2024年河北工业大学电气工程（电机设计）试题解析与精解

2024年河北工业大学电气工程（电机设计）试题解析与精解考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述变压器空载运行的物理过程，并说明空载电流的组成及主要作用。二、三相异步电动机的电磁转矩是如何产生的？请写出物理表达式，并解释各符号的含义。三、电机设计中，为什么通常选择硅钢片作为铁芯材料？与普通钢片相比，硅钢片有哪些优缺点？四、简述直流电机电枢反应的性质及其对电机性能的影响。五、在电机设计中，如何进行电机的热计算？主要考虑哪些因素？电机温升是否超过允许值有哪些后果？六、一台三相异步电动机，额定功率Pn=75kW，额定电压Un=380V，额定转速nN=1440r/min，Y接法。试计算其额定负载时的转差率sN、额定转矩TN（单位：N·m）以及额定电流IN（假设功率因数为0.85，过载能力Km=2.2）。七、简述电机设计中，选择轴承的类型和材料需要考虑哪些因素？八、试述电机设计中，提高电机效率的主要途径有哪些？九、一台用于起重设备的绕线式三相异步电动机，在启动时需要限制启动电流，并要求有较大的启动转矩。简述采用哪些启动方法可以满足上述要求，并说明其原理。十、比较交流电机和直流电机在结构、运行特性、控制方式等方面的主要异同点。十一、某电机设计项目，要求设计一台额定功率为20kW，额定电压为220V的单相异步电动机。请简述其设计流程，并说明在设计过程中需要考虑哪些关键参数和设计步骤。十二、在电机设计中，如何进行电机结构的强度和刚度校验？主要校验哪些部件？十三、简述永磁电机的基本工作原理，并说明永磁体在永磁电机中的作用。十四、随着新能源技术的发展，电机设计领域有哪些新的发展趋势？请举例说明。试卷答案一、变压器空载运行时，原边绕组加额定电压，产生主磁通，主磁通同时交链原、副边绕组，分别在原、副边绕组中感应出电势。原边电流即为空载电流，它包含两部分：无功分量（建立主磁通）和有功分量（补偿铁芯损耗和绕组铜损）。无功分量占空载电流的绝大部分。解析思路：考察变压器空载运行的基本原理和空载电流的组成。需要理解主磁通的作用，以及空载电流的无功分量和有功分量的来源和作用。二、三相异步电动机的电磁转矩由旋转磁场与转子电流相互作用产生。其物理表达式为：TN=C_T*Φ*I_2'*cos(φ_2')，其中，C_T为转矩常数，Φ为每极磁通量，I_2'为转子电流折算值，φ_2'为转子电路功率因数角。解析思路：考察三相异步电动机电磁转矩的产生原理和物理表达式。需要理解旋转磁场、转子电流和转子功率因数角的作用，以及它们与电磁转矩的关系。三、电机通常选择硅钢片作为铁芯材料是因为硅钢片具有高磁导率和低损耗的特性。高磁导率可以降低励磁电流，减少铁损；低损耗（特别是低磁滞损耗和涡流损耗）可以降低电机运行时的发热量，提高电机效率。缺点是硅钢片较脆，加工性能稍差。解析思路：考察电机铁芯材料的选择原因。需要理解硅钢片的磁性能和损耗特性，以及它们对电机性能的影响。四、直流电机电枢反应是指电枢电流产生的磁场对主磁场的影响。电枢反应的性质取决于电枢电流的方向、电枢位置以及电机运行状态（如电动机或发电机）。在电动机中，电枢反应通常使主磁场发生畸变，并产生去磁或助磁效应，同时还会产生额外的横轴磁势，使换向片间产生电势波动，可能导致火花。解析思路：考察直流电机电枢反应的性质和影响。需要理解电枢磁场对主磁场的作用，以及电枢反应对电机性能（如主磁场、换向）的影响。五、电机热计算主要是根据电机运行时产生的损耗，计算电机各部分的温升，并判断是否超过允许值。主要考虑因素包括：各种损耗（铜损、铁损、机械损耗等）、散热方式、电机材料的热性能（如热导率、比热容）、环境温度等。电机温升超过允许值会导致绝缘材料加速老化，缩短电机寿命，严重时甚至可能烧毁电机。解析思路：考察电机热计算的方法和考虑因素。需要理解电机损耗的产生，散热方式，以及温升对电机性能和寿命的影响。