(xué)教學(xué)難點(diǎn)：電樞單層繞組展開圖畫法及分析。

重點(diǎn)

及難點(diǎn)

教學(xué)方法教學(xué)方式：理論講授和圖形分析.

及手段教學(xué)手段：多媒體和實(shí)物。

課堂設(shè)計(jì)（教學(xué)內(nèi)容、過程、方法、圖標(biāo)等）時(shí)間分配

1.直流電機(jī)的額定值20分鐘

2.直流電樞繞組的作用與結(jié)構(gòu)

3.直流電機(jī)單層繞組結(jié)構(gòu)尺寸術(shù)語35分鐘

4.電樞單層繞組展開圖的畫法與分析35分鐘

作業(yè)

及思

考題

參考

資料

課后

小結(jié)

授課內(nèi)容§1.2.2直流電機(jī)的額定值

型號(hào)為Z2-51的直流電機(jī)是一臺(tái)機(jī)座號(hào)為5、電樞鐵心為短鐵心的第2次改

型設(shè)計(jì)的直流電機(jī)。機(jī)座號(hào)表示直流電機(jī)電樞鐵心外直徑的大小，共有1-9個(gè)機(jī)

座號(hào)，機(jī)座號(hào)數(shù)越大，直徑越大。樞鐵心長度分為短鐵心和長鐵心兩種，1表示

短鐵心，2表示長鐵心。

銘牌數(shù)據(jù)

（1）額定功率為（.）；

（2）額定電壓4①；

（3）額定電流〃（/）；

（4）額定轉(zhuǎn)速.

（5）勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流1加（冷。

直流發(fā)電機(jī)的額定功率應(yīng)為

露1

直流電動(dòng)機(jī)的額定功率為%~UN1N

電動(dòng)機(jī)軸上輸出的額定轉(zhuǎn)矩為

=至=9559

QrnN

§1.3直流電機(jī)的電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)的一個(gè)重要部分，電機(jī)中機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換就是通過電樞

繞組而實(shí)現(xiàn)的，所以直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子也稱為電樞。電樞繞組是由許多個(gè)形狀完全

一樣的單匝元件（當(dāng)然也可以是多匝元件）以一定規(guī)律排列和聯(lián)接起來的，用S

表示元件數(shù)。

單疊繞組

1.繞組節(jié)距

所謂節(jié)距，是指被聯(lián)接起來的兩個(gè)元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的

元件邊數(shù)或虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示。元件的上層邊用實(shí)線表示，卜.層邊用虛線

表示。

（1）第一節(jié)距

同一元件的兩個(gè)元件邊在電樞周圍上所跨的距離，用電樞表面相隔的槽數(shù)來

表示，稱為第一節(jié)距X。一個(gè)磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距T,當(dāng)用槽

數(shù)表示時(shí)，極距的表達(dá)式為

式中，P為磁極對(duì)數(shù)。

為使每個(gè)元件的感應(yīng)電動(dòng)勢最大，第一節(jié)距yi應(yīng)盡量等于一個(gè)極距T,但l

不一定是整數(shù)，而y必須是整數(shù)，為此，一般取第一節(jié)距

J,=三±￡=整數(shù)

2P

式中，￡為小于1的分?jǐn)?shù)。

y二「的元件為整距元件，繞組稱為整距繞組；的元件稱為短距元件，

繞組稱為短距繞組；,的元件稱為長距元件，其電磁效果與的元件相

近，但端接部分較長，耗銅多，一般不用。

（2）第二節(jié)距

第一個(gè)元件的下層邊與直接相連的第二個(gè)元件的上層邊之間在電樞圓周上

的距離，用槽數(shù)表示，稱為第二節(jié)距y2。

（3）合成節(jié)距

直接相連的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為合成

節(jié)距y。

（4）換向器節(jié)距

每個(gè)元件的首、末兩端所接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換

向片數(shù)表示，稱為換向器節(jié)距yu由下圖可見，換向器節(jié)距歡與合成節(jié)距y總

是相等的，即

yk=y

IllI|15|1||7|8||15|

k-----——一T

（a）單疊繞組（b）單波繞組

2.單疊繞組的聯(lián)接方法和特點(diǎn)

