直流他勵電動機的制動特性教學(xué)設(shè)計 授課人郝妮妮所屬專業(yè)：機械工程類專業(yè)所屬課程：機電傳動與控制適用對象：機械工程類專業(yè)本科生主 講 人：郝妮妮所屬單位：山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院1、 教學(xué)背景機電傳動控制是機械類專業(yè)的本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。課程主要從機電一體化技術(shù)的需要出發(fā)，使學(xué)生了解機電傳動控制的一般知識，掌握電機、控制電器、電力拖動、自動控制系統(tǒng)的工作原理、特性、應(yīng)用和選用方法，并能從事機電產(chǎn)品的控制系統(tǒng)設(shè)計，且為數(shù)控機床、微機控制系統(tǒng)等后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。課程對加強學(xué)生素質(zhì)教育，提高學(xué)生分析問題、解決問題的實際能力、以及創(chuàng)新意識、工程實踐的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)機電復(fù)合型拔尖創(chuàng)新型人才都具有重要作用。本次微課所選授課內(nèi)容為“直流他勵電動機的制動特性”。此知識點一直是“機電傳動控制”這門課程的一個重點和難點內(nèi)容。多數(shù)同學(xué)對此內(nèi)容概念不能透徹理解；不能將原理性的知識用機械特性曲線圖來表達；對三種制動形式容易相互混淆，不能區(qū)分三種形式各自的優(yōu)缺點；無法用學(xué)習(xí)到的理論知識去解決實際問題。參賽者針對此教學(xué)內(nèi)容存在的問題，大膽改革教材內(nèi)容，并精心設(shè)計教學(xué)過程，堅持“授課而非授書”的教學(xué)理念，采用“啟發(fā)式”教學(xué)方法，靈活運用多媒體或教鞭或板書等多種教學(xué)手段來完成授課，實現(xiàn)“教師享受教，學(xué)生享受學(xué)”。以日常生活中人們所熟悉的如自行車、汽車等機械制動方式存在摩擦生熱甚至起火等問題作為切入點，引出本次課的主題直流他勵電動機的制動特性，進而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)積極性。授課過程中，依據(jù)提出問題（何謂電氣制動）、分析問題（提出電氣制動的三種方法）、解決問題（得到制動特性曲線）、理論知識與實際相結(jié)合（通過制動特性機械特性曲線和實例比較各種制動方法的優(yōu)缺點及各自適用的場合）的教學(xué)思路不斷的啟發(fā)學(xué)生，促使學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊思考再學(xué)習(xí)，不斷增加知識深度，進而讓學(xué)生對所學(xué)知識點有所深刻的了解，培養(yǎng)學(xué)生能以工程的觀念來解決實際問題的能力。二、教學(xué)理念 1、自身堅持“專心致志，以事其業(yè)”的敬業(yè)精神。每一堂課堅持“備好課講好課”； 2、樹立“對象”意識。教學(xué)過程中注重與學(xué)生的“互動”，確立學(xué)生的主體地位，“教”與“學(xué)”不脫離。通過“互動”調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。 3、樹立“理論聯(lián)系實際”的教學(xué)理念。機械類專業(yè)的專業(yè)課教學(xué)始終堅持理論知識與實際相結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的理解和運用能力，強化鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。三、教學(xué)特色1、教學(xué)過程中堅持“授課而非授書”！