第二章 直流电机
2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？ 换向器与电刷共同把电枢导体中的交流电流，“换向”成直流电，如果没有换向器，电机不能发出直流电。
2．2 试判断下列情况下，电刷两端电压性质 （1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转； （2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。
(1)交流 ∵电刷与电枢间相对静止，∴电刷两端的电压性质与电枢的相同。
（2）直流 电刷与磁极相对静止，∴电刷总是引出某一极性下的电枢电压，而电枢不动，磁场方向不变 ∴是直流。
2．3 在直流发电机中，为了把交流电动势转变成直流电压而采用了换向器装置；但在直流电动机中，加在电刷两端的电压已是直流电压，那么换向器有什么呢？
直流电动机中，换向法把电刷两端的直流电压转换为电枢内的交流电，以使电枢无论旋转到N极下，还是S极下，都能产生同一方向的电磁转矩
2．4 直流电机结构的主要部件有哪几个？它们是用什么材料制成的，为什么？这些部件的功能是什么？ 有7个 主磁极 换向极， 机座 电刷 电枢铁心，电枢绕组，换向器 见备课笔记
2．5 从原理上看，直流电机电枢绕组可以只有一个线圈做成，单实际的直流电机用很多线圈串联组成，为什么？是不是线圈愈多愈好？
一个线圈产生的直流脉动太大，且感应电势或电磁力太小，线圈愈多，脉动愈小，但线圈也不能太多，因为电枢铁心表面不能开太多的槽，∴线圈太多，无处嵌放。 2．6 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通的大小与哪些因素有关？
主磁通： 从主极铁心经气隙，电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子绕组磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢中感应电动势，实现机电能量转换。
漏磁通： 有一小部分不穿过气隙进入电枢，而是经主极间的空气隙钉子磁轭闭合，不参与机电能量转换，??与饱和系数有关。
2．7 什么是直流电机的磁化曲线？为什么电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近？
磁化曲线：?0?f(F0) ?0-主磁通，F0励磁磁动势
设计在低于“膝点”，则没有充分利用铁磁材料，即 同样的磁势产生较小的磁通?0，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的F0，若磁通?0基本不变了，而我的需要是
?0（根据E和Tm公
式）选在膝点附近好处：①材料利用较充分②可调性好③稳定性较好。
电机额定点选在不饱和段有两个缺点：①材料利用不充分②磁场容易受到励磁电流的干扰而不易稳定。 选在饱和点有三个缺点：①励磁功率大增②磁场调节困难③电枢反应敏感
2．8 为什么直流电机的电枢绕组必须是闭合绕组？
直流电机电枢绕组是闭合的，为了换向的需要，如果不闭合，换向器旋转，电刷不动，无法保证正常换向。 2．9 何谓电枢上的几何中性线？何谓换向器上的几何中性线？换向器上的几何中性线由什么决定？它在实际电机中的位置在何处？
①电枢上几何中性线：相临两点极间的中性线
②换向器上几何中性线：电动势为零的元件所接两换向片间的中心线
③由元件结构决定，不对称元件：与电枢上的几何中性线重合。对称元件：与极轴轴线重合。 ④实际电机中。
2．10 单叠绕组与单波绕组在绕法上、节距上、并联支路数上的主要区别是什么？ 绕法上： 单叠：任意两个串联元件都是后一个叠在前一个上面yk?1 单波：相临两串联元件对应边的距离约为 节距上：
2?形成波浪型
y1?Zi2P??
Zi?1 p?1?y??1（单叠）y?kPyk?y
y2?y?y1
1
并联支路数 2a=2p(单叠) 2a=z(单波)
2．11 直流发电机的感应电动势与哪些因素有关？若一台直流发电机的额定空载电动势是230V，试问在下列情况下电动势的变化如何？ （1）磁通减少10%； （2）励磁电流减少10%；
（3）磁通不变，速度增加20%； （4）磁通减少10%，同时速度增加20%。 直发：E （1）
?CE?n?PNa60a?n
?减少10％，则?'?0.9?
