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 由别与由圾同时 (2)电枢固定，电刷与磁 同时旋转， ()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己是直流电压，那么换向器有什么呢？ 直流电动机中，换向法把电刷两瑞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. 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，最后写 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，中。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：中。=(E)中。主磁通，F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④。 如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的F。,若磁通巾。基本不变了，而我 的需要是中。（根据E和T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。 电机领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
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 0 = f F( ) 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 T m 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y=】 单波：相临两串联元件对应边的距离约为2π形成波浪型 节距上：y=系士8 y=士1（单叠）y=出=到 y=y y、=y-y 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=Ce中n=器中n (1)中减少10%，则中=0.90 即{==的∴E=0.9E=0.9×230=2070 (2)励磁电流减少10%，如果饱和，则中不变，E也不变，如没有饱和，则中也减少 10%,E=2070V ·.207<E 230 3)=共= ∴.E=1.2E=276(V) ④=册=o2n E=0.9×1.2×230=2484V) ,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 主要区别？
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 1 k y = 单波：相临两串联元件对应边的距离约为 2 形成波浪型 节距上： 1 2 Zi P y = y = 1 （单叠） 1 k 1 Zi P p y = = k y y = 2 1 y y y = − 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： 60 PNa E C n n E a = = （1） 减少 10％，则 ' = 0.9 即 ' ' 1 0.9 E E E C n E C n = = ∴ ' E E V = = = 0.9 0.9 230 207( ) （2）励磁电流减少 10％，如果饱和，则 不变，E 也不变，如没有饱和，则 也减少 10％， ' E =207(V) ∴207<E<230V (3) ' ' 1.2 E n n E n n = = ∴ ' E E V = = 1.2 276( ) (4) ' ' ' 0.9 1.2 E n n E n n = = ' E V = = 0.9 1.2 230 2484( ) 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发生畸变 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。 发电机：物理中性线顺电机旋转方向移过一个不大的角 电动机：物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的：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：B,仅由励磁磁动势2N,H,建立，E=2L,N, 负载：由2N,I,和Ax共同建立：F+F。由每极合成磁通计算，即负载磁通计算，： 负载时，导体切害割的是负载磁通（即合成磁通） 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/、 1。、1,的关系式。 四种励磁方式：他励，并励，串励，复励 电动机：他励：I=1。 并励：I=1。+I 串励：I=I=I 复励：I=I。+I,=1,短复励 I。=Lr,I=I。+I,长复励 发电机：他励：I=I 并励：I=1。+1 串励：I=1。=I, 复励：1=1。+Iy=I 短复励 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T、n、E、 U、1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：Tm与n方向相同，是驱动转矩，E。与U方向相反，是反电动势，I。方向流向 电枢，E。与1。方向相反。EL。=T2 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：T与n方向相反，是阻力转矩，E与U方向相同，E。与I。方向相同，发出电
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发生畸变 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。 发电机：物理中性线顺电机旋转方向移过一个不大的 角 电动机：物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的 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： B 仅由励磁磁动势 2N If f 建立， 0 2 F I N = f f 负载：由 2N If f 和 Ax 共同建立： F F 0 + a 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） 2．17 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 、 a I 、 f I 的关系式。 四种励磁方式：他励，并励，串励，复励 电动机：他励： a I I = 并励： a f I I I = + 串励： a f I I I = = 复励： ' a f f I I I I = + = 短复励 ' a f I I = ， ' a f I I I = + 长复励 发电机：他励： a I I = 并励： a f I I I = + 串励： a f I I I = = 复励： ' a f f I I I I = + = 短复励 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 、 a I 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： T em 与 n 方向相同，是驱动转矩， E a 与 U 方向相反，是反电动势， a I 方向流向 电枢， E a 与 a I 方向相反。 E I T a a em = 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： T em 与 n 方向相反，是阻力转矩，E 与 U 方向相同， E a 与 a I 方向相同，发出电