下面通過一個(gè)實(shí)例來說明。

設(shè)一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)2P=4,Z=S=K=）6,聯(lián)接成單疊右行繞組。

（1）計(jì)算各節(jié)距

第一節(jié)距月

合成節(jié)距）'和換向器節(jié)距外

）=4二1

第二節(jié)距為

>2=）；_）'=3

（2）繪制繞組展開圖如下圖所示。

所謂繞組展開圖是假想將電樞及換向器沿某一齒的中間切開，并展開成平面

的聯(lián)接圖。作圖步驟如下。

第一步，先畫16根等長等距的實(shí)線，代表各槽上層元件邊，再畫16根等長

等距的虛線，代表各槽下層元件邊。讓虛線與實(shí)線靠近一些。實(shí)際上一根實(shí)線和

一根虛線代表一個(gè)槽（指虛槽），依次把槽編上號(hào)碼。

第二步，放置主磁極。讓每個(gè)磁極的寬度大約等于0.7J4個(gè)磁極均勻放置

在電樞槽之上，并標(biāo)上N、S極性。假定N極的磁力線進(jìn)入紙面，S極的磁力

線從紙面穿出。

第三步，畫16個(gè)小方塊代表換向片，并標(biāo)上號(hào)碼，為了作圖方便，使換向

片寬度等于槽與槽之間的距離。為了能聯(lián)出形狀對(duì)稱的元件，換向片的編號(hào)應(yīng)與

槽的編號(hào)有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系（由第一節(jié)距外來考慮）。

第四步，聯(lián)繞組。為了便于聯(lián)接，將元件、槽和換向片按順序編號(hào)。編號(hào)時(shí)

把元件號(hào)碼、元件上層邊所在槽的號(hào)碼以及元件上層邊相聯(lián)接的換向片號(hào)碼編得

一樣，即1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽內(nèi)并與1號(hào)換向片相聯(lián)接。這樣當(dāng)1號(hào)元

件的上層邊放在1號(hào)櫓（實(shí)線）并與1號(hào)換向片相聯(lián)后，因?yàn)椋?=4,則1號(hào)元件

的下層邊應(yīng)放在第5號(hào)槽（i+x=5）的下層（虛線）；因=）7=1,所以1

號(hào)元件的末端應(yīng)聯(lián)接在2號(hào)換向片上（1+X=2）。一般應(yīng)使元件左右對(duì)稱，這

樣1號(hào)換向片與2號(hào)換向片的分界線正好與元件的中心線相重合。然后將2號(hào)元

件的上層邊放入2號(hào)槽的上層（l+y=2）,下層邊放在6號(hào)槽的下層

（2+y=6）,2號(hào)元件的上層邊聯(lián)在2號(hào)換向片上，下層邊聯(lián)在3號(hào)換向片上。

按此規(guī)律排列與聯(lián)接下去，一直把16個(gè)元件都聯(lián)起來為止。

校核第2節(jié)距：第1元件放在第5槽的下層邊與放在第2槽第2元件的上層邊，

它們之間滿足為二3的關(guān)系。其他元件也如此。

第五步，確定每個(gè)元件邊里導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。圖3.13中，所考慮的

是發(fā)電機(jī)，箭頭表示電樞旋轉(zhuǎn)方向，即自右向左運(yùn)動(dòng)，根據(jù)右手定則就可判定各

元件邊的感應(yīng)電動(dòng)勢的方向，即在N極下的導(dǎo)體電動(dòng)勢是向下，在S極下是向

上的。在圖示這一瞬間，1、5、9、13四個(gè)元件正好位于兩個(gè)主磁極的中間，該

處氣隙磁密為零，所以不感應(yīng)電動(dòng)勢。

第六步，放電刷。在直流電機(jī)里，電刷組數(shù)也就是刷桿的數(shù)目與主極的個(gè)數(shù)

