电工基础第九章电子教案

179课题*第九章直流电动机与常用特种电机*第一节直流电机*第二节直流电动机的控制*第三节常用特种电动机课型新课授课班级授课时数2教学目标1．了解直流电机的结构掌握其工作原理和励磁方式。2．了解直流电动机的控制。3．了解三种常用特种电机的结构和简单工作原理。教学重点直流电机的构造和原理。教学难点直流电机的控制。学情分析教学效果教后记180新课Ａ．复习交流异步电动机工作原理。Ｂ．新授课*第一节直流电机直流发电机与直流电动机在理论上是可逆的。一、直流电机的构造（一）定子定子由机座、主磁极、换向磁极、电刷组件组成，如图所示。定子的横剖平面图如图所示。1．机座用铸钢或铜板焊成，用作支撑和保护整机结构，同时又是电机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械强度。2．主磁极由铁心和励磁绕组组成。铁心由极身和极靴两部分组成，如图所示。（个别提问）（介绍性讲解）（结合演示讲解）181励磁绕组绕在铁心外面，主磁极的作用是在励磁绕组中通入励磁电流时产生主磁通。3．换向磁极换向磁极的作用是为了改善换向性能，减小换向火花。换向磁极与转子间气隙较大，涡流较小，可用整块钢制成。其上的绕组一般与电枢绕组串联，用横截面较大的铜导线绕制。4．电刷组件电刷组件由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹簧组成，如图所示。电刷内有用细铜丝编织成的刷辫与外电路导通，从而连接电枢、电刷及电路，引入或导出电枢电流。（二）电枢电枢又称转子，作用是在励磁磁场作用下，产生感应电动势和电磁转矩，实现电能与机械能之间的转换。其结构如图所示。1．电枢铁心182电机磁路的另一部分，为减小涡流由硅钢片叠压而成。在电区外缘有嵌放绕组的铁心槽，整个铁心固定在转动轴上，随轴一起转动。2．电枢绕组由绝缘铜导线或扁铜线在模具上绕制成型后嵌放在转子铁心槽中，伸出铁心槽的端部，均用非磁性丝带扎紧，每个线圈的首尾端，均按一定规律，焊接到换向片上。3．换向器由若干个楔形铜片装成一圆柱体，片与片之间用云母绝缘。结构如图所示。换向片与转轴之间又用塑料绝缘，固定在转轴的一端，按照一定规律与电枢绕组连接。它的作用是变换电枢电流方向并通过电刷将电枢绕组与电路接通。（三）直流电机的其他部分直流电机的其他部分还有端盖、轴承、转轴、风扇、接线板、接线盒等。二、直流电动机的工作原理直流电动机原理示意图如图所示。1．在图中所示位置时电源正极接A、负极接B，电枢绕组中电流流向abcd，电枢受力朝逆时针方向旋转。2．电枢转过90时电源中断，电枢凭惯性旋转。3．电枢转过180时电枢中电流流向为dcba，电枢受力朝逆时针方向旋转。4．反电动势电枢转动后，其绕组切割励磁磁场磁感线产生与电枢电流方向相反的感应电动势，其值为nCEea（讲解）183式中，eC——电动机电动势常数。5．电源电压加在电枢绕组上的电压必须用于解决两个部分的需要，即平衡平衡反电动势和克服电枢绕组的电阻电压。aaaIREU其中电枢电流为aaaREUI当负载增大时，电枢电流增大，电动机功率增大，但转速下降；当负载减小时，情况与上述规律相反。三、直流电机的励磁（一）并励电机电机励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个直流电源供电，如图所示。为了保证电枢的输出功率，电枢绕组线径粗、匝数少、电阻小，应有足够大的工作电流。（二）串励电机电机的励磁绕组与电枢绕组串联接于同一电源，如图所示。为了减小励磁电压，励磁绕组的线径粗、匝数少、电阻小。（三）复励电机电机主磁极上嵌放两套独立的绕组，一套与电枢绕组并联，另一套与电枢绕组串联，如图所示。（有条件的话结合动画讲解）184（四）他励电机以上三种励磁方式的直流电机作发电机时，它们的励磁电流都是由自己发出的，所以通称为自励电机。他励电机的励磁电流由另外的直流电源供给，如图所示。这类电机设备较复杂，但它的优点是：励磁电流不受电枢电压影响，而只与励磁电源电动势和励磁绕组有关。第二节直流电动机的控制一、直流电动机的调速控制并励电动机转速公式eaaCIRUn串励电动机转速公式eaLa)(CIRRUn下面以改变主磁极磁通调速为例分析其调速方法及原理。1．并励电动机的变调速在励磁支路上串入一阻值连续可调的变阻器PR，如图所示。PR增大时，减小，转速上升。（介绍性讲解）185PR减小时，增大，转速下降2．串励电动机变调速在励磁支路上并入一阻值连续可调的变阻器PR，如图所示。PR增大时，增大，转速下降。PR减小时，减小，转速上升。3．根据转矩公式aTICT分析，在调速中如保持转矩不变，减小，电枢电流aI必然增大。如果调速前aI已达额定值，则不能用此法调速。它只适用于调高速度以前电枢电流aI未达额定值的情况。这种调速方法具有如下特点：（1）可实现无级平滑调速。（2）调节器速后，新的转速仍较稳定。（3）励磁电流小，能量损耗小。（4）这种调速方法的缺点是转速只能调到比加调速变阻器前的转速高。