第3章 直流电机 《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答).pdf

第三章第三章 直流电机直流电机 习题解答 3 1 直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率 对发电机和电动 机有什么不同 答 输出功率 对于电动机指轴上的输出机械功率 对于发电机指线段输出的 电功率 3 2 一台 p 对极的直流电机 采用单叠绕组 其电枢电阻为 R 若用同等数目的 同样元件接成单波绕组时 电枢电阻应为多少 答 P2R 解析 设单叠绕组时支路电阻为 R1 考虑到并联支路数 2a 2p 故有 1 2 R R P 则 1 2RPR 单波绕组时 并联支路数 2a 2 每条支路有 p 个 R1 则每条支路电阻为 2 2p R 并联电阻为 2 p R 3 3 直流电机主磁路包括哪几部分 磁路未饱和时 励磁磁通势主要消耗在哪一 部分 答 N 极 气隙 电枢齿 电枢磁轭 下一电枢齿 气隙 S 极 定子磁 轭 N 极 主要消耗在气隙 3 4 在直流发电机中 电刷顺电枢旋转方向移动一角度后 电枢反应的性质怎 样 当电刷逆电枢旋转方向移动一角度 电枢反应的性质又是怎样 如果是 电动机 在这两种情况下 电枢反应的性质怎样 答 当电刷偏离几何中性线时 除产生交轴电枢磁动势外 还会产生直轴磁动势 对于发电机 当电刷顺电枢旋转方向移动一角度后 产生的交轴磁动势 Faq 对主 磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同 产生的直轴电动势 Fad 有去磁作用 当电刷逆电枢旋转方向移动一角度后 产生的交轴磁动势 Faq 对主 磁场的影响与电刷位于中性线时的电枢反应磁动势相同 产生的直轴电动势 Fad 有助磁作用 如果是电动机 两种情况下的影响与发电机恰好相反 3 5 直流电机电枢绕组元件内的电动势和电流是交流还是直流 为什么在稳态 电压方程中不考虑元件本身的电感电动势 答 交流 因为在元件短距时 元件的两个边的电动势在一段时间内方向相反 使得元件的平均电动势稍有降低 但直流电机中不允许元件短距太大 所以这个 影响极小 故一般不考虑 3 6 一台直流电动机运行在电动机状态时换向极能改善换向 运行在发电机状态 后还能改善换向吗 答 不能 对电动机来说 换向极极性应与顺着电枢转向的下一个主极性相反 而发电机则应相同 3 7 一台并励直流电动机在正转时有一定转速 现欲改变其旋转方向 为此停车 后改变其励磁电流方向或电枢电流方向均可 但重新起动后发现该电机在同样情 况下的转速与原来 的不一样了 问可能是什么原因造成的 答 当电刷不在几何中性线上时 电枢磁场分为直轴和交轴两个分量 当电枢 反向时 直轴电枢磁场的方向将改变 如由去磁变为增磁 这样使磁通发生变 化 在拖动恒转矩负载时 转速也将发生变化 正转停车后 直流电动机的铁 心有剩磁 改变励磁电流后 新产生的磁场方向与剩磁磁场方向相反 使总磁 通减小 由 aa e UI R n C 知 转速 n 有所增大 3 8 主磁通既链着电枢绕组又链着励磁绕组 为什么却只在电枢绕组里产生感 应电动势 答 直流电机运行时 主磁通相对于励磁绕组是静止的 所以在励磁绕组中 不会产生感应电动势 由于电枢在旋转 主磁通与电枢绕组之间有相对运动 所 以会在电枢绕组中产生感应电动势 3 9 不计电枢反应 他励直流电动机机械特性为什么是下垂的 如果电枢反应 去磁作用很明显 对机械特性有什么影响 答 因为负载转矩增大 导致电枢电流增大 电枢电动势下降 显然引起转速下 降 如果电枢反应去磁作用很明显 会使每极磁通的减小 电流越大 去磁作用 也大 每极磁通的减小越明显 导致机械特性反而上翘 3 10 何为转速 负载变化引起的转速变化是不是调速 直流电动机有几种调速 方法 试分析比较各种方法的特点 答 调速就是对控制对象进行速度调整 可以通过机械电气等方法进行调整 调 速一般指系统层面即调速系统 负载变化引起的转速变化不是调速 直流电动机的调速方法有 3 种 调节每极磁通 随着电动机转速的升高 负载转矩相应减小 属恒功率调速 为避免电动机转子绕组受离心力过大而撤开损坏 弱磁调速时应注意电动机转速 不超过允许限度 调节电枢端电压 