| 授課題目 | 項目一 直流電機 | ||||||
| 授課方式 | 多媒體教學 | 課型 | 新授 | 課時 | 8 | ||
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教 學 目 標 |
知識目標 |
1．熟悉直流電機的基本結構，掌握直流電機的工作原理和銘牌數的含義 2．了解電樞繞組的幾個基本概念 3．了解電樞反應的概念，掌握直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩的基本公式 4．掌握直流電機的換向過程和改善換向的主要方法 5．掌握直流電動機的基本方程式和工作特性 6．了解直流發電機的分類和運行特性 |
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| 技能目標 |
1．能夠畫出繞組展開圖 2．能夠分析和計算直流電機的主要參數 3．能夠分析直流電機的運行問題 |
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| 教學重點 | 實槽和虛槽、單疊繞組的展開圖、功率、轉矩、電動勢平衡方程式 | ||||||
| 教學難點 | 他勵直流電動機的基本方程式、直流弧焊發電機的工作原理 | ||||||
| 教學方法 | 行動導向教學法 | ||||||
| 教學內容 |
1．認識直流電機的結構，了解其工作原理 2．了解直流電機的電樞繞組 3．了解直流電機的電樞反應、電樞電動勢與電磁轉矩 4．掌握直流電機的換向過程及改善方法S 5．了解直流電動機的種類、基本方程式和工作特性 6．認識常見直流發電機 |
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| 教學過程 | 任務一 | ||||||
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1．相關知識 1）直流電機的特點和用途 （1）直流電機的特點 （2）直流電機的用途 2）直流電機的基本結構 （1）定子 （2）轉子 3）直流電機的工作原理 （1）直流發電機的工作原理 （2）直流電動機的工作原理 4）直流電機的銘牌數據 （1）銘牌 （2）型號 （3）額定值 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 老師提供可打開的直流電動機實物，并組織學生共同完成以下任務。 1）將全班學生進行分組，并選出小組長。 2）每組分別對照實物指出直流電機的各個部件，并做簡要描述（如各部件的功能或作用原理）。 3）每組分別對照實物分析直流電動機和直流發電機的工作原理。 4）分組討論實際見過（或聽過）的電動機型號及應用場合，并做簡要總結。 5）討論結束后，小組長整理討論結果，并交給老師，老師做點評。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，可獨立完成以下任務。 1）快速指出直流發電機的主要部件。 2）描述各部件的作用。 3）知曉直流發電機是如何機械能轉化為動能的以及直流電動機如何將電能轉化為機械能的。 4）描述直流電機具體包括哪些額定數據。 |
進一步 鞏固所學知識 |
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| 任務二 | |||||||
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1．相關知識 1）繞組的概述 （1）繞組元件 （2）繞組的有效邊與端線 （3）實槽和虛槽 實槽是指電樞鐵芯上實際存在的槽。在實際的電機結構中，電樞繞組元件數往往多于實槽數，常常在一個鐵芯槽內放置幾組繞組元件，通常把一個元件的上層邊與另一個元件的下層邊之間構成的一個虛擬凹槽稱為一個虛槽，如圖1-17所示。如果一個實槽內有u個虛槽，那么，電樞鐵芯的總的虛槽數Z0和實槽數Z的關系為： Z0 = uZ  （a）u = 1 （b）u = 2 （c）u = 3 圖1-17 實槽中的虛槽 （4）元件數與虛槽數、換向片數的關系 （5）極距 （6）繞組的節距 （7）繞組的形式 2）單疊繞組 （1）單疊繞組的展開圖 以虛槽數Z0、換向片數K、元件數S都為16，磁極對數p2，組成右行單疊繞組的某直流電機為例，說明單疊繞組展開圖的作圖方法和步驟。 ① 計算繞組極距。 ② 計算繞組節距。 采用整距繞組，因為是單疊右行，故： ③ 列繞組元件連接順序表。 單疊繞組在接線時，先將繞組元件、槽及換向片按順序編號，見表1-1。 表1-1 單疊繞組元件串順序表
