作者：孙景芝,李庆武
出版社：电子工业出版社
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建筑设备电气控制工程试读：
前言
。孙景芝，李庆武 主编阎循忠 主审陈健德 责任编辑陈健德 其他贡献者chenjd＠phei.com.cn徐海燕 封面设计全国高职高专院校土建类专业课程研究专家组
主任委员：
赵研黑龙江建筑职业技术学院院长助理、省现代建筑技术研究中心主任
副主任委员：
危道军湖北城市建设职业技术学院副院长
吴明军四川建筑职业技术学院土木工程系主任
常务委员（排名不分先后）：
王付全黄河水利职业技术学院土木工程系主任
徐光邢台职业技术学院建筑工程系主任
孙景芝黑龙江建筑职业技术学院机电工程学院院长
冯美宇山西建筑职业技术学院建筑装饰系主任
沈瑞珠深圳职业技术学院建筑与环境工程学院教授
王俊英青海建筑职业技术学院建筑系主任
王青山辽宁建筑职业技术学院建筑设备系主任
毛桂平广东科学技术职业学院建筑工程与艺术设计学院副院长
陈益武徐州建筑职业技术学院建筑设备与环境工程系副主任
宋喜玲内蒙古建筑职业技术学院机电与环境工程系副主任
陈正江西建设职业技术学院建筑工程系主任
肖伦斌绵阳职业技术学院建筑工程系主任
杨庆丰河南建筑职业技术学院工程管理系主任
杨连武深圳职业技术学院建筑与环境工程学院教授
李伙穆福建泉州黎明职业大学土木建筑工程系主任
张敏昆明冶金高等专科学校建筑系副主任
钟汉华湖北水利水电职业技术学院建筑工程系主任
吕宏德广州城市职业学院建筑工程系主任
侯洪涛山东工程职业技术学院建筑工程系主任
刘晓敏湖北黄冈职业技术学院建筑工程系副教授
张国伟广西机电职业技术学院建筑工程系副主任
秘书长：
陈健德电子工业出版社高等职业教育分社高级策划编辑
如果您有专业建设与课程改革或教材编写方面的新想法，请与我们及时联系。
电话：010-88254585，电子邮箱：chenjd＠phei.com.cn职业教育 继往开来（序）
自我国经济在新的世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。
中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。
近期由电子工业出版社组织策划和编辑出版的“全国高职高专院校规划教材·精品与示范系列”，具有以下几个突出特点，特向全国的职业教育院校进行推荐。（1）本系列教材的课程研究专家和作者主要来自于教育部和各省市评审通过的多所示范院校。他们对教育部倡导的职业教育教学改革精神理解得透彻准确，并且具有多年的职业教育教学经验及工学结合、校企合作经验，能够准确地对职业教育相关专业的知识点和技能点进行横向与纵向设计，能够把握创新型教材的出版方向。（2）本系列教材的编写以多所示范院校的课程改革成果为基础，体现重点突出、实用为主、够用为度的原则，采用项目驱动的教学方式。学习任务主要以本行业工作岗位群中的典型实例提炼后进行设置，项目实例较多，应用范围较广，图片数量较大，还引入了一些经验性的公式、表格等，文字叙述浅显易懂。增强了教学过程的互动性与趣味性，对全国许多职业教育院校具有较大的适用性，同时对企业技术人员具有可参考性。（3）根据职业教育的特点，本系列教材在全国独创性地提出“职业导航、教学导航、知识分布网络、知识梳理与总结”及“封面重点知识”等内容，有利于老师选择合适的教材并有重点地开展教学过程，也有利于学生了解该教材相关的职业特点和对教材内容进行高效率的学习与总结。（4）根据每门课程的内容特点，为方便教学过程对教材配备相应的电子教学课件、习题答案与指导、教学素材资源、程序源代码、教学网站支持等立体化教学资源。
职业教育要不断进行改革，创新型教材建设是一项长期而艰巨的任务。为了使职业教育能够更好地为区域经济和企业服务，我们殷切希望高职高专院校的各位职教专家和老师提出建议，共同努力，为我国的职业教育发展尽自己的责任与义务！
中国电子教育学会前言
本书根据国家示范性高职院校建设项目要求进行编写，以建筑电气工程技术专业为重点，带动建筑设备工程专业、楼宇智能化专业、供热通风与空调工程专业、计算机专业（电气方向、楼宇方向）、电子信息专业、机械制造与自动化专业、电气自动化技术专业等专业群的建设。主要目的是为了适应现代社会发展对建筑电气工程技术专业领域人才的大量需求，培养适应建筑电气职业标准的高技能职业人，深化职业教育教学改革，推行工学结合项目导向+顶岗实习的“2+1”人才培养模式，创新任务驱动教学模式，构建以岗位能力为核心，以实践教学为主体的特色课程体系和人才培养方案。坚持走内涵发展道路，以校企合作办学为突破口，全面推行开放办学，建成满足建筑电气工程技术专业群职业岗位能力训练需要的校内“生产性”实训环境。进一步巩固学校和企业之间的紧密合作关系，建立一种互利互惠的、双赢的、可持续发展的合作机制，使行业主导、校企互动的思想贯穿到人才培养模式及课程体系改革的全过程中。