一樣多。對(duì)本例來說，就是四組電刷A、4、4、當(dāng)，它們均勻地放在換向器

表面圓周方向的位置。每個(gè)電刷的寬度等于每一個(gè)換每個(gè)電刷的寬度等于每一個(gè)

換向片的寬度。放電刷的原則是，要求正、負(fù)電刷之間得到最大的感應(yīng)電動(dòng)勢，

或被電刷所短路的元件中感應(yīng)電動(dòng)勢最小，這兩個(gè)要求實(shí)際上是一致的。在圖

1.3里，由于每個(gè)元件的幾何形狀對(duì)稱，如果把電刷的中心線對(duì)準(zhǔn)主極的中心線，

就能滿足上述要求。圖1.2中，被電刷所短路的元件正好是1、5、9、13,這幾

個(gè)元件中的電動(dòng)勢恰為零。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電刷是靜止不動(dòng)的，電樞在旋轉(zhuǎn)，但是，

被電刷所短路的元件，水遠(yuǎn)都是處于兩個(gè)主磁極之間的地方，當(dāng)然感應(yīng)電動(dòng)勢為

零。

（3）繞組元件聯(lián)接順序圖

上層元件邊123456789101112131415161

閉合

下層元件邊VWWVWVWWW

5'6'7'8'9'10'12'13'14*15'16'1'2‘3'4'

（4）繞組電路圖

Bj

23455

----A----A.....—

6

876

--?--?--一

J0111213L

13

A--AA14F

161514TB2

+-6

總結(jié)：對(duì)電樞繞組中的單疊繞組，有以下特點(diǎn)：

（1）位于同一個(gè)磁極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即支路對(duì)數(shù)等于極

對(duì)數(shù),a=P。

（2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱，電刷放在換向器表面上的位置對(duì)準(zhǔn)主磁極中心線

時(shí)，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢為最大，被電刷所短路的元件里感應(yīng)電動(dòng)勢最小。

（3）電刷桿數(shù)等于極數(shù)。

課程類型理論課⑦實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口實(shí)踐課口其它口

§1.4直流電機(jī)勵(lì)磁方式

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式和直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

§1.6.1運(yùn)行關(guān)系§1.6.2并

行關(guān)系與工作特性電樞電動(dòng)勢和換向

授課題目授課章節(jié)

勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

授課順序直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢、電磁轉(zhuǎn)矩和換向?qū)W時(shí)數(shù)2

教學(xué)目的：

1.掌握直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式；

2.掌握直流電動(dòng)機(jī)的工作特性；

3.了解直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行關(guān)系式。

教學(xué)

目的

及要

求

教學(xué)重點(diǎn)：電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的理論分析、直流電機(jī)的換向方法。

教學(xué)難點(diǎn)：電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的理論分析。

教學(xué)

重點(diǎn)

及難

點(diǎn)

教學(xué)方式：理論講授和圖形分析。

教學(xué)手段：多媒體和實(shí)物，理論結(jié)合.

教學(xué)

方法

及手

段

課堂設(shè)計(jì)（教學(xué)內(nèi)容、過程、方法、圖標(biāo)等）時(shí)間分配

1.直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式；直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行關(guān)系式45分鐘

2.并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。45分鐘

作業(yè)

及思

考題

參考

資料

課后

小結(jié)

授課內(nèi)容§1.5直流電機(jī)電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩

一、直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動(dòng)勢，也就是電

樞繞組一條并聯(lián)支路的電動(dòng)勢。電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割氣隙合成磁場，產(chǎn)

生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于氣隙磁通密度（尤其是負(fù)載時(shí)氣隙合成磁通密度）在一個(gè)極

下的分布不均勻，為分析推導(dǎo)方便起見，可把磁通密度看成均勻分布的，取一個(gè)

