電工電子技術(shù)項目化教程-項目3-磁路與電機課件

1、電工電子技術(shù)項目化教程項目3 磁路與電機任務(wù)3.1 磁路與變壓器任務(wù)3.2 電機一、任務(wù)引入任務(wù)3.1 磁路與變壓器 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，電磁吸盤在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來越廣泛，電磁吸盤是一種利用電磁原理，通過使內(nèi)部線圈通電產(chǎn)生磁力，經(jīng)過導(dǎo)磁面板，將接觸在面板表面的工件緊緊吸住，線圈斷電，磁力消失實現(xiàn)退磁，取下工件的原理而生產(chǎn)的一種機床附件產(chǎn)品。電磁吸盤主要應(yīng)用在磨床、FYMC系列電磁磨刀機、龍門銑床、龍門刨床等鐵質(zhì)工件加工時的工件固定。 矩形電磁吸盤系平面磨床或銑床的磁力工作臺，用以吸附各類導(dǎo)磁工件，實現(xiàn)工件的定位和磨削加工，如圖3-1所示。該系列吸盤吸力均勻，定位可靠，操作方便，可直接安

2、裝在平面磨床或銑床上使用，是一種理想的磁力夾具。矩形電磁吸盤兩側(cè)有吊裝螺孔，如圖3-2所示，在安裝時擰入T形螺釘即可吊裝，接通機床上的直流電源和地線，然后將吸盤上平面精磨一次，以保證上平面對底面的平行度。在吸附工件時，只要搭接相鄰的兩個磁極，可獲得足夠的定位吸力，即可進行磨削加工。 圖3-1 平面磨床 圖3-2 磨床上的矩形電磁鐵二、教學(xué)目標知識目標：了解磁路的概念與磁路歐姆定律；理解鐵磁材料的性能；掌握變壓器的結(jié)構(gòu)和作用。能力目標：能夠根據(jù)磁路歐姆定律分析簡單的磁路；能夠識別變壓器的銘牌數(shù)據(jù)；能夠正確應(yīng)用變壓器的變壓、變流、變阻抗作用。素質(zhì)目標:培養(yǎng)獨立思考，勇于探索的精神和能力；培養(yǎng)分析問

3、題和解決問題的能力。三、相關(guān)知識（一）磁路基本知識 在電工設(shè)備中，常采用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料做成一定形狀的鐵芯，給繞在鐵芯上的線圈通以較小的電流，就會在鐵芯中產(chǎn)生很強的磁場。鐵磁材料的磁路如圖3-3所示。 常用于描述磁場的物理量有以下幾個：圖3-3 鐵磁材料的理想磁路 磁感應(yīng)強度B：在磁場中垂直于磁場方向的通電導(dǎo)線所受電磁力F與電流I和導(dǎo)線有效長度L乘積的比值,即為該處的磁感應(yīng)強度。 磁通：磁感應(yīng)強度和與它垂直方向的某一截面積S的乘積，稱為通過該面積的磁通 磁場強度H：計算導(dǎo)磁物質(zhì)中的磁場時，引入輔助物理量磁場強度H，它與磁感應(yīng)強度B的關(guān)系為（二）磁路歐姆定律上式在形式上與電路的歐姆定律（I

4、=E/R）相似，稱為磁路歐姆定律。（三）鐵磁材料 根據(jù)導(dǎo)磁性能的不同，自然界的物質(zhì)可分為兩大類：一類稱為鐵磁材料，如鐵、鋼、鎳、鈷及其合金和鐵氧體等材料，這類材料的導(dǎo)磁性能好，磁導(dǎo)率很高；另一類為非鐵磁材料，如鋁、銅、紙、空氣等，這類材料的導(dǎo)磁性能差，磁導(dǎo)率很低。 非鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率大多接近于1，鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率可達幾百、幾千,甚至幾萬，是制造變壓器、電機、電器等各種電工設(shè)備的主要材料。鐵磁材料的磁性能主要包括高導(dǎo)磁性、磁飽和性和磁滯性。1.高導(dǎo)磁性（a）磁化前 （b）磁化后圖3-4 鐵磁材料的磁化2.磁飽和性和磁滯性圖3-5 磁化曲線圖3-6 磁滯回線4.功率損耗 交流鐵芯線圈電路中

