直流电机习题

14-1 直流发电机是如何 发出直流电的？如果没有换向器，直流发电机能否发出直流电？

答： 直流发电机电枢绕组内的感应电动势实为交变电动势(如图示瞬间以导体a为例), 电枢绕组的a导体处于N极底下, 由“右手发电机”定则判得电动势方向为⊙,  转半圈后,  处于S极下, 电动势方向变为⊕  , 再转半圈,  又回到原来位置,  电动势又为⊙。。。,

它通过换向装置后, 才把电枢绕组的交流变为

外电路的直流。

 换向装置的结构特点是电枢绕组尽管旋转，

而 A、B电刷固定不转（电刷与磁极相对静止），

且A刷恒与N极下导体相连，B刷恒与S极底

下导体相连），则由A刷引出的电动势方向恒

为⊙（流出）， 若定义为正极， 则Ｂ刷引出的

电动势方向恒为⊕   (流入), 为负极，因此，

由Ａ，Ｂ两刷得到的就是直流。

      由上分析可知，由于内电路的交流是通过换向装置后才变为外电路的直流，故没有换向装置就不行。

14-2“直流电机实质上是一台装有换向装置的交流电机”，你怎样理解这句话？

答：由上题可知，无论是直流发电机还是直流电动机，它们在电枢绕组内的电流均为交流（而电刷两端的外电路均为直流），故直流电机实为一台交流电机。

    这种交（内电路）、直（外电路）流的转换就是靠换向装置来实现的。

                              发电机

交流（内电路）           直流（外电路）

                               电动机

因此说，直流电机实质上是一台带有换向装置的交流电机。

14-3试判断下列情况，电刷两端电压的性质：

（1）（1）       磁极固定，电刷与电枢同时旋转；

（2）（2）       电枢固定，电刷与磁极同时旋转。

答：由直流发电机原理可知，只有电刷和磁极保持相对静止，在电刷两端的电压才为直流，由此：

 ① 交流：因为电刷与磁极相对运动。

② 直流：因为电刷与磁极相对静止。

14-4  直流电机有哪些激磁方式？各有何特点？不同的激磁方式下，负载电流、电枢电流与激磁电流有何关系？

答：     他励

                并励

          自励  串励

                复励

14-5 直流电机由哪些主要部件组成？其作用如何？

答： 一、定子

1、主磁极：建立主磁通，包括： 铁心：由低碳钢片叠成

                              绕组：由铜线绕成

2、换向磁极：改善换向，包括： 铁心： 中大型由低碳钢片叠成。

                                小型由整块锻钢制成。

                          绕组：由铜线绕成。

3、机座：固定主磁极、换向磁极、端盖等，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成。

4、电刷装置：引出（或引入）电流，电刷由石墨等材料制成。

二．转子

1．1．  电枢铁心：构成主磁路，嵌放电枢绕组。由电工钢片叠成。

2．2．  电枢绕组：产生感应电动势和电磁转矩，实现机—电能量转换。由铜线绕成。

3．3．  换向片：换向用，由铜线围叠而成。

14-6一台Z2型直流电动机，额定功率为PN=160千瓦，额定电压UN=220伏，额定效率ηN=90%，额定转速nN=1500转/分，求该电机的额定电流？

解：额定电流  

14-7一台Z2型直流发电机，额定功率为PN=145千瓦，额定电压UN=230伏，额定转速nN=1450转/分，求该发电机的额定电流？

解：额定电流  

第十五章  电枢绕组及直流电机基本原理

15-1一台四极直流电机，采用单迭绕组，问：

1①     若取下一只或相邻两只电刷，电机是否可以工作？

2②     若只用相对两只电刷，是否可以工作？

3③     若有一磁极失去励磁将产生什么后果？

答：可用教材图15-4分析

①若取下一只或相邻两只电刷，使并联支路数减少一半，若是发电机，使输出功率减小一半，若是电动机，则转矩和功率均减半。

     对发电机仍能运行，对电动机，在轻载时尚能运行，重载或满载不能运行，不管怎样，它们的工作状态均属正常。

    ② 若只用相对两只电刷（如A1、A2），此时A1、A2间虽形成两条并联支路，每条支路下均有六个元件，其中三个元件的电动势方向与另三个元件的电动势方向恰相反，故每条支路总电动势为零，所以不论发电机还是电动机均不能工作。

