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1、直流电机习题,郭冀岭西南交通大学 电气工程学院,直流电机原理,一、直流电机基本工作原理、结构及额定数据二、直流电机的绕组三、直流电机磁场四、直流电机感应电动势电磁转矩和基本方程五、直流电机运行特性六、换向,直流电机原理,答：直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组中的交流电整流成为直流电，在正、负电刷两端输出。直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电逆变成交流电输入电枢元件中。,1.换向器在直流电机中起什么作用？,直流发电机的工作原理换向,线圈旋转方向不变导体感应电势在不同极性磁极下感应电势方向不同导体感应电势交变感应电势换向整流经过磁极的几何中性线交换线圈输出极性输出直流
2、否则，输出交流,直流电动机原理换向,几何中性线磁极的几何分界线电刷和换向器配合电流换向电流逆变导体运动经过磁极的几何中性线期间交换线圈电源极性交换线圈电流方向电磁力反向维持不变,2.指出他励直流电机中，下列那些量方向不变，那些量是交变的：（1）励磁电流（2）电枢电流（3）电枢感应电动势（4）电枢元件感应电动势（5）电枢导条中的电流（6）主磁极中的磁通（7）电枢铁心中的磁通,不交变,不交变,不交变,交变,交变,不交变,交变,3.如何改变他励直流发电机的电枢电动势方向？如何改变他励直流电动机的旋转方向？改变并励直流电动机电源的极性能否改变它的转向？改变串励直流电动机的电源的极性能否改变它的转向？,
3、（1）通过改变他励直流电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向；也可以通过改变他励直流电动机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。（2）通过改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变他励直流电动机的旋转方向；也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。,（3）根据并励直流电动机电枢与励磁绕组的连接特点，改变电源的极性使电枢电流Ia反向，同时也使励磁电流反向，主磁场的极性改变。根据左手定则，所受磁场力方向不变，即电磁转矩仍维持原来的方向不变。,（4）串励电动机的电枢与励磁绕组串联，改变电源极性将使电枢电流和励磁电流同时改变方向，主磁通也改变方向。因此，
4、所受磁场力和电磁转矩仍然维持原来的方向。,答：直流电机铭牌上的功率指的是直流电机工作在满负载荷下的输出功率。对直流发电机，指输出的电功率对直流电动机，指电动机轴上输出的机械功率。,4 直流电机铭牌上的额定功率指什么功率？,5.如何判断直流电机运行于发电机状态还是电动机状态？它们的Tem、n、E、U、的方向有何不同？能量转换关系如何?,答：三种方法判断直流电机的工作状态：可以根据反电势（感应电势）E的大小来判断直流 的运行状态。当EU时处于发电机状态，反之处于电动机状态。发电状态时Tem与n反向，E与Ia同向，与Ua反向；电动机Tem与n同向，E与Ia、Ua反向。发电机从机械能转换为电能，电动机
5、从电能转换为机械能。,6.何谓饱和现象？电机的磁路为什么会出现饱和现象?饱和对电机运行性能有何影响？,答：电机磁路由铁心部分和空气隙部分组成，当铁心的B达到一定程度后，铁心部分的磁压降开始不能忽略，此时随着励磁磁动势的增加，主磁通的增加渐渐变慢，电机进入饱和状态。由于饱和现象的存在，使电机设计时对H和B的值不能取得过高，材料利用率受到限制，激磁电流需要增大。,直流电机绕组,答：单叠绕组的连接是一个元件紧叠着一个元件，合成节距y=1，且一个极下的元件串联成为一条支路，支路对数a=p。单波绕组的连接不是把元件依次串联，而是把相隔大约两个极具并在磁场中位置差不多的对应位置的元件连接起来，合成节距y=
