第3章直流电机习题解答
第三章直流电机
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：
R 2R P1 , 则R1 2PR ，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 2p2R ，并联电阻为p2R 。
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F aq 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F ad 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F aq 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F ad
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：①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。②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n U I aRa知：转速n 有所增大。
C e 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,Q U =s=k=22;
（2）左行单波绕组：2p=6,Q U =s=k=22。
解：
（1）计算节距
合成节距等于换向节距y=y c =1
第一节距 y1 Q u 22 5 （短距绕组，有利于换向和节约端部用铜）
12p 4
第二节距 y 2 y 1 y 4 绘制绕组展开图
S S
N N 13 14 15 16 17 B2
21 22 19 20
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
2 3 4 5
A2
1 2 3 4
5
6
7
8
A1
B1
8
9 10 11
绘制电路图 ap 1 21A1 A2
1123 12
11 13 22
3
4
5
6
10
9
8
7
14
15
16
17
21
20
19
18
B2
2) 计算节距
y y c K 1 22 1
p3
y 1
Q u 2p
22
4；
y 2 y y 1 7 4 3 6
20 13 6 21 14 7 22
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 Φ，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：
绘制绕组展开图
21 22 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
S S
N
N N 2 3 6 8
17 18
20 21 22
4 5 A1 B1 A2 B2 A3 B3
S
9 10 11 12 13 14 15
绘制电路图
ap
A 1
A 2
11 12
19
19
12
5
11 18 3 10 7 2 9
15
16
25 1
1156
8
B 3
B 2
A B
1
当 n 1 1500r min 时， E a1 C e n 1 6.63 2.1 10 2
1500 208.9V ；
2
n 2 500r min 时， E a1 C e n 1 6.63 2.1 10 2
500 69.6V 。 （2）T e C T ΦI a 63.34 2.1 10 2
10 13.30N m 。
3-15 一台 他励 直流电 动机 的额 定 数据 为： P N 6kW ， U N 220V ， n N 1000r /
min ， p Cua 500W ， p Cuf 100W ， p 0 395W 。计算额定运行时电 动机的T 0、T N 、P e 、 N 。
解：额定运行状态下：
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） C e
6p 0z a
a
3*398 3*398
60*3
pz a
6.63,C
T
2a * 3.14
2*3* 3.14
63.34;
T 0
p
P N
P e P N 395 2*3.14* 100060
6000 57.3N m 2*3.14* 1000
60
6395W
p 0 6000 395 P 1 P N
p
Cua
p
cuf
p
3.77N m 6000 500 100 395 6995W
P
N
P 1
6000
85.7% 6995
3-16 一台四极 82kW 、 230V 、 970r/min 的并励直流发电机， r a 0.0259 ，
r f
26.5 ，一对电刷接触压降为 2 伏，
p Fe p mec 4.3kW ， p ad 0.005P N ,求
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。
P
N
100*103
434.78A ， U N 230
说明负载时有 9400 7000 A 2400A 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 2400 A 的励磁磁动势对去磁作用进行补偿， 因此所需匝数 为：
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。
I f
I
N
U N
r
f
P N
230
8.68A 26.5
U N
82000
356.52A 230
I a
E a P e P 1
T e
I N I f 356.52 8.68 365.2A
U N I a r a 2 U s 230 365.2*0.0259 2 241.16V E a I a 241.46*365.2 88180W P e p Fe p P e P N P 1
mec p ad 88180 4300 0.005*82000 92980W 88180 868.5N m
2π* 970 2π*
60 82000 88.2%
92980 3-17 解： I N
空载时， 为产生额定电压所需的励磁磁动势为： 7*1000=7000 A ， 负载时， 为产生额定电压所需的励磁磁动势为：
9.4*1000=9400 A ，
2400
434.78
6。
60
T e
E a I a
422.84*220
2π
* 50 1777.54N m
3）
解：额定负载时，电枢电流为：
E a 110 79.2*0.15 98.12V
1）串入电阻的瞬间，电机转速不变，电枢电动势不变，故：
E a '
110 79.2*0.15 98.12V
2)稳定后： I a
'' I a 79.2A 3）
E a '' 110 79.2*(0.15 0.4) 66.275V
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。
2）
I a I N I f 225 5 220A
E a U N I a R a 440 220*0.078 422.84V
I a
80
110
138
79.2A I a 110 98.12 0.15 0.4
21.6A T e
E a ' I a ' 98.12*21.6
13.77 N m
N
2π *1470 /60
nn e '
'a C E a a'
E 'n
6968..21725*1470=993r
min
解：（ 1）T 2
P N
N
=1834.4N m
E a C e n
n 0 UN
n N 440
*500 520.29 r 0
E aN N 422.84 min
3-20 某他励直流电动机的额定数据为： P N ＝7.5kW ，U N ＝220V ，I N ＝40A ，n N ＝1000r/min ， r a ＝0.5 。拖动 T L ＝ 0.5T N 恒转矩负载运行时电动机的转速及电 枢电流
是多大？
解：
C T I
aN
E
aN
U N I N r a 220 40*0.5 200V E
aN I
N
200*40 N 2π*1000
=76.43N m
60
T L 0.5T N 0.5PN
N
7500
0.5* 35.83N m 2π* 1000
2π*
60
T T
e
L
N
I N 35.83*40 18.75A
76.43
E a E
a U N I
C e n
E a
E
n N
E
aN
r a 220 18.75*0.5 210.625V
21
2
.6
25*1000 1053rmin
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，
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；各台电机的电枢电流及电磁功率。
解：（1）
E a C e n ,U 230V 故在n' 1200r min时，1200
对于电机A, E a1200*186.67 224.004V , Ea U ,电动机状态a 1000
1200
对于电机B,E a 1200*195.83 237.996V，Ea U ,发电机状态a 1000（2）
对于电机A, Ia U Ea 230 224.004
59.96A
a R a 0.1
P e E a I a 224.004*59.96 13.431KW 对于电机B, Ia Ea U 234.996 23049.96A
a R a 0.1
P e E a I a 234.996*49.96 11.74KW