5.3 直流电动机（课件）-《电工电子技术与技能》同步精品课堂（高教版）

《电子电工技术与技能》（高教版） 高等教育出版社 同步精品课程——中职专业课 第5章 电动机及其基本控制 5.3 直流电动机 知识目标 理解基本原理与结构：能够描述直流电动机由定子和转子组成的基本结构，并解释定子和转子在电动机运行中的作用。 掌握主要特性与优点：能够列举直流电动机的优点，如高效率、启动转矩大等，并理解转矩与电流、转速与电压的关系。 掌握调速与控制方法：理解通过调节转子电流实现的电动机调速原理，了解常用的PWM调制技术和PID控制系统。 能力目标 观察能力：能够观察直流电动机的结构组成，理解定子和转子在运行过程中的相互作用，并能根据观察结果分析电机的工作原理。 分析能力：能够分析直流电动机的特性与优点，理解转矩、电流、转速和电压之间的关系，以及励磁系统与反电动势对电机性能的影响。 情感目标 通过学习直流电动机，我们不仅可以掌握实用的电机知识，更能够体会到科技的魅力和应用的广泛性。希望通过本次学习，同学们能够激发对科技的兴趣和好奇心，认识到科技对我们生活的重要性，并且能够在日常生活中更加珍惜和善用科技所带来的便利和快乐。 三维目标 导入情景 01 “今天我们来讨论一个在我们日常生活中非常常见的东西——直流电动机。不知道你是否曾经想过，为什么电动工具如电动牙刷、电动扫地机、甚至电动自行车能够如此便捷地为我们服务？其背后的秘密就是直流电动机的应用。 想象一下，当你早晨使用电动牙刷刷牙时，电动牙刷的电机会以高速旋转刷头，帮助你更有效地清洁牙齿。这其中就用到了直流电动机的技术。而这些电动工具不仅仅局限于家庭使用，工业生产中的机械设备，如生产线上的自动输送带和机械臂，也大量采用直流电动机来驱动。 在今天的课程中，我们将深入探讨直流电动机的工作原理、特性及其在各种应用场景中的作用。通过学习，你将了解到如何调节电动机的速度、如何维护电动机以确保其长期稳定运行，以及在实际应用中如何进行安全保护，防止电机过载或过热损坏。” 新知学习 02 一、直流电动机 直流电动机和交流电动机相比，它的主要特点是调速范围广、平滑性好;其次是它的起动转矩较大。这种特点对有些生产机械的拖动来说是十分重要的，例如大型可逆式轧钢机、电动车、大型车床和大型起重机等生产机械，大都是直流电动机拖动。 直流电动机也有明显的缺点:一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，成本高;二是直流电动机在运行时由于电刷与换向器之间易产生火花，因而运行可靠性差，维护比较困难。因此在一些领域中已被交流调速系统所取代。 新知学习 02 直流电动机主要分为定子和转子两大部分。直流电动机的结构如图2.5.17所示。 (1)定子部分 机座一方面用来固定主磁极、换向磁极、端盖，并起到对整个电动机的支承和固定作用;另一方面也是磁路的一部分，在相邻磁极之间构成磁通的路径。为保证具有足够的机械强度和良好的导磁性能机座一般用铸钢铸成。 主磁极的作用是产生气隙主磁场，主磁极由铁心和励磁绕组组成，固定在机座的内圆周上。 相邻两个主磁极之间的小磁极称为换向磁极。它们的作用是改善换向、减少电刷与换向器之间的火花。换向磁极也由铁心和绕组构成。其励磁绕组的匝数较少，并与电枢绕组串联。 电刷的作用是连接旋转的电枢电路与静止的外电路。电刷装置由电刷、刷握、刷杆等组成。 二、直流电动机的基本结构 新知学习 02 (2)转子(电枢)部分 电枢铁心用来嵌放电枢绕组，它也是磁路的一部分。电枢铁心用0.5 mm厚的硅钢片冲制叠压而成，叠成的铁心固定在转轴上。 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电动机进行机电能量转换的关键部件。它由许多线圈按一定规律连接而成，每个线圈的两头都连到换向器上。 换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。"它的作用是实现交直流的转换。 二、直流电动机的基本结构 新知学习 02 图2.5.18所示是直流电动机的基本工作原理，N和S是一对固定的主磁极，磁极之间的电枢铁心表面固定了电枢线圈abcd，与电枢线圈两端相连的是换向器，电刷A和B通过弹簧压在换向器上，以实现外电路与转子电路的滑动连接。 直流电源加到电刷A和B上之后，电流按abcd方向流过线圈，由左手定则可知，电枢导体将产生一个逆时针方向的电磁转矩，驱动转子按逆时针方向旋转。