電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.1直流電機的工作原理及其結構授課時數2授課形式教學目標1.知識目標:

*掌握直流電機的分類方法。

*熟悉直流電機的基本結構及各部分作用。

*理解直流電機的工作原理。

*掌握直流電機銘牌數據的含義。2.能力目標:

*能夠根據不同的分類標準對直流電機進行分類。

*能夠識別直流電機的主要部件，并說明其作用。

*能夠運用右手定則和左手定則分析直流電機的工作原理。

*能夠根據銘牌數據判斷直流電機的基本參數和性能。3.素質目標:

*培養學生嚴謹認真的學習態度和科學探究精神。

*提高學生分析問題和解決問題的能力。

*增強學生的實踐意識和團隊合作精神。教學重點難點1.教學重點:

*直流電機的基本結構和工作原理。

*直流電機銘牌數據的解讀。2.教學難點:

*直流電機工作原理的理解，特別是電磁轉矩的產生過程。

*直流電機銘牌數據與實際應用的聯系。教學內容1.生活實例引入播放視頻:播放一段關于電動汽車、電動自行車、家用電器等使用直流電機的視頻，引導學生思考這些設備是如何運轉的。提出問題:你們知道這些設備中使用的是什么類型的電機嗎？直流電機是如何將電能轉換成機械能的？引出主題:直流電機作為一種將電能轉換成機械能的裝置，在日常生活和工業生產中有著廣泛的應用。今天我們就來一起學習直流電機的結構、工作原理和應用。2.直流電機的分類*按勵磁方式分類：他勵、并勵、串勵、復勵。*按結構分類：有刷直流電機、無刷直流電機。*按用途分類：驅動用直流電機、控制用直流電機。3.直流電機的結構*定子部分：主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷裝置。*轉子部分：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸。*結合實物或圖片講解各部件的作用。4.直流電機的工作原理*電磁感應定律和電磁力定律回顧。*直流電機的工作原理分析： *結合動畫或模型演示直流電機的工作原理。5.直流電機的銘牌數據*額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉速、勵磁方式、絕緣等級等。*結合實際案例講解銘牌數據的含義和選擇方法。課外拓展1.查閱資料，了解直流電機在工業生產中的應用實例，并分析其優缺點。2.參觀電機廠或實驗室，觀察直流電機的實際結構和運行情況。3.利用仿真軟件搭建直流電機模型，模擬其工作過程，并分析不同參數對電機性能的影響4.瀏覽相關資源，完成相關作業或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養。電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.2直流電動機的勵磁方式和基本平衡方程式授課時數2授課形式教學目標1.知識目標:

*掌握直流電機的四種勵磁方式及其特點。*理解直流電機氣隙磁場的分布特點及影響因素。*掌握直流電機的基本平衡方程式，理解其物理意義。2.能力目標:*能夠根據實際需求選擇合適的直流電機勵磁方式。*能夠分析不同勵磁方式對直流電機性能的影響。*能夠運用基本平衡方程式分析直流電機的工作狀態。3.素質目標:*培養學生嚴謹求實的科學態度和探索精神。*增強學生的工程意識和實踐能力。*培養學生的團隊合作精神和溝通表達能力。教學重點難點1.教學重點:*直流電機的四種勵磁方式及其特點。*直流電機的基本平衡方程式。2.教學難點:*直流電機氣隙磁場的分布特點及影響因素。*基本平衡方程式的物理意義及應用。教學內容1.生活實例引入直流電機作為電能與機械能轉換的核心設備，在工業、交通和家用電器中廣泛應用。其性能和工作特性直接受到勵磁方式、磁場分布以及內部電氣和機械平衡關系的影響。理解這些內容，是掌握直流電機工作原理、優化設計以及解決實際工程問題的基礎。2.直流電機的勵磁方式勵磁方式他勵：勵磁繞組由獨立電源供電，勵磁電流與電樞電流無關，控制靈活，適用于需要精確調速的場合。并勵：勵磁繞組與電樞繞組并聯，勵磁電流與電樞電壓相關，特性較硬，適用于恒速運行。串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯，勵磁電流與電樞電流相同，啟動轉矩大，適用于牽引設備。復勵：結合并勵和串勵，既有并聯又有串聯的勵磁繞組，綜合了并勵和串勵的優點，適用于需要兼顧啟動性能和運行穩定性的場合。磁場分布：主磁場：由勵磁繞組產生，是電機工作的基礎磁場。電樞反應：電樞電流產生的磁場對主磁場的影響，可能導致磁場畸變、氣隙磁場分布不均，進而影響電機性能。基本平衡方程式：U=EU=轉矩平衡方程式：描述電機輸出轉矩與負載轉矩及慣性轉矩之間的平衡關系。TTP2P3.直流電機的磁場*直流電機氣隙磁場的分布特點：主磁場、電樞反應磁場。*電樞反應對氣隙磁場的影響：去磁效應、交磁效應。*改善氣隙磁場分布的措施：補償繞組、換向極。4.直流電機的基本平衡方程式*電壓平衡方程式：U=E+IaRa*轉矩平衡方程式：Tem=T0+T2*功率平衡方程式：Pem=P0+P2*各方程式的物理意義及應用。課外拓展1.查閱資料，了解不同勵磁方式直流電機在實際應用中的案例，并分析其優缺點。2.利用仿真軟件搭建不同勵磁方式直流電機模型，模擬其工作狀態，并分析不同參數對電機性能的影響。3.設計實驗方案，研究電樞反應對直流電機性能的影響。4.瀏覽相關資源，完成相關作業或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養。電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.3直流電動機的機械特性授課時數2授課形式教學目標1.知識目標：*掌握他勵直流電機機械特性的定義及物理意義。*理解機械特性方程n=f(T)、n=f(T)的推導過程，明確方程中各參數的含義。*熟悉他勵直流電機機械特性曲線的特點及影響因素（電樞電壓U、電樞電阻Ra、磁通Φ）。*了解機械特性在調速、啟動和制動等實際應用中的作用。2.能力目標：*能夠獨立推導他勵直流電機的機械特性方程。*能夠通過方程分析參數變化對機械特性的影響，并繪制特性曲線。*能結合實際案例（如機床、電動汽車驅動）分析他勵電機的選型依據。3.素質目標：*培養邏輯推理能力和數理分析思維。*強化工程實踐意識，理解理論公式與實際工況的關聯。*提升團隊協作能力，通過實驗和案例分析解決復雜問題。教學重點難點1.教學重點：*他勵直流電機機械特性方程的推導及物理意義。*參數電樞電壓U、電樞電阻Ra、磁通Φ對機械特性曲線的影響分析。*機械特性在調速控制中的應用（如調壓調速、弱磁調速）。2.教學難點：*機械特性方程的數學推導過程及參數物理意義的理解。*實際工況中多參數耦合對機械特性的綜合影響分析。*理論特性曲線與實測曲線的差異解釋（如電樞反應、溫度變化的影響）。教學內容1.機械特性的基本概念定義：轉速n與電磁轉矩T的關系曲線n=f(T）。物理意義：反映電機帶載能力、穩定性及調速性能。理想特性與實際特性：忽略電樞反應和損耗的理想方程vs實際工程中的修正因素。2.機械特性方程的推導3.機械特性曲線分析4.實際應用與案例分析5.實驗驗證(有條件選)實驗內容：在實驗臺上測試他勵直流電機在不同U、R、Ф下的機械特性曲線。實驗步驟：（1）固定勵磁電流，逐步增加負載轉矩，記錄轉速和電流數據。（2）改變電樞電壓或串聯電阻，重復實驗并對比曲線變化。（3）分析實測曲線與理論方程的差異（如電樞反應的影響）。課外拓展1.仿真建模使用MATLAB/Simulink或PLECS搭建他勵直流電機模型，仿真不同參數下的機械特性曲線，并與理論方程對比。2.工程調研調研工業現場（如印刷機械、軋鋼設備）中他勵直流電機的應用場景，分析其機械特性與工藝要求的匹配性。3.文獻研讀閱讀《電力拖動自動控制系統》（陳伯時）中他勵電機調速章節，總結調壓調速與弱磁調速的優缺點。4.創新課題分組討論：在新能源領域（如太陽能跟蹤系統）中，如何利用他勵電機的機械特性優化能量轉換效率？5.瀏覽相關資源，完成相關作業或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養。電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.4他勵直流電動機的起動和反轉授課時數2授課形式教學目標1.知識目標:*理解直流電機起動的基本原理及起動電流過大的危害。*掌握直流電機的常見起動方法（直接起動、降壓起動、電樞回路串電阻起動）。*掌握直流電機反轉的實現原理及方法（改變電樞電流方向或磁場方向）。2.能力目標：*能夠分析不同起動方法的適用場景及優缺點。*能夠設計簡單電路實現直流電機的起動控制和正反轉切換。*具備通過仿真或實驗驗證理論的能力。3.素質目標:

*培養學生嚴謹認真的學習態度和科學探究精神。

*提高學生分析問題和解決問題的能力。

*增強學生的實踐意識和團隊合作精神。教學重點難點1.教學重點:

*直流直流電機起動電流過大的原因及控制方法。*降壓起動與電樞回路串電阻起動的電路設計與工作原理。*反轉的物理原理及實現方式（電樞反接法、磁場反接法）。2.教學難點:

*起動電流對電機和電網的影響及其抑制措施。*反轉操作中避免同時改變電樞和磁場方向的邏輯設計。*實際電路中保護裝置（如熔斷器、接觸器）的合理配置教學內容1.直流電機的起動控制起動原理與問題直流電機起動瞬間電樞電阻極小，導致起動電流極大直接起動的危害：繞組過熱、機械沖擊、電網電壓波動。常見起動方法降壓起動：通過調節電源電壓逐步升高至額定值（需可控直流電源）。電樞回路串電阻起動：分階段切除串聯電阻，限制起動電流（典型電路分析）。對比分析：成本、控制復雜度、適用場景（例如小型電機多用串電阻，精密設備多用降壓）。仿真演示(有條件選)使用Multisim或MATLAB搭建起動電路，觀察電流波形及轉速變化。2.直流電機的反轉控制反轉原理根據左手定則，反轉需改變電磁轉矩方向，可通過：電樞反接法：改變電樞電壓極性（常用方法）。磁場反接法：改變勵磁繞組電流方向（需注意剩磁問題）。3.電路實現(有條件選)雙接觸器控制電路：利用正反轉接觸器切換電樞極性，設置互鎖保護。H橋電路（拓展）：通過半導體器件實現無觸點控制（PWM調速與反轉結合）。4.實驗操作(有條件選)搭建電樞反接電路，測試正反轉切換過程，觀察機械響應與電流變化。課外拓展1.電動汽車驅動電機：直流/無刷電機的起動平滑性與快速反轉需求。2.工業機械臂：高精度正反轉控制在位置伺服系統中的應用。3.瀏覽相關資源，完成相關作業或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養。電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.5他勵直流電動機的調速授課時數2授課形式教學目標1.知識目標:

*理解調速的性能指標（調速范圍、靜差率、平滑性等）。*掌握他勵直流電動機的調速方法（改變電樞電壓、調節勵磁電流、電樞回路串電阻）及其機械特性。*熟悉制動與調速過程中能量轉換關系及其對電機性能的影響。2.能力目標:

*能夠分析不同制動與調速方法的適用場景及優缺點。*能夠設計簡單控制電路實現制動與調速功能。*具備通過仿真或實驗驗證電機動態特性的實踐能力。3.素質目標:

*培養學生嚴謹認真的學習態度和科學探究精神。

*提高學生分析問題和解決問題的能力。

*增強學生的實踐意識和團隊合作精神。教學重點難點1.教學重點:

*調速的性能指標（調速范圍、靜差率、平滑性等）。*調速方法：調壓調速：通過改變電樞電壓實現寬范圍平滑調速。弱磁調速：通過減小勵磁電流提高轉速上限。串電阻調速：電樞回路串聯電阻的機械特性與效率分析。他勵特性：勵磁繞組獨立供電對制動與調速控制的靈活性影響。2，教學難點:*弱磁調速時需避免勵磁電流過小導致飛車現象。*調壓調速與再生制動的協同控制（如電動汽車驅動系統）。教學內容1.調速的性能指標靜差率（SpeedRegulation）定義：負載變化時轉速降落與理想空載轉速的百分比，意義：反映系統抗負載擾動能力，靜差率越小，機械特性越硬。調速范圍（SpeedRange）定義：系統在額定負載下能達到的最高轉速與最低轉速之比，限制因素：電機機械強度、控制電路調節能力。調速平滑性（Smoothness）定義：相鄰調速級間的轉速變化程度，無級調速（平滑連續）優于有級調速。2.他勵直流電動機的調速控制（1）調速原理與方法調壓調速:機械特性方程n=（U-IaRa）/CeΦ,通過降低電樞電壓U實現轉速下降。特點:調速范圍廣、平滑性好，需可控直流電源(如PWM斬波器)弱磁調速:減小勵磁電流If，降低磁通Φ，轉速升高。適用場景:需超額定轉速運行(如機床主軸)電樞串電阻調速:串聯電阻R，機械特性變軟，效率低，適用于短時調速。3.仿真與實驗驗證(有條件選)仿真分析使用MATLAB/Simulink搭建調壓調速模型，觀察轉速-轉矩曲線。對比能耗制動與再生制動的能量消耗差異。4.實驗操作(有條件選)搭建他勵電機調壓調速電路，測量轉速隨電樞電壓的變化。設計能耗制動實驗，分析制動電阻值對制動時間的影響。課外拓展1.軌道交通：再生制動在列車減速時的能量回收技術。2.工業機器人：高精度調壓調速在關節控制中的應用。3.瀏覽相關資源，完成相關作業或任務，鞏固學習成果，提升綜合素養。電機拖動與電氣控制課程教案章節名稱第2章直流電機2.6他勵直流電動機的制動授課時數2授課形式教學目標1.知識目標:

*理解直流電機制動的物理原理及其必要性。*掌握常見制動方法（能耗制動、反接制動、再生制動）的工作原理及特點。*熟悉制動過程中的能量轉換關系及對電機性能的影響。2.能力目標：*能夠分析不同制動方法的適用場景與優缺點。*能夠設計簡單制動控制電路并解釋其工作原理。*具備通過實驗或仿真驗證制動特性的實踐能力。3.素質目標:

*培養學生嚴謹認真的學習態度和科學探究精神。

*提高學生分析問題和解決問題的能力。

*增強學生的實踐意識和團隊合作精神。教學重點難點1.教學重點:

*能耗制動：電路結構、能量消耗路徑及機械特性分析。*反接制動：實現條件、動態過程與電流限制措施。*再生制動：能量回饋原理及在新能源領域的應用。2.教學難點:

*制動過程中電樞電流方向與轉矩方向的關系分析。*反接制動時避免電機反向啟動的邏輯設計。*再生制動對電源系統的要求及實