    ③当一磁极失去励磁时，该磁极下的一条支路无电动势，不产生电流和电磁转矩，使功率减小，对多极电机可能产生不平衡状态。

15-2 直流发电机和直流电动机的电枢电动势的性质有何区别，它们是怎样产生的？直流发电机和直流电动机的电磁转矩的性质有何区别，它们又是怎样产生的？

答；  直流发电机电枢电动势为电源电动势（同向），直流电动机为反电动势（反方向），它们均由电枢绕组切割磁场产生。

      直流发电机电磁转矩为制动转矩（反向），直流电动机为驱动转矩（同向），它们均由电枢载流导体在主磁极场作用下产生电磁力而形成转矩。

15-3  直流电机的电枢电动势和电磁转矩的大小取决于哪些物理量，这些量的物理意义如何？

答：       电枢电动势              

Ce是电机的电动势结构数   ，它的大小决定于电枢绕组导体总根数N、主磁极对数 p及并联支路数2a  ，是每个极面下的磁通，n是电机转速。

        电磁转矩           

  CT是电机的电磁转矩结构常数，CT=  它的大小决定于电枢绕组导体总根数N、主磁极对

数p及并联支路数 2a，是每个极下的磁通，是电枢电流。

15-4  把一以他激发电机的转速提高20%，空载电压会提高多少（激磁电阻保持不变）？若是一台并激发电机，则电压升高得多还是少（激磁电阻保持不变）？

答：           

1①     他励发电机：  , 即=C，

故   ，空载电压增加1.2倍。

②并励发电机：若=C情况同上，空载电压Uo增加1.2倍，但由于Uo增加的同时，也相应加，从而导致也增大。所以并励发电机空载电压增加的程度比他励发电机大。

15-6何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？公式和中的应是什么磁通？

答：直流电机在空载运行时,气隙磁场仅有励磁磁动势产生,而负载运作时,气隙磁场是由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的,显然与空载时不同，因此把电枢磁动势对主极磁场的影响称为电枢反应.

    电枢反应结果可能使气隙磁场畸变，同时还可能使气隙磁场削弱或增强.

公式中的为每个极面下的气隙磁通,它由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的.

15-7直流电发电机和直流电动机的电枢反应有哪些共同点？有哪些主要区别？

答：共同点:

 1.电刷在几何中性线时均产生交轴电枢反应； 其结果（1）均使磁场发生畸变,  物理中性线偏移(但偏移方向不同, 见不同点)；（2）去磁(磁场饱和的话),使气隙磁场削弱.

 2.电刷不在几何中性线时,除均产生交轴电枢反应(其结果与上同)外, 还产生直轴电枢反应,其结果是去磁还是助磁, 这与发电机还是电动机以及电刷偏移方向有关.

  不同点：

     ①交轴电枢反应使磁场畸变，物理中性线偏移，对发电机：顺转向偏，电动机：逆转向偏。

     ②直轴电枢反应       

15-8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？对换向各有什么影响？

答：电抗电动势er：由换向瞬间电流方向突变产生的，它起阻碍换向的作用。

      电枢反应电动势ea：由交轴电枢反应使物理中性线偏移所致，它也起着阻碍换向的作用。

15-9造成换向不良的主要电磁原因是什么？采取什么措施来改善换向？

答：电磁原因主要是换向瞬间，在换向元件中存在电抗电动势er和电枢反应电动势ea，它们同向，都起着阻碍换向的作用，由于换向元件被电刷短接，因此在换向元件中产生附加电流 （rk：换向回路总电阻），并储存有磁场能量（），当换向终了，电刷脱离换向元件瞬间，该能量就以电火花的形式释放，造成换向不良。

  减小附加电流是改善换向（由电磁原因引起的）的主要方向，由式知① iK正比换向元件中的电动势，因此加装换向磁极（减小换向元件中电动势）；②iK反比于rk，因此可选择合适牌号电刷（增大rk）。

15-10换向磁极的作用是什么？它装在哪里？它的绕组如何激磁？

答：换向磁极作用：改善换向。它在换向区域内产生附加磁场，使换向元件切割此附加磁场产生一个换向极电动势ek，并使ek =-(er+ ea)，这样换向元件中的电动势就等于零。