④ 畫繞組展開圖。 ⑤ 畫磁極和電刷。 ⑥ 確定元件感應電動勢方向、電刷的極性、電樞旋轉方向。 （2）并聯支路 （3）均壓線 3）單波繞組 （1）單波繞組的特點 （2）并聯支路 4）其他繞組及其應用 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 請同學們自行繪制某直流電動機的單波左行繞組，已知該直流電動機的磁極對數，。 思路：首先計算各節距，然后參照單疊繞組的展開圖畫法進行繪制。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，完成以下任務。 1）描述繞組元件及節距的概念。 2）實槽數和虛槽數相等嗎？給出理由。 3）簡述繪制繞組展開圖的步驟。 |
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| 任務三 | |||||||
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1．相關知識 1）直流電機的電樞反應 （1）直流電機的空載磁場 （2）直流電機的電樞磁場 （3）直流電機的電樞反應 2）直流電機的電樞電動勢和電磁轉矩 （1）直流電機的電樞電動勢 （2）直流電機的電磁轉矩 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 利用儀態直流發電機已有的參數及條件計算出其電樞電動勢和電磁轉矩。 思路：通過已知條件可以求出電動勢常數和轉矩常數，將它們代入相應的公式求解即可，結果參考如下。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）什么是電樞反應？ 2）直流電機的電樞電動勢的大小跟什么有關？ |
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| 任務四 | |||||||
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1．相關知識 1）換向過程 2）換向器的打火 （1）打火現象 （2）打火原因 3）改善換向的方法 （1）正確安裝換向極 （2）合理選擇電刷 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 學生分組，幫助小明解決“將某小容量無換向極的電機換向”這一問題。 思路：先考慮本任務給出的換向方法能否實現，若無法解決，嘗試移動電刷位置，并分析結果。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）直流電機產生換向火花的原因有哪些？ 2）直流電機安裝換向極的作用是什么？ |
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| 任務五 | |||||||
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1．相關知識 1）直流電動機的種類 （1）他勵電動機 （2）并勵電動機 （3）串勵電動機 （4）復勵電動機 2）他勵直流電動機的基本方程式 （1）電動勢平衡方程式 他勵直流電動機在穩定運行時，加在電樞兩端電壓為U，電樞電流為Ia，電樞電動勢為Ea，由電動機的工作原理可知，此時Ea與Ia是反向的，即Ea是反電動勢，若以U，Ea，Ia的實際方向為正方向，則可列出直流電動機的電動勢平衡方程式為： （1-17） 式中：Ra——電樞電阻。 該平衡方程式表示了電源電壓除一小部分被電樞電阻消耗外，其余被電動機吸收轉換為反電動勢去帶動電動機轉動。 （2）轉矩平衡方程式 他勵電動機的電磁轉矩Tem為拖動性轉矩。當電動機以恒定的轉速穩定運行時，電磁轉矩Tem與負載轉矩TL及空載轉矩T0相平衡，即： （1-18） 由此可見，電動機軸上的電磁轉矩一部分與負載轉矩相平衡，另一部分是空載損耗。 （3）功率平衡方程式 直流電動機工作時，從電網吸收電功率P1，除去電樞回路的銅損耗pCua、電刷接觸損耗pCub及勵磁回路銅耗pCuf后，其余部分功率轉變為電樞上的電磁功率Pem。 電磁功率并不能全部用來輸出，它的一部分是運行時的機械損耗、鐵損耗pFe和附加損耗pad，剩下的部分才是軸上對外輸出的機械功率P2： （1-19） 直流電動機的功率流程如圖1-27所示。  圖1-27 直流電動機的功率流程 3）他勵直流電動機的工作特性 （1）轉速特性 （2）轉矩特性 （3）效率特性 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 組織學生利用所學知識幫助小明分析、討論并判斷他進行測試得到的曲線（見圖1-29）的正確性。  圖1-29 測試曲線 思路：轉速特性、轉矩特性、效率特性的理論知識分析該曲線的正確性。 提示：該轉速特性曲線錯誤。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）直流電機產生換向火花的原因有哪些？ 2）直流電機安裝換向極的作用是什么？ |