电枢回路必须有可调压的直流电源 电枢回路及励磁回路电 阻尽可能小 电压降低转速下降 人为特性硬度不变 运行转速稳定 可无级调 速 电枢回路串电阻 这种方法只能使转速往下调 如果所串电阻连续 电动机转 速可以平滑调节 串电阻越大 机械特性越软 转速越不稳定 优点 设备简单 操作方便 缺点 调速时电动机效率低 3 11 极数为 2 的直流电机 只有一个换向极 是否会造成一个电刷换向好 一 个电刷换向不好 答 一般不会 因为对于两极电机在任意电刷换向时 必有一个线圈处于换向极 磁场下面 产生换向极电动势 抵消电抗电势以减小附加电流 3 12 对伺服直流电电动机有何基本要求 在结构上是如何满足这些要求的 答 可控性好 转速和转向完全由控制电压的大小和极性决定 并线性控制特 性为最佳 运行稳定性 在宽调速范围内具有下降的机械特性 最好为线性机 械特性 伺服性好 能敏捷地跟随控制信号的变化 起 停迅速 为满足上述 要求 直流伺服电动机大都采用他励或永磁励磁方式 并在设计中力求磁路不饱 和 电枢反应影响小 起动转矩大 转动惯量小 3 13 计算下列电枢绕组的节距 并绘出绕组展开图和电路图 1 右行单叠短距绕组 2p 4 U Q s k 22 2 左行单波绕组 2p 6 U Q s k 22 解 1 计算节距 合成节距等于换向节距 y c y 1 第一节距5 4 22 2 y1 p Qu 短距绕组 有利于换向和节约端部用铜 第二节距4y 12 yy 绘制绕组展开图 绘制电路图 p a 2 计算节距 7 3 1221 yy p K c 347y4 6 22 2 Q y 121 yy p u n NNSS 1623457891011 12131415 16 17 18192021 22 1623457891011 12131415 16 17 181921 22 1A2A1B2B 绘制绕组展开图 绘制电路图 p a 201362114722 11183 10 72 9 25 1 16 15 8 15 16 18 B1 B2 B3 A1 A2 A3 4 5 19 12 4 5 11 12 19 3 14 一台直流电机的极对数 3p 单叠绕组 并联支路数 26a 电枢总导体数 a398Z 匝 气 隙 每 极 磁 通 2 2 110Wb 当 转 速 分 别 为 1500r min 和 500r min 时 求电枢感应电动势的大小 若电枢电流 Ia 10A 磁通不变 电磁 转矩是多大 解 1223456 7891011 12131415 16 17 18 19 2021 22 123456 7891011 12131415 16 17 18 19 202122 NNSSNS n A1A2A3B1B2B3 1 34 63 14 3 3 2 398 3 14 3 2 63 6 3 60 398 3 60 C a pz C a pz a T a e 当 1 1500r min n时 2 a1e1 C6 63 2 1 101500208 9VE n 2 500r min n时 2 a1e1 C6 63 2 1 1050069 6VE n 2 2 eTa C63 34 2 1 101013 30N m T I 3 15 一 台 他 励 直 流 电 动 机 的 额 定 数 据 为 6kW NP 220V NU 1000 min N r n 500W Cua p WpCuf100 0 395Wp 计算额定运行时电 动机的 0T NT Pe N 解 额定运行状态下 0 0 0 10 1 395 3 77 1000 2 3 14 60 6000 57 3 1000 2 3 14 60 60003956395 6000500 1003956995 6000 85 7 6995 N N N N eN NCuacuf N N p TN m P TN m PPpW PPpppW P P 3 16 一台四极82kW 230V 970r min的并励直流发电机 0259 0 a r 5 26 f r 一对电刷接触压降为2伏 kWpp mecFe 3 4 Nad Pp005 0 求 额定负载时发电机的输入功率 电磁功率 电磁转矩和效率 解 额定负载状态下 1 230 8 68 26 5 82000 356 52 230 356 528 68365 2 