电机与拖动基础(第3版-授课教案)

电机与他劭根黑

〔授课教案〕

2017年10月

课程根本信息

课程

电机与拖动根底总计：56一学时

名称

课程

专业必修课学分讲课：_J6一学时

类别

实验：_10一学时

任课

职称上机：_0—学时

教师

授课

自动化专业、电气工程及其自动化专业

对象

本课程主要介绍电磁感应根本原理、直流电机、异步电动机和同步电匆机的根

本结构和工作原理，各类电动机的工作特性、机械特性，以及电动机的四象限运行

课程

特性，电动机的起动、调速和制动的方法：变压器的根本结构和工作原理，变压器

简介

的空载运行、负载运行，变压器的等效电路和运行特性：电力拖动系统电助机的选

择和特种电机等。

教材：

电机与拖动根底（第3版），汤天浩主编，机械工业出版社，2017年

主要

参考资料：

参考

1）电机及拖动根底（第5版），张晓江、顾纯谷主编，机械工业出版社，2016年

资料

2）电机及拖成根底（第2版），汤天浩主编，机械工业出版社，2016年

3）电机与拖动根底（实验指导书），上海海辱大学电气实验中心，2017年

考核

考试（7）;考查（）

方式

章节内容学时数

绪论概述、课程简介、根本要求1

-・电机的根本原理3

二电力拖动系统的动力学根底3

三直流电机原理5

四直流电机拖动根底5

学时

五变压器6

分配

六交流电机的旋转磁场理论2

七异步电机原理6

A同步电机原理5

九交流电机拖动根底6

十电力拖动系统电动机的选择2

复习、答疑2

注：课程类别分为公共根底课、学科根底课、专业必修课、专业选修课和实践教学环节。

授课教案

授课时间第一周，星期______,第_____节；第1次课

章节名称绪论、第一章电机的根本原理（第1节）

课堂讲授（＜）;实验课（）；习题课（）:

授课方式教学时数2

讨论课（）；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）了解电机与拖动的历史、现状与开展情况。

教学目的2）了解本课程的性质、任务和学习要求、学习方法。

要求3）深入理解电磁感应原理以及相关的电磁感应定律。

4）掌握电机中常用的根本定律以及铁磁材料的分类、特性。

教学内容绪论

纲要第1节电磁感应原理

教学重点重点：安培环路定律和磁路的欧姆定律

难点难点：铁磁材料的磁化曲线

先介绍电机与拖动的历史，通过引用应用实例，说明电机拖动系统的作用，

教学过程

提高学生的学习兴趣。再结合中学物理学电与磁的根本知识，介绍电磁感应原

设计

理，以及“电生磁，磁生电，电磁生力”的根本规律。

作业、讨论

思考题：1-1、1-2

及辅导

•了解电机与拖动的历史、现状与开展情况。

•了解本教材内容、课程性质、学习目的和学习方法。

课后小结

•掌握电机中常用的根本定律，以及铁磁材料的分类、特点。

•注意磁路与电路的区别与联系。

授课时间第一周，星期_____，第______节；第2次课

章节名称第一章电机的根本原理（第2、3、4节）

课堂讲授（7）;实验课（）；习题课（）；

授课方式教学时数2

讨论课（〕；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解、视频讲解

和手段

1）掌握机电能量转换根本原理。

教学目的

2）了解电机的根本结构与工作原理。

要求

3）深入理解电磁感应原理以及相关的电磁感应定律。

第2节机电能量转换根本原理

教学内容

第3节电机的根本结构与工作原理

纲要

第4节电机的能量损耗与发热

教学重点重点：电机的结构和共性问题

难点难点：电磁转矩一般表达式的推导

首先通过一个简单的电磁装置，介绍机电能量转换的根本原理。然后通过

教学过程

网络视频，介绍一种电机的结构，引申出电机结构的共同特点及工作原理。最

设计

后介绍电机能量转换过程中存在的各类损耗及发热问题。

作业、讨论思考题：1-3、141-7

及辅导计算题：1-8、1-9、1-10

•理解电机的根本功能就是实现机电能量转换。

•电机的根本结构包括定子、转子两局部，定、转子磁场之间相互作用产生

课后小结感应电动势以及电磁转矩c

•电机运行时存在两类损耗：铜耗与铁耗，其特点各不相同。

•电机能否长期运行，与其发热情况密切相关。

授课时间第一周，星期______，第_____节；第3次课

章节名称第二章电力拖动系统的动力学根底

课堂讲授（<）：实验课（）：习题课（）：

授课方式教学时数3

讨论课（〕；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）掌握电力拖动系统的运动方程式。

教学目的

2）了解各类生产机械的负载转矩特性。

要求

3）理解电力拖动系统稳定运行的条件。

第1节电力拖动系统的运动方程

教学内容

第2节生产机械的负载转矩特性

纲要

第3节电力拖动系统的稳态分析

教学重点重点：电机电磁转矩与负载转矩的匹配关系

难点难点：电力拖动系统稳定运行的条件

首先介绍电力拖动系统的组成，给出转子运动方程及其实用形式。然后介

教学过程

绍各类负载转矩特性，尤其是恒转矩负载和恒功率负载。最后从数学上证明系

设计

统稳定运行的条件。对电力拖动系统的动态分析，那么只做简单介绍。

作业、讨论

思考题：2-2、2-3、2-4、2-7、2-8

及辅导

•电力拖动系统的转子运动方程及飞轮惯量的定义。

课后小结•各类生产机械的不同负载转矩特性。

•电力拖动系统稳定运行的充分必要条件。

授课时间第一周，星期_____，第______节；第4次课

章节名称第三章直流电机原理（第1、2节）

授课方式讨论课（）；其他（）教学时数2

授课方法

多媒体讲解、模型讲解、播放直流电机资料片

和手段

1）了解直流电机的结构与原理。

教学目的

2）了解换向器和电刷的作用。

要求

3）掌握宜流电机主磁场和电枢反响的概念。

教学内容第1节直流电机的根本原理和结构

纲要第2节直流电机的电枢绕组和磁场

教学重点重点：直流电机电枢反响的根本概念

难点难点：直流电机换向器与电刷的作用

首先播放直流电机视频，介绍直流电机的结构和原理。然后简要介绍直流

教学过程

电机励磁方式和电枢绕组的结构。最后，介绍定子主磁场、转子电枢反响磁场

设计

的波形，并分析两者合成的结果。

作业、讨论

思考题：3-1、3-2、3-3

及辅导

•直流电动机的优点是控制性能好，缺点是采用机械换向，需要经常维护。

课后小结・直流电机有他励、并励、申励和复励四种励磁方式，其中他励最常见。

•电枢反响对主磁场有一定影响，气隙磁场波形畸变，每极磁通量略有减小。

授课时间第一周，星期_____,第______节；第5次课

章节名称第三章直流电机原理（第3、4节）

课堂讲授（”）；实验课（）；习题课（）；研%，

授课方式讨论课1）；其他（）教学时数3

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）理解直流电机感应电动势和电磁转矩的计算公式。

教学目的

2）掌握直流电机根本方程式和功率流程图。

要求

3）熟悉直流发电机和直流电动机的各种运行特性。

教学内容第3节电枢绕组感应电动势和电磁转矩

纲要第4节直流电机的根本方程和工作特性

教学重点重点：他励直流电动机的电压方程、转矩方程和功率方程

难点难点：并励直流发电机的自励过程

首先推导直流电机感应电动势与电磁转矩的计算公式，并与右手定那么、

教学过程左手定那么的公式比照、理解。然后分别按照电动机惯例和发电机惯例推导直

设计流电机的电压平衡方程、转矩方程和功率方程。最后分析直流电机的运行特性

和直流发电机的自励过程。

作业、讨论思考题：3-4.3-5

及辅导计算题：363-7、3-8

・直流电机的根本方程包括电压平衡、转矩平衡、功率平衡等方面。

•直流电动机的工作特性包括转速特性、转矩特性和效率特性，直流发电机

的工作特性包括空载特性、外特性、调节特性和效率特性，这些特性都可

课后小结以从根本方程式得到解释。

•并励直流发电机自励建压的三个条件缺一不可。

•从根本原理上说，任何电机既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运

行。电动机和发电机感应电动势、电磁转矩的计算公式是一致的。

授课时间第一周，星期______,第_____节；第6次课

章节名称第四章直流电机拖动根底（第1、2节）

课堂讲授（”）；实验课（）；习题语（）:.