     换向磁极装于几何中性线位置，是因为换向元件处于几何中性线。

     换向磁极绕组与电枢绕组串联（即由电枢电流励磁），因由换向磁极感应的电动势ek要平衡电抗电动势er 和电枢反应电动势ea  ,  而er、ea大小均与电枢电流成正比，因此换向磁极绕组应与电枢绕组串联。

换向磁极绕组接线必须正确，这样才能保证ek用来平衡（er+ ea），即使ek=-（er+ ea），若换向磁极绕组接反，ek方向就反，这样ek不但不能抵消（er+ ea），反使换向元件中电动势更大，致使换向更恶化。

15-11 一台四极直流发电机，单迭绕组，每极磁通为马，电枢总导体数为152根，转速为1200转/分，求电机的空载电动势？

解：

15-12 一台四极直流电动机，转/分，Z=36槽，每槽导体数为6，每极磁通为马，单迭绕组，问电枢电流为800安时，能产生多大的电磁转矩？

解： 

第十六章 直流电机的运行原理

16-1试比较直流发电机和直流电动机的电动势、功率和转矩平衡关系？  

答：                  发电机                     电动机

电动势平衡关系                      

功率平衡关系                         

转矩平衡关系                           

16-2.判断直流电机运行状态的依据是什么？何时为发电机状态？何时为电动机状态？

答：由电动势平衡方程

当Ea>U为发电机运行状态，Ea 

16-3 试述并激直流发电机的自激过程和自激条件？

答：①有剩磁。当电机起动旋转时，电枢绕组切割主磁极下气隙中的剩磁磁场而感应一数值很小的剩磁电动势，由于励磁绕组与电枢绕组并联，因此就有一不大的励磁电流流过励磁绕组，产生一个不大的磁场，它也作用在气隙中。若它对原剩磁磁场起助磁作用，气隙磁场得以加强，致使电枢绕组感应电动势比原剩磁电动势增大，则励磁电流就进一步增大，其建立的磁场更进一步增强(即助磁作用进一步增强`)， 电枢电动势进一步提升,……，周而复始，经几个循环, 电枢绕组便建立起电压，因而②要求电枢转向及励磁绕组接线正确。为使建立一个定值电压，还需③主磁场具有饱和特性,  因磁路饱和后,励磁电流即使再增大, 主磁场因饱和而增加不大了, 所以电枢电动势就稳定在某一定值。这个稳定值的大小还取决于发电机励磁回路电阻的大小, 为保证要建立某一定值电压,还要求：④励磁回路电阻小于其临界值。

16-4在实际应用中，如果并激直流发电机不能自激建压，试分析可能产生的原因，怎样检查，应采取哪些措施？

答：根据并激直流发电机建压的条件，首先检查励磁回路电阻是否在最小位置、然后检查励磁绕组和电枢绕组之间的接线是否正确。如果励磁回路电阻是不在最小位置，则应放在最小位置，如果励磁绕组和电枢绕组之间的接线不正确，调换励磁绕组两端头。

16-5并激直流发电机正转能自激，反转能否自激？为什么？如果反接励磁绕组，电机并以额定转速反转，这种情况能否自激建压？

答：不能自激，由于反向旋转，感应电势的方向改变，在励磁绕组中产生的励磁电流反方向，其产生的磁通方向与剩磁方向相反，将剩磁抵消。

能自激建压，电机反转，感应电势的方向改变，在励磁绕组中产生的励磁电流反方向，由于反接励磁绕组，励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向相同，使磁通增大，感应电势越来越大，建立起电压。

