《电机与拖动基础第2版》汤天浩习题解答.docx
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《电机与拖动基础第2版》汤天浩习题解答
电机与拖动基础
第一章电机的基本原理1
第二章电力拖动系统的动力学基础6
第三章直流电机原理12
第四章直流电机拖动基础15
第五章变压器30
第六章交流电机的旋转磁场理论45
第七章异步电机原理46
第八章同步电机原理53
第九章交流电机拖动基础63
第十章电力拖动系统电动机的选择76
第一章电机的基本原理
1-1请说明电与磁存在哪些基本关系，并列出其基本物理规律与数学公式。
答：
电与磁存在三个基本关系，分别是
（1）电磁感应左律：
如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应
出电动势。
感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即
dr
感应电动势的方向由右手螺旋左则确左，式中的负号表示感应电动势试图阻止闭合磁路中磁通的变化。
（2）导体在磁场中的感应电动势：
如果磁场固立不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，同样会在导体中产生感应电动势。
这种导体在磁场中运动产生的感应电动势的大小由下式给岀
e=Blv
而感应电动势的方向由右手従则确定。
（3）载流导体在磁场中的电磁力：
如果在固定磁场中放豊一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力。
载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关，当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度/以及通电电流F成正比，即
F=BU
电磁力的方向可由左手泄则确左。
1-2通过电路与磁路的比较，总结两者之间哪些物理量具有相似的对应关系（如电阻与磁阻），请列表说明。
答：
磁路是指在电工设备中，用磁性材料做成一左形状的铁心，铁心的磁导率比其他物质的磁导率高得多，铁心线圈中的电流所产生的磁通绝大部分将经过铁心闭合，这种人为造成的磁通闭合路径就称为磁路。
而电路是由金属导线和电气或电子部件组成的导电
回路，也可以说电路是电流所流经的路径。
磁路与电路之间有许多相似性，两者所遵循的基本泄律相似，即KCL：
在任一节点处都遵守基尔霍夫第一左律约束：
KVL：
在任一回路中都遵守基尔霍夫第二泄律；另外，磁路与电路都有各自的欧姆立律。
两者之间相似的物理量主要有：
电路中传输的是电流，磁路中相应的为磁通；电路中的电动势、电压与磁路中的磁动势、磁压降类似。
电路中的电阻或电导与磁路中的磁阻或磁导相似。
这些对应关系如下表所示：
磁路
磁通⑦
磁动势化（应冷降）
（磁导Gm）
磁通密度B
磁导率“
电路
电流/
电动势E（电压U）
电阻R（电导G）
电流密度＜/
1/电阻率Q
当然两者之间也有一些不同之处，比如磁通只是描述磁场的物理量，并不像电流那样表示带电质点的运动，磁通通过磁阻时，也不像电流通过电阻那样要消耗功率，因而也不存在与电路中的焦耳沱律类似的磁路定律：
分析电路时一般不涉及电场问题，不考虑漏电流，而分析磁路时离不开磁场的概念，要考虑漏磁现象：
在电路中电动势为零时,电流也为零，但在磁路中往往有剩磁，磁动势为零时，磁通不一定为零：
磁路的欧姆定律与电路的欧姆宦律也只是形式上的相似，由于铁心的磁导率不是常数，它随励磁电流而变化，因而磁路计算不能应用叠加原理。
1-3如何理解机电能量转换原理？
根据这个原理可以解决什么问题？
答：
从能疑转换的观点，可以把依靠电磁感应原理运行的机电设备看作是一类机电转换装垃，比如，变压器是一种静止的电能转换装置，而旋转电机是一种将机械能转换成电能（发电机）或将电能转换成机械能（电动机）的运动装巻。