六、sN=(1500-1440)/1500=0.04TN=9550*Pn/nN=9550*75/1440=492.17N·mIN=Pn/(√3*Un*η*cosφ)=75000/(√3*380*0.85*0.85)=137.45A解析思路：考察三相异步电动机基本参数的计算。需要运用转差率、转矩和电流的公式，并注意单位换算和额定条件下的参数代入。七、选择轴承类型需要考虑电机转速、负载大小和性质（径向、轴向）、工作环境（温度、湿度、清洁度）、寿命要求、成本等因素。选择轴承材料需要考虑电机的运行温度、载荷大小、转速、腐蚀环境、成本等因素。常用材料有轴承钢（如GCr15）等。解析思路：考察轴承类型和材料选择需考虑的因素。需要理解不同类型轴承（如球轴承、滚子轴承）的特点和适用场合，以及轴承材料的热稳定性、强度、耐磨性等性能。八、提高电机效率的主要途径包括：降低各种损耗，如铜损、铁损、机械损耗等；优化电机结构设计，如改善电磁设计、减少漏磁、优化通风冷却结构等；选用高性能材料，如高磁导率铁芯材料、低电阻绕组材料、低摩擦轴承等。解析思路：考察提高电机效率的方法。需要理解电机损耗的来源，以及从设计、结构、材料等方面优化电机性能以提高效率的思路。九、可采用星三角启动或自耦变压器减压启动。星三角启动原理：启动时将定子绕组接成星形，降低启动电压和电流，启动后改接成三角形，正常运行。自耦变压器减压启动原理：利用自耦变压器降低加到电机定子绕组上的电压，从而降低启动电流，启动后切除自耦变压器，电机正常运行。这两种方法都能在限制启动电流的同时提供较大的启动转矩（星三角启动转矩约为额定转矩的1/3，自耦变压器启动转矩与降压比的平方成正比）。解析思路：考察电机启动方法的选择和原理。需要理解星三角启动和自耦变压器减压启动的原理，以及它们对启动电流和启动转矩的影响。十、相同点：都利用电磁感应原理实现能量转换；都存在转差现象（交流电机）；都可分为旋转电机和直线电机等。不同点：结构上，直流电机有换向器，交流电机无换向器；运行特性上，直流电机调速性能好，控制灵活，但维护复杂；交流电机结构简单，维护方便，但调速性能相对较差。控制方式上，直流电机常用电枢控制、磁场控制；交流电机常用变频控制、变压控制等。解析思路：考察交流电机和直流电机在结构、运行特性、控制方式等方面的比较。需要掌握两类电机的主要结构和工作原理，以及它们在性能和控制方面的优缺点。十一、设计流程：1.确定电机基本参数（功率、电压、转速等）；2.选择电机类型和结构形式；3.进行电磁设计（计算定转子尺寸、绕组参数等）；4.进行热计算（计算损耗和温升）；5.进行机械设计（计算转轴、轴承等）；6.进行结构强度和刚度校验；7.绘制电机图纸；8.进行样机试制和测试。关键参数和设计步骤：关键参数包括功率、电压、转速、效率、温升、转矩等；设计步骤中，电磁设计和热设计是核心，决定了电机的性能。解析思路：考察单相异步电动机的设计流程和关键点。需要了解电机设计的基本流程，以及在设计过程中需要重点关注的关键参数和设计步骤。十二、进行电机结构的强度和刚度校验主要是通过计算或试验方法，确定电机各部件（如转轴、轴承座、机壳等）在额定负载和实际工作条件下的应力、应变和变形，并与材料的强度极限和允许变形量进行比较，判断是否满足设计要求。主要校验部件包括转轴（抗弯强度、抗扭强度）、轴承座（刚度、承载力）、机壳（刚度、散热性能）、端盖等。解析思路：考察电机结构强度和刚度校验的方法和对象。需要理解强度和刚度的概念，以及校验的基本原理，即比较实际应力/应变/变形与允许值。十三、永磁电机的基本工作原理是利用永磁体产生的恒定磁场与电枢电流产生的旋转磁场（或磁场）相互作用，产生电磁转矩，驱动电机旋转。永磁体在永磁电机中提供主磁场或辅助磁场，提高磁场强度，减小励磁电流，提高电机效率和功率密度。解析思路：考察永磁电机的工作原理和永磁体的作用。需要理解永磁体的特性，以及它在永磁电机中产生磁场的作用，以及其对电机性能的影响。十四、电机设计领域的新发展趋势包括：1.高效节能：开发更高效率的电机，如无铁芯电机、永磁电机等，以满足节能减排的需求；2.高功率密度：在有限体积内提高电机功率，如采用高磁能密度永磁材料、优化结构设计等；3.智能化：集成传感器和智能