《直流电动机》 导学案

《直流电动机》导学案
一、学习目标
1、了解直流电动机的结构和工作原理。

2、掌握直流电动机的电磁转矩和电枢电动势的计算。

3、理解直流电动机的机械特性和调速方法。

4、学会分析直流电动机在不同工作状态下的运行情况。

二、学习重点
1、直流电动机的工作原理和结构组成。

2、电磁转矩和电枢电动势的计算公式及推导。

3、机械特性曲线的特点和调速方法。

三、学习难点
1、直流电动机的换向过程和火花产生的原因。

2、机械特性曲线的绘制和分析。

四、知识回顾
1、电磁学基础知识：包括安培定律、法拉第电磁感应定律等。

2、电路的基本概念：电阻、电感、电容等元件的特性，欧姆定律等。

五、新课导入
在我们的日常生活和工业生产中，电动机是一种非常重要的动力设备。

直流电动机具有调速性能好、启动转矩大等优点，被广泛应用于各种领域。

那么，直流电动机是如何工作的呢？它的结构又是怎样的呢？让我们一起来学习吧！
六、直流电动机的结构
直流电动机主要由定子和电枢（转子）两大部分组成。

1、定子
定子包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。

主磁极：由铁芯和励磁绕组组成，产生主磁场。

换向极：改善换向，减小电刷与换向器之间的火花。

机座：起支撑和固定作用，同时也是磁路的一部分。

电刷装置：将直流电源引入电枢绕组。

2、电枢
电枢包括电枢铁芯、电枢绕组和换向器等。

电枢铁芯：由硅钢片叠压而成，减小涡流损耗。

电枢绕组：是产生感应电动势和电磁转矩的关键部分。

换向器：将电枢绕组中的交流电动势和电流转换为电刷间的直流电动势和电流。

七、直流电动机的工作原理
1、电磁感应定律
当导体在磁场中运动时，会产生感应电动势。

其大小与导体的运动
速度、磁场强度和导体长度有关。

2、通电导体在磁场中的受力
当电流通过导体且导体处于磁场中时，导体将受到电磁力的作用。

电磁力的方向可以用左手定则来判断。

3、直流电动机的工作过程
直流电源通过电刷和换向器向电枢绕组供电，电枢绕组中的电流在
磁场中受到电磁力的作用，从而产生电磁转矩，使电枢转动。

当电枢
转动时，电枢绕组中的导体切割磁力线，产生感应电动势。

感应电动
势的方向与电枢电流的方向相反，称为反电动势。

当电磁转矩与负载
转矩平衡时，电动机稳定运行。

八、电磁转矩和电枢电动势
1、电磁转矩
电磁转矩是直流电动机产生转动的动力，其大小与电枢电流和磁通
成正比。

计算公式为：＄T ＝C_T ＼Phi I_a$，其中$C_T$为转矩常数，＄＼Phi$为磁通，＄I_a$为电枢电流。

2、电枢电动势
电枢电动势是电枢绕组在旋转过程中切割磁力线产生的，其方向与电枢电流相反。

计算公式为：＄E_a ＝ C_E ＼Phi n$，其中$C_E$为电动势常数，＄n$为电枢转速。

九、直流电动机的机械特性
1、机械特性的定义
机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系。

2、固有机械特性
在电枢电压、励磁电流为额定值，电枢回路不串电阻时的机械特性称为固有机械特性。

其特点是斜率较小，转速随转矩的增大而缓慢下降。

3、人为机械特性
通过改变电枢电压、励磁电流或电枢回路电阻等参数得到的机械特性称为人为机械特性。

十、直流电动机的调速方法
1、电枢回路串电阻调速
在电枢回路中串入电阻，增大电枢回路电阻，从而减小电枢电流，降低转速。

这种调速方法的优点是设备简单，缺点是调速范围小，电阻上消耗电能多，效率低。

2、降低电枢电压调速
通过降低电枢电压来减小电枢电流，从而降低转速。

这种调速方法的优点是调速范围宽，机械特性硬度不变，效率高，缺点是需要专用的可调电源。

3、减弱励磁磁通调速
通过减小励磁电流来减弱励磁磁通，从而增大转速。

这种调速方法的优点是调速平滑，能量损耗小，缺点是调速范围较小，励磁过弱时会引起电枢电流过大。

十一、直流电动机的启动
1、直接启动
直接将额定电压加在电枢两端启动，这种方法启动电流很大，会对电机和电源造成较大冲击，一般不采用。

2、降压启动
在启动时降低电枢电压，随着转速的升高逐渐升高电压，直到达到额定电压。

这种方法启动电流较小，但需要专用的可调电源。

3、电枢回路串电阻启动
在电枢回路中串入电阻启动，随着转速的升高逐渐切除电阻，直到电阻全部切除。

这种方法设备简单，但电阻上消耗电能较多。

十二、直流电动机的制动
1、能耗制动
将电枢从电源断开，接入电阻，使电机在惯性作用下继续旋转，电
枢绕组中的感应电动势产生的电流在电阻上消耗能量，从而实现制动。

2、反接制动
改变电枢电压或励磁电流的方向，使电磁转矩的方向与转速方向相反，从而实现制动。

这种方法制动效果强烈，但能量损耗较大。

3、回馈制动
当电动机的转速高于理想空载转速时，电枢电动势大于电枢电压，
电枢电流反向，电磁转矩也反向，此时电动机将机械能转化为电能回
馈给电源，实现制动。

十三、直流电动机的应用
直流电动机广泛应用于各种需要精确调速和控制的场合，如数控机床、印刷机械、纺织机械、造纸机械等。

同时，在一些对启动转矩要
求较大的设备，如起重机、卷扬机等中也得到了应用。

十四、课堂练习
1、一台直流电动机，其额定功率为 10kW，额定电压为 220V，额
定电流为 50A，额定转速为 1500r/min，电枢电阻为05Ω，计算其电磁
转矩和电枢电动势。

2、一台直流电动机，其固有机械特性方程为$n ＝ 1800 01T$，求
当电磁转矩$T ＝ 100N·m$时的转速。

3、一台直流电动机，采用电枢回路串电阻调速，电枢回路串入电阻$R ＝2Ω$，原来的电枢电流为$I_a ＝ 50A$，转速为$n ＝
1000r/min$，求串电阻后的转速。

十五、课后作业
1、总结直流电动机的工作原理、结构组成和调速方法。

2、完成课本上的相关习题。

3、查阅资料，了解直流电动机在实际生产中的应用案例，并写一篇简短的报告。

通过本次学习，希望同学们能够对直流电动机有更深入的理解和掌握，为今后的学习和工作打下坚实的基础。