因此，机电能量转换原理是学习和研究电机理论的一个重要工具。
根据这个原理，可以求得电机（发电机、电动机）和变压器中的关键物理量感应电动势和电磁转矩的大小，进而分析电机和变压器的运行特性。
1-4旋转电机模型的基本结构由哪些部分组成，其务自有什么作用？
气隙又有何作用？
答:
旋转电机模型的基本结构由定子、转子和气隙三个部分组成：
定子是固左不动的，转子是运动的，它们之间隔着一层薄薄的气隙。
在左子和转子上分別按需要安装若干线圈，其目的是在气隙中产生磁场。
往往要求气隙磁场按一左的形式分布，例如正弦分布磁场。
电机作为一种机电能量转换装巻，能够将电能转换为机械能，也能将机械能转换为电能。
由于机械系统和电气系统是两种不同的系统，其能量转换必须有一个中间媒介,这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成的。
1-5以两极原型电机作为旋转电机的物理模型，有何应用意义？
答：
两极原型电机结构简单，原理清晰，易于扩展，可作为旋转电机的物理模型。
通过对该模型的研究和分析，便于学习和掌握一般旋转电机的基本原理。
1-6通过模型电机，是如何建立电机的基本电动势和转矩方程的？
又怎样将两极电机的方程推广到多极电机？
答：
通过模型电机，根据电磁感应左律，可以求得旋转电机电动势的通用计算公式
e=-N——cos血+N0esinet。
利用该公式可以推导出具体电机的电动势，比如同dr
步电机、异步电机或直流电机。
再根据机电能量转换原理，可得两极电机的电磁转矩公
式7；=学=-缨乞尺片血必。
由于电机的磁极总是成对设置的，常用极对数-来。
久2g
表示电机的磁极数.则多极电机的电磁转矩为7；
=一化驾牛FRsin%。
1-7电机中存在哪些能量损耗？
有哪些因素会影响电机发热？
电动机与发电机的功率传递
有何不同？
答：
电机进行机电能量转换时总是存在能量损耗的，能量损耗将引起电机发热和效率降
低。
一般来说，电机的能量损耗可分为两大类：
（1）机械损耗：
由电机的运动部件的机械磨擦和空气阻力产生的损耗，这类损耗与电机的机械构造和转速有关。
（2）电气损耗：
主要包括导体损耗、电刷损耗和铁耗等。
导体损耗是由于电机的线圈电阻产生的损耗，有时又称为铜耗，通常在电机的左子和转子上都会产生铜耗；电刷损耗是由于电刷的接触电压降引起的能量损耗，因为只有在直流电机中安装电刷，所以电刷损耗仅仅出现在直流电机中：
铁耗是由于电机铁磁材料的磁滞效应和涡流效应产生的一种损耗，主要取决于磁通密度、转速和铁磁材料的特性。
电动机与发电机的功率传递过程如下图所示：
电动机是将电能转换为机械能，而发动机是将机械能转换为电能。
电功率电磁功率机械功率
机械功率
电磁功率
电功率
P\
电动机与发电机的功率传递过程
a）电动机b）发电机
1-8用硅钢作为导磁材料，现已知B=L6T,试根据图1・3所示的B-H曲线求取在此磁
场条件下硅钢的磁导率
解：
根据图1・3所示的硅钢B-H曲线，查得B=1.6T时，H=2200A/m
E_1.6
"220
"QxlOrH/m）
7.27xlO"4
471x10"
^578.8
1-9有一导体，长度/=3m,通以电流z=200A,放在B=0.5T的磁场中，试求:
（1）导体与磁场方向垂直时的电磁力：
（2）导体与磁场方向平行时的电磁力；
（3）导体与磁场方向为30。
时的电磁力。
解：
载流导体在磁场中电磁力的一般计算公式为
F=Blisin0
（1）导体与磁场方向垂直时，6>=90%F=O.5x3x2OO=3OO（N）
（2）导体与磁场方向平彳亍时，0=0,F=0
（3）导体与磁场方向为30。
时，F=0.5x3x200xsin30°=150（N）
M0有一磁路的铁心形状如图1・20所示，铁心各边的尺寸为:
A、B两边相等，长度为17cm,
截而积为7cm2：
C边长5.5cm,截面积为14cm2：
气隙长度g=0・4cm。
两边各有一个
线圈，其匝数为M=“2=100,分别通以电流h和—所产生的磁动势由A、B两边汇入中间的C边，且方向一致。