通过3年的项目建设，进一步完善工学结合、校企合作的人才培养模式，细化每个合作环节，量化各阶段的监测指标，建立和健全与之相适应的管理制度及考评标准；创新工学结合的课程体系，开发与建设具有项目导向、任务驱动特色的核心课程和教材，做到全程教学服务，开发和创建教学包与课程资源包；在以国家注册电气工程师为领军人物的带动下，打造一支思想素质高、职业能力强、理论扎实、技能过硬的具有开拓和奉献精神的“双师型”专兼结合的一流教学团队；建成可满足建筑电气工程技术专业群学生工学结合的生产性实训室，使建筑电气工程技术专业群的办学实力、科研水平和社会服务能力进一步增强，大幅度提高人才培养质量，为社会国民经济发展、东北老工业基地建设和城市建设提供人才保证。努力把建筑电气工程技术专业建设成为精品专业，并对其他高职院校的同类及相近专业起到引领、示范和辐射作用，以实现建筑电气工程技术专业的总体建设目标。
建筑设备电气控制工程包括两大模块，模块一为建筑电气控制基础知识与实训，模块二为典型建筑电气常用控制设备控制与安装。模块一主要介绍变压器，电动机，电动机电力拖动基础，常用低压电气控制元件的类型、构造、原理、技术指标，以及在建筑电气控制系统中的选择及应用；电气控制图形的绘制规则；电气图的类型、国家标准及组成电气控制线路的基本规律；交流电动机启动、运行、制动、调速的控制线路原理及控制特点；电气联锁、保护环节以及电气控制线路的分析方法、设计思路与技巧及操作方法等知识。模块二介绍典型建筑机械电气控制线路的读图方法，并以生活给水排水、混凝土搅拌机、桥式起重机、电梯、锅炉房设备与空调设备等典型建筑设备为案例，详细介绍控制线路的组成、工作原理以及机械、液压与电气控制配合的意义，对电气控制系统的分析方法和分析步骤进行了实际运用，为电气控制系统的设计、安装、调试与维护打下基础，为从事建筑电气工程做好理论与技能方面的准备。另外，为使读者在学习过程中理论与实际的密切结合，书中给出了相关练习题与训练项目。意在培养学生的应用能力，以适应现代化建筑行业的岗位需求。
本书的主要特点如下：（1）根据国家示范性高职院校建设项目要求与人才培养目标，紧紧围绕本专业的职业能力训练安排书中内容。（2）将原来的建筑电气控制和电机拖动基础两门课程，按照建筑电气工程行业职业岗位技能要求，对内容进行了优化和综合，有利于学生掌握实用技能。（3）结合工作任务，在每一学习情境的阐述过程中，结合工程项目的实际设计、安装及运行维护中所需要的知识点和技能展开分析，实用性强，是指导学生工程实践的必修内容。
本书脉络清晰，内容通俗易懂，图文并茂，可作为高职高专院校建筑电气工程、建筑设备工程、楼宇智能化、供热通风与空调工程等专业的教材，以及应用型本科、成人教育、函授学院、电视大学、中职学校相关课程的教材，同时也是建筑电气控制系统工程技术人员的一本好参考书。
本书由黑龙江建筑职业技术学院孙景芝、李庆武、高影、王兆霞编写。学习情境1、3、4、5、7、9由孙景芝编写；学习情境2由李庆武编写；学习情境6由高影编写；学习情境8由王兆霞编写；全书由孙景芝负责统一定稿。由黑龙江省建筑安装公司专家阎循忠（享受国务院特殊津贴）进行了认真的审阅，并提供了非常珍贵的修改意见，在此谨向他表示诚挚的谢意。
本书参考了大量的书刊资料，并引用了部分资料，除在参考文献中列出外，在此一并向这些书刊资料作者表示衷心的感谢。
由于建筑电气控制系统新技术、新材料的不断发展和进步，加之我们的专业水平有限，时间仓促，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指证。
为了方便教师教学，本书配有免费的电子教学课件与练习题参考答案，请有此需要的教师登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后进行下载，有问题时请在网站留言板留言或与电子工业出版社联系（E-mail：hxedu＠phei.com.cn）。
编者学习情境1 建筑设备电气控制工程认知教学导航
本学习情境从课程设计入手，首先介绍建筑电气控制工程系统包含的内容、工作任务和涉及的相关知识，再对相关规范进行说明。学习本情景后，读者应学会制定设备安装的作业计划，并实施、检查和反馈；明确在安装过程中，使用工具、设备和材料等应符合劳动安全和环境保护规定。任务1-1 本课程教学设计与要求
1.课程定位与培养目标