授课方式讨论课（）；其他（）教学时数2

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、电路图讲解

和手段

1）掌握他励直流电动机机械特性的一般表达式。

教学目的

2）熟悉他励直流电动机的三种人为机械特性。

要求

3〕掌握他励直流电动机的起动方法。

教学内容第1节他励直流电动机的机械特性

纲要第2节他励直流电动机的起动

教学重点重点：他励电动机的固有机械特性

难点难点：根据电机铭牌数据估算机械特性

首先从电压平衡方程入手，推导转速方程，得到机械特性的表达式

教学过程〃=/（1）。然后分别改变机械特性表达式中的电枢电压、电阻电阻和每极磁通，

设计得到三种人为机械特性。最后从限制起动电流的角度，考虑他励直流电动机的

起动问题，包括电枢回路串电阻起动和降压起动。

作业、讨论思考题:4-1、4-3

及辅导计算题:464-7、4-8、4-9

・机械特性是所有电动机最重要的特性，要深入理解，学会根据电机的铭牌

数据估算机械特性。

课后小结•他励直流电动机的固有机械特性和三种人为机械特性的关系。

•他励直流电动机直接起动时起动电流过大的危害性，掌握限制起动电流的

方法，以及起动电阻的计算。

授课时间第一周，星期_____,第______节；第7次课

章节名称第四章直流电机拖动根底（第3、4、5节）

课堂讲授（《）;实验课（）；习题课（）；

授课方式教学时数3

讨论课（）；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、电路图讲解

和手段

1）熟悉他励直流电动机的三种调速方法.

教学目的

2）掌握他励宜流电动机的三种制动方法.

要求

3）了解串励和复励直流电动机机械特性.