教材是“死的”，課程是“活”的，大膽改革教材內(nèi)容，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容；2、教學(xué)活動中改變以往“被動式”教學(xué)，而采用“啟發(fā)式”和“研究式”，引導(dǎo)學(xué)生跟著教學(xué)思路不斷的思考問題、分析和解決問題；3、培養(yǎng)學(xué)生的工程思想和理念，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時鍛煉學(xué)生“運用所學(xué)知識解決實際問題，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造和學(xué)習(xí)更多的知識”。四、教學(xué)方法與手段教學(xué)方法：課堂采用啟發(fā)式和研究式教學(xué)，教學(xué)過程中注重與學(xué)生的互動，以此調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性的思維能力。教學(xué)手段：根據(jù)教學(xué)需求，靈活恰當(dāng)?shù)倪x擇多媒體教學(xué)、教鞭或者粉筆加黑板等不同的教學(xué)手段。五、教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：1、掌握電氣制動的三種形式； 2、電氣制動三種形式的制動原理及制動特性； 3、總結(jié)三種制動形式的優(yōu)缺點。技能目標(biāo)：1、掌握三種制動形式適用的場合； 2、培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，注重理論與工程實際的聯(lián)系。六、教學(xué)內(nèi)容與設(shè)計過程教學(xué)內(nèi)容：1、機械制動相對于電氣制動的缺點 2、實現(xiàn)電氣制動的三種方法 3、電氣制動三種形式的優(yōu)缺點及適用場合。教學(xué)設(shè)計思路：開 場：提出問題。以學(xué)生所熟知的自行車、汽車等的制動方式存在什么缺點為引入點，提起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，讓學(xué)生帶著目的聽課。過程中：分析問題。自行車等機械制動由于摩擦生熱易引起制動失效，提出“電動機電氣制動”這個知識點。教學(xué)思路依據(jù)：“何謂電動機的電氣制動？” “實現(xiàn)電氣制動有哪幾種方法？” “電氣制動每一種形式的制動原理是什么？” “電氣制動每一種形式的制動特性是什么？” 采用啟發(fā)式教學(xué)，依據(jù)如上問題思路引導(dǎo)學(xué)生不斷的思考，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉學(xué)生分析問題的能力。 結(jié) 尾：解決問題。歸納總結(jié)出電氣制動有三種制動形式，反接制動、能耗制動、反饋制動。 引 申：理論與實際有機結(jié)合。提出“三種制動形式各自有什么優(yōu)缺點？” “三種制動形式各自適合什么場合？”以辯證的眼光來看問題，分析出三種制動形式各自的優(yōu)缺點。以工程的觀念將理論知識與實際相結(jié)合，分析出何種制動形式適合何種現(xiàn)場制動場合。七、教學(xué)總結(jié)：1、 掌握電動機的三種制動形式（反接制動、能耗制動、反饋制動）的制動特性及優(yōu)缺點； 2、反饋制動不僅能限制位能負載的下降速度，同時吸收的機械能轉(zhuǎn)化的電能一部分消耗在內(nèi)阻上，另一部分回饋到電網(wǎng)中了。由于不可再生能源的短缺和人們對環(huán)境的重視，反饋制動系統(tǒng)在電梯、汽車等許多領(lǐng)域都被廣泛的應(yīng)用，利用反饋制動實現(xiàn)能量回饋，達到節(jié)能的目的（理論聯(lián)系工程實際）。腳本： 引入：以日常生活中人們所熟悉的如自行車、汽車、起重機等機械制動方式存在摩擦生熱甚至起火等問題作為切入點，引出本次課的主題直流他勵電動機的電氣制動 今天我們將以直流他勵電動機為例，來給同學(xué)們介紹電動機的制動特性。需要掌握的知識點為電氣制動的三種形式及相應(yīng)的制動特性及各自適用的場合。 我們先來看一下日常生活中同學(xué)們所熟悉或者接觸的自行車和汽車的制動方式自行車，在停車或者下坡減速時，手握閘，車閘上的制動器與車輪摩擦實現(xiàn)停車或者減速； 對于汽車，制動時踩下制動踏板，通過傳動機構(gòu)使制動蹄上的摩擦片壓緊在制動鼓的內(nèi)圓面上產(chǎn)生一個摩擦力矩。 這些制動方式，都是通過什么方式？共同點是什么？ 這都屬于機械制動，共同的特點就是制動時制動器與制動對象之間的機械摩擦力產(chǎn)生制動。