初中物理电动机教学课件

初中物理电动机教学课件目录电动机的基本概念电动机的结构组成了解电动机的定义、类型及其在现代社会中的重要性探索电动机的主要组成部分及其功能电动机的工作原理电动机的应用实例深入理解电动机如何通过电磁作用转化能量了解电动机在日常生活和工业中的广泛应用实验演示与课堂互动小结与思考题通过实验加深对电动机工作原理的理解什么是电动机？电动机是能将电能转化为机械能的装置电动机利用电流在磁场中受力的原理，将电能转化为机械能，产生旋转运动我们生活中常见的电动机电动车电风扇电动机的重要性推动工业自动化电动机是现代工业的心脏，在生产线、机床、泵、压缩机等设备中扮演着核心角色工厂里几乎所有需要动力的设备都依赖电动机改变生活方式，提高生产效率从家用电器到交通工具，电动机彻底改变了我们的生活方式电动机的出现极大地提高了生产效率，释放了人力，促进了社会进步电动机的发明与应用是人类历史上的重大技术革命之一，是电气时代的标志性成果现代工厂生产线电动机的基本结构定子转子（电枢）电刷与换向器固定不动的部分，通常由永磁体或电磁铁组可以旋转的部分，通常由线圈和铁芯组成电刷固定不动，与旋转的换向器保持接触成，用于产生稳定的磁场定子是电动机的当电流通过线圈时，产生的磁场与定子磁场它们共同完成电流换向的任务，保证转子能框架，为转子提供工作环境相互作用，形成转矩，使转子旋转够持续旋转，是直流电动机的关键部件这些组件精密配合，共同实现电能到机械能的高效转换电动机的结构可能因类型不同而有所差异，但基本原理相同电动机内部结构示意图主要部件说明电动机内部结构紧凑而精密，每个部件都有其特定功能定子和转子之间存在定子产生稳定磁场的固定部分气隙，保证转子可以自由旋转但又足够转子携带线圈的旋转部分小以保持较强的磁场作用电刷传导电流的固定接触装置不同类型的电动机可能在结构细节上有换向器随转子旋转，实现电流方向改所差异，但基本组成部分和工作原理相变似磁场与电流的相互作用磁场对电流导体的作用力当通电导体放置在磁场中时，导体会受到力的作用这种力的大小与电流强度、磁场强度以及导体长度成正比左手定则左手定则帮助我们确定力的方向

1.左手平伸，手掌朝向磁场方向

2.四指指向电流方向

3.大拇指所指方向即为导体受力方向这一基本原理是电动机工作的物理基础电动机的工作原理概述力矩推动转子旋转磁场与定子磁场相互作用产生力矩电流通过线圈产生磁场这种力矩使转子开始旋转随着转子旋转，转子磁场与定子磁场相互作用，根据同性相换向器会改变电流方向，保证力矩方向始终当电流通过转子线圈时，线圈周围产生磁场，斥，异性相吸的原理，产生使转子旋转的力一致线圈变成一个电磁铁，具有南北极性矩电动机工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培力定律，通过精巧的机械设计将物理原理转化为实用的机械运动电动机可以将电能以较高的效率转化为机械能，是现代工业和生活中不可或缺的设备直流电动机的工作过程工作过程详解换向器换向转子旋转到一定角度时，换向器改变电流方向持续旋转由于电流方向的及时改变，力矩方向保持不变，转子持续旋线圈通电电源通过电刷和换向器向线圈提供电流转产生力线圈在磁场中受力，形成力矩这个过程不断循环，使电动机能够持续工作电流换向是保证直流电动转动力矩推动转子开始旋转机持续旋转的关键换向器的作用保证电流方向随转子旋转不断改变换向器是直流电动机中的关键部件，它随转子一起旋转换向器由绝缘的铜片组成，每片铜片连接到电枢绕组的一端当转子旋转时，电刷与不同的换向器片接触，使电流在绕组中的方向随转子位置的变化而改变使转矩方向保持一致，转子持续旋转正是由于换向器的存在，无论转子旋转到何种位置，产生的转矩方向总是促使转子继续按同一方向旋转，从而实现持续运动换向器工作原理示意图电刷的作用与位置电刷的固定位置电刷的主要功能电刷通常由石墨或石墨铜混合材料制成，电刷的主要作用是固定在电动机壳体上，不随转子旋转