極下氣隙磁通密度的平均值為Bav,從而可得一根導(dǎo)體在一個(gè)極距范圍內(nèi)切割氣

隙磁通密度產(chǎn)生的電動(dòng)勢的平均值的、,，其表達(dá)式為

4八，=

式中，Bav為一個(gè)極下氣隙磁通密度的平均值，稱為平均氣隙磁通密度；/為電樞

導(dǎo)體的有效長度（槽內(nèi)部分）；。為電樞表面的線速度。

設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N,則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為—為，

因

而電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢

%=4N2P①〃=PN①〃=C

“2a,2a6060。'

二、電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩

電樞繞組中流過電樞電流L時(shí)，元件的導(dǎo)體中流過支路電流L,成為載流導(dǎo)

體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖3.21

所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為

如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻的，氣隙磁通密度用平均值Bav表示，則每根

導(dǎo)體所受電磁力的平均值為

f（lx=紇”

一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為

?于《

式中，D為電樞外徑。

由于不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生

的電磁轉(zhuǎn)矩方向都是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的

平均值Tav：乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N,即

=NBJi—=N&lSlEL=地0i=0①/

T=NT°a

V2TI2a27t2加

電樞電動(dòng)勢Ea=C①〃和電磁轉(zhuǎn)矩T=①是直流電機(jī)兩個(gè)重要的公式。

對(duì)于同一臺(tái)直流電機(jī)，電動(dòng)勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)短常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系

Q=^Ce=9.55Ce

271a

§1.9直流電機(jī)的換向

一、直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組的元件從一條支路經(jīng)過電刷短

路后進(jìn)入另一條支路，元件中的電流隨之改變方向的過程稱為換向過程，簡稱換

向。

產(chǎn)生換向火花的原因有多種，最主要的是電磁原因。還有機(jī)械方面和化學(xué)方

面的原因。

1.機(jī)械原因

產(chǎn)生換向火花的機(jī)械原因有很多，主要是換向器偏心、換向片間云母絕緣凸

出、轉(zhuǎn)子平衡不良、電刷在刷握中松動(dòng)、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的

接觸面研磨得不好因而接觸不良等等。為使電機(jī)能正常工作，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查、

維護(hù)和保養(yǎng)。

2.化學(xué)原因

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于空氣中氧氣、水蒸氣以及電流通過時(shí)熱和電化學(xué)的綜合作

用，在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜有較高的電阻值，能有效地

限制換向元件中的附加換向電流有利于換向。同時(shí)薄膜吸附的潮氣和石墨粉

能起潤滑作用，使電刷與換向器之間保持良好而穩(wěn)定的接觸。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于

電刷的摩擦作用，氧化亞銅薄膜經(jīng)常遭到破壞。但是在正常使用環(huán)境中，新的氧

化亞銅薄膜乂能不斷形成，對(duì)換向不會(huì)有影響。如果周圍環(huán)境氧氣稀薄、空氣干

燥或者電刷壓力過大時(shí)，氧化亞銅薄膜難以生成，或者周圍環(huán)境中存在化學(xué)腐蝕

性氣體能破壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。

二、改善換向的方法

改善換向的目的在于消除或削弱電刷下的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面

的，其中最主要的是電磁原因。消除或削弱電磁原因引起的電磁性火花的方法有：

1.適用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的接觸電阻

2.裝設(shè)換向極

3.裝補(bǔ)償繞組

課程類型理論課口實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口實(shí)踐課口其它口

直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方程式

§直流發(fā)電機(jī)

授課題目和運(yùn)行特性授課章節(jié)

§直流電動(dòng)機(jī)

授課順序直流發(fā)電機(jī)；直流電動(dòng)機(jī)學(xué)時(shí)數(shù)2

教學(xué)目的：

1.7解直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行方程式；

2.掌握他勵(lì)式直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性；

3.了解直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方程式；

4.掌握他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性；

教學(xué)

目的

及要

求

教學(xué)重點(diǎn)：直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方程。

教學(xué)難點(diǎn)：直流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性分析。

教學(xué)

重點(diǎn)

及難

點(diǎn)