建筑设备电气控制工程作为建筑电气工程技术专业优质核心课程（领域）之一，在该专业中有举足轻重的地位。随着建筑业的发展，建筑电气控制设备越来越多，技术领域更加广泛，技能要求越来越高，因此，建筑设备电气控制工程课程是建筑电气工程技术专业培养合格人才的重要组成部分。
1）课程培养目标（1）熟悉电动机的使用与安装；（2）理解控制线路常用低压电器的功能、工作原理及选用；（3）掌握继电接触控制线路的组成、控制原理及线路安装技能和安装工艺；（4）掌握建筑给水排水系统的电气设备运行控制与安装，建筑施工常用设备的运行操作与维护，电梯的运行控制、安装调试与维护，建筑物中冷热源设备的运行控制与安装，建筑设备的电气控制设计与安装调试基础知识；（5）概括设计方案的确定原则、设计步骤；（6）能识读和绘制建筑电气控制系统施工图；（7）能根据建筑电气控制系统施工图和安装程序进行设备安装、布线和调试；（8）对安装工程能分阶段进行质量验收。
2）课程职业岗位能力（1）具有电动机的维护运行能力；（2）具有建筑设备电气控制工程平面图与系统图的绘制与识图能力；具有建筑设备电气控制工程电气设备选型、安装与调试的能力；（3）具有建筑设备电气控制工程的设计和图纸会审能力；（4）具有建筑设备电气控制工程的运行维护能力；（5）初步具有从事建筑设备电气控制工程施工的指导能力；（6）初步具有从事建筑设备电气控制工程部分安全检测、验收与监理能力；（7）具有建筑设备电气控制工程施工中常见问题的分析与解决能力。（8）具有建筑设备电气控制工程的招投标及预（结）算能力；（9）具有从事建筑设备电气控制工程的质量控制和工程进度管理的能力、组织管理及工程内业的能力。
2.课程教学设计
项目教学分为理论教学体系和实践教学体系。
1）教学的设计思想
以工学结合为切入点，结合模块中不同项目设置与之相适应的实践教学内容，以实现“做中学”和“毕业即就业、就业即上岗、上岗即顶岗”的教学目标。对教学内容的设计，要紧密结合职业岗位的需求，安排不同的训练项目；对实践教学方式的设计，本着“先感性认识，再模拟操作，后工程实践”的思路，以迅速提高学生的职业能力。
2）教学资源
本课为国家级精品课，教学资源基本齐全，主要包括图1-1所示的内容。图1-1 课程教学资源
3）教学方法
围绕专业核心能力及岗位需求，采用结合工程的项目教学法、多媒体教学、新课型教学、角色扮演、演示法、研究法、任务驱动、引导文法等教学方法。将理论与技能融为一体，缩短了学与用之间的距离。教学模式上充分展现课程开发和教学实施的完美结合。做到“做中学”，教、学、做合一。
4）课程教学设计（1）计划学习效果：计划学习效果主要从知识方面、能力方面、态度方面三个方面考虑，具体如表1-1所示。表1-1 计划学习效果续表（2）相应的措施计划：保证学习效果的相应措施计划，如表1-2所示。表1-2 保证学习效果的相应措施计划（3）课程教学：按照两大模块、9个学习情境进行安排。
3.教与学要求
1）对教师的要求
为了使本课与相关职业能力密切联系，对本课内容、教法和实施过程都应进行改革。在内容上，以岗位职业能力为依据，以任务为驱动，设定不同的项目；在教法上，打破以往的教学方式，全部利用自制课件，并在课件中引入大量的设备元件图片、工程实际案例分析、设备安装与调试案例等实际知识内容；在实施过程中注重工学结合，通过走出去、请进来的方式，以现场实地参观、仿真设备操作、专家进校讲座、校外实习锻炼等多种工学结合的形式完成教学活动，以保证教学质量。具体要求介绍如下。（1）采用理论与实践相结合的一体化教学模式。
以工程图纸为载体，以生动的动画为媒介；将教学课堂搬到实训现场；采用分组进行的实训指导，根据需要，理论和技能教学交叉进行，使知识和技能传授融合在一起；在完全与企业工作环境相似的场景下，教师边讲边演示，学生边学边练，将以教师为主的知识传授和引导学生提问、讨论相结合；在宽松的教学环境中，使学生掌握就业岗位需具备的技能和掌握技能需了解的理论知识。（2）采用项目引导下的教学模式。
围绕工作项目展开，以学生能独立完成工作岗位所要求的作业项目为目的，步骤如下：
在教学过程中巧妙引入课题或下达任务，使学生对将要学习的工作任务产生兴趣；在课堂上让学生获得认知和解决问题的方案；由教师演示项目的操作过程；由学生自己操作、独立应用所学知识，完成项目作业；扮演不同的角色，使学生在换角色过程中体会对所完成任务的一份责任和乐趣。（3）多元化学生学习评价方式。
传统的应知答题式的考核方式不能对学生掌握知识和技能的程度进行准确的评价。为此我们设计并实施了多种新的科学评价方式：