第3节他励直流电动机的调速

教学内容

第4节他励直流电动机的制动

纲要

第5节串励和复励电动机的电力拖动

教学重点重点：他励直流电动机的三种调速方式。

难点难点：他励直流电动机的反接制动和回馈制动。

首先从调速范围和静差率概念入手，介绍电动机调速系统的根本指标。然

教学过程后根据他励直流电动机的三种人为机械特性，引申出三种调速方法，并比拟它

设计们的优缺点。最后深入讨论他励直流电动机的制动问题，包括能耗制动、反接

制动和回饿制动。

作业、讨论思考题：4-2

及辅导计算题：4-10、4-1K4-12、4-13、4-14

•区分“调速”与“转速变化”的不同概念，以及调速方法与负载类型的匹

配问题。

•理解调速范围与静差率根本概念，以及相互之间的制约关系。

课后小结

他励直流电动机的三种调速方法中改变电枢电压（降压调速）是最重要的。

•他励直流电动机的回馈制动很有意义，应深刻理解之。

•串励电动机是可以交直流两用的，即所谓的通用电动机。

授课时间第一周，星期_____,第______节；第8次课

章节名称第五章变压器（第1、2、3节）

课堂讲授（«）;实验课（）；习题课（）；

授课方式教学时数3

讨论课（）：其他（）

授课方法

举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、图片讲解

和手段

1）掌握变压器的根本结构和工作原理。

教学目的

2）熟悉变压器空载运行和负载运行的物理过程和机理。

要求

3）熟悉变压器等效电路的推导过程及根本依据。

第1节变压器的工作原理和结构

教学内容

第2节变压器的运行方式

纲要

第3节变压器的等效电路

教学重点重点：变压器空载运行和负载运行的电磁关系。

难点难点：绕组折算的根本概念及应用。

首先通过多媒体图片•，介绍变压器的用途、原理、分类和结构。然言详细

教学过程分析变压器空载运行和负载运行的机理，注意磁链〔磁通）守恒原理的井解。

设计通过各物理最正方向的规定，列出电压平衡方程式和相量图。最后利用绕组折

算的方法，推导出等效电路。

作业、讨论

思考题:5-1、5-2、5-3、545-5

及辅导

•变压器实质上就是具有互感的两个线圈（集中绕组）。

•变压器一、二侧绕组的电压与匝数成正比，一、二侧绕组的电流与匝数成

反比，而功率（容量）近似保持不变。

课后小结।变压器的空载电流起鼓励主磁通的作用，从空载到负载，主磁通根本不变，

励磁电流（空载电流）也根本不变。

・电压平衡方程、相量图、等效电路都能反映变压器的根本电磁关系。

•绕组折算方法具有代表性，在交流异步电机的分析中也会应用之。

授课时间第一周，星期______,第_____节；第9次课

章节名称第四章变压器

课堂讲授（«）；实验课（）；习题课（）；

授课方式教学时数3

讨论课（）;其他（）

授课方法

举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、电路图讲解

和手段

1）掌握变压器的实验和参数测量方法。

教学目的2）理解变压器的运行特性。

要求3）了解三相变压器的根本构成。

4）了解变压器并网运行的根本知识。

第4节变压器的参数测定

教学内容第5节变东器的运行特性

纲要第6节三相变压器

第7节其他用途的变压器

教学重点重点：变压器外特性和电压变化率。

难点难点：变压器的联结组。

首先介绍变压器空载试验和短路试验的接线原理与考前须知，以及式验结

教学过程果的处理方法。然后分析变压器的外特性及电压变化率，效率特性及最大效率

设计问题。最后简要介绍三相变压器的根本构成、联结组、并网运行问题，以及其

他形式的变压器和新型变压器的开展与应用。

作业、讨论思考题:5-8、5-10

及辅导计算题：5-12、5-13、5-14

•变压器等效电路的参数可以通过空载试验和短路试验测取。空载试验应在

低压侧进行，短路试验应在高压侧进行。

•从二次州来说，变压器相当于是一台交流电源，所以其外特性是最重要的

课后小结特性，实际运行时希望外特性曲线尽量保持水平，也就是电压变化率尽量

小。

・三相变压器的原理与单相变压器完全相同，需要进一步了解的是联结组、

并网运行的条件等。

授课时间笫一周，星期______，第_____节：第10次课

章节名称第六章交流电机的旋转磁场理论

课堂讲授14）；实验课（）；习题课（）;