16-6 试解释他激和并激发电机的外特性为什么是一条下倾的曲线？

答：  讨论他励和并励发电机

   他励发电机：稍下倾曲线（端电压U随负载电流I增大稍有下降），原因有：

①负载增大，电枢反应去磁效应增强，气隙磁通减小，使电枢电动势减小。

②负载增加，电枢绕组电阻压降增大。

并励发电机：下倾曲线（端电压U随负载

电流增大下降幅度较他励发电机大），原因是：

除①、②两原因与他励发电机相同外，因并

励发电机的, 因此由①、②原因引

起U减小，致使减小（他励发电机不变），磁通减小，进一步减小，致使端电压下降幅度较大。

16-7 并激直流电动机的起动电流取决于什么？正常工作时的电枢电流又决定于什么？

答：起动时：n=0,  

起动电流大小取决于外加电压和电枢回路电阻。

正常工作时，由于反电动势Ea的作用，此时

故工作时，电枢电流大小却取决于负载转矩的大小。

16-8并激直流电动机起动时，常把串接于激磁回路的磁场变阻器短接，为什么？若在起动时，激磁回路串入较大电阻，会产生什么现象？

答：起动转矩    

起动电流一定时， ，欲使起动转矩尽可能大，就要求磁通（即励磁电流）尽可能大。而并励电动机，（为励磁回路总电阻），故它常把励磁回路的磁场变阻器短接，致使励磁回路电阻最小，励磁电流（即磁通）达最大。

若起动时在励磁回路串入较大电阻，使、减小，导致起动转矩很小，若此时（负载转矩），电机就起动不起来，这样电枢电流剧增，直致烧毁电枢绕组。

16-9并激直流电动机在运行时励磁回路突然断线，问电机有剩磁的情况下会有什么时候后果？若在起动时就断线，又会出现什么后果？

答：并励直流电动机在运行时励磁回路突然断线，励磁电流消失（=0），主磁通减小至剩磁磁通值，断线瞬间，由于惯性，电机转速未变，则电枢电动势大为减小，从而电枢电流急剧增大，电枢绕组有被烧毁的可能。

若电枢电流a增大的速率大于主磁通减小的速率，电磁转距增大，若负载转矩不变，致使电机转速迅速升高。若发生在空载或轻载时，则转速剧增至飞逸速度，致使换向不良，换向器、电枢绕组和转动部件损坏，甚至造成人身伤害事故。

若电枢电流增大速率小于主磁通减小速率，就减小，若负载转矩不变，当, 转速下降, 甚至停转, 此时电枢电流仍很大, 同样可能会烧毁电枢绕组.

若起动时励磁回路断线, 这时n=0, 电枢电动势,  则电枢电流很大。同时，由于此时主磁通很小（剩磁磁通），就小，而不能起动，也导致电枢电流剧增。

可见，并励直流电动机励磁回路不容许开路，并应采取必要的保持措施。

16-10  一台并励直流发电机，励磁回路电阻负载电阻，电枢回路电阻，端电压U=220V。

 试求：（1）励磁电流和负载电流I；

（2）电枢电流和电动势（忽略电刷电阻压降）；

（3）输出功率和电磁功率。

解：①励磁电流  

负载电流    

②电枢电流  

电枢电动势  

③输出功率   

电磁功率   

或      

16-11一台并励直流发电机，，电枢回路电阻，一对电刷压降，励磁回路电阻，求额定时的电磁功率和电磁转矩？

解：励磁电流  

负载电流    

电枢电流  

电枢电动势  

电磁功率   

电磁转矩    

16-12  一台并励直流电动机，

，电枢回路总电阻，励磁回路电阻，忽略电枢反应的影响，求：

（1）电动机的额定输出转矩？

（2）额定负载时的电磁转矩；

（3）额定负载时的效率；

（4）在理想空载时（）的转速；

（5）当电枢回路中串入一电阻R=0.15Ω时，在额定转矩下的转速。

解：  ①额定输出转矩 

②额定负载时电磁转矩：

励磁电流            

电枢电流             

③额定负载时效率     

④

⑤当电枢回路串入，在时转速：

16-13   一台并励直流电动机，

，额定运行时，电枢回路总电阻，励磁回路电阻，，附加损耗占额定功率1%，额定负载时的效率，求：（1）额定输入功率；

（2）额定输出功率；（3）总损耗；（4）电枢回路铜损耗；（5）励磁回路铜损耗；（6）电刷接触电阻损耗；（7）附加损耗；（8）机械损耗和铁损耗之和。

解：  1)输入功率    

        2)输出功率    

        3)总损耗     

        4)励磁电流:   

          电枢电流：   

          电枢回路铜损耗：

         5）励磁回路铜损耗：

         6）电刷接触电阻损耗：

         7）附加损耗：

         8）机械损耗和铁损耗之和：