维修电工高级技师教案发电机磁极排列顺序.doc

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1、维修电工高级技师培训教案设计课题以N、S表示主磁极的极性，以Nk、Sk表示换向极的极性。在一台4极直流发电机中，顺着电枢旋转方向，讲述各磁极的排列顺序。授课时数3教学目标1.了解直流电机的结构和其工作原理。注意换向器和电刷的作用(第一课)2.直流发电机工作原理(第一课)3.直流电机的磁场分布(第二课)4.直流电机的可逆原理(第二课)5.直流电机的换向(第三课)6.4极直流发电机的磁极排列顺序(第三课)教学重点直流发电机的换向过程教学难点直流电机的磁场分布学员情况分析根据学员的了解情况制定讲解的方式方法教学效果评价通过学员的理解和实例分析进行事后评价总结教学手段PPT（制作教学详细内容文档，将教

2、学内容分章节做成PPT），结合影片、动画、图片、直流发电机实物等 ，使得教学气氛生动活泼。教学流程展示情景2图片、动画1思考直流发电机的原理情景1电机展示大家谈活动1学员实验1思考大家谈问题2可逆思考直流电机磁场讲解问题1磁场分布活动2磁场实物构造直流发电机磁极排列顺序活动4交流讨论磁极排列直流电机的换向原理活动3学员换向原理讨论直流电机可逆讲解教学流程说明情景1 实物展示教师通过展示实物或者观察图片展现各种电动机，用课堂上“大家谈”的形式，从学员的生活感受出发，交流他们对接触到的电动机的印象，从而激发他们学习的主动性和积极性。大家谈：你所知道的电动机的应用？情景2 图片、动画1通过图片、动画

3、，了解直流发电机的构造活动1 学员实验学员拆装电机。思考：直流电动机的基本结构是什么？大家谈：直流电动机的实用结构 直流发电机的原理 老师讲解活动2 学员查看磁场构造 电机的磁场构造感性认识问题1 磁场的分布思考 结合实物分析电机励磁，电枢，换向线圈组成的磁场情况。电机磁场分布讲解 老师讲解问题2 可逆思考 学员思考电动机和发电机的可逆原理。直流电机可逆讲解 老师讲解活动3 学员实验 结合实物，直流电机的换向过程，讨论。换向原理 老师讲解活动4 磁极排列 启发学员思考主磁极和换向磁极的排列直流发电机磁极排列顺序 老师总结教学详细内容直流发电机与直流电动机在理论上是可逆的。一、直流电机的构造电机

4、构造视频演示文件播放；图片的展示。视频链接地址：（一）定子定子由机座、主磁极、换向磁极、电刷组件组成，如图所示。定子的横剖平面图如图所示。1机座用铸钢或铜板焊成，用作支撑和保护整机结构，同时又是电机磁路的一部分，有良好的导磁性能和机械强度。2主磁极由铁心和励磁绕组组成。铁心由极身和极靴两部分组成，如图所示。励磁绕组绕在铁心外面，主磁极的作用是在励磁绕组中通入励磁电流时产生主磁通。3换向磁极换向磁极的作用是为了改善换向性能，减小换向火花。换向磁极与转子间气隙较大，涡流较小，可用整块钢制成。其上的绕组一般与电枢绕组串联，用横截面较大的铜导线绕制。4电刷组件电刷组件由电刷、刷握、刷杆、刷杆座及压紧弹

5、簧组成，如图所示。电刷内有用细铜丝编织成的刷辫与外电路导通，从而连接电枢、电刷及电路，引入或导出电枢电流。（二）电枢电枢又称转子，作用是在励磁磁场作用下，产生感应电动势和电磁转矩，实现电能与机械能之间的转换。其结构如图所示。1电枢铁心电机磁路的另一部分，为减小涡流由硅钢片叠压而成。在电区外缘有嵌放绕组的铁心槽，整个铁心固定在转动轴上，随轴一起转动。2电枢绕组由绝缘铜导线或扁铜线在模具上绕制成型后嵌放在转子铁心槽中，伸出铁心槽的端部，均用非磁性丝带扎紧，每个线圈的首尾端，均按一定规律，焊接到换向片上。3换向器由若干个楔形铜片装成一圆柱体，片与片之间用云母绝缘。结构如图所示。换向片与转轴之间又用塑