授课方式教学时数2

讨论课（〕；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解、动画视频

和手段

1）理解单相绕组产生气隙脉振磁场的原理。

教学目的

2）理解三相绕组产生气隙旋转磁场的原理

要求

3）了解交流电机主磁通和漏磁通的概念和区别。

第1节电枢绕组的磁动势

教学内容

第2节旋转磁场的形成和特点

纲要

第3节交流电机的主磁通和漏磁通

教学重点重点：旋转磁场的形成和特点。

难点难点：气隙磁场的波形分析

首先通过网络视频和动画视频，使学生对交流电机的旋转磁场具有直观的

教学过程感性认识。然后根据电机磁路的根本特点，介绍气隙磁场的形成机理，单相绕

设计组磁动势的脉振特点，以及三相绕组磁动势的旋转特点。最后简要介绍交流电

机内部的主磁通和漏磁通概念。

作业、讨论

思考题：6-1、6-2、6-3、6-4、6-5

及辅导

•交流电机旋转磁场的分析是比拟困难的，通过视频和动画能起到较好的教

学效果。

课后小结•本章主要定性介绍旋转磁场的根本特点，内容虽少，但却是电机学的核心

内容，非常重要。

•交流电机主磁通、漏磁通的概念与变反器是一致的。

授课时间第一周,星期_____，第______节；第11次课

章节名称第七章异步电机原理（第1、2节）

课堂讲授（<）;实验课（）；习题课（）：

授课方式教学时数3

讨论课（）;其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解、视频讲解

和手段

1）了解异步电动机的用途、结构、原理和运行方式。

教学目的

2）掌握转子静止和转动时的根本电磁关系。

要求

3）掌握磁动势平衡式、电压平衡方程、相量图和等效电路。

教学内容第1节异步电机的结构和运行方式

纲要第2节异步电动机的电磁关系

教学重点重点：T型等效电路及其中的参数意义。

难点难点：感应电动势和合成旋转磁动势的概念。

首先利用多媒体课件简单介绍异步电动机的用途、结构、铭牌数据及国产

教学过程异步电动机主要系列。然后借助动画片演示三相绕组旋转磁动势的产生过程，

设计明确异步电动机的工作原理。最后根据定、转子根本电磁关系和绕组折算和频

率换算的方法，由电压平衡方程式导出T型等效电路。

作业、讨论

思考题：7-1>7-2、7-3、7-4

及辅导

•异步电机又称为感应电机，这是由其工作原理所决定。异步电机通常作为

电动机使用。

・异步电机的转子结构有两种，即笼型却绕线型，前者结构简单，在小功率

电机中应用广泛。

课后小结

异步电机的电磁关系与变压器非常类似，其分析方法与结果（电压1"衡方

程、相量图、等效电路）根本相同。

・异步电机的励磁电流较变压器大，原因是定、转子之间存在气隙，需要消

耗较大的励磁磁动势。

授课时间笫一周,星期_____，第______节：第12次课

章节名称第七章异步电机原理（第3、4节）

课堂讲授（<）;实验课（）；习题课（）;

授课方式教学时数3

讨论课（〕；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）掌握异步电动机的功率流程和转矩关系。

教学目的

2）能推导异步电动机电磁转矩的物理表达式。

要求

3）能分析异步电动机的主要工作特性。

教学内容第3节异步电动机的功率与转矩

纲要第4节异步电动机的工作特性

教学重点重点：异步电动机的功率流程图

难点难点：异步电动机电磁转矩的公式推导

首先根据能量守恒定律，推出异步电动机的功率流程图。然后由功率关系，

教学过程

导出转矩平衡方程。分别由电磁功率导出电磁转矩，以及由电磁转矩通用公式

设计

导山电磁转炬。最后，分析异步电动机的五条工作特性曲线。

作业、讨论思考题：767-7、7-8

及辅导计算题：7-12、7-13、7-14

■异步电动机的机电能量转换过程和宜流电动机是相似的，关键在于作为耦

合介质的磁场对电系统和机械系统的作用和反作用。

•异步电动机的电磁转矩可以用电磁功率除以同步角速度，也可以用总机械

功率除以转子角速度。

课后小结

•异步电动机电磁转矩的物理表达式可以由电磁功率导出，也可以由电磁转

矩的通用公式导出。

异步电动机的工作特性包括转速特性、定子电流特性、功率因数特性、电

磁转矩特性和效率特性，它们都可以通过能量关系和等效电路进行说明。

授课时间第一周，星期______，第_____节；第13次课

章节名称第八章同步电机原理（第1、2节）

课堂讲授（<）;实验课（）；习题课（）:

授课方式教学时数2

讨论课（）;其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解、视频讲解

和手段

1）了解同步电机的结构、原理、分类和运行方式。

教学目的

2）掌握同步电动机的根本电磁关系。

要求

3）掌握同步电动机的电压平衡方程。

教学内容第1节同步电机的结构和运行方式

纲要第2节同步电动机的电压方程和相量图

教学重点重点：同步电动机的电压平衡方程

难点难点：凸极同步电机的双方应理论

首先通过网络视频，介绍同步电机的根本结构和工作原理。然后通过发电

教学过程厂图片，简要介绍同步发电机在电力系统中的应用情况，并区分凸极转子与隐

设计极转子的区别和应用范畴。最后根据双方应理论，分析凸极同步电动机的电压

平衡式，并附带说明隐极同步电动机的电磁关系。

作业、讨论

思考题：8-1、8-2、8-3

及辅导

・同步电机转子的转速有电源频率有严格对应的关系，稳定运行时转子转速

一定等于旋转磁场的转速。

・同步电机按照转子结构可分为凸极式利隐极式，两者特点和应用范围有所

不同。

课后小结

・同步电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。但作为电动机

运行时，转子凸极式结构较为常见。

双方应理论是分析凸极同步电机电磁关系的重要手段，应该好好理解与掌

握。

授课时间笫—周，星期______，笫_____节；笫14次课

章节名称第八章同步电机原理（第3、4、5节）

课堂讲授（7）;实验课（）；习题课（）;