教學(xué)方式：理論講授和圖形分析。

教學(xué)手段：多媒體和實(shí)物，理論結(jié)合。

教學(xué)

方法

及手

段

課堂設(shè)計(jì)（教學(xué)內(nèi)容、過程、方法、圖標(biāo)等）時(shí)間分配

1.直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行分析。45分鐘

2.直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行分析。45分鐘

作業(yè)

及思

考題

參考

資料

課后

小結(jié)

一、直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本關(guān)系式

下圖為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的示意圖。接通直流電源時(shí)，勵(lì)磁繞組中流過勵(lì)磁電

流建立主磁場，電樞繞組流過電樞電流/。，一方面形成電樞磁動(dòng)勢工，通

過電樞反應(yīng)使主磁場變?yōu)闅庀逗铣纱艌觯?方面使電樞元件導(dǎo)體中流過支路電

流口，與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,使電樞朝T的方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)

時(shí)，電樞導(dǎo)體又切割氣隙合成磁場，產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢E*在電動(dòng)機(jī)中，此電動(dòng)

勢的方向與電樞電流。的方向相反，稱為反電動(dòng)勢。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有如

下平衡關(guān)系，分別用方程式表示。

1.電壓平衡方程式

根據(jù)圖中用電動(dòng)機(jī)慣例所設(shè)各量的正方向，可以列出電壓平衡方程式和電流

平衡方程式

U=Ea+R(ll]

'=J式中，(為電樞回路電阻，其中包括電刷和換向器之間

的接觸電阻。

此式表明，直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的電樞電動(dòng)勢區(qū)總小于端電壓U。

2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)。一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩T,方向與

轉(zhuǎn)速n相同，為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；一個(gè)是電動(dòng)機(jī)空載損耗轉(zhuǎn)矩”，是電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行

時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩，方向總與轉(zhuǎn)速n相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；還有一個(gè)是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械

的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與,即電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，一般亦為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的

轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系式為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于總的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即

T=T2+T.

3.功率平衡方程式

電動(dòng)機(jī)輸入功率E為

P、=UI=Ud)=(E.+RJ”戶U1f

=EJa+RJ；+U1,=PM+pcuu+pcuf

式中，P'=UI；PM=EaIa為電磁功率；Pcua=RJ：,是電樞回路的銅損耗;

Ps=3八為勵(lì)磁繞組的銅損耗。

電磁功率

nL,pN..pNz2加2E

P,=E/——=711

時(shí)f““60?！?加”60

式中，O=2m/60,日動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度，單位是md/s。

從上式中PM可知，電磁功率具有電功率性質(zhì)；從可知，電磁功

率又具有機(jī)械功率性質(zhì)，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)殡姶殴β适菍儆陔妱?dòng)機(jī)由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械

能的那一部分功率。

將轉(zhuǎn)矩平衡方程式兩邊乘以機(jī)械角速度。，得

ra=7；Q+7；)Q

可寫成

一,=:+〃()=-+Pm+Pfe+Ps

式中，尸2=72^,軸上輸出的機(jī)械功率：線="C,空載損耗，包括機(jī)械損耗巴M和鐵

損耗尸員o

可以作出并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖，如下圖(a)所示。圖中七”為勵(lì)磁繞

組的銅損耗，稱為勵(lì)磁損耗。并勵(lì)時(shí)，由輸入功率匕供給；他勵(lì)時(shí)，由

其他直流源供給，功率流程圖如圖(b)所示。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式

Pl=Pl+P(：uf+PCua+P?e+PmGC=P2+XP

式中，2八尸州+尸癡+%+尸.為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的總損耗。

/=&PM=EJ/TCPfQ

(a)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)(b)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖

二、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓U2,勵(lì)磁電流

電樞回路不串外加電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、效率n分別與電樞

電流,“之間的關(guān)系。

1,轉(zhuǎn)速特性〃=/（1.