6、料绝缘，固定在转轴的一端，按照一定规律与电枢绕组连接。它的作用是变换电枢电流方向并通过电刷将电枢绕组与电路接通。（三）直流电机的其他部分直流电机的其他部分还有端盖、轴承、转轴、风扇、接线板、接线盒等。二、直流发电机的工作原理讲解前插入发电机视频，让学员进行分析 如图是一个最简单的直流电机模型，在两个空间固定的磁极极和极之间，有一个的硅钢片叠成的圆柱体(称为电枢铁心)。电枢铁心与磁极之间的间隙称为气隙。图中两根导体和连接成为一个线圈，并敷设在电枢铁心表面上。线圈的首、末端分别连接到两片圆弧形的铜片，称为换向片1、2上。换向片固定于转轴上，换向片之间以及换向片与转轴都互相绝缘。这种由换向片构成的整

7、体称为换向器。整个转动部分称为电枢。为了把电枢和外电路接通，特别装置了两个电刷和。电刷在空间上是固定不动的。由原动机以恒定转速沿顺时针拖动电枢旋转，它就成为一台直流发电机。由电磁感应定律，每根导体的感应电动势的瞬时值为 式中，为导体所处位置的磁通密度；为正交于磁通密度的线速度；为导体的有效长度，即每根导体切割磁力线部分的长度。 直流发电机的工作原理感应电动势的方向，用右手定则来确定，电机中磁力线的方向从极出来回到极。图中电刷只能与处于极下的导体相接触，电刷只能与处于极下的导体相接触。当导体转到极下时，电动势方向由到，同时导体也转到极下，电动势方向由到。电刷的极性为“”，的极性为“”。当导体转到

8、S极下时，电动势方向由到，同时导体也转到极下，电动势方向由到。这样当导体、分别切割极和极各一次时，其电动势方向变化了一次。但是，电刷的极性始终为“”，的极性始终为“”。显然，直流发电机的线圈两端的感应电动势为方向交变的交流电势，而电刷和上为方向不变的直流电势，这就是直流发电机的工作原理。三、直流电机的磁场分布简解前让学员分析直流电机有哪几种励磁方式和具体的解法直流电机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产生的电枢磁场合成的一个合成磁场，它对直流电机产生的电动势和电磁转矩都有直接的影响，而且直流电机的运行特性在很大程度上也取决于磁场特性。因此，研究直流电机的磁场是十分必要的。 1. 直流

9、电机的空载磁场 直流电机空载（发电机与外电路断开，没有电流输出；电动机轴上不带机械负载）运行时，其电枢电流等于零或近似等于零。空载条件的描述为：U=UN、 P2=0 、Ia=0 、 Ia0。 因而空载磁场可以认为仅仅是励磁电流通过励磁绕组产生的励磁磁通势所建立的。 如图为四极电机空载时磁场分布，当励磁绕组通入直流电流后，主磁极产生磁场，以N, S极间隔均匀地分布在定子内圆周上，此时只有励磁磁通势单独建立的空载磁场。由于每对磁极下的磁通所经过的路径不同，根据它们的作用可以分为两类，其中占绝大部分的磁通是从主磁极的N极出来经过气隙进入电枢的齿槽、电枢的磁轭、然后到达电枢铁心另一边的齿槽，再穿过气隙

10、，进入主磁极的S极，通过定子磁轭回到N极，形成闭合磁回路。 1极靴；2极身; 3定子磁轭; 4励磁线圈; 5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭 主磁极与主极磁场主磁极是套装有励磁绕组的铁芯。磁通F0随着励磁电流If的增大而增大，当磁路的铁磁材料处于未饱和时，铁磁磁阻很小，磁通F0 励磁电流If 成线性关系，当磁路的铁磁材料处饱和时，铁磁磁阻增加很快，磁通F0 励磁电流If 成非线性关系，磁通F0 增加一点，励磁电流If 增加的很快，如图所示。未饱和和饱和的转折点称为膝点。 同时交链励磁绕组和电枢绕组的这部分磁通，是直流电机进行电磁感应和能量转换所必须的，称为主磁通F。另一小部分磁通从N极出来后并不进入