1.将外部电源连接到旋转的电枢绕组电刷与旋转的换向器保持接触，形成滑

2.在转子旋转过程中保持电路闭合动接触

3.与换向器配合完成电流换向电刷的位置精确设计，通常位于磁场的中性面上，这对电动机的正常工作至关电刷会随使用逐渐磨损，是电动机中需重要要定期更换的易耗部件电动机转动的条件必须有磁场必须有电流通过线圈力的方向与磁场方向垂直定子必须产生稳定的磁场，可以是永磁体产转子线圈中必须有电流，电流通过线圈产生根据左手定则，导体受力方向与磁场方向和生的磁场，也可以是电磁铁产生的磁场磁磁场，与外部磁场相互作用电流越大，产电流方向都垂直，这样才能产生使转子旋转场强度直接影响电动机的性能生的力矩越大的力矩这三个条件缺一不可，是电动机正常工作的基本要求当外部条件改变时，如电压变化、负载变化等，电动机的工作状态也会相应变化了解这些基本条件有助于我们理解电动机的工作特性和故障原因电动机的转矩与转速关系转矩与电流成正比转速与电动势成正比电动机产生的转矩与通过电枢的电流成电动机的转速与反电动势成正比正比其中，n为转速，U为电源电压，Ia为电其中，T为转矩，KT为转矩常数，Ia为电枢电流，Ra为电枢电阻，KE为反电动势枢电流常数，Φ为磁通量当负载增加时，电动机需要产生更大的这一关系表明，电源电压越高，转速越转矩，因此会吸收更多的电流高；负载越大，转速越低电动机的额定参数介绍额定电压额定电流电动机正常工作时应施加的电压例如，12V、24V、220V等超出电动机在额定负载下工作时吸收的电流超过额定电流会导致电动机额定电压范围会导致电动机损坏或性能下降过热，缩短使用寿命额定转速额定功率电动机在额定负载和额定电压下的转速，通常以r/min（转/分）为单电动机能够长期安全输出的机械功率，通常以瓦特W或千瓦kW为位不同用途的电动机额定转速差异很大单位选择电动机时，应根据负载需求选择合适功率了解这些参数对于正确选择、使用和维护电动机至关重要电动机铭牌通常标明这些参数，使用时应严格遵守超出额定参数范围使用会导致电动机过热、效率下降，甚至损坏永磁直流电动机与电磁直流电动机区别永磁直流电动机电磁直流电动机•使用永久磁铁作为定子，产生稳定磁场•结构简单，体积小，重量轻•启动电流小，效率高•无需励磁电源，控制简单•磁场强度固定，调速范围有限电枢绕组类型单叠绕组绕组对电动机性能的影响单叠绕组的特点绕组类型的选择直接影响电动机的•所有线圈首尾相连，形成单一闭合回路•整流性能•适用于大电流、低电压场合•电压/电流适应性•具有良好的整流性能•效率•电刷数量通常为2个•稳定性单波绕组•速度特性不同应用场合应选择合适的绕组类型，以获得最佳性能单波绕组的特点•线圈分组连接，形成多个并联回路•适用于高电压、小电流场合•电刷数量通常等于极数•承受电流能力较强电枢绕组示意图单叠绕组单波绕组单叠绕组中，每个线圈的终端连接到与单波绕组中，每个线圈的终端连接到距起始端相邻的换向器片上这种连接方起始端较远的换向器片上这种连接方式使得所有线圈串联形成一个闭合回路式形成多个并联路径特点承受电流能力强，适合高电压小特点整流性能好，适合低电压大电流电流应用，如精密仪器驱动等应用，如电动车、起重机等绕组方式的选择要考虑电动机的用途、工作电压、负载特性等因素不同的绕组方式赋予电动机不同的电气特性和机械性能电动机的启动与调速方法改变电压改变磁场强度改变电枢电阻通过调节电动机两端的电压来改变转速电压通过调节励磁电流改变磁场强度，从而改变转通过在电枢回路中串联电阻，增加回路总电阻，越高，转速越高；电压越低，转速越低这是速磁场越强，转速越低；磁场越弱，转速越降低电流，从而降低转速这种方法能量损耗最常用的调速方法，适用于多种类型的电动机高此方法主要适用于电磁式直流电动机大，效率低，主要用于启动阶段或临时调速现代电动机控制系统通常使