当电枢转过180°后，导体ab转到S极下，导体cd转到N极下，由于电流仍然从电刷A流进，这时线圈中的电流方向变成dcba，由左手定则判断，电磁转矩的方向还是逆时针方向。由此可见，直流电动机借助电刷和换向器的作用，把电源的直流电转变为电枢绕组中的交流电，保持电磁转矩的方向不变，确保直流电动机朝一定的方向连续旋转。 三、工作过程 新知学习 02 直流电动机一般按励磁方式进行分类，可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机，如图2.5.19所示。直流电动机的励磁方式不同，其性能和应用场合也不同。 四、直流电动机的分类和应用 新知学习 02 并励电动机的转速基本上不随电动机拖动负载的变化而变化，以前较多地使用在需大范围调速的生产机械上，如龙门刨床、大型机床和冶金机械等。但随着交流电动机变频调速技术的发展，已逐步被三相异步电动机取代。 串励电动机由于其转速与电枢电流大致成反比，电动机转速较低时，产生的转矩很大，因此特别适用于起重设备、城市电车及电传动机车。 串励电动机在空载或轻载时转速很高，对电动机本身及操作人员都不安全，因此串励电动机绝不允许空载起动，不允许采用带传动或链传动。 四、直流电动机的分类和应用 新知学习 02 短路保护由熔断器FU、FU,分别实现主电路与控制电路的短路保护。 过载保护由热继电器FR实现电动机的长期过载保护。当电动机长期过载运行时，热继电器动作，串接在控制电路中的动断触点断开，切断KM线圈电路，使电动机脱离电源，实现过载保护。欠电压保护 当电路电压下降到某一数值时，电动机能自动脱离电源而停转，是避免电动机在欠电压下运行的一种保护失电压保护 电动机在正常运行中，由于某种原因引起突然断电时，能自动切断电动机电源;当重新供电时，保证电动机不能自行起动的一种保护。 五、电路的保护设置 新知学习 02 生产实践中，许多生产机械往往要求运动部件能向正反两个方向运动，从而实现可逆运行。如工作台的前进与后退;起重机吊钩的上升和下降;电梯的上行和下行等。在实际应用中，通过两个接触器改变电源相序来实现电动机正反转控制。 接触器联锁正反转控制电路如图2.5.22所示。 该电路的工作过程:先合上电源开关OS. 六、三相异步电动机的正反转控制 新知学习 02 将接触器的一对动断辅助触点串联在另一只接触器线圈电路中，使得两只接触器不能同时通电动作，接触器间这种相互制约的作用称为接触器联锁(或互锁)。实现联锁作用的动断辅助触点称为联锁触点(或互锁触点)。联锁可以避免接触器KM和KM,的主触点同时闭合，以防造成两相电源(和相)短路事故。 接触器联锁正反转控制电路的优点是工作安全可靠，缺点是操作不便。当电动机从正转变为反转时，必须先按下停止按钮，使已动作的接触器释放，其互锁触点复位后，才能按反转起动按钮，否则由于接触器的联锁作用，不能实现反转。 七、戴维宁定理与叠加原理的关系 小试牛刀 题目 1： 直流电动机的制动能耗如何？ A. 高于额定功率 B. 等于额定功率 C. 低于额定功率 D. 取决于负载大小 答案： A. 高于额定功率 解析： 直流电动机的电子制动通常会消耗比额定功率更多的电能，因为它需要产生额外的电流和反向转矩来快速制动电机。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 2： 直流电动机的维护常包括哪些内容？ A. 定期润滑轴承 B. 更换电刷 C. 清洁通风系统 D. 所有以上都是 答案： D. 所有以上都是 解析： 直流电动机的维护包括定期润滑轴承、更换电刷以及清洁冷却和通风系统，以确保其正常运行和寿命。 尝试解答下面习题 单相变压器的基本结构包括以下哪些部分？ A. 铁芯、初级绕组、次级绕组、绝缘材料 B. 铁芯、次级绕组、初级绕组、绝缘材料 C. 铁芯、绝缘材料、初级绕组、次级绕组 D. 初级绕组、次级绕组、铁芯、绝缘材料 解析：正确答案是A。单相变压器的基本结构包括铁芯、初级绕组、次级绕组和绝缘材料等组成部分，它们共同实现电能的变压和传输。 小试牛刀 题目 3： 直流电动机的制动方式中，反向转矩制动的原理是什么？ A. 增加外部负载 B. 通过改变转子电流产生反向磁场 C. 施加反向机械力 D. 改变励磁电流 答案： B. 