11、电枢绕组，而是经过气隙直接进入相邻的磁极或磁轭，它对电机的能量转换工作不起作用，相反，使电机的损耗加大，效率降低，增大了磁路的饱和程度，这部分磁通称为漏磁通Fs，一般Fs=（1520）F。 下图（a）为主磁场在电机中的分布情况。按照图中所示的励磁电流方向，应用右手螺旋定则，便可确定主极磁场的方向。在电枢表面上磁感应强度为零的地方是物理中性线m-m，它与磁极的几何中性线n-n重合。几何中性线与极磁轴线互差90电角度,即正交.（a）主极磁场 （b）电枢磁场 （c）合成磁场 2.直流电机的电枢磁场 直流电机在带负载运行时，电枢绕组中有电流通过而产生的电枢磁场。电枢磁场与主极磁场共同在气隙里建立合成磁

12、场。图（b）以电动机为例的电枢磁场，它的方向由电枢电流确定。由图可以看出，不论电枢如何转动，电枢电流的方向总是以电刷为界限来划分的。在电刷两边，N极面下的导体和S极面下的导体电流方向始终相反，只要电刷固定不动，电枢两边的电流方向就不变，电枢磁场的方向不变，即电枢磁场是静止不动的。根据图上的电流方向用左手定则可判定该台电动机旋转方向为逆时针。 所谓电枢反应是指电枢磁场对主磁场的影响，电枢反应对电机的运行性能有很大的影响。如图（c）所示为主极磁场和电枢磁场合在一起而产生的合成磁场。与图（a）比较可见由于带负载后出现的电枢磁场，对主极磁场的分布有明显的影响，这种影响称为电枢反应，对磁场的影响如下；（

13、1）电枢反应使磁极下的磁力线扭斜，磁通密度分布不均匀，合成磁场发生畸变。磁场畸变的结果，使原来的几何中性线n-n处的磁场不等于零，磁场为零的位置，即物理中性线m-m逆旋转方向移动a角度，物理中性线与几何中性线不再重合。 （2）电枢反应使主磁场削弱，电枢磁场使每一个磁极下的磁通势发生变化，如N极下的左半部分主极磁通势被削弱，右半部分的主极磁通势被增强。每极下的合成磁通量仍应与空载时的主磁通F 相同。但在实际工作时，电机的磁路总是处在比较饱和的非线性区域，因此增强的磁通量小于减少的磁通量，故负载时每极合成磁通比空载时每极主磁通F 小，称此为电枢反应的去磁作用。因此，负载运行时的感应电动势略小于空载

14、时的感应电动势。 （3）由于磁通密度分布不均匀，使电枢绕组中每元件感应电动势不等，造成换向片电位差不等，增加换向困难。但是应该注意到；负载越大电枢电流越大，电枢磁场越强，电枢反应的影响就越大，正是电枢磁场与主极磁场的相互作用而产生电磁转矩，从而实现了机电能量的转换。 四、直流电机可逆原理从原理上讲，不论是交流电机，还是直流电机，都可以在一种条件下，作为发电机运行，把机械能转变为电能；而在另一种条件下，作为电动机运行，把电能转变为机械能。这个原理叫作电机的可逆原理。（一）、直流电机作发电机运行以他励直流电机为例来说明这个原理。一台他励直流电机作发电机运行，直流电机端电压保持不变，其原理如下图所示

15、。图中所标方向为直流发电机各电量的实际方向。 他励直流发电机运行原理由图可见，在发电机状态运行时，电枢感应电动势必须大于电源电压，即。电枢电流为正，即电流由电机流向电网，电功率为正，表示电机向电网输出电功率。此时，拖动转矩与转速同方向，表示由原动机输入机械功率。电磁功率为正，机械功率转变成了电功率。这时，电磁转矩与转速的方向相反，是制动转矩。（二）、直流电机作电动机运行一台他励直流电机作电动机运行，直流电机端电压保持不变，直流电机中各电量按电动机定向，其原理如下图所示。 他励直流电动机运行原理直流电机作电动机运行时，感应电动势小于电源电压，即。电枢电流为正值，电流由电源流向电机，电功率为正，表

