直流电机教案

直流电机教案一、教学目标1.知识与技能目标学生能够理解直流电机的基本结构和工作原理。掌握直流电机的电磁转矩、感应电动势等基本物理量的计算方法。学会运用所学知识分析直流电机的运行特性，如转速特性、转矩特性等。了解直流电机的调速方法和启动方式。2.过程与方法目标通过对直流电机结构的观察和分析，培养学生的观察能力和逻辑思维能力。在学习直流电机工作原理的过程中，引导学生运用类比、归纳等方法，提高学生的自主学习能力和知识迁移能力。通过实验教学，让学生亲身体验直流电机的运行过程，培养学生的实践操作能力和数据处理能力。3.情感态度与价值观目标激发学生对电机学课程的学习兴趣，培养学生的探索精神和创新意识。培养学生严谨的科学态度和团队合作精神，让学生在学习过程中体会到成功的喜悦。二、教学重难点1.教学重点直流电机的基本结构和工作原理。直流电机电磁转矩和感应电动势的计算公式及应用。直流电机的转速特性和转矩特性。2.教学难点直流电机电枢反应的概念及对电机性能的影响。直流电机调速方法的原理和应用。三、教学方法1.讲授法：讲解直流电机的基本概念、结构、工作原理等基础知识，使学生对直流电机有初步的认识。2.演示法：通过实物演示和动画演示，直观地展示直流电机的结构和工作过程，帮助学生理解抽象的概念和原理。3.讨论法：组织学生讨论直流电机的运行特性、调速方法等问题，激发学生的思维，培养学生的团队合作能力和表达能力。4.实验法：安排学生进行直流电机实验，让学生亲自动手操作，观察实验现象，分析实验数据，加深对直流电机知识的理解和掌握。四、教学过程（一）课程导入（5分钟）通过播放一段电动汽车行驶的视频，引出直流电机在电动汽车中的应用，提问学生直流电机为什么能够驱动汽车运行，从而激发学生的学习兴趣，导入新课。（二）直流电机的基本结构（15分钟）1.展示直流电机实物向学生展示一台直流电机实物，让学生观察电机的外形结构，包括机座、端盖、定子、转子等部分，引导学生对直流电机有一个直观的认识。2.讲解直流电机的结构组成定子：介绍定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等部分。详细讲解主磁极的结构和作用，它由铁心和励磁绕组组成，通过通入励磁电流产生主磁场。换向极的作用是改善换向，减少电机运行时的火花。机座用于固定定子各部件，并作为磁路的一部分。电刷装置则用于与转子上的换向器接触，引出或引入电流。转子：讲解转子主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等部分组成。电枢铁心作为电机磁路的一部分，同时也是电枢绕组的支撑部件。电枢绕组是直流电机的核心部分，它通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。换向器的作用是将电枢绕组中的交流电转换为直流电，保证电机能够正常运行。转轴用于支撑转子，并传递转矩。3.利用动画演示通过动画演示，动态展示直流电机定子和转子的结构组成以及各部分之间的连接关系，使学生更清晰地理解直流电机的结构特点。（三）直流电机的工作原理（25分钟）1.讲解直流电机的磁场回顾磁场的基本概念，如磁感应强度、磁通等。分析直流电机定子绕组通入励磁电流后产生的磁场分布情况，利用图形和公式讲解主磁场的特点。2.电枢绕组中的感应电动势假设电枢绕组中的导体在磁场中做切割磁力线运动，根据电磁感应定律，讲解感应电动势的产生原理。推导感应电动势的计算公式\(E=C_{e}n\Phi\)，其中\(E\)为感应电动势，\(C_{e}\)为电动势常数，\(n\)为电机转速，\(\Phi\)为主磁通。详细解释公式中各参数的含义和单位，并通过实例计算让学生熟悉公式的应用。3.电磁转矩的产生讲解当电枢绕组中有电流通过时，载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，这些电磁力对转轴产生电磁转矩。