我們知道，摩擦就會磨損，降低使用壽命，增加了更換零部件的成本。同時摩擦也會生熱，降低制動效果，甚至?xí)鹬瓞F(xiàn)象 我們來看，如果在類似這樣的山路上開車，轉(zhuǎn)彎或下坡的地方非常多，司機大部分會長期踩著腳剎，這樣會出現(xiàn)什么問題？ 易出現(xiàn)剎車過熱造成制動失靈，更有甚者會出現(xiàn)輪胎著火現(xiàn)象。如新聞中報道過很多大貨車司機開車時由于長時踩著腳剎，導(dǎo)致剎車片過熱輪胎著火的案例。 不采用直接的摩擦，如何實現(xiàn)制動？ 想到電動機有兩種工作狀態(tài)，電動和制動。制動狀態(tài)時產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動轉(zhuǎn)矩。所以提出電動機的電氣制動 那么，如何實現(xiàn)電氣制動？ 要讓電動機產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，那么就要改變T的方向，進而要改變電流的方向。所以首先想到的實現(xiàn)電氣制動的第一種方法就是電源反接，改變電流方向。也就是通常所說的電源反接制動。以直流他勵電動機為例進行介紹。 電源方向如圖所示時，電動機處于電動狀態(tài)。電動機特性曲線如圖1，與負載的交點a為穩(wěn)定工作點。反接時，電樞反接在電源上，同時電樞回路要串接制動電阻Rad。 這時電流方向相反產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；特性曲線如何變化？（結(jié)合板書）理想同步轉(zhuǎn)速變向，得到特性曲線2.由于機械慣性的作用，轉(zhuǎn)速不能突變，工作點由a點過度到b點，此時在電機和負載制動轉(zhuǎn)矩的共同作用下系統(tǒng)減速至0到c點。 那么為什么要串接電阻？（結(jié)合板書） 我們看電動時的電流大小，電源反接制動開始瞬間電流等于電壓和電動勢串接時的電流，電流非常大，為了限流電動機的電樞電路中必須串接足夠大的限流電阻。 針對反抗性負載，a點Tm=TL，達到穩(wěn)定平衡點。電源反接瞬間，由于機械慣性的作用，速度不能突變，工作點由a點過渡到b點，b點轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。由運動學(xué)方程式可知系統(tǒng)減速至c點，速度為0，實現(xiàn)減速。 問題：這時，若電樞不從電源拉開，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？（結(jié)合板書） 在C點，電動機產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩大于負載的制動轉(zhuǎn)矩，要反向加速！ 優(yōu)點：制動電流相對較大，制動力大制動迅速 缺點：制動準(zhǔn)確性差 適用場合：制動迅速的要求 問題：如何準(zhǔn)確停車？ 第二種制動方式：能耗制動（結(jié)合板書） 在n=0時，TM =0 Tm=0，及n0=0，即U=0，切除電源。 電路原理圖中電流方向為電動方向，特性曲線如圖1.電源切除后，由于n的存在，電動勢充當(dāng)電源，產(chǎn)生方向相反的電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。在0點時，電動機轉(zhuǎn)矩為0恒小于負載轉(zhuǎn)矩，所以不會出現(xiàn)反向啟動的危險。 優(yōu)點：制動準(zhǔn)確 從能量角度出發(fā)，能耗制動，機械能全部消耗在電阻，造成能源的浪費。（結(jié)合板書） 那么，能否將轉(zhuǎn)變的電能回饋到電網(wǎng)中，實現(xiàn)能源的充分利用呢？ 第三種制動形式，反饋制動 在外部條件的作用下，實際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速，電動機輸出轉(zhuǎn)矩的作用方向n的方向相反，電動機運行于反饋制動狀態(tài)。此狀態(tài)時機械能轉(zhuǎn)變成電能，向電源饋送，稱反饋制動。（結(jié)合板書）電機車由平路變?yōu)橄缕逻\行時，小車加速運行，越過理想空載轉(zhuǎn)速時，電動機轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?