二、直流电动机的反转控制让直流电动机反转有两种方法：1．保持电枢电流方向不变，将励磁绕组反接，改变励磁电流方向；2．保持励磁电流方向不变，将电枢绕组反接，从而改变电枢电流方向。第三节常用特种电机一、单相交直流两用串励电动机（一）基本结构与工作原理1．基本结构由定子和电枢两大部分组成，定子包括外壳、磁极、电刷组件，电枢由转子铁心、绕组、转轴及换向器等组成。2．工作原理原理电路如图所示。186对比图（b）和图（c）可以看出，无论是正向连接或反向连接，电磁转矩的方向相同，所以即可以用于直流又可以用于交流。（二）机械特性及其应用单相交直流两用串励电动机的机械特性如图所示。由图可见这种电动机的起动转矩大、机械特性软，最适用于在电动工具中作动力机。单相交直流两用串励电动机多数用于交流电源，其转速很高，在带负载运行时中速一般保持在400~1000r/min。所以不能直接接电源空载运转。这种电动机影响通信设备、寿命短、结构复杂、可靠性差。二、伺服电动机将输入信号转换成轴上的角位移或角速度输出。按使用电源不同分为交流伺服电动机和直流伺服电动机，下面以交流伺服电动机为例分析其基本结构、工作原理、机械特性及应用。（一）基本结构交流伺服电动机的结构与单相电容式异步电动机相似，有两相在空间按90电角度分布的绕组，分别为励磁绕组LL和控制绕组KL，两个绕组分别由独立的电源供电。如图所示。（结合实例讲解）187转子结构有笼型和非磁性杯型两种，结构如图所示。（二）工作原理与机械特性1．工作原理当交流电压和信号电压同时加在定子绕组上，产生旋转磁场，转子便会转动。转速的高低与信号的大小成正比。无控制信号UC输入时，无旋转磁场产生，转子起动转矩为零，转子静止不动。信号反相时，转子反转。2．机械特性交流伺服电动机的机械特性曲线如图所示。电动机转速的大小与励磁电压大小、控制电压大小及它们之间的相位差有关，只要改变三个量中的一个或两个，均可改变电动机转速。控制电机要求有较小信号就能起动，信号一停必须停转。三、步进电动机步进电动机通入一个电脉冲信号只转动一个角度。下面介绍反应式旋转运动步进电188动机。（一）基本结构单段式反应式旋转运动步进电动机的结构如图所示。每对定子磁极上绕有一对控制绕组被称为一相，定子磁极数为相数的两倍。在定子磁极极面和转子外缘均开有分布均匀的小齿，两者齿型和齿距相同，U相磁极的小齿子与转子小齿一一对正，而V相磁极的小齿与转子小齿错开31齿距，W相则错开32齿距，这种结构称为槽齿结构。这种电动机制造简便、精确度高，每转一步对应的转子转角小，容量获得较高的起动转矩和运行频率。（二）工作原理三相反应式步进电动机原理如图所示。当向U相绕组通入电脉冲时，由于磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，于是产生磁场力使转子轴线与U相绕组轴线对齐。如将电脉冲改通入到V相绕组中，根据同样的原理，转子沿顺时针方向旋转60。如定子绕组按U—V—W—U…的顺序重复通入电脉冲，转子就按顺时针的方向一步一步转动。在工程技术上，从一相通电切换到另一相通是称为一拍，而三相依次通电的运行方式称为三相单三拍运行方式。在使用中，还可UV两相同时通电，使转子轴线转至UV两相之间的轴线上。这类按UV—VW—WU—的顺序，两相同时依次通电的运行方式称为三相双三拍运行方式。此外还可按U—UV—V—VW—W—WU的组合方式依次通电，称为三相六拍运行方式。采用槽齿结构可使步距角更小，设转子齿数为Z，步进电动机拍数为N，则步距角为ZN360s189换向用的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。2．直流电动机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖组成。3．直流电动机转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。（1）他励电动机的励磁电流由另外直流电源供给。（2）并励电动机的电枢绕组和励磁绕组是并联关系，是同一电源供电。（3）串励电动机的电枢电流就是励磁电流。（4）复励电动机分积复励和差复励之分，积复励就是电动机既有并励，又有串励，并且两个励磁的作用是相互加强的；差复励是两个励磁的作用相互减少。小结1．直流电动机在为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电动机内部的交变电流，这一过程称为电流的换向。2．直流电动机的励磁方式有串励、并励、复励和他励。3．伺服电动机又称执行电动机，将电信号转换为轴的转角或转速，交流伺服电动机不仅依赖于控制电压的有无来确定它的起动和停转，而且还能够根据控制电压的幅值大小和极性来决定其转速高低和旋转方向。4．步进电动机又称为脉冲电动机，它能够将电脉冲信号变换为转角或转速。步进电动机的转角与输入的电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比。布置作业习题九2、3、6