6、(k1)/p，同极下的元件为一条串联支路，支路对数a=1。,7.单叠绕组与单波绕组的元件连接规律有什么不同？同样极对数为p的单叠绕组和单波绕组的支路对数为何相差p倍？,画出单叠绕组展开图,某直流电机，极数2p=4，虚槽数Qu，元件数S，换向片数K均为16。,第一节距y1,合成节距y和换向器节距yk,第二节距y2,画槽,放磁极,画换向片,连绕组,电动势方向,放电刷,单叠绕组电路图：,单波绕组展开图：,单波绕组电路图：,答：单波绕组 并联支路数=2 单叠绕组 并联支路数=6由单波变成单叠，每条支路串联元件数变为原来的1/3，每一元件感应电动势和电阻不变，支路电动势变为原来的1/3，支路电阻也变为原
7、来的1/3，因此额定电压变为原来的1/3，额定电流则变为原来的3倍，故电机的容量不变。,8.一台六极直流电机将其电枢单波绕组改接为单叠绕组，并保持元件数、每元件匝数、每槽元件数不变，该电机的容量是否改变？,推广：一台电枢铁心即可单叠又可单波，在每极磁通和元件数相同条件下，两种绕组的功率相同。N、和支路电流ia保持不变的情况下，无论采用什么绕组方式，电磁功率保持不变。,9 一台四极单叠绕组直流发电机，请回答:（1）去掉相邻两只电刷，端电压有何变化？发电机能供给多大的负载？（2）若有一元件断线，端电压有何变化？发电机能供给多大的负载？（3）只用相对的两只电刷是否能够运行？（4）若有一极失磁，将会产
8、生什么后果？,答：（1）去掉相邻两电刷,单叠绕组取走相邻两个电刷，电枢绕组由4条并联支路变成2条，其中一条支路与原来不变，另一条则由原来的三条支路串联组成，但由于其中两条支路电动势相反而抵消，所以电动势未变，但电枢电阻是原来的3倍。为不使任何一条支路电流过载，后一条支路只能供给1/3的额定电流。此时发电机只能供给1/3的额定负载。,（2）若一元件断线，则该元件所在的支路断开，其余三条支路不变。因此，端电压不变，发电机只能供给3/4的额定负载。,3iaN,（3）若只用相对的两只电刷，则变为两条并联支路，每条支路的感应电动势相互抵消，电机不能运行。,-,（4）若有一极失磁，则每极下的磁通不相等，造
9、成各支路电动势不相等，绕组内部有很大的环流，会损坏电机。,E小,答:直流电机的主磁路主要由以下路径构成：主磁极N经定子、转子之间的空隙进入电枢铁心，在从电枢铁心出来经定、转子间的空隙进入相邻的主磁极S，经定子铁心磁轭到达主磁极N，构成闭合路径。磁路未饱和时，铁的导磁率是空气的几百到上千倍，所以尽管定转子间的空隙很小，但磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在空气隙中。,直流电机磁场,10 直流电机主磁路包括那几部分？磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在那一部分？,11.一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数N=372，电枢回路总电阻Rs=0.208。当此电机运行在电
10、源电压U=220V，电机的转速n=1500 r/min，气隙每极磁通=0.01Wb，此时电机的铁耗pFe=362W，机械摩擦pm=204W。(1)电机运行在发电机状态还是电动机状态？(2)电磁转矩是多少？(3)输入功率和效率各是多少？,直流电机方程,解（1）计算电枢电动势Ea,或根据,（2）电磁转矩,假设为发电机状态,根据发电机，,故假设不成立，电机运行于电动机状态。,直接判定电机工作于电动机状态。,（3）输入功率,效率,输出功率,总损耗,12.一台额定功率PN=20kW的并励直流发电机，额定电压UN=230V，额定转速nN=1500 r/min，电枢回路电阻Rs=0.156，励磁回路总电阻R
