《电机与拖动基础(第2版)》汤天浩(习题解答) 下载本文

“电机与拖动基础(第2版)”习题解答

电机与拖动基础

第一章电机的基本原理 ......................................................................................... 1 第二章电力拖动系统的动力学基础 ..................................................................... 6 第三章直流电机原理 ........................................................................................... 12 第四章直流电机拖动基础 ................................................................................... 14 第五章变压器 ....................................................................................................... 29 第六章交流电机的旋转磁场理论 ....................................................................... 43 第七章异步电机原理 ........................................................................................... 44 第八章同步电机原理 ........................................................................................... 51 第九章交流电机拖动基础 ................................................................................... 61 第十章电力拖动系统电动机的选择 ................................................................... 74

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“电机与拖动基础(第2版)”习题解答

第一章 电机的基本原理

1-1 请说明电与磁存在哪些基本关系,并列出其基本物理规律与数学公式。

答:

电与磁存在三个基本关系,分别是

(1)电磁感应定律:如果在闭合磁路中磁通随时间而变化,那么将在线圈中感应出电动势。感应电动势的大小与磁通的变化率成正比,即

e??NdΦ dt感应电动势的方向由右手螺旋定则确定,式中的负号表示感应电动势试图阻止闭合磁路中磁通的变化。

(2)导体在磁场中的感应电动势:如果磁场固定不变,而让导体在磁场中运动,这时相对于导体来说,磁场仍是变化的,同样会在导体中产生感应电动势。这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给出

e?Blv

而感应电动势的方向由右手定则确定。

(3)载流导体在磁场中的电磁力:如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体,则会在载流导体上产生一个电磁力。载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关,当导体与磁力线方向垂直时,所受的力最大,这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流i成正比,即

F?Bli

电磁力的方向可由左手定则确定。

1-2 通过电路与磁路的比较,总结两者之间哪些物理量具有相似的对应关系(如电阻与磁阻),

请列表说明。 答:

磁路是指在电工设备中,用磁性材料做成一定形状的铁心,铁心的磁导率比其他物质的磁导率高得多,铁心线圈中的电流所产生的磁通绝大部分将经过铁心闭合,这种人为造成的磁通闭合路径就称为磁路。而电路是由金属导线和电气或电子部件组成的导电回路,

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也可以说电路是电流所流经的路径。

磁路与电路之间有许多相似性,两者所遵循的基本定律相似,即KCL:在任一节点处都遵守基尔霍夫第一定律约束;KVL:在任一回路中都遵守基尔霍夫第二定律;另外,磁路与电路都有各自的欧姆定律。两者之间相似的物理量主要有:电路中传输的是电流,磁路中相应的为磁通;电路中的电动势、电压与磁路中的磁动势、磁压降类似。

电路中的电阻或电导与磁路中的磁阻或磁导相似。这些对应关系如下表所示:

当然两者之间也有一些不同之处,比如磁通只是描述磁场的物理量,并不像电流那样表示带电质点的运动,磁通通过磁阻时,也不像电流通过电阻那样要消耗功率,因而也不存在与电路中的焦耳定律类似的磁路定律;分析电路时一般不涉及电场问题,不考虑漏电流,而分析磁路时离不开磁场的概念,要考虑漏磁现象;在电路中电动势为零时,电流也为零,但在磁路中往往有剩磁,磁动势为零时,磁通不一定为零;磁路的欧姆定律与电路的欧姆定律也只是形式上的相似,由于铁心的磁导率不是常数,它随励磁电流而变化,因而磁路计算不能应用叠加原理。

1-3 如何理解机电能量转换原理?根据这个原理可以解决什么问题?

答:

从能量转换的观点,可以把依靠电磁感应原理运行的机电设备看作是一类机电转换装置,比如,变压器是一种静止的电能转换装置,而旋转电机是一种将机械能转换成电能(发电机)或将电能转换成机械能(电动机)的运动装置。因此,机电能量转换原理是学习和研究电机理论的一个重要工具。根据这个原理,可以求得电机(发电机、电动机)和变压器中的关键物理量感应电动势和电磁转矩的大小,进而分析电机和变压器的运行特性。

1-4 旋转电机模型的基本结构由哪些部分组成,其各自有什么作用?气隙又有何作用?

答:

旋转电机模型的基本结构由定子、转子和气隙三个部分组成:定子是固定不动的,

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转子是运动的,它们之间隔着一层薄薄的气隙。在定子和转子上分别按需要安装若干线圈,其目的是在气隙中产生磁场。往往要求气隙磁场按一定的形式分布,例如正弦分布磁场。电机作为一种机电能量转换装置,能够将电能转换为机械能,也能将机械能转换为电能。由于机械系统和电气系统是两种不同的系统,其能量转换必须有一个中间媒介,这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成的。

1-5 以两极原型电机作为旋转电机的物理模型,有何应用意义?

答:

两极原型电机结构简单,原理清晰,易于扩展,可作为旋转电机的物理模型。通过对该模型的研究和分析,便于学习和掌握一般旋转电机的基本原理。

1-6 通过模型电机,是如何建立电机的基本电动势和转矩方程的?又怎样将两极电机的方程

推广到多极电机? 答:

通过模型电机,根据电磁感应定律,可以求得旋转电机电动势的通用计算公式

e??NdΦcos?t?NΦ?sin?t。利用该公式可以推导出具体电机的电动势,比如同dt步电机、异步电机或直流电机。再根据机电能量转换原理,可得两极电机的电磁转矩公式Te?μπDl?Wf?由于电机的磁极总是成对设置的,常用极对数np来??0FsFrsin?sr。

??sr2gμ0πDlFsFrsin?sr。 2g表示电机的磁极数,则多极电机的电磁转矩为Te??np

1-7 电机中存在哪些能量损耗?有哪些因素会影响电机发热?电动机与发电机的功率传递

有何不同? 答:

电机进行机电能量转换时总是存在能量损耗的,能量损耗将引起电机发热和效率降低。一般来说,电机的能量损耗可分为两大类:

(1)机械损耗:由电机的运动部件的机械磨擦和空气阻力产生的损耗,这类损耗与电机的机械构造和转速有关。

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