推导电磁转矩的计算公式\(T=C_{T}I_{a}\Phi\)，其中\(T\)为电磁转矩，\(C_{T}\)为转矩常数，\(I_{a}\)为电枢电流。同样详细解释公式中各参数的含义和单位，并进行实例计算。4.直流电机的能量转换结合感应电动势和电磁转矩的产生原理，讲解直流电机如何实现电能与机械能的相互转换。当电机作为发电机运行时，原动机拖动电枢旋转，电枢绕组中产生感应电动势，将机械能转换为电能输出；当电机作为电动机运行时，电枢绕组通入电流，产生电磁转矩，拖动负载旋转，将电能转换为机械能。5.换向器的作用详细讲解换向器在直流电机工作过程中的作用，即通过换向作用，使电枢绕组中的电流方向在每个磁极下保持不变，从而保证电磁转矩的方向始终不变，使电机能够持续稳定地运行。利用动画演示换向过程，帮助学生理解换向器的工作原理。（四）直流电机的运行特性（25分钟）1.转速特性讲解转速特性是指在直流电机的电枢电压\(U\)、励磁电流\(I_{f}\)和负载转矩\(T_{L}\)不变的情况下，电机转速\(n\)与电枢电流\(I_{a}\)之间的关系。分析转速特性曲线的特点，当电枢电流增加时，由于电枢电阻上的电压降增大，导致感应电动势减小，根据\(E=C_{e}n\Phi\)，电机转速会下降。通过公式推导和实例计算，让学生掌握转速特性的具体表达式，并能够根据给定条件分析电机转速的变化情况。2.转矩特性讲解转矩特性是指在直流电机的电枢电压\(U\)、励磁电流\(I_{f}\)不变的情况下，电机电磁转矩\(T\)与电枢电流\(I_{a}\)之间的关系。分析转矩特性曲线的特点，电磁转矩与电枢电流成正比关系。通过公式推导和实例计算，让学生掌握转矩特性的具体表达式，并能够根据电枢电流的变化分析电磁转矩的变化情况。3.效率特性讲解效率特性是指在直流电机的电枢电压\(U\)、励磁电流\(I_{f}\)和负载转矩\(T_{L}\)变化时，电机效率\(\eta\)与输出功率\(P_{2}\)之间的关系。介绍电机效率的计算公式\(\eta=\frac{P_{2}}{P_{1}}\times100\%=\frac{P_{2}}{P_{2}+P_{Cu}+P_{Fe}+P_{mec}}\times100\%\)，其中\(P_{1}\)为输入功率，\(P_{2}\)为输出功率，\(P_{Cu}\)为电枢绕组铜损耗，\(P_{Fe}\)为铁损耗，\(P_{mec}\)为机械损耗。分析效率特性曲线的特点，一般情况下，电机在额定负载附近效率最高。通过实例计算，让学生了解如何计算电机的效率，并分析影响电机效率的因素。（五）直流电机的电枢反应（15分钟）1.电枢反应的概念讲解电枢反应是指当直流电机负载运行时，电枢绕组中的电流产生的磁场对主磁场的影响。电枢反应会使主磁场发生畸变，并导致气隙磁场的大小和分布发生变化。2.电枢反应的影响对主磁场的畸变：通过图形分析，讲解电枢反应如何使主磁场在空间分布上发生畸变，导致气隙磁场的不均匀性增加。对电机性能的影响：分析电枢反应对电机的电磁转矩、感应电动势、转速等性能的影响。例如，电枢反应会使气隙磁场减弱，导致感应电动势减小，转速下降；同时，电枢反应还会使电磁转矩的大小和方向发生变化，影响电机的稳定运行。3.削弱电枢反应的方法介绍削弱电枢反应的方法，如采用补偿绕组、移动电刷位置等。详细讲解补偿绕组的工作原理和作用，它能够产生一个与电枢磁场方向相反的磁场，从而抵消电枢反应的影响。通过实例说明如何根据电机的具体情况选择合适的削弱电枢反应的方法。（六）直流电机的调速方法（20分钟）1.电枢回路串电阻调速讲解电枢回路串电阻调速的原理，即在电枢回路中串入电阻，通过改变电阻的大小来改变电枢回路的总电阻，从而改变电枢电流和电磁转矩，实现电机调速。分析这种调速方法的特点，调速范围较窄，只能在额定转速以下调速，且调速电阻上会消耗大量电能，效率较低。