11、f=73.3。已知机械损耗和铁耗pm+pFe=1kW，求额定负载情况下各绕组的铜损耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率。（设附加损耗p=0.01PN）,并励直流电机的功率流程图,解：先计算额定电流,励磁电流,电枢绕组电流,电枢回路铜损耗,励磁回路铜损耗,电磁功率,总损耗,输入功率,效率,直流电机特性,答：他励直流电动机在励磁电流一定的情况下，主磁通基本不变。当负载转矩增大时，电枢电流随之成正比增加。Ea=U-RaIa Ea=Cen由于电枢电阻Ra比较小，因此Ea有所减小，但减小量不大，因此n减小不大，从而机械特性较硬。,13 如何解释他励直流电动机机械特性硬、串励直流电动机机械特性软？,并励,
12、串励,串励直流电动机的电枢电流Ia也就是励磁电流If。在磁路为线性不饱和的情况下，If与气隙每极磁通成正比变化，即随着Ia的增大，磁通也在正比增大。由于T=CT Ia，可见电磁转矩T增大时，Ia和都在增大。但是，Ia是由电源供给的，应满足U=Ea+IaRa(Ra包括电枢和励磁绕组电阻)=Ce n+IaRa，因此在U不变时，若想T增大即Ia增大，Ea必须减小，即转速n下降，但Ia增大的同时，也增大，由Ea=Cen也要求n下降,因此串励直流电动机的机械特性要软。,14.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，哪一个电压变化率大？,答：他励直流发电机由空载到额
13、定负载，电枢电流增大，电枢回路电阻压降增加，同时，电枢反应去磁作用使主磁通下降，由公式：,端电压下降,对于并励发电机由空载到额定负载，电枢电流增大，电枢回路电阻压降增加，同时，电枢反应去磁作用使主磁通下降，由公式可知端电压下降更多，电压变化率较大。,15.并励直流发电机不能建立电压，应如何处理？答 若并励直流发电机不能建立电压，先检查线路是否正确，然后：（1）检查电机转速是否达到额定转速；（2）调节励磁回路电阻，使其小于临界电阻；（3）把励磁绕组两端对调接在电枢绕组两端，使励磁磁通与剩磁磁通方向一致；（4）若电机没有剩磁，则应给电机充磁。,16.一台他励直流电动机的铭牌数据为：额定容量PN=5
14、0kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=250A，额定转速nN=1150r/min，试计算其固有机械特性。,机械特性绘制,已知铭牌数据：绘制固有特性：确定两点如何求如何求如何求如何求如何求,解：求Ra,得到（1208.8,0）和（1150，434.5）,17 并励直流电动机的起动电流取决于什么？正常工作时，电枢电流又取决于什么？答：在额定电压下，直流电动机的起动电流取决于电枢回路总电阻，起动电流会较大，随着转速的上升和感应电动势的增加，电枢电流会下降。正常工作时，直流电动机电枢电流大小取决于负载。,18 一台并励直流电动机，PN=96kW，UN=440V，IN=255A，nN=80A，I
15、fN=5A，Ra=0.078，试求：（1）电动机的额定输出转矩（2）在额定电流时的电磁转矩（3）当Ia=0时电机的转速（4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢中串入0.1电阻而达到稳定时的转速。,解：（1）,电动机的额定输出转矩,（2）额定时的电磁转矩,（3）由,当Ia=0时有,（4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢串入0.1电阻而达到稳定时,19 一台并励直流电动机，UN=220V，电枢回路电阻Ra=0.032，励磁回路Rf=275。今将电动机装在起重机上，当使得重物上升时，Ua=UN，Ia=350A，n=795r/min；而重物放下时（重物负载不变，电磁转矩也近似不变），电压及励磁电流保持不变，转速n=300r/min。问电枢回路中要串入多少电阻？,重物上升时,重物下放时，转向相反，转速为,负载转矩不变，电枢电流也不变，此时有,电枢回路总电阻,因此应串入电阻,空载磁场分布,气隙合成磁场,电刷偏离,直轴电枢磁动势,交轴电枢磁动势,交轴电枢反应,使磁场的零点偏移；不饱和时，每极磁通量不变；饱和时，每极磁通量会减少。,直轴电枢反应,谢 谢！,