用电子调速器，如PWM（脉宽调制）技术，可以实现平滑、高效、精确的速度控制不同的调速方法有各自的优缺点，应根据具体应用选择合适的方法在启动阶段，电动机通常需要较大的起动电流，可能是额定电流的5-7倍因此，大型电动机通常需要特殊的启动装置，如软启动器或变频器电动机的常见故障及排除故障现象可能原因排除方法电动机不转电源断开绕组断路电刷接触不良检查电源连接检测绕组连续性清洁或更换电刷电动机转速过低电压过低负载过重轴承磨损检查电源电压减轻负载更换轴承电动机过热过载运行绕组短路冷却不良减轻负载修复或更换绕组改善散热条件电动机噪音过大轴承损坏转子不平衡电刷弹簧松动更换轴承平衡转子调整或更换弹簧电动机震动转子不平衡安装不牢固轴弯曲平衡转子加固安装校直或更换轴定期维护和检查可以及时发现潜在问题，延长电动机使用寿命在处理电动机故障时，应先断开电源，确保安全对于复杂故障，应请专业技术人员处理电动机在生活中的应用案例电风扇洗衣机电动车电风扇使用单相异步电动机或永磁直流电动机驱洗衣机使用电动机驱动波轮或滚筒旋转新型洗电动车使用大功率直流或交流电动机提供动力动扇叶旋转现代电风扇通常采用变频技术，可衣机采用变频电机，能够根据衣物量和脏污程度电动车电机通常安装在轮毂内（轮毂电机）或通以实现多档位调速和节能运行自动调节转速和力度过传动机构连接到车轮除了上述例子，电动机还广泛应用于空调压缩机、电动工具、电动玩具、硬盘驱动器等众多设备中电动机的多样化应用极大地改善了我们的生活质量和工作效率电风扇内部电动机实物图电风扇电动机的主要部件电风扇电动机的特点定子固定在电机外壳上的磁性部件•功率通常在20-100瓦之间转子连接扇叶的旋转部分•转速可调，一般为800-1800转/分钟轴承支撑转子并减少摩擦•噪音低，散热效果好电刷在有刷电机中用于传导电流•寿命长，通常可使用5-10年现代电风扇多采用直流变频电机，相比传统电机更节能、更静音、调速更平滑电动机实验演示设计演示磁场对电流导体的作用力使用U形磁铁和悬挂的导线，当导线通电时，可以观察到导线在磁场中的运动这直观地展示了电动机的基本工作原理演示换向器换向过程使用简易电动机模型，展示换向器如何随转子旋转而改变电流方向可以暂停演示，让学生观察不同位置的电流路径观察转子转动现象使用透明外壳的电动机模型，让学生清楚观察电动机内部结构和转子转动过程，加深对电动机工作原理的理解这些演示实验有助于学生将抽象的物理原理与具体的现象联系起来，提高学习兴趣和理解深度实验过程中，可以引导学生思考并回答相关问题，促进互动学习实验步骤与注意事项123实验准备实验操作实验记录与分析•检查电源、导线、电动机模型等设备是否•按照实验指导书正确连接电路•详细记录观察到的现象和测量数据完好•从低电压开始，逐步增加到实验所需电压•绘制相关图表，如电流-转速曲线•确保实验台面干净整洁，无杂物•观察并记录电动机的启动、运行状态•分析实验结果，与理论预期比较•准备好记录工具，如笔记本、秒表等•使用测量工具记录电流、电压、转速等参•讨论可能的误差来源及改进方法数安全注意事项•实验前必须进行安全教育，明确操作规范•使用低压电源（不超过36V）进行实验，避免触电危险•长发学生应将头发扎起，避免被旋转部件卷入•实验过程中如发现异常，应立即切断电源•实验结束后，断开电源，整理实验设备课堂互动电动机小问答为什么电动机能持续转动？如何改变电动机的转速？思考提示思考提示•考虑换向器的作用•回顾影响转速的因素•思考电流方向与力的关系•分析各种调速方法的原理•分析转矩方向的变化规律•思考不同调速方法的优缺点换向器的作用是什么？