9个独立的学习情境，进行单独的学习评价；采用1234评价模式，即自评10分，互评20分，教师评价30分，笔试40分；总体为4/6分成制，理论40分（由期末考试形成），实践综合60分，由一个个学习情境的考核综合形成。
2）对学生的要求（1）会做准备工作。
如建筑设备电气安装前，对设备的电气控制图进行识读，充分了解设备的运行工况，提供安装调试方案，制定安装调试工作进度，做好安装前的准备工作。（2）会实际操作并对相应能力进行训练。
在规定时间内完成控制设备的安装和调试。对已完成的任务进行记录、存档和评价反馈，自觉保持安全和健康的工作环境。具有电动机的使用及维护能力；具有电动机控制线路的工作原理分析及设计能力；具有控制线路的接线及实际操作能力；具有设备选型能力；具有识读建筑电气图纸的能力；会运用相关规范和标准；具有对建筑设备进行安装、调试、验收与维护运行的能力；能掌握质量控制和进行管理；具有进行图纸会审、招投标的能力。
以小组的形式工作，使用通用工具、专用工具、设备和设备安装资料等，对所安设备的调试应按照标准和规范进行。自觉保持安全作业的工作要求。任务1-2 建筑设备与电气控制工程
什么是建筑设备?其电气控制有哪些?生活在社会中，离不开衣食住行，上高层建筑要乘坐电梯；用水需要给排水设备；供暖需供暖设施及锅炉房设备；舒适的室内环境需要空调设施，如此等等均为建筑设备，从事建筑电气工程技术的人员需要对这些设备的构造、工作原理、安装、调试和维护运行技术充分地把握，才能较好地完成工作。
◆ 教师活动：展示建筑设备实物图并简单讲解。
◆ 学生活动：结合实物进行认知学习。
1.电梯设备
电梯是建筑中的交通运输工具，既可运送货物又可载人在建筑物中上下运行，电梯及控制设备如图1-2所示。图1-2 电梯及控制设备
电梯由机械和电气两大系统组成。电梯的种类很多，控制方式也不同，所需设备种类较多，能力要求前已叙及，详细分解学习见相关学习情境。
2.锅炉房动力设备
锅炉是供热之源。锅炉设备的任务是安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，以生产一定温度和压力的热水或蒸汽。锅炉设备的构成如图1-3所示，常见锅炉如图1-4所示。
锅炉一般分为两种：一种叫动力锅炉，应用于动力、发电方面；另一种叫供热锅炉（又称为工业锅炉），应用于工业及采暖方面。图1-3 锅炉设备的构成1—锅筒；2—链条炉排；3—蒸汽过热器；4—省煤器；5—空气预热器；6—除烟器；7—引风机；8—烟囱；9—送风机；10—给水泵；11—运煤皮带运输机；12—煤仓；13—灰车图1-4 锅炉
从锅炉设备的认识入手，了解锅炉设备的组成、运行工况及自动控制任务；学习锅炉房动力设备控制线路的识图与安装；研究锅炉设备的正确选择和使用，最后通过锅炉控制案例拓展到调试与维护。
3.空调系统的电气控制及安装
生活和生产活动环境是人们生活质量的重要标志，空调系统是维护室内良好环境的专门技术。对空气的温度、相对湿度、压力洁净度和流通速度等多项参数进行处理的技术称空气调节技术。空调的五种代表技术为直流变频技术、网络控制技术、超静音技术、超远距离送风技术、健康技术的运用。
不同类型的空调组成各异，整体式空调如图1-5所示，分体式空调如图1-6所示，空调系统及设备如图1-7～图1-10所示。图1-5 整体式空调图1-6 分体式空调图1-7 空调系统图1-8 中央空调设备图1-9 空调设备
4.建筑给水排水系统的电气设备
水都是从高处往低处流的，但对于楼宇建筑来说，则需要把水输送到中高层中去，这就需要对水进行加压控制。当今自动控制及远程控制技术已经应用于各个领域，在给水排水系统中也不例外，它能够提高科学管理水平，减轻劳动强度，保证给排水系统正常运行和节约能源。在给排水工程中，自动控制的内容主要是水位控制和压力控制，而远程控制的内容主要是调度中心对远处设置的一级泵房（如井群）和加压泵房的控制。本学习情境主要介绍建筑工程中常用的生活给水及排水系统的电气控制。给排水设备如图1-11所示。图1-10 家用VRV系统图1-11 给排水设备
5.建筑施工现场常用设备
1）混凝土搅拌机
混凝土搅拌机是施工现场搅拌水泥用的设备，如图1-12所示。
2）塔式起重机
塔式起重机是供施工现场起吊设备之用，如图1-13所示。图1-12 混凝土搅拌机图1-13 塔式起重机
以上几种常用设备的安装、控制与维护是本领域的中心任务。任务1-3 建筑设备电气控制工程相关知识和规范
1.学习领域涉及的相关知识
根据本领域的特点，学生学习前应有电工基本知识与技能、电子基本知识与技能，这对于后续的工程预算、组织管理、电气消防等课程都是必备知识。
2.所需相关规范与标准