2230365 2 0 02592241 16 241 46 365 288180 8818043000 005 8200092980 881 N f f N N N aNf aNa as eaa eFemecad e e N U IA r P IA U IIIA EUI rUV PE IW PPpppW P T 1 80 868 5 970 2 60 82000 88 2 92980 N N m P P 3 17 一 台100kW 230V的并励发电机 每极励磁绕组有1000匝 在额定转速 下 空载产生额定电压需励磁电流7A 额定电流时需9 4A的额定电流才能达到 同样的电压 今欲将该机改为平复励 问每极应加多少匝串励绕组 解 3 100 10 434 78 230 N N N P IA U 空载时 为产生额定电压所需的励磁磁动势为 7 1000 7000A 负载时 为产生额定电压所需的励磁磁动势为 9 4 1000 9400A 说明负载时有 940070002400AA 的去磁作用 现用串励绕组将其改为平复 励 则串励绕组应产生2400A的励磁磁动势对去磁作用进行补偿 因此所需匝数 为 2400 6 434 78 c N 3 18 一台5 5kW 110V的并励直流电动机 额定电流为80安 额定转速为 1470r min 电枢回路总电阻为0 15欧姆 包括电刷接触电阻 励磁回 路电阻为138欧姆 设在额定负载下突然在电枢回路中串入0 4欧姆电阻 若不计电枢回路电感 并略去电枢反应 试计算 1 串入电阻瞬间的电枢电势 电枢电流及电磁转矩 2 电枢电流的稳态值 3 进入稳态后电机的转速 解 额定负载时 电枢电流为 110 8079 2 138 11079 2 0 1598 12 a a IA EV 1 串入电阻的瞬间 电机转速不变 电枢电动势不变 故 11079 2 0 1598 12 11098 12 21 6 0 150 4 98 12 21 6 13 77 2 1470 60 a a aa e N EV IA E I TN m 2 稳定后 79 2 aa IIA 3 11079 2 0 150 4 66 275 66 275 1470 993 min 98 12 a ae a a EV EC n E r nn E 3 19 一台 96kW 的并励直流电动机 额定电压为 440V 额定电流为 255A 额 定励磁电流为 5A 额定转 速为 500r min 电枢回路总电阻为 0 078 包括电刷接触电阻 不计电 枢反应 试求 1 电动机的额定输出转矩 2 额定电流时的电磁转矩 3 电动机的空载转速 解 1 2 96000 1834 4N m 2 60 N N P T 500 2 2255220 440220 0 078422 84 422 84 220 1777 54 2 60 aNf aNaa aa e N IIIA EUI RV E I TN m 500 3 0 440 500520 29 min 422 84 ae N N aN EC n U r nn E 3 20 某他励直流电动机的额定数据为 PN 7 5kW UN 220V IN 40A nN 1000r min ra 0 5 拖动TL TN 5 0恒转矩负载运行时电动机的转速及电 枢电流是多大 解 22040 0 5200 200 40 76 43 1000 2 60 7500 0 50 50 5 35 83 1000 2 60 35 83 4018 75 76 43 220 18 75 0 5210 625 21 aNNN a aNN eN N eNTaN N LN N L N eN aNa ae a N aN EUI rV EI TN m TCI P TTN m T IIA T EUI rV EC n E nn E 0 625 10001053 min 200 r 3 21 两台完全相同的并励直流电机同轴联在一起 并连接于230V的电网上 轴 上不带其它负载 在1000r min时空载特性如下 AI f 1 3 1 4 VE 0 186 67 195 83 电机A的励磁电流为1 4A 电机B的励磁电流为1 3A 电枢回路总电阻为0 1 欧姆 转速为1200r min 若忽略电枢反应 求 1 各台电机的运行状态 各台电机的