授课方式教学时数3

讨论课（）；其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）掌握同步电动机的功率关系和功角特性（或矩角特性）。

教学目的

2）熟悉同步电动机的功率因数调节方法。

要求

3）了解永破同步电动机的根本情况。

第3节同步电动机的功率方程和功角特性

教学内容

第4节同步电动机的功率因数及U形曲线

纲要

第5节永磁式同步电动机

教学重点重点：同步电动机的功率流程图

难点难点：同步电机的功率因数调节问题

首先按照能量守恒原那么，导出同步电动机的功率流程图，并推出功角特

性和矩角特性，注意凸极式和隐极式在表达式上的不同。然后说明（好习）有

教学过程

功功率和无功功率的根本概念，分析同步电动机功率因数的调节方法和U形曲

设计

线，说明同步电动机可作为调相机或补偿机使用。最后简要介绍两种永破式的

同步电动机。

作业、讨论思考题：848-5、8-6

及辅导计算题:8-10、8-1K8-12

・同步电动机的功率流程与异步电动机、直流电动机相似。

■同步电动机的机械特性是一条水平直线，描述向步电动机特性应该用功角

特性或矩角特性。

同步电动机的最大优点是调节励磁电流可以改变功率因数。在一定有功功

课后小结

率下，改变励磁电流可得到同步电动机的U形曲线。过励时从电网吸收超

前无功功率，欠励时从电网吸收滞后无功功率。

；目前普遍使用的永磁电动机有两大类：即无刷直流电动机和永磁同步电动

机，前者采用梯形波电源供电，后者采用正弦波电源供电。

授课时间第一周，星期______，第_____节；第15次课

章节名称第九章交流电机拖动根底（第1、2节）

课堂讲授（〈）；实验课（）；习题课（）;小、,，"蚪，

授课方式讨论课（）；其他（）教学时数3

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）掌握异步电动机的固有机械特性和人为机械特性。

教学目的

2）理解异步电动机起动电流与起动转矩的矛盾问题。

要求

3）了解不同情况下异步电动机的起动方法

教学内容第1节异步电动机的机械特性

纲要第2节异步电动机的起动

教学重点重点：异步电动机的机械特性

难点难点：趋肤效应

首先推导或说明异步电动机机械特性的三种表达式及其应用范围，并画出

固有机械特性的曲线，分析其中的关键点1空载、额定负载、最大转矩、起动

教学过程

转矩）。然后讨论四种情况下的人为机械特性，特别是降低定子端电压和转子

设计

回路串电阻情况。最后讨论异步电动机的起动问题，主要是如何降低起动电流

和提高起动转矩的措施，分多种情况进行讨论。

作业、讨论

思考题：9-1、9-2、9-3、9-4、9-5、9-7

及辅导

•异步电动机的机械特性有三种表达式，物理表达式用以分析各种运转方式

下的物理过程比拟方便，参数表达式直接反映异步电动机的电磁转矩与参

数的关系，实用表达式可用于绘制异步电动机的机械特性曲线或进行机械

特性计算。

•异步电动机由于起动时感抗较大，功率因数较低，起动电流虽然很大，起

课后小结动转矩却不大。因此对于电力拖动系统，存在以下两种矛盾：起动电流大，

而电网承受冲击电流的能力有限：起动转矩小，而负载又要求有足够的转

矩才能起动。

।一般异步电动机的起动可分为直接起动和间接起动。直接起动适用于小容

量、空或或轻载起动的场合；而大、中容量或经常带负教起动的异步电动

机，通常采用间接起动。

授课时间第一周，星期_____，第______节；第16次课

章节名称第九章交流电机拖动根底（第3、4、5节）

课堂讲授（«）；实验课（）；习题课（）；

授课方式教学时数3

讨论课（）:其他（）

授课方法

多媒体讲解、举例讲解、模型讲解

和手段

1）掌握异步电动机的调速方法。

教学目的

2）