试求：
在气隙中产生B=1.2T时所需的电流值，及此时气隙中储存的能并计算电感厶。
解:
设i、=i2=i,m=m=n=ioo,
由你严凡2=勺耳，得2Ni=Q宀
g、i「亡十砧宀、去居・Bg1.2x0.4xl0':
所以，所需的电流值？
=——:
=——-—=a19.1（A）
2N心2N“）2x100x4kx10-
气隙磁通弦=BSc=1.2x14x10^=0.00168（Wb）
*宀“砧、・*-屮N①100x0.5x0.00168八心「小、
根据电感的足义，L=二=——=0.0044（H）
/i19.1
气隙中储存的能量叱=2VV.=2•1Lr=0.0044x19.121.61（J）
2
第二章电力拖动系统的动力学基础
2-1什么是电力拖动系统？
它包括哪些部分？
答：
拖动就是由原动机带动生产机械产生运动，以电动机作为原动机拖动生产机械运动的拖动方式，称为电力拖动。
如图2-1所示，电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成，通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。
图2・1电力拖动系统组成
2-2电力拖动系统旋转运动方程式中各量的物理意义是什么？
它们的正负号如何确左？
答：
电力拖动系统经过化简，都可视为如图2-2a所示的电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统，各物理量的方向（正负号）标示如图2・2b所示。
图2・2单轴电力拖动系统
a）单轴电力拖动系统b）系统各物理虽的方向标示
根据牛顿力学左律，该系统的运动方程为
（\CD
式中，各量的物理意义分别是：
Tc——电动机的电磁转矩（N・m）,Tl——生产机械
的阻转矩（N•m）,J电动机轴上的总转动惯量（kg・m?
）,co电动机的角速
度（rad/s）。
2-3转矩的动态平衡关系与静态平衡关系有什么不同？
答：
转矩的静态平衡是指电力拖动系统稳立运行时，电动机的电磁转矩7；与生产机械
的阻转矩7；相平衡，即Tc=Tl0而转矩的动态平衡是指电力拖动系统在扰动作用下，
从原来的平衡状态达到新的平衡状态的过渡过程中，电动机的电磁转矩7；与生产机械
的阻转矩7；以及加速度转矩丿空相平衡，即=7—o由于过渡过程中转速Q
drdr
是变化的，电磁转矩7；也是随时变化的，以保持转矩的动态平衡关系。
2-4拖动系统的飞轮惯MGZ）2与转动惯量丿是什么关系？
答：
在拖动系统的工程计算中，习惯用飞轮惯MGD2代替转动惯量丿，GO?
与丿的关
系为
『.GD1
J=nir"=
4g
式中，川——系统转动部分的质量（kg）,G——系统转动部分的重力（N）,r——系统转动部分的回转半径（m）,D——系统转动部分的回转直径（m）,g——重力加速度（可取g=9.81m/s2）。
2-5把多轴电力拖动系统简化为单轴电力拖动系统时，负载转矩的折算原则是什么？
各他飞轮惯量的折算原则是什么？
答：
对于一个复杂的多轴电力拖动系统，比较简单而且实用的分析方法是用折算的方法把它等效成一个简单的单轴拖动系统来处理，并使两者的动力学性能保持不变，苴基本思想是通过传动机构的力学折算把实际的多轴系统表示成等效的单轴系统。
在电力拖动系统中折算一般是把负载转矩和各轴飞轮惯量折算到电动机轴上，而中间传动机构的传送比在折算中就相当于变压器的匝数比。
系统等效的的原则是：
保持两个系统传递的功率及储存的动能相同。
2-6起重机提升和下放重物时，传动机构的损耗是由电动机还是重物负担？
提升和下放同一重物时，传动机构损耗的大小是否相同？
传动机构的效率是否相等？
答：
起重机提升重物时，传动机构的损耗由电动机负担：
下放重物时，则由重物负担。
提升和下放同一重物时，可以认为传动机构的损耗是相同的，但其效率不
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