电机学课后习题与答案

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

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;

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