课堂小实验思考提示分组讨论并尝试设计一个简易电动机，使用以下材料•考虑没有换向器会发生什么•铜线、磁铁、电池、回形针、橡皮筋•分析换向器如何改变电流方向•讨论设计方案，绘制草图•思考换向时机的重要性•分析可能遇到的问题及解决方法通过这些问题和活动，鼓励学生主动思考，深入理解电动机的工作原理，培养实践能力和创新精神课堂互动也有助于活跃气氛，提高学习兴趣电动机的能量转换效率电能转机械能的效率电动机的效率通常在60%-95%之间，现代高效电动机效率可达90%以上这意味着大部分输入的电能能够转化为有用的机械能影响效率的因素电动机效率受多种因素影响铜损电流通过绕组产生的热量损失铁损铁芯中的涡流和磁滞损耗机械损失轴承摩擦、风阻等杂散损失漏磁、涡流等引起的附加损失减少这些损失是提高电动机效率的关键效率计算公式其中，η为效率，P出为输出的机械功率，P入为输入的电功率电动机的环保意义节能减排推动绿色交通工具发展高效电动机能够减少能源消耗，降低发电需求，间接减少温室气体排放据估计，如果全球所有工业电动机都采用高效型号，每年可减少约10%的电力消耗电动机是电动汽车、电动自行车等绿色交通工具的核心部件这些交通工具与传统燃油车相比•无尾气排放，减少空气污染现代电动机设计注重节能，采用高性能材料和优化结构，显著提高能源利用率•噪音低，减轻噪音污染•能源利用效率高，减少资源消耗•可结合可再生能源使用，形成真正的绿色出行方式电动机技术的进步直接推动了绿色交通革命，为解决城市污染和能源危机提供了可行方案未来电动机技术展望无刷直流电机智能控制电机新材料应用无刷直流电机取消了传统的电刷和换向器，使集成微处理器和传感器的智能电机系统，能够纳米材料、高温超导材料、新型磁性材料在电用电子控制系统进行换相具有效率高、寿命实时监控运行状态，自动调整参数，实现最佳机领域的应用，将大幅提高电机性能例如，长、噪音低、体积小等优点已广泛应用于电效能智能电机可远程控制、故障诊断，与物稀土永磁材料使电机体积更小、重量更轻、效动工具、家电和电动车等领域，是未来电机技联网技术结合，成为智能家居和工业自动化的率更高；碳纳米管和石墨烯有望革新电机绕组术的主要发展方向重要组成部分技术未来电动机将向着更高效、更智能、更环保的方向发展随着技术进步，电动机的应用领域将进一步扩大，在航空航天、医疗设备、机器人等高精尖领域发挥越来越重要的作用我们应当鼓励学生关注电动机领域的最新技术发展，培养创新意识和实践能力，为未来科技进步做好准备复习与总结电动机的结构电动机的原理•定子产生稳定磁场•磁场对通电导体的作用力•转子携带线圈，产生转矩•左手定则确定力的方向•电刷与换向器实现电流换向•换向器保证持续旋转实验与实践电动机的应用•观察电动机结构•家用电器风扇、洗衣机•测量工作参数•交通工具电动车、电动汽车•分析工作特性•工业设备泵、风机、机床•排除常见故障电动机作为一种重要的能量转换装置，在现代生活中无处不在通过本课的学习，我们了解了电动机的基本结构、工作原理和应用，认识到电磁现象在实际应用中的重要性希望同学们能够将所学知识应用到实践中，培养科学思维和创新能力课后思考题设计一个简单的电动机模型解释换向器为什么必须与电刷配合使用使用简单材料（如铜线、磁铁、电池等），设计并制作一个能够运转的简易电动机记录设计思路、制作过程和实验结果，分析遇到的问题及解决方法分析如果只有换向器而没有电刷，或者只有电刷而没有换向器，电动机会出现什么问题？为什么这两个部件必须配合使用才能实现电动机的持续旋转？讨论电动机在未来生活中的可能新用途结合科技发展趋势，探讨电动机在未来生活、工业、医疗、交通等领域可能的新应用思考这些应用可能带来的社会变革和对人类生活的影响谢谢聆听！欢迎提问与讨论联系方式参考资料推荐教师邮箱physics@school.edu.cn•《初中物理电学实验指导》•《电动机原理与应用》办公室理科楼304室•《趣味物理小实验100例》答疑时间周

二、周四下午3:30-5:00•科普网站中国科普网、果壳网。