5、，除了在線圈電阻上有功率損耗外，鐵芯中也會有功率損耗。線圈上損耗的功率稱為銅損，鐵芯中損耗的功率稱為鐵損。（四）變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器雖然種類很多，形狀不同，但基本結(jié)構(gòu)相同，都是由鐵芯和線圈組成。1.鐵芯 鐵芯構(gòu)成變壓器的磁路部分。變壓器的鐵芯大多用0.350.5 mm厚的硅鋼片交錯疊裝而成，疊裝之前，硅鋼片上還需涂一層絕緣漆。交錯疊裝即將每層硅鋼片的接縫錯開，這樣可以減小鐵芯中的磁滯和渦流損耗。2.線圈 線圈（繞組）是變壓器的電路部分，繞組通常用絕緣的銅線或鋁線繞制，其中與電源相連的繞組稱為原繞組（又稱原邊或初級）；與負載相連的繞組稱為副繞組（又稱副邊或次級）。按鐵芯和繞組的組合結(jié)構(gòu)，通常把

6、變壓器分為芯式和殼式兩種。圖3-7 芯式變壓器圖 3-8 殼式變壓器圖3-9 變壓器空載運行（五）變壓器的作用 圖3-9是一臺單相變壓器的空載運行原理圖。它有兩個繞組，為了分析方便，將原繞組和副繞組分別畫在兩邊，其中原繞組的匝數(shù)為N1，副繞組的匝數(shù)為N2。1.電壓變換作用（變壓器空載運行） 變壓器空載運行時，原、副繞組上電壓的比值等于兩者的匝數(shù)比，這個比值K稱為變壓器的變壓比或變比。2.電流變換作用（變壓器負載運行）圖3-10 變壓器負載運行 負載運行時，其原繞組和副繞組電流有效值之比近似等于它們的匝數(shù)比的倒數(shù)，即變比的倒數(shù)，這就是變壓器的電流變換作用。3.阻抗變換作用變壓器電路 等效電路圖3

7、-11 變壓器阻抗變換 變壓器副邊的負載阻抗 反映到變壓器原邊的等效阻抗是 ，即擴大 倍，這就是變壓器的阻抗變換作用。變壓器的阻抗變換作用常應(yīng)用于電子電路中。（六）變壓器的額定數(shù)據(jù) 每臺變壓器的上面都裝有一塊銘牌，上面標明該設(shè)備的型號、主要額定數(shù)據(jù)和使用方法等信息。1.變壓器的型號2.變壓器的額定參數(shù)（1）額定電壓：原邊繞組上的額定電壓規(guī)定了變壓器原邊應(yīng)加的電源電壓，當(dāng)原邊加額定電壓、副邊開路時的空載電壓為副邊的額定電壓，對于三相變壓器，額定電壓是指線電壓。（2）額定電流：指變壓器在額定容量情況下，各繞組允許長期通過的線電流，單位為A。（3）額定容量：指變壓器在額定工作條件下輸出能力的保證值，

8、是變壓器的額定視在功率，為變壓器副邊繞組的額定電壓和額定電流的乘積。由于雙繞組變壓器效率高，通常將原、副邊的額定容量設(shè)計成相等的。（4）額定頻率：我國規(guī)定額定頻率50Hz。（5）短路電壓：指一邊繞組短路，另一邊繞組中流過額定電流時所加的電壓，一般以額定電壓的百分數(shù)表示。它反映了變壓器在通過額定電流時的漏阻抗壓降情況，所以也稱為阻抗電壓。四、知識拓展 在汽車的汽油發(fā)動機中，氣缸內(nèi)的可燃混合氣體是由高壓電火花點燃的，用以產(chǎn)生電火花的設(shè)備就是發(fā)電機的點火系統(tǒng)，其中點火線圈是汽車點火系統(tǒng)中的一個組成部件，在汽車點火系統(tǒng)中與其它部件配合，將電源供給的低壓轉(zhuǎn)換為高壓。（a）點火線圈結(jié)構(gòu)圖 （b）點火電路圖