ECE?n'1?C'?0.9 ∴E?0.9E?0.9?230?207(V) ?nE 即 E' （2）励磁电流减少10％，如果饱和，则 ∴207 nn ∴E'?1.2E?276(V) ?n'?1.2n (4) EE'??n?'n'??n0.9?1.2n E'?0.9?1.2?230?2484(V) 2．12 一台4极单叠绕组的直流电机，问： （1）如果取出相邻的两组电刷，只用剩下的另外两组电刷是否可以？对电机的性能有何影响？端电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载（用额定功率的百分比表示）？ （2）如有一元件断线，电刷间的电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载？ （3）若只用相对的两组电刷是否能够运行？ （4）若有一极失磁，将会产生什么后果？ (1)取出相临的两组电刷，电机能够工作，此时，电枢感应电动势不受影响，但电机容量会减小；设原来每条支路电流为I，4条支路总电流为4I，现在两条支路并联，一条支路电阻为另一条支路的3倍，因此两条并联总电流为I+3I=3I，现在电流与原来电流之比为3I：4I=3，因此容量减为原来容量的3 (2)只有一个元件断线时，电动势不受影响，元件断线的那条支路为零，因此现在相当于三条支路并联，总电流为原来的4 (3)若只用相对的两组电刷，由于两路电刷间的电压为零，所以电机无法运行。 (4)单叠：由于电刷不动，若有一磁极失磁，则有一条支路无电势，∴电刷间无感应电动势，电机内部产生环流，电机不能运行。 2．13 如果是单波绕组，问2．12题的结果如何？ (1)只用相邻两只电刷，电机能工作，对感应电势和电机容量均无影响，仅取一只电刷时，因仍是两条支路并联，所以电机还能工作，对电动势和电机容量均无影响。 (2)一个元件断线，对电动势无影响，由于仅剩下一条支路有电流，电流为原来的2，容量减为原来的2 (3)只用相对的两只电刷时，由于两只电刷为等电位，电压为零，因此电机无法运行。 1441131111 (4)单波失去一个磁极，感应电动势减小2，容量减小2且内部产生环流。 2．14 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？直流发电机和直流电动机的电枢反应有哪些共同点？又有哪些主要区别？ 电枢反应：电枢磁场对励磁磁场的作用 交轴电枢反应影响：①物理中性线偏离几何中性线 ②发生畴变 ③计及饱和时，交轴有去磁作用， 直轴可能去磁，也可能增磁。 ④使支路中各元件上的感应电动势不均。 2 ? 电动机：物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的? 发电机：物理中性线顺电机旋转方向移过一个不大的 角 角 直轴电枢反应影响：电动机：电刷顺电枢转向偏移，助磁，反之去磁 2．15 直流电机空载和负责运行时，气隙磁场各由什么磁动势建立？负载时电枢回路中的电动势应由什么样的磁通进行计算？ 空载：负载：由2NfB?仅由励磁磁动势2NfIfIf和Ax共同建立： 建立，F0?2IfNf F0?Fa 由每极合成磁通计算，即负载磁通计算，∵负载时，导 体切割的是负载磁通（即合成磁通） 2．16 一台直流电动机，磁路是饱和的，当电机带负载以后，电刷逆着电枢旋转方向移动了一个角度，试问此时电枢反应对气隙磁场有什么影响？ 电动机电刷逆电枢转向移动，直轴电枢反应去磁，交轴电枢反应总是去磁的 2．17 直流电机有哪几种励磁方式？分别对不同励磁方式的发电机、电动机列出电流I、Ia、If的关系式。 四种励磁方式：他励，并励，串励，复励 电动机：他励：I 并励： 串励： 复励： 发电机：他励： 并励： 串励： 复励： 2．18 如何判别直流电机是运行于发电机状态还是运行于电动机状态？它们的Tem、n、E、U、Ia的方向有何不同？能量转换关系如何？ 如所受电磁力的方向与电枢转向相同即为电动机状态，反之为发电机状态。 电动机：Tem与n方向相同，是驱动转矩，Ea与U方向相反，是反电动势，a方向流向电枢，Ea与a方向相反。EaIa?Ia I?Ia?If I?Ia?IfI?Ia?If?If' 短复励 Ia?If'，I?Ia?If' 长复励 I?Ia I?Ia?If I?Ia?If I?Ia?If?If' 短复励 II?Tem? 只有输入电能，克服反电势，才能产生电枢电流，进而产生电磁转矩。 