课程单元教学设计（激光设备控制技术1-2）

1、浙江工贸职业技术学院单元教学设计201 201 学年 第 学期课程名称： 激光设备控制技术 授课班级： 任课教师： 所在系部及教研室：电子工程系机电一体化技术教研室 单元序号及单元标题： 直流发电机和直流电动机授课班级上课时间周 月 日 第 节上课地点 周 月 日 第 节教学目的1. 熟练运用基本方程式2. 理解直流发电机运行特性3. 掌握直流电动机工作特性教学目标能力（技能）目标知识目标1. 能用基本方程式进行参数的计算2. 能绘制直流发电机的运行特性3. 能绘制直流电动机的工作特性基本方程式中各参数的含义2.理解直流发电机运行特性3.掌握直流电动机工作特性重点难点及解决方法重点：直流电动机

2、的工作特性。难点：基本方程式的应用。可以通过举例说明计算题的计算过程，进行相关计算题的计算练习，再通过课后习题，进行巩固。参考资料王本轶编激光设备控制技术校本特色教材，2014.12主要参考书：1.郁建平编机电综合实践北京：科学出版社，2.王本轶编.机电设备控制技术.北京：机械工业出版社，2006.4单元教学设计基本框架第一部分：组织教学和复习上次课主要内容 （时间：5分钟） 第二部分：学习新内容1. 直流发电机2. 直流电动机【步骤一】说明主要教学内容、目的 （时间：5 分钟）熟练运用基本方程式理解直流发电机运行特性掌握直流电动机工作特性【步骤二】 新知识的引入 （时间： 40 分钟）一、直

3、流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式是了解和分析直流发电机性能的主要方法和重要手段，直流发电机的基本方程式包括电动势平衡方程式、转矩平衡方程式、功率平衡方程式等。图1-13为并励直流发电机的工作原理图，以它为例分析电动势、转矩和功率基本方程式。 图1-13 并励发电机电枢回路与励磁回路电路 并励直流发电机由于不需要其他电源供电，可利用其本身的剩磁建立稳定的电压，该过程称为自励过程。要形成自励，必须具备三个条件：并励直流发电机的主磁极要有剩磁；励磁电流产生的磁场方向必须与剩磁方向一致；励磁回路的电阻必须小于临界电阻。1 电动势平衡方程式 并励直流发电机中有两个电流回路：励磁回路和电枢回路。

4、下面主要分析电枢回路的电压、电流以及电动势之间的关系。 直流并励发电机通过原动机转起来后，电枢导体切割主磁场，产生电枢电动势Ea，在发电机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相同。电枢电动势Ea除了提供电枢内阻压降IaRa外，主要给负载RX提供端电压U。列出电动势平衡方程式如下： （1-8）2 转矩平衡方程式 直流发电机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：一个是原动机输入给发电机的驱动转矩T1；一个是电磁转矩T，方向与转速n方向相反，为制动性质转矩；还有一个是发电机空载损耗形成的转矩T0，也是发电机空载运行时的制动转矩。稳态运行时，直流发电机中驱动性质的转矩总是等于制动性质的转矩，据此可得转

5、矩平衡方程式： （1-9）3 功率平衡方程式直流发电机要满足能量守恒原则，输入功率P1、输出功率P2和损耗功率的关系应有功率平衡方程式：（1-10）另外，电磁功率与电磁转矩的计算公式有： （1-11） （1-12）二、直流发电机的运行特性直流发电机运行时转速一般保持为额定值，这时端电压U、负载电流I、励磁电流If三个物理量中一个保持不变，另外两个量之间的关系就构成发电机的一种运行特性，包括空载特性、外特性和调节特性。下面以他励直流发电机为例进行分析。1 空载特性当n=常数且I=0时，U=f(If)即是空载特性，如图1-14所示。空载特性可通过空载实验或磁路计算求得，其曲线的形状与空载磁化特性曲

6、线相同。图1-14他励发电机的空载特性 2外特性外特性指当n=常数且If=常数（或励磁回路总电阻Rf=常数）时，U=f(I)，如图1-15所示。由于，而会随着Ia的变化而变化，他励直流发电机的外特性曲线略微下垂。图1-15他励发电机的外特性 3调节特性当n=常数且U=常数时，If=f(I)是调节特性，如图1-16所示。图1-16 他励发电机的调节特性 第四节 直流电动机本节重点分析并励直流电动机的基本方程式，并简要介绍可逆原理和他励直流发电机的工作特性。一、直流电机的可逆原理比较直流电动机与直流发电机的结构和工作原理，可以发现：一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入

7、输出的条件不同而已。如果在电刷两端加上直流电源，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，驱动生产机械工作，这时直流电机将电能转换为机械能，工作在电动机状态。如果用原动机驱动直流电机的电枢旋转，从电机轴上输入机械能，则从电刷两端可以引出直流电动势，输出直流电能，这时直流电机将机械能转换为直流电能，工作在发电机状态。同一台电机，既能作发电机运行，又能作电动机运行的原理，称为电机的可逆原理。任何直流电机都是可逆的，但这并不是说是厂商提供的直流机可以不分发电机和电动机了。因为电机是有额定工作状态的，这也是制造厂家为该电机设计的最佳工作状态，若混用，会不同程度的偏离最佳工作状态，使电机的性能变坏。实际的