通过公式推导和实例计算，让学生掌握电枢回路串电阻调速时电机转速的计算方法，并了解这种调速方法的优缺点。2.降低电枢电压调速讲解降低电枢电压调速的原理，即通过改变电枢电压的大小来改变电机的转速。当电枢电压降低时，感应电动势减小，电机转速下降。分析这种调速方法的特点，调速范围较宽，可实现无级调速，且调速过程中能量损耗较小，效率较高。通过公式推导和实例计算，让学生掌握降低电枢电压调速时电机转速的计算方法，并了解这种调速方法的应用场合。3.弱磁调速讲解弱磁调速的原理，即通过减弱励磁磁通来提高电机转速。根据\(E=C_{e}n\Phi\)，当励磁磁通\(\Phi\)减小时，电机转速会升高。分析这种调速方法的特点，调速范围较窄，一般只能在额定转速以上调速，且电机的过载能力会随着转速的升高而降低。通过公式推导和实例计算，让学生掌握弱磁调速时电机转速的计算方法，并了解这种调速方法的应用场合。4.调速方法的比较对三种调速方法进行比较，从调速范围、调速平滑性、调速效率、设备成本等方面分析它们的优缺点，让学生能够根据实际需求选择合适的调速方法。（七）直流电机的启动（15分钟）1.直流电机启动的要求讲解直流电机启动时需要满足的要求，如启动电流不能过大、启动转矩要足够大等。过大的启动电流会对电机和电源造成损害，因此需要采取措施限制启动电流。2.直接启动介绍直流电机直接启动的方法，即将电枢直接接入电源。分析直接启动的优缺点，直接启动方法简单，但启动电流很大，可达额定电流的1020倍，因此一般只适用于小型直流电机。通过公式计算让学生了解直接启动时启动电流的大小。3.电枢回路串电阻启动讲解电枢回路串电阻启动的原理和方法，即在电枢回路中串入电阻，限制启动电流。随着电机转速的升高，逐渐切除电阻，使电机达到额定转速运行。分析这种启动方法的优缺点，它能够有效地限制启动电流，但启动过程中电阻上会消耗大量电能，效率较低。通过实例计算让学生掌握电枢回路串电阻启动时电阻的计算方法。4.降压启动讲解降压启动的原理和方法，即通过降低电枢电压来限制启动电流。随着电机转速的升高，逐渐升高电枢电压，使电机达到额定转速运行。分析这种启动方法的优缺点，降压启动具有启动平稳、能耗低等优点，但需要专门的调压设备，成本较高。通过实例计算让学生掌握降压启动时电枢电压的计算方法。（八）课堂小结（5分钟）1.回顾直流电机的基本结构，包括定子和转子的组成部分及其作用。2.总结直流电机的工作原理，重点强调感应电动势和电磁转矩的产生过程以及能量转换关系。3.梳理直流电机的运行特性，如转速特性、转矩特性和效率特性。4.回顾电枢反应的概念、影响及削弱方法。5.总结直流电机的调速方法和启动方式，包括各种方法的原理、特点及应用场合。（九）课后作业（5分钟）1.简述直流电机的基本结构和工作原理。2.推导直流电机电磁转矩和感应电动势的计算公式，并说明公式中各参数的含义。3.分析直流电机电枢反应对电机性能的影响。4.比较直流电机三种调速方法的优缺点，并说明在什么情况下应选择哪种调速方法。5.查阅资料，了解直流电机在实际工程中的应用，并举例说明。五、教学资源1.教材：选用相关的电机学教材，作为学生学习的主要参考资料。2.教具：准备直流电机实物模型、演示实验装置、多媒体教学设备等，用于课堂教学演示和学生实验操作。3.网络资源：推荐相关的电机学学习网站、在线课程、学术论文等，供学生课后拓展学习。六、教学反思通过本次课程的教学，学生对直流电机的基本结构、工作原理、运行特性、电枢反应、调速方法和启动方式等知识有了较为系统的了解。在教学过程中，采用了多种教学方法相结合的方式，如讲授法、演示法、讨论法和实验法等，使抽象的知识变得更加直观易懂，激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习积极性和主动性。然而，在教学过程中也发现了一些不足之处。例如，在讲解一些较为复杂的概念和原