當(dāng)u=UN、，/=/.（①=①N）時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電流之間的關(guān)系〃=/（力稱

為轉(zhuǎn)速特性。

將電動(dòng)勢公式紇二C①〃代入電壓平衡方程式U二旦+R3,可得轉(zhuǎn)速特

性公式

UN_R-

如果忽略電樞反應(yīng)的影響，①=^N保持不變，則（增加時(shí)，轉(zhuǎn)速n下降。但因

力一般很小，所以轉(zhuǎn)速n下降不多，〃=/（4）為一條稍稍向下傾斜的直線，如

圖中的曲線1所示。如果考慮負(fù)載較重，4,較大時(shí)電樞反應(yīng)去磁作用的影響，

理隨著的增大，①將減小，因而使轉(zhuǎn)速特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，如圖中的虛線所

ZJ^O

2,轉(zhuǎn)矩特性7="/。）

當(dāng)〃=小@=%，）時(shí).，電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流/”之間的關(guān)系

T=/（/“）稱為轉(zhuǎn)矩特性。

由T=g①可知，不考慮電樞反應(yīng)影響時(shí)，①二^N不變，T與/。成正比，

轉(zhuǎn)矩特性為過原點(diǎn)的直線。如果考慮電樞反應(yīng)的去磁作用，則當(dāng)/〃增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩

特性略為向下彎曲，如圖中的曲線2所示。

3.效率特性〃=八1。）

當(dāng)^:^八^二^^①二①"^上效率口與電樞電流乙的關(guān)系4二八/尸稱

為效率特性。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的效率

n=-^-xlOO%=1-^-^xlOO%=\-Pf<+Pmec+PcuaxlOO%

4\4/uU（〃+。）」

分析：鐵損耗產(chǎn)…是電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵心切割氣隙磁場而引起的渦

流損耗與磁滯損耗之和，其大小決定于氣隙磁通密度與轉(zhuǎn)速；機(jī)械損

耗尸…包括軸承及電刷的摩擦損耗和通風(fēng)損耗，其大小主要決定于轉(zhuǎn)

速；勵(lì)磁繞組的銅損耗%當(dāng)U=UN,。不變，也不變。

由此可看出，以上三種損耗都不隨電樞電流變化，亦即不隨負(fù)載變化

的，通常將這三種損耗之和稱為不變損耗。電樞回路的銅損耗

心〃=4/:與電樞電流的平方成正比，亦即隨負(fù)載的變化明顯變化，故

稱為可變損耗。

當(dāng)電樞電流,“開始由零增大時(shí)，可變損耗增加緩慢，總損耗變化小，效率n

明顯上升；當(dāng)忽略式分母中的‘/（'/〈〈,，）時(shí)，可以由d〃/打。二°求得當(dāng)/，，增大

到電動(dòng)機(jī)的不變損耗等于可變損耗，即

產(chǎn)與+P,nec+Patf=R/Z

時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到最高；,“再進(jìn)一步增大時(shí)，可變損耗在總損耗中所占的比

例變大了，可變損耗和總損耗都將明顯上升，使效率“反而略為下降。并勵(lì)直流

電動(dòng)機(jī)的效率特性如圖中的曲線3所示，一般電動(dòng)機(jī)在負(fù)載為額定值的75%左

右時(shí)效率最高。

二、他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有4個(gè)主要物理量，即電樞端電壓U、勵(lì)磁電流0、

負(fù)載電流I（他勵(lì)時(shí)"J）和轉(zhuǎn)速n。其中轉(zhuǎn)速n由原動(dòng)機(jī)確定，一般保持為額

定值不變。因此，運(yùn)行特性就是U、I，、。三個(gè)物理量保持其中一個(gè)不變時(shí)，

另外兩個(gè)物理量之間的關(guān)系。顯然，運(yùn)行特性應(yīng)有三個(gè)。

1.空載特性

〃=〃。，0=°時(shí)，端電壓/與勵(lì)磁電流。之間的關(guān)系稱為空載特

性。

空載時(shí)，他勵(lì)發(fā)電機(jī)的端電壓％=6沖〃，片常數(shù)時(shí)，/”①，所以空

載特性/=/