9、3-13 開磁路點火線圈 傳統(tǒng)的點火線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路如圖3-13所示，主要由鐵芯、一次繞組、二次繞組、殼體及其附加電阻組成。點火線圈的鐵芯導(dǎo)磁性能良好，用相互絕緣的高導(dǎo)磁率硅鋼片疊壓而成，以減少渦流損耗。一次繞組通過的電流較大，導(dǎo)線較粗，圈數(shù)較少，二次繞組的導(dǎo)線較細，圈數(shù)較多。一次繞組通過電流較大，為了便于散熱，將其分層繞在外側(cè)，在一次繞組與外殼之間加有數(shù)層導(dǎo)磁鋼套，用以減少磁路磁阻。傳統(tǒng)的點火線圈的磁路上下部分是從空氣中通過的，因此漏磁較多，這種點火線圈叫做開磁路點火線圈。 與之相對的是閉磁路點火線圈，它的結(jié)構(gòu)與開磁路點火線圈不同，在日字形的鐵芯內(nèi)，繞有一次繞組，在一次繞組外面繞有二次繞組

10、，這種點火線圈漏磁少，能量轉(zhuǎn)換效率高；點火線圈體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。一、任務(wù)引入任務(wù)3.2 電機 汽車上的車窗都是由電機帶動，自動升降，駕駛員或者乘客利用開關(guān)，控制車窗玻璃的升降，其操作簡單，安全可靠。電動車窗系統(tǒng)由車窗、車窗玻璃升降器、電動機、繼電器、開關(guān)等部分組成。所有車窗控制系統(tǒng)開關(guān)都有兩套，一套通常安裝在左前門上，為主開關(guān)，由司機控制每個車窗的升降；另一套分別裝在每個車門中部，為分開關(guān)，可由乘客分別控制相應(yīng)的車窗。動力部分主要由直流電動機提供，其外形如圖3-14（a）所示。這種電動機的控制電路如圖3-14（b）所示。當(dāng)車窗向上移動時，觸點2、4接通，電流流通路徑為：電源正極124電機785

11、接地端，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)車窗向下移動時，觸點6、8接通，電流流通路徑為：電源正極168電機435接地端，電機反轉(zhuǎn)。（a）車床電機外形圖 （b）控制電路圖圖3-14 汽車電動車窗控制器二、教學(xué)目標知識目標：掌握三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理；了解三相異步電動機起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)、制動方法；知道直流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。能力目標：能夠使用三相異步電動機；能夠使用直流電動機。素質(zhì)目標:培養(yǎng)對實際問題進行抽象和分析的能力；強化科學(xué)的問題分析能力；增強獨立思考，勇于探索的精神和能力。三、相關(guān)知識（一）三相異步電動機 1.三相異步電動機的結(jié)構(gòu) 三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由

12、定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，如圖3-15所示。（1）定子：異步電機的定子部分包括定子鐵芯和定子繞組。圖3.15 三相異步電動機結(jié)構(gòu)圖定子鐵芯：定子鐵芯是電機主磁路的一部分，由兩邊都涂有絕緣漆、厚度為0.5mm或0.35mm的硅鋼片沖槽疊裝而成。定子繞組：定子繞組構(gòu)成了電機的電路部分。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，每個繞組即為一相，每個繞組在空間上相差12O度。并根據(jù)要求可以接成星形或三角形。(a)星形連接 (b) 三角形連接圖3-16 定子繞組的連接（2）轉(zhuǎn)子：異步電機的轉(zhuǎn)子也是由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成。（3）氣隙：異步電機定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙很小，一般只有

13、0.22mm，氣隙的大小，對異步電機的運行性能影響很大，2.三相異步電動機的工作原理（1）轉(zhuǎn)動原理 三相異步電動機的定子鐵心中放入三相定子繞 組，接入三相對稱電源?？臻g相差120 角的三相繞組，通入對稱三相電流時，產(chǎn)生的是一對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，磁場的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序一致。如果電流的相序為U-V-W-U，則旋轉(zhuǎn)磁場為順時針方向。 如果改變流入三相繞組的電流相序,就能改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)方向也就跟著改變。圖3-167 三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理 把三相異步電動機的三根線任意調(diào)換兩根與電源相接，電動機旋轉(zhuǎn)方向反向。（2）轉(zhuǎn)差率同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速之比，稱為