对于建筑电气工程的国家规范、标准，设计和施工人员应准确、认真地执行，这样才能做出合格的电气工程设计，保障工程质量，使系统安全可靠运行。规范、标准也是阐述系统工程功能和交流技术的特定语言，能规范技术措施，统一安装方法，防范事故发生，是继承和总结施工经验，改进和发展新技术的依据。
目前大部分电工规范、标准等采用国际电工委员会IEC标准，这为提高我国电工技术水平、与国际电工科技界开展技术交流合作和高新技术的引进应用起到了良好的作用。作为职业人，在从事工程实践中必须严格遵循国家规范和标准，主要涉及如下规范和标准。（1）建筑电气专项图集：水泵、风机及其电源切换集成模块化控制系统装置（2002年）；（2）《2005年最新建筑电气工程施工技术标准与质量验收规范实用手册》；（3）《低压配电设计规范》（GB 50054—1995）；（4）《电梯制造与安装安全规范》（GB 7588—2003）；（5）《电梯工程施工质量验收规范》（GB 50310—2002）；（6）电力工业锅炉压力容器监察规程；（7）民用建筑电气设计规范（JGJ/T 16—2008）（第二十四章 锅炉房热工检测与控制）；（8）中央空调技术规范：自动控制规范；（9）最新的建筑专业、城市规划、结构专业、给排水、暖通空调、电气专业设计规范；（10）建筑电气通用图集（92DQ10）：空调自控；（11）暖通空调规范大全；（12）给排水电气安装规范；（13）建筑结构、给排水、电气、暖通、弱电、城市规划、人防专业规范标准图集大集汇：《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB 50242—2002）；《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB 50243—2002）；《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB 50303—2002）；《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB 50300—2001）；《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045—2005）；《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084—2001）；《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116—1998）；《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（GB 50261—2005）；《火灾自动报警系统施工及验收规范》（GB 50166—2007）；《气体灭火系统施工及验收规范》（GB 50263—2007）；《建筑工程监理规范》（GB 50309—2007）；《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ 80—1991）；《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ 46—2005）；《建筑机械使用安全技术规范》（JGJ 33—2001）。知识梳理与总结
本情境有三项任务，一项是建筑设备电气控制工程课程教学设计与要求，从课程定位与培养目标入手，充分说明了课程（情境）的整体构建（课程教学设计），为了很好地完成教学，对教师和学生提出了教与学要求。另一项是对建筑设备电气控制工程的认知，就像走进博物馆，以真实的图片展示了电梯、锅炉房设备、空调设备及给排水设备等。最后对本领域涉及的相关知识、标准和规范进行了说明，以便于任务实施时使用，从而培养出合格的职业人。技能训练1 参观建筑电气控制设备
1.参观目的
认知建筑电气控制设备，明白不同建筑设备的基本构造，宏观懂得不同建筑设备的基本作用，激发学生的学习兴趣，为后续学习奠定基础。
2.参观要求
认真观察、主动询问、积极思考、准确记录、注意安全、不得随意操作。
3.参观内容
参观校内锅炉房、水泵房、电梯机房、空调机房，去施工现场观看混凝土搅拌机、塔式起重机等，观察设备构造及运行状态，填写表1-3。表1-3 建筑设备参观记录表学习情境2 电气控制基础与实训教学导航任务2-1 直流电动机
知识分布网络2.1.1 直流电动机的工作原理与结构
直流电机可分为直流发电机和直流电动机两大类。将机械能转化为电能的直流电机是直流发电机，将电能转化为机械能的直流电机是直流电动机。直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力，一般应用于对启动和调速要求较高的场合。另外，结构复杂、成本较高、维护较困难是直流电机的不足之处。