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| 任務六 | |||||||
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1．相關知識 1）并勵發電機 （1）并勵發電機電動勢的建立 （2）功率、轉矩、電動勢平衡方程式 ① 功率平衡方程式 直流發電機輸入的是機械功率P1，除去機械損耗和鐵損耗pFe以后，剩下的是電磁功率Pem，電磁功率Pem即是機械能轉換成為電能的這部分功率，功率平衡方程式為： （1-23） 式中：，p0為空載損耗，它們的單位均為kW。 發電機向負載供電時，電樞繞組中的電流將產生銅損耗，在電磁功率中除去電流在繞組中產生的銅損耗pCu，余下的則是輸出的電功率P2。則有： （1-24） 綜合上述兩式，可得直流發電機的功率平衡方程式為： （1-25） 而直流發電機的效率為： （1-26） ②轉矩平衡方程式 由于，將式（1-23）兩邊同除以可得發電機的轉矩平衡方程式： （1-27） 式中：T1——原動機拖動發電機的轉矩，即輸入驅動轉矩，單位為N·m； Tem——發電機的電磁轉矩，單位為N·m； T0——發電機的空載轉矩，單位為N·m。 ③電動勢平衡方程式 在他勵發電機中輸出功率P2 = UIa，電磁功率，銅耗為，代入式（1-24）可得： 將上式兩邊都除以Ia，可得發電機的電動勢平衡方程式為： （1-28） （3）并勵發電機的外特性 2）直流弧焊機 （1）直流弧焊發電機的工作原理 （2）弧焊整流器 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 1）任務描述 小明去參觀某工廠，看到一臺銘牌和數據缺失的他勵直流電機，已知，，，，，，，忽略附加損耗。小明想判斷這臺電機是發電機運行還是電動機運行，并想知道它的電磁轉矩、輸入功率和效率。 2）任務執行 組織學生利用所學知識幫助小明解決上述問題。 思路：通過比較電機的電樞電動勢與端電壓U，可以判斷電機的運行方式，然后根據已知條件，計算要求參數即可。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，完成以下任務。 1）寫出并勵發電機功率、轉矩、電動勢平衡方程式。 2）簡述直流弧焊發電機的工作原理。 |
進一步 鞏固所學知識 |
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| 課堂總結 | |||||||
1、綜合性強: 電機及拖動技術實訓裝置掛件配齊時可完成目前國內各類院校電機及電氣控制學科課程的全部實驗項目。
2、適應性強: 電機及拖動技術實訓裝置能滿足各類學校相應課程的實驗教學，實驗的深度與廣度可根據需要作靈活調整，普及與提高可根據教學的進程作有機地結合。裝置采用組件式結構，更換便捷，如需要擴展功能或開發新實驗，只需添加部件即可，永不淘汰。
3、整套性強:從儀器儀表、專用電源、電機及其它實驗部件到實驗連接專用導線等均配套齊全，配套部件的性能、規格等均密切結合實驗的需要進行配置。
4、直觀性強：各實驗掛件采用分隔結構形式，組件面板示意、圖線分明，各掛件任務明確，操作、維護方便。
5、科學性強：電機及拖動技術實訓裝置占地面積少，節約實驗用房，減少基建投資；配套的小電機均經特殊設計，可模擬中小型電機的特性和參數；小電機耗電省，節約能源；實驗噪聲小，整齊美觀，改善實驗環境；電氣控制實驗，內容豐富，設計合理，除了加深理論知識外，還為學生走向社會打下良好的基礎；
6、開放性強： 控制屏供電隔離（浮地設計），并設有電壓型漏電保護裝置和電流型漏電保護裝置，確保操作者的安全；各電源輸出均有監示及短路保護等功能，使用方便。整套裝置經過精心設計，加上可靠的元器件質量及可靠工藝作為保障，產品性能優良，所有這些均為開放性實驗創造了條件，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力。
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| 電機類實驗室實訓設備 |