14、異步電動機的轉(zhuǎn)差率0 s sN= 0.01 0.053.三相異步電動機的起動 起動過程:電動機接通電源后，轉(zhuǎn)速由零增至穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動轉(zhuǎn)矩大起動電流小起動時間短起動過程的特點: 轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)低，起動轉(zhuǎn)矩不大。籠型電動機常用起動方法:直接起動降壓起動 起動電流是額定電流的6 7倍。4.三相異步電動機的調(diào)速 所謂調(diào)速，是指人為改變電動機的轉(zhuǎn)速，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，需要電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能。異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為：調(diào)速方法變頻調(diào)速（籠型電動機）變極調(diào)速（籠型電動機）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（繞線型電動機）5.三相異步電動機的制動制動方法能耗制動：制動時，切斷電動機的交流電源，電動機兩相定子繞組

15、通入直流電。反接制動：通過改變定子繞組上所加電源的相序來實現(xiàn)。（三） 直流電動機1.直流電動機的基本結(jié)構(gòu)圖3-18 直流電動機結(jié)構(gòu)圖（1）定子部分 定子的作用是產(chǎn)生磁場和作為電機的機械支架。定子主要由主磁極、換向極、電刷裝置、機座、端蓋和軸承等部件組成。（2）轉(zhuǎn)子部分 轉(zhuǎn)子的作用是感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換。它包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。2.直流電動機的工作原理(a)導(dǎo)體ab在N極下 (b) 導(dǎo)體cd在N極下圖3-19 直流電動機工作原理圖 若把電刷A，B接到直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負極，此時在轉(zhuǎn)子線圈中將有電流流過，兩線圈邊ab

16、、cd將受到電磁力的作用。導(dǎo)體所受電磁力的方向用左手定則確定。在圖3-19（a）的瞬間，導(dǎo)體ab受力方向為從右向左，而導(dǎo)體cd受力方向為從左向右，該電磁力與轉(zhuǎn)子半徑的乘積為電磁轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的方向為逆時針，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力轉(zhuǎn)矩時，線圈按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。 當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖3-19（b）所示的位置時，導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?；而?dǎo)體ab受力方向變?yōu)閺淖笙蛴?，該轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向，線圈在此轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。3.直流電動機的勵磁方式(a)他勵 (b)并勵 (c)串勵 (d)復(fù)勵 圖3-1820 直流電動機的勵磁方式4.直流電動機的起動和反轉(zhuǎn)（1）他勵直流電動機的起動 一般對直流電

17、動機的起動有如下要求：起動轉(zhuǎn)矩足夠大，以便帶動負載，縮短起動時間；起動電流要限制在一定的范圍內(nèi)；起動設(shè)備操作方便，起動時間短，運行可靠，成本低廉。（2）他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)通常直流電動機的反轉(zhuǎn)實現(xiàn)方法有兩種： 改變勵磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，從而改變旋轉(zhuǎn)方向。 改變電樞電壓極性：保持勵磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，從而改變旋轉(zhuǎn)方向。四、知識拓展（一）三相異步電動機的 連接 星形接法就是把三相繞組的尾端連在一起，由三個首端去接電源，如圖3-23（a）所示。 三角形接法是將一相繞組的首端與另一相的尾端相連，依次循環(huán)連接，形成一個三角形，再將三

18、角形的頂點接電源，如圖3-23（b）所示。(a)星型接線圖 （b）三角型接線圖圖3-23 異步電動機星-三角接線圖（二）三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)(a)正轉(zhuǎn)接線圖 （b）反轉(zhuǎn)接線圖圖3-24 異步電動機正反轉(zhuǎn)接線圖將任意兩根電源線對調(diào)五、技能訓(xùn)練1.萬用表法判定電動機三相繞組的首尾 （1）將萬用表選擇歐姆檔（1K或100檔），用兩表筆分別測量電動機的六個線頭，電阻值趨近于零的兩個線頭為同相繞組的兩個線頭。用同樣的方法找出其它各相繞組的兩個線頭，并做好標記，假設(shè)編號為U1、U2、V1、V2、W1、W2。 （2）將萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到直流毫安檔上，按圖3-25接線。用手快速轉(zhuǎn)動電動機的轉(zhuǎn)子，如果萬用表指針不動，則說明并接點同為三相繞組的首端和尾端，如圖3-25（a）所示。如果