功率，为克服阻力转矩Tm,不断输入机械能，才能维持发电机以转旋转，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。1。R,U山， 铁耗：交变磁场引起涡流损耗和磁滞损耗 机械能：菲 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 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 2么计算稳态电动势E=U+/R时不考虑元件的电 都是流的 通过电刷引出的感应电动势是直流，“不考虑元件电感 化痛北，他醋宜流发电机由空发到藏定负我。瑞电压为什么会下降？并秘发电机与他國之 哪一个的 空载时：他励发电机端电压E=Cm 负载时：U=E-1,R电压下降 并励下降大，：随若电压下降，Φ减小，∴E下降，端电压更加下降 发电机的转速升高20%，问在他励方式下运行和并励方式 式下空载电压升高的较多 空载电压U。≈E=C.n他励时，n升20%，E升20% 并励时，：n增加∴E增加，I,增加，中增加，∴E除n增大外，中也增大，并励时， 空载电压升较多。 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1450min。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 150tmm 试向 能是什么原因引起的？ 台并励直流 电动机，如果电 电压和励磁电流保持不变，制动转矩为恒定值 效率有何影响？为什么？ 228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？ 2.34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？
功率，为克服阻力转矩 T em ，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。 2 a a I R ，UI f 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 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 aRa E = U + I 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= C n e 负载时： U E I R = − a a ∴电压下降 并励下降大，∵随着电压下降， 减小，∴ E a 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 U E C n 0 = e 他励时，n 升 20％，E 升 20％ 并励时，∵n 增加 ∴E 增加， f I 增加， 增加，∴E 除 n 增大外， 也增大，∴并励时， 空载电压升较多。 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？ 2．34 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 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 合提高 2.45已知某直流电动机铭牌数据如下：额定功率P=75kW,额定电压U、=220Ψ， 额定转速nv=1500r/mim,额定效率nw=88.5%。试求该电机的额定电流。 解：P=%=70%5=84.75×10W1n=7%,=385.2() 2.46己知直流发电机的额定功率P,=240kW,额定电压U、=460,额定转速 nx=600r/mm,试求电机的额定电流。 2.47一台直流发电机的数据：2D=6,总导体数N,=780,并联支路数2a=6,运行 角速度是Q=40mad/s,每极磁通中=0.0392W%。试计算 (1)发电机的感应电动势： (2)当转速n=900r/mm,但磁通不变时发电机的感应电动势： (3)当磁通变为0.0435Wb,n=900r/mm时发电机的感应电动势 解：()CE=器==13E=C6n=CsΦ2 =13×0.0392×60x40r=611.5V (2)E=Cpn=13×0.0392×900=458.6V (3)E=13×0.0435×900=509N 2.48一台4极、82kW、230V、970r/min的他励直流发电机，如果每极的合成磁通等 于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试求当电机输出额定电流时的电磁转矩。 解：1N=六=世=356.52(40 E=Cg(ony U Tm=CΦIx=ΦIw “是=箭兴 ·Tn=0=020=807.7Nm 2.50试计算下列绕组的节距，乃，y和yx,绘制绕组展开图，安放主极及电刷，求 并联支路对数。 (1)右行短距单叠绕组：2p=4,Z=S=22: (2)右行整距单叠绕组：2p=4,Z=S=20: (3)左行单波绕组：2p=4,Z=S=19: (4)左行单波绕组：2p=4,Z=S=21· 2.51一台直流发电机，2p=4,2a=2，S=21,每元件匝数N,=3,当
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 nN =1500r/ min ，额定效率 N = 88.5% 。试求该电机的额定电流。 解： 3 75000 1 0.885 84.75 10 N N P P W = = = N I = 1 N P U =385.2 (A) 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： 2 p = 6 ，总导体数 Na = 780 ，并联支路数 2a = 6 ，运行 角速度是 = 40rad /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； （3）当磁通变为 0.0435Wb,n = 900r / min 时发电机的感应电动势。 解：(1) 3 780 60 60 3 13 PNa CE a = = = 60 E C n C E E 2 = = =13×0.0392 × 60 40 2 =611.5V (2)E= C n E =13×0.0392×900=458.6V (3)E=13×0.0435×900=509V 2．48 一台 4 极、 82kW、230V、970r/min 的他励直流发电机，如果每极的合成磁通等 于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试求当电机输出额定电流时的电磁转矩。 解： 3 82 10 230 356.52( ) N N P N U I A = = = 60 PNa E C n U E N N a = = 2 PNa em T N N a T C I I = = ∴ 2 60 N em N E n T I = ∴ 60 30 356.52 230 2 2 970 807.7 N N I E em n T N m = = = 2．50 试计算下列绕组的节距 1 y ， 2 y ， y 和 K y ，绘制绕组展开图，安放主极及电刷，求 并联支路对数。 （1）右行短距单叠绕组： 2 p = 4 ， Z = S = 22 ； （2）右行整距单叠绕组： 2 p = 4 ， Z = S = 20 ； （3）左行单波绕组： 2 p = 4 ， Z = S =19 ； （4）左行单波绕组： 2 p = 4 ， Z = S = 21。 2．51 一台直流 发电 机， 2 p = 4 ， 2a = 2 ， S = 21 ，每元 件匝 数 Ny = 3 ，当