8、直流电动机和直流发电机在设计时考虑了工作特点的一些差别，因此有所不同。例如直流发电机的额定电压略高于直流电动机，以补偿线路的电压降，便于两者配合使用。直流发电机的额定转速略低于直流电动机，便于选配原动机。 二、直流电动机的基本方程式图1-17为并励直流电动机的工作原理图。以它为例分析电动势、转矩和功率之间的关系。直流并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。接通直流电源后，励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场；电枢绕组中流过电枢电流Ia，电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩T，使电枢朝转矩T的方向以转速n旋转，将电能转换为机械能，带动生产机械工作。 1 电动势平衡方程式直流并励电动

9、机通电旋转后，电枢导体切割主磁场，产生电枢电动势Ea，在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。电源电压U除了提供电枢内阻压降IaRa外，主要用来与电枢电动势Ea相平衡。列出电动势平衡方程式： （1-13）图1-17 并励电动机电枢回路与励磁回路电路 2转矩平衡方程式 直流电动机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩T，方向与转速n方向相同，为驱动性质转矩；一个是电动机空载损耗形成的转矩T0，是电动机空载运行时的制动转矩，方向总与转速n方向相反；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩TL，一般为制动性质转矩。TL在大小上也等于电动机的输出转矩T2。可得直流电动

10、机的转矩平衡方程式： （1-14）3功率平衡方程式直流电动机也要满足能量守恒原则，输入功率P1、输出功率P2和损耗功率的关系应有功率平衡方程式：（1-15）三、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指U=UN、If=IfN时，电动机转速n、电磁转矩T和效率三者与输出功率P2之间的关系，下面以他励直流电动机为例进行分析。1 转速特性当U=UN、If=IfN时，n=f(Ia)即是转速特性，如图1-18所示。图1-18 他励电动机的转速特性 图中，若忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化（图中下方直线）；若考虑电枢反应的电磁作用时，转速的下降会减少，他励电动机的转速特性将是一条略微

11、下倾的曲线（图中上方曲线）。2 转矩特性转矩特性是指当U=UN、If=IfN时，T=f(Ia)，如图1-19所示。由于，当Ia很小时，电枢反应的去磁作用很小，有，当Ia较大时，电枢反应的去磁作用使主磁通有所减小，曲线向下弯曲。图1-19 他励电动机的转矩特性 3 效率特性当U=UN、If=IfN时，=f(Ia)是效率特性，如图1-20所示。其中当他励电动机的功率损耗中，可变损耗（即铜耗）等于不变损耗（其他损耗）时，效率最高。图1-20 他励电动机的效率特性 【步骤三】操练1（通过任务训练或案例分析，懂得新知识的初步运用） （时间：20分钟） 例1.4 一台并励直流电动机，PN=96kW，UN=

12、440V，IN=255A，IL=5A，nN=500r/min，电枢回路总电阻Ra。试求：额定输出转矩；在额定电流时的电磁转矩。解： 例1.5 一台并励直流发电机，铭牌数据如下：PN=23kW，UN=230V，nN=1500r/min，励磁回路Rf，电枢电阻Ra，不计电枢反应和磁路饱和。现将这台电机改为并励直流电动机运行，把电枢两端和励磁绕组两端都接到220V的直流电源上，运行时维持电枢电流为原额定值，试求电动机的下列数据：转速n；电磁功率P；电磁转矩T。解： 【步骤四】知识和能力的归纳 （时间：10分钟）若忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化（图中下方直线）；若考虑电枢反应的电

13、磁作用时，转速的下降会减少，他励电动机的转速特性将是一条略微下倾的曲线。【步骤十】 总结 （时间： 5 分钟）直流发电机的基本方程式：直流电动机的基本方程式：第三部分：布置作业、说清楚作业的要求 （时间：5 分钟）1-5什么叫直流电机的可逆原理?1-6用哪些方法可以改变直流电动机的转向?同时调换电枢绕组的两端和励磁绕组的两端接线，直流电动机的转向是否改变?1-7直流电动机停机时，应该先切断电枢电源，还是先断开励磁电源?1-8直流发电机中电枢绕组元件内的电动势和电流是交流的还是直流的？若是交流的，为什么计算稳态电动势Ea=U+IaRa时不考虑元件的电感？1-9已知某直流电动机铭牌数据如下，额定功率PN=30kW，额定电压UN=220V，额定转速nN=1500r/min，额定效率N=87%，试求该电机的额定电流和额定输出转矩。1-10已知一台并励直流发电机，额定功率PN=10kW，额定电压UN=230V，额定转速nN=1450r/min，电枢回路总电阻Ra，励磁绕组电阻Rf=215。求：额定负载时的电磁功率和电磁转矩.1-11一台并励直流发电机，PN=26kW，UN=230V，nN=960