1.直流电动机的工作原理
图2-1所示为直流电动机的工作原理模型。在图2-1中，N、S为一对固定的磁极，称为直流电动机的定子。abcd是固定在可旋转铁质圆柱体上的线圈，线圈连同铁质圆柱体是直流电动机可转动的部分，称为直流电动机的转子（或电枢）。线圈的末端a、d连接到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片，它们的组合体称为换向器。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷A、B进行的。在定子与转子间有间隙存在，称为气隙。图2-1 直流电动机模型
在直流电动机的模型中，把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时电枢线圈中将有电流流过。
如图2-1所示，设线圈的ab边位于N极下，线圈的cd边位于S极下，线圈边ab与cd在磁场中分别受到电磁力的作用，其大小为：
式中，f为电磁力，单位为N；B为导体所在处的磁通密度，单位x2为Wb/m；l为导体ab或cd的有效长度，单位为m；i为导体中流过的电流，单位为A。
导体受力方向由左手定则确定。在这种情况下，如图2-1（a）所示，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极下的导体cd受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一个转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，如图2-1（b）所示，原位于S极下的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。
实际直流电动机的电枢是根据应用情况需要有多个线圈。线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定连接起来，构成直动流电机的电枢绕组。磁极也是根据需要 N、S极交替放置多对。
2.直流电动机的结构
直流电动机有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。小型直流电动机的结构如图2-2所示。图2-2 小型直流电动机的结构
1）定子部分
定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑，定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成，如图2-2所示。（1）主磁极。主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用 1.0～1.5mm 厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。主磁极的结构如图2-3所示。（2）机座。直流电动机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电动机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。（3）换向极。换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电动机的换向，一般电动机容量超过1kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用厚 1.0～1.5mm 的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相同，但在功率很小的直流电动机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。（4）电刷。电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来，并与换向器配合，起到逆变的作用。电刷装置一般由电刷、刷握、铜丝辫和压紧弹簧等组成，其结构如图2-4所示。图2-3 直流电动机主磁极1—机座；2—主磁极铁芯；3—励磁绕组图2-4 电刷装置1—刷握；2—电刷；3—压紧弹簧；4—铜丝辫（5）端盖。电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。
2）转子部分