通过改变转子电流产生反向磁场 解析： 反向转矩制动通过改变电机电流方向，产生与正常转动相反的磁场，从而产生反向转矩制动效果。。 尝试解答下面习题 小试牛刀 题目 4： 直流电动机的速度调节范围受到哪些因素影响？ A. 电源电压和负载惯性 B. 电源频率和电流大小 C. 励磁电流和电阻大小 D. 转子惯性和定子电阻 答案： A. 电源电压和负载惯性 解析： 直流电动机的速度调节范围受电源电压变化和负载惯性大小的影响，电压变化会影响电机的转速响应。 尝试解答下面习题 题目 5： 直流电动机的定子线圈通常由什么类型的材料制成？ A. 铜线 B. 铝线 C. 铁芯 D. 纸浆 答案： A. 铜线 解析： 直流电动机的定子线圈通常由铜线制成，铜具有良好的导电性和机械性能，适合用于电机线圈。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 6： 直流电动机的电刷通常由什么材料制成？ A. 铜 B. 铝 C. 石墨 D. 钢 答案： C. 石墨 解析： 直流电动机的电刷通常由石墨材料制成，因为石墨具有良好的导电性和耐磨性，在电刷与集电环接触时减少摩擦和磨损。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 7： 直流电动机的励磁方式主要分为哪两种类型？ A. 直流励磁和交流励磁 B. 分别励磁和串联励磁 C. 独立励磁和并联励磁 D. 手动励磁和自动励磁 答案： B. 分别励磁和串联励磁 解析： 直流电动机的励磁方式主要有分别励磁（独立励磁）和串联励磁，分别励磁时励磁电流和电机电流分别通过不同的回路，串联励磁时两者在同一回路中。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 8： 直流电动机的调速响应速度与哪些因素相关？ A. 负载惯性和电源电压变化速度 B. 励磁电流和转子电流大小 C. 定子电阻和转子惯性 D. 电源频率和负载变化速度 答案： A. 负载惯性和电源电压变化速度 解析： 直流电动机的调速响应速度与负载惯性大小和电源电压变化速度相关，负载惯性大或电源电压变化快会影响调速的响应速度。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 9： 设计一个接触器联锁正反转控制电路，用于控制一个直流电动机的正反转运行。画出该电路的配电板布线图，并提供详细的答案与解析。 答案与解析：电路设计说明： 功能要求： 设计一个控制线路，可以通过一个开关实现电动机的正转和反转运行，并确保正反转互锁，避免同时进行。元件选择： 使用开关、接触器、保险丝和适当的连接线。 小试牛刀 尝试解答下面习题 题目 10： 设计一个简单的电气控制电路，用于控制一个直流电动机的启停和反转。画出该电路的配电板布线图，并提供详细的答案与解析。 答案与解析： 电路设计说明：功能要求： 设计一个控制线路，可以通过按钮实现电动机的启停和正反转运行。元件选择： 使用按钮开关、接触器、保险丝、断路器和适当的连接线。 小试牛刀 尝试解答下面习题 课堂小结 03 在今天的课堂中，我们深入学习直流电动机是一种常见的电动机类型，具有广泛的应用领域，从工业生产到家用电器都有其身影。理解直流电动机的工作原理、特性及其应用是职高学生必须掌握的基础知识。基本原理与结构：直流电动机由定子和转子组成，定子产生磁场，转子则带有电流产生转矩。转子通常由永磁体或电磁体制成，定子包括电磁绕组。主要特性与优点：优点： 高效率、调速性能好、启动转矩大。特性： 转矩与电流成正比，转速与电压成正比。调速与控制调速可通过调节转子电流实现，常见的方法包括PWM调制。 控制系统中常用的反馈控制是PID控制。励磁系统与反电动势：励磁系统用于产生和维持转子磁场，通常采用永磁体或电磁体。反电动势是电机运行时定子线圈感应出的电动势，影响电机的性能和效率。制动方式与维护：制动方式包括反向转矩制动和电子制动，前者通过改变转子电流产生反向磁场实现。维护包括定期润滑轴承、更换电刷和清洁通风系统等，以确保电机长期稳定运行。 作业布置 04 完成课堂上未完成的练习题目，确保对直流电动机的掌握。 复习直流电动机的相关概念和应用，整理笔记，梳理知识框架。 完成作业本上关于直流电动机的习题，加深对定理的理解。 准备下节课的讨论问题：你认为直流电动机在实际生活中有哪些应用？请结合具体例子进行讨论。 感谢观看 $$