发电机：Tem与n方向相反，是阻力转矩，E与U方向相同， Ea与Ia方向相同，发出电功率，为克服 阻力转矩Tem，不断输入机械能，才能维持发电机以转n旋转，发出电能。 2．19 为什么电机的效率随输出功率不同而变化？负载时直流电机中有哪些损耗？是什么原因引起的？为什么铁耗和机械损耗可看成是不变损耗？ ∵电机铜耗随输出功率变化，所以效率随输出功率变化，负载时有：铜耗，铁耗，机械损耗。 铜耗：电枢绕组铜耗和励磁绕组铜耗。Ia2Ra，UIf 铁耗：交变磁场引起涡流损耗和磁滞损耗 机械能：抽水，电刷摩擦损耗 ∵铁耗和机械耗和附加损耗与负载电流无关 ∴认为是不变损耗 3 2．20 直流发电机中电枢绕组元件内的电动势和电流是交流的还是直流的？若是交流的，为什么计算稳态电动势E?U?IaRa时不考虑元件的电感？ 都是交流的 ∵通过电刷引出的感应电动势是直流，∴不考虑元件电感 2．21 他励直流发电机由空载到额定负载，端电压为什么会下降？并励发电机与他励发电机相比，哪一个的电压变化率大？ 空载时：他励发电机端电压U=E=Ce?n 负载时：U?E?IaRa ∴电压下降 并励下降大，∵随着电压下降， ?减小，∴Ea下降，端电压更加下降 2．22 若把直流发电机的转速升高20%，问在他励方式下运行和并励方式下运行时，哪一种运行方式下空载电压升高的较多？ 空载电压U0?E?Ce?n 他励时，n升20％，E升20％ 并励时，∵n增加 ∴E增加， If增加， ?增加，∴E除n增大外，?也增大，∴并励时，空载电压升 较多。 2．23 并励发电机正转时能自励，反转时还能自励吗？ 2．24 要想改变并励电动机、串励电动机及复励电动机的旋转方向，应该怎样处理？ 2．25 并励电动机正在运行时励磁绕组突然断开，试问在电机有剩磁或没有剩磁的情况下有什么后果？若起动时就断了线又有何后果？ 2．26 一台正在运行的并励直流电动机，转速为1450r/min。现将它停下来，用改变励磁绕组的极性来改变转向后（其它均未变），当电枢电流的大小与正转时相同时，发现转速为1500r/min，试问这可能是什么原因引起的？ 2．27 对于一台并励直流电动机，如果电源电压和励磁电流保持不变，制动转矩为恒定值。试分析在电枢回路串入电阻Rj后，对电动机的电枢电流、转速、输入功率、铜耗、铁耗及效率有何影响？为什么？ 2．28 电磁换向理论是在什么基础上分析问题的？主要结论是什么？在研究真实换向过程应如何补充修正？ 2．29 换向元件在换向过程中可能出现哪些电动势？是什么原因引起的？它们对换向各有什么影响？ 2．30 换向极的作用是什么？它装在哪里？它的绕组怎么连接？如果将已调整好换向极的直流电机的换向极绕组的极性接反，那么运行时会出现什么现象？ 2．31 一台直流电机，轻载运行时换向良好，当带上额定负载时，后刷边出现火花。问应如何调整换向极下气隙或换向极绕组的匝数，才能改善换向？ 2．32 接在电网上运行的并励电动机，如用改变电枢端的极性来改变旋转方向，换向极绕组不改换，换向 情况有没有变化？ 2．33 小容量2极直流电机，只装了一个换向极，是否会造成一电刷换向好另一电刷换向不好？ 2．34 没有换向极的直流电动机往往标明旋转方向，如果旋转方向反了会出现什么后果？如果将这台电动机改为发电机运行，又不改动电刷位置，问它的旋转方向是否与原来所标明的方向一样？ 2．35 环火是怎样引起的？补偿绕组的作用是什么？安置在哪里？如何连接？ 2．36 选择电刷时应考虑哪些因素？如果一台直流电机，原来采用碳-石墨电刷，额定负载时换向良好。后因电刷磨坏，改换成铜-石墨电刷，额定负载时电刷下火花很大，这是为什么？ 2．44 电机的冷却方式和通风系统有哪些种类？一台已制成的电机被加强冷却后，容量可否提高？ 2．45 已知某直流电动机铭牌数据如下：额定功率PN?75kW，额定电压UN?220V，额定转速 P1UN=385.2 (A) nN?1500r/min 解：P1 ，额定效率?N?88.5%。试求该电机的额定电流。 ?PN?N?750000.885?84.75?103W IN= 2．46 已知直流发电机的额定功率 PN?240kW，额定电压 UN?460V，额定转速 nN?600r/min，试求电机的额定电流。 2．47 一台直流发电机的数据：2p?6，总导体数Na?780，并联支路数2a?6，运行角速度是 ??40?rad/s，每极磁通??0.0392Wb。试计算 （1）发电机的感应电动势； （2）当转速n?900r/min，但磁通不变时发电机的感应电动势； 4