转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。（1）电枢铁芯。电枢铁芯是主磁路的一部分，同时用来嵌放电枢绕组。为减小当电机旋转时电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。（2）电枢绕组。电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内，并与换向器连接。电枢绕组是直流电机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转距，实现机电能量的转换。（3）换向器。换向器又称整流子，如图2-5所示，在电动机中，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器是由换向片组合而成，是直流电机的关键部件，也是最薄弱的部分。图2-5 换向器结构1—V形套筒；2—云母片；3—换向片；4—连接片
换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形状，换向片的燕尾部分嵌在含有云母绝缘的 V 形钢环内，拼成圆筒形套在钢套筒上，相邻的两个换向片间以 0.6～1.2mm厚的云母片作为绝缘，最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组一段的部分与绕组引出线间焊接。
3.直流电机的铭牌数据
表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据（如出厂编号、出厂日期等）。
国产电动机型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。例如，Z2-92中的 Z 表示一般用途的直流电机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座代号；2表示电枢铁芯长度代号。
电机铭牌上所标的数据称为额定数据，具体含义如下。（1）电动机额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率，单位为kW。（2）额定电压U是指额定工作条件下，电刷两端输入的电压，N单位为V。（3）额定电流I是指电动机在额定电压下，运行于额定功率时对N应的电流值，单位为A。（4）额定转速n指对应于额定电流、额定电压、电机运行于额N定功率时所对应的转速，单位为r min。（5）额定效率η是指电动机额定运行时输出功率与输入功率之N比。
额定功率、额定电压和额定电流的关系为：（6）额定励磁电流I是指对应于额定电压、额定电流、额定转fN速及额定功率时的励磁电流，单位为A。
在电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同，由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值小得多，称为轻载运行。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。【案例 2-1】一台直流电动机的额定功率 P=160 kW，额定电压 NU=220 V，额定效率η=90%，额定转速n=1500 r/min，求这台电动NNN机在额定运行时的输入功率和额定电流。
解 额定输入功率为：
额定电流为：
4.直流电动机的分类
按直流电动机励磁绕组与电枢绕组的连接方式（称为励磁方式）不同，直流电动机可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机，如图2-6所示。图2-6 直流电机的励磁方式
1）他励电机
他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个相互独立的电源供电，如图2-6（a）所示，励磁电流I的大小仅取决于励磁电源f的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压大小及负载基本无关。
2）并励电机
并励式直流电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，如图2-6（b）所示。励磁电流一般为额定电流的 5%，要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。
3）串励电机
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