16、示向电动机输入电功率。由于电磁功率为正，表示由电磁功率转变成了机械功率。这时，负载转矩与转速的方向相反，是制动转矩。可见，发电机惯例和电动机惯例的定向只有电流方向不同。在电机拖动中，常常只用电动机惯例描述直流电机。因此，根据电动机惯例定向时，直流电机的运行状态可以如下判断： 当， 与方向不同，即符号相反（或为负），与不同方向，是发电机运行状态;当， 与方向相同，即符号相同，与同方向，是电动机运行状态。五：直流电机的换向定义： 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。（一）换向的电磁现象下图是某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽

17、度相等，电枢以a的速度从右向左旋转1、换向之前：如图（a）所示，电刷与换向片1接触，1号元件中的电流ia从下层边流向上层边，设为+ia，元件处于右支路。 2、换向之中：如图（b）所示，电刷与换向片1、2同时接触，1号元件被短接，元件中的电流正从+ia向-ia变化。 3、换向之后：如图（c）所示，电刷与换向片2接触，1号元件中的电流ia从上层边流向下层边，电流为-ia，元件处于左支路。 4、电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向，元件的换向时间称为换向周期，记作：Tk。 （二）换向元件的电抗电动势实际电机换向时，换向元件中e0。换向元件中存在以下电动势： 1、自感电动势eL 换向元件中电流变时产生

18、的自感电动势 2、互感电动势eM 同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势 通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势eX，即： 电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，eX方向应与换向前元件的电流方向一致。 （三）电枢反应电动势ea换向元件处在几何中心线上，主磁场在此区域磁同密度0=0，但电枢磁密a0，在刷位正常时最大，换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，也是阻碍换向元件中的电流变化的。 （四）换向元件中的电流变化1、直线换向当e=0时换向元件电流随时间线性变化。2、延迟换向当e0时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。3、超前换向当eU

19、，Ia与Ea同方向，Tem是制动转矩，电机处于发电状态；如果从电枢绕组输入直流电能，则EaU，Ia与Ea反方向，Tem是拖动转矩，电机处于电动状态。 直流电机的结构可分为定子与转子两大部分。定子的主要作用是建立磁场和机械支撑，转子的作用是感应电势、产生电磁转矩实现能量转换。 电枢绕组是电机中实现能量转换的关键部件，其连接方式有叠绕组、波绕组和混合型绕组。单叠绕组和单波绕组是电枢绕组的两种最基本的绕组形式。电枢绕组是由许多线圈通过串联的方式构成的闭合回路，通过电刷又分成若干条并联支路。单叠绕组的并联支路对数等于主磁极对数，a=p；单波绕组并联支路对数a=1。电枢电势等于支路电势；电枢电流等于各支

20、路电流之和。导体中的电势、电流都是交变量，但经过电刷与换向器的换向作用，由电刷端输入或输出的电势和电流都是直流量。 磁场是传递能量的媒介。电机空载时，气隙磁场是由主磁极的励磁绕组通以直流电流建立的。主极磁场除产生主磁通外，还产生漏磁通。电机负载后，电枢绕组中有电枢电流通过，电枢电流建立的磁场称为电枢磁场。电机负载后的气隙磁场是电枢磁场和主磁场的合成磁场。电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应使主磁场的分布发生畸变。电枢绕组切割气隙磁场产生电机的感应电势Ea，电枢电流和气隙磁场相互作用产生电机的电磁转矩，。 电机稳定运行时，各物理量之间相互制约，其制约关系由基本方程式表示。直流电机的基本方

21、程式可分析直流电机的特性及进行定量计算。对于直流电动机的特性，应重点掌握和熟悉。直流电机的换向非常关键，换向不良会使电刷和换向器之间产生火花，严重时会损坏换向器与电刷，使电机不能正常工作。为改善换向，常装设换向极和补偿绕组。换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反，大小比电枢磁通势大。这样换向极磁通势除抵削电枢磁通势在几何中性线处的作用外，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势。只要换向极设计和调整得合适，就能保证换向元件中总电动势接近于零，电机的换向就比较顺利了，使负载运行时电刷与换向器之间基本上没有火花。一台直流电机换向极绕组的联接与换向极的极性布置，在直流电动机中，换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主磁极极性一样，其排列顺序为S、Sk、N、Nk（Sk、N卡为换向极极性），而在直流发电机中，应与将进入的那个主磁极极性相同，其排列顺序为S、Nk、N、Sk。布置作业1. 思考如果换向极接反会造成电机运行何种情况2. 发电机与电动机的可逆原理3. 下一节课直流电机的调速预习