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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?f(F0)

?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Tm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yk?1 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：

y1?Zi2P??

Zi?1p?1?y??1（单叠）y?kP yk?y

y2?y?y1

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?n?PNa60a?n

（1）?减少10％，则? 即

EE'E'?0.9?

CE?n'1?C'?0.9 ∴E?0.9E?0.9?230?207(V) ?n （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

EE'nn ∴E'?1.2E?276(V) ?n'?1.2n'EE'??n?'n'??n0.9?1.2n

E'?0.9?1.2?230?2484(V)

2．12 一台4极单叠绕组的直流电机，问：

（1）如果取出相邻的两组电刷，只用剩下的另外两组电刷是否可以？对电机的性能有何影响？端电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载（用额定功率的百分比表示）？ （2）如有一元件断线，电刷间的电压有何变化？此时发电机能供给多大的负载？ （3）若只用相对的两组电刷是否能够运行？ （4）若有一极失磁，将会产生什么后果？

(1)取出相临的两组电刷，电机能够工作，此时，电枢感应电动势不受影响，但电机容量会减小；设原来每条支路电流为I，4条支路总电流为4I，现在两条支路并联，一条支路14电阻为另一条支路的3倍，因此两条并联总电流为I+3I=3I，现在电流与原来电流之比为

114I4I=：，因此容量减为原来容量的33 3 (2)只有一个元件断线时，电动势不受影响，元件断线的那条支路为零，因此现在相3当于三条支路并联，总电流为原来的4

(3)若只用相对的两组电刷，由于两路电刷间的电压为零，所以电机无法运行。

(4)单叠：由于电刷不动，若有一磁极失磁，则有一条支路无电势，∴电刷间无感应电动势，电机内部产生环流，电机不能运行。

2．13 如果是单波绕组，问2．12题的结果如何？

(1)只用相邻两只电刷，电机能工作，对感应电势和电机容量均无影响，仅取一只电刷时，因仍是两条支路并联，所以电机还能工作，对电动势和电机容量均无影响。 1 (2)一个元件断线，对电动势无影响，由于仅剩下一条支路有电流，电流为原来的2，

1容量减为原来的2

(3)只用相对的两只电刷时，由于两只电刷为等电位，电压为零，因此电机无法运行。 11 (4)单波失去一个磁极，感应电动势减小2，容量减小2且内部产生环流。

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发生畴变

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2NfIf建立，F0?2IfNf 负载：由2NfIf和Ax共同建立：

F0?Fa 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）

2．16 一台直流电动机，磁路是饱和的，当电机带负载以后，电刷逆着电枢旋转方向移动了一个角度，试问此时电枢反应对气隙磁场有什么影响？

电动机电刷逆电枢转向移动，直轴电枢反应去磁，交轴电枢反应总是去磁的

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、Ia、If的关系式。

四种励磁方式：他励，并励，串励，复励 电动机：他励：I?Ia

并励：I 串励：I 复励：I

?Ia?If ?Ia?If

?Ia?If?If' 短复励

?Ia ?Ia?If ?Ia?If

Ia?If'，I?Ia?If' 长复励

发电机：他励：I 并励：I 串励：I 复励：I?Ia?If?If' 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、Ia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：Tem与n方向相同，是驱动转矩，Ea与U方向相反，是反电动势，Ia方向流向电枢，Ea与Ia方向相反。EaIa?Tem?

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：Tem与n方向相反，是阻力转矩，E与U方向相同，Ea与Ia方向相同，发出电功率，为克服阻力转矩Tem，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。Ia2Ra，UIf

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E?U?IaRa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=Ce?n 负载时：U?E?IaRa ∴电压下降

并励下降大，∵随着电压下降，?减小，∴Ea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U0?E?Ce?n 他励时，n升20％，E升20％

并励时，∵n增加 ∴E增加，If增加，?增加，∴E除n增大外，?也增大，∴并励时，空载电压升较多。

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。

3PN75000 解：P IN=0.885?84.75?10W1??N?P1UN=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：2p?6，总导体数Na?780，并联支路数2a?6，运行角速度是??40?rad/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) CE?PNa60a?780? E?CE?n?CE?60?3602??3?13 =13×0.0392 ×

60?40?2?=611.5V

(2)E=CE?n=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： IN?PN?82?103?356.52(A)

UN230 E?CE?nN? ∴TPNa60a?UN

PNaTem?CT?IN?2?a?IN

Eem??26060INE2?nNnNIN

?230?30?356.52?807.7Ngm 2??970∴Tem?2．50 试计算下列绕组的节距y1，y2，y和yK，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Ny?3，当