电机学课后习题答案辜承林.docx
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电机学课后习题答案辜承林
第1章导论
1.1电机和变压器的磁路常采用什么材料制成?
这些材料各有哪些主要特性?
解:
磁路:
硅钢片。
特点:
导磁率高。
电路:
紫铜线。
特点:
导电性能好,电阻损耗小.
电机:
热轧硅钢片,永磁材料:
铁氧体稀土钻钕铁硼
变压器:
冷轧硅钢片。
1.2磁滞损耗和涡流损耗是什么原因引起的?
它们的大小与哪些因素有关?
解:
磁滞损耗:
铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化,磁畴会不停转动,相互间产生摩擦,消耗能量,产生功率损耗。
与磁场
交变频率f,磁通密度B,材料,体积,厚度有关。
涡流损耗:
由电磁感应定律,硅钢片中有围绕磁通呈涡旋状的感应电动势和电流产生叫涡流,涡流在其流通路径上的等效
电阻中产生的损耗叫涡流损耗。
与磁场交变频率f,磁通密度,材料,体积,厚度有关。
1.3变压器电动势、运动电动势产生的原因有什么不同?
其大小与哪些因素有关?
解:
变压器电势:
磁通随时间变化而在线圈中产生的感应电动势E=4.44fN\。
运动电势:
线圈与磁场间的相对运动而产生的eT与磁密B,运动速度v,导体长度I,匝数N有关。
1.6自感系数的大小与哪些因素有关?
有两个匝数相等的线圈,一个绕在闭合铁心上,一个绕在木质材料上,哪一个自感系数大?
哪一个自感系数是常数?
哪一个自感系数是变数,随什么原因变化?
d空|
解:
自感电势:
由于电流本身随时间变化而在线圈内感应的电势叫自感电势。
eL
Ldt
对空心线圈:
■-L二Li
所以eL
自感:
L=
■/ln£
i=i
=NNi
2r…
m=Nmm-
•IA
l
所以,L的大小与匝数平方、
磁导率(
丄、磁路截面积A、磁路平均长度
l有关。
闭合铁心卩歩⑷,所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。
因为囚是常数,所以木质材料的自感系数是常数,铁心材料
的自感系数是随磁通密度而变化。
1.7在图1.30中,若一次绕组外加正弦电压u1、绕组电阻R1、电流i1时,问
(1)绕组内为什么会感应岀电动势?
2)标岀磁通、一次绕组的自感电动势、二次绕组的互感电动势的正方向;
(3)写岀一次侧电压平衡方程式;
4)当电流i1增加或减小时,分别标岀两侧绕组的感应电动势的实际方向。
解:
(1)TU1为正弦电压,•••电流i1也随时间变化,由i1产生的磁通随时间变化,由电磁感应定律知e=_N黑产生感应电动
势.
磁通方向:
右手螺旋定则,全电流定律e1方向:
阻止线圈中磁链的变化,符合右手螺旋定则:
四指指向电势方向,拇指为
磁通方向。
u1二R1i1-N1亍
⑷i1增加,如右图。
i1减小
1.8在图1.30中,如果电流i1在铁心中建立的磁通是-二
7m
值的计算公式,并写出感应电动势与磁通量关系的复数表示式。
=O
2
解:
1.9
⑴Ec二2二fNc-2二一N
22m2m
2H
(2)E2=E2|90-0.707CON2①m〔90°
有一单匝矩形线圈与一无限长导体在同一平面上,如图
(1)
(2)
(3)
sinCOt,二次绕组的匝数是N2,试求二次绕组内感应电动势有效
N2“m
1.31所示,试分别求岀下列条件下线圈内的感应电动势:
导体中通以直流电流I,线圈以线速度v从左向右移动;
导体中通以电流i=Imsin-'t,线圈不动;
导体中通以电流i=ImsinCOt,线圈以线速度v从左向右移动。
关键求磁通:
•:
」二BA
(1)J门=b;為上讥Bxdx
解:
ev=-b〔B(acvt)—B(avt)lv
B(acvt)八i0H(acvt)=」0
2二(a亠c亠vt)
Hl=H(a亠c亠vt)2(a
同理a+vt处的B值
-vt)
(a:
:
vt)
一山2二(a-vt)
^0Ibv
e二
2n
cvt)
-bl
vc
2二(avt)(acvt)
(2)只有变压器电势
eT
d:
dt
BA二b
a:
:
c
Bxdx
Bx
丄Imb.
sin
2二
a
匕
2二
a
-'t
Im
sin
dx
ia+x
a
b
—sin
•-eT
⑶运动电势
N=1•Hx2二(ac)=iB
x)
Imsin
7b•,
2二
ev变为:
♦bl
ln
m
2二
变压器电势变为:
ev
vcsin,t
(avt)a(■c■vt
)(把(
1)中的I用
msin「t代)
a:
:
;c-vtba-vt
Bxdt
J0Imb.
2二sin
■tln
a:
c:
'vt
aHvt
d
dt
"ln^-^cos
a+vt
线圈中感应电势
1.10
在图
1.32
所示的磁路中,两个线圈都接在直流电源上,已知
N2,回答下列问题:
大?
(5)
(1)
(2)
(3)
(4)
比较
总磁动势F是多少?
若匚反向,总磁动势F又是多少?
电流方向仍如图所示,若在a、b岀切开形成一空气隙
是多少?
此时铁心磁压降大还是空气隙磁压降
在铁心截面积均匀和不计漏磁的情况下,比较(3)中铁心和气隙中B、
1)和(3)中两种情况下铁心中的B、H的大小。
H的大小。
(1)F二
NJ1-N212有右手螺旋定则判断可知,两个磁势产生的磁通方向相反。
(2)F=N1I1N2I2
(3)总的磁势不变仍为F二N111-N212
•••磁压降km「铁心Rm「上空气隙Rm0m
虽然1'但;"''-0•Rm、Rm0
•空气隙的磁压降大
(4)•••忽略漏磁•••:
•:
•■=GFe而截面积相等
O
•B.二BFe•%•H.HFe
(5)v第一种情况•G⑴大•B
(1)-B(3)
同理H⑴H(3)
1.9一个带有气隙的铁心线圈(参考图1.14),若线圈电阻为R,接到电压为U的直流电源上,如果改变气隙的大小,问铁心
U的工频交流电源上,如果改变
内的磁通G和线圈中的电流I将如何变化?
若线圈电阻可忽略不计,但线圈接到电压有效值为气隙大小,问铁心内磁通和线圈中电流是否变化?
如气隙:
增大磁阻Rm增大,如磁势不变,则■■减小
d由
-u二Rie二Ri斤
•-*在减小•••朋co二i增大
接在交流电源上,同上直流电源:
•••=o•-i不变
但■-仍然减小。
1.10一个有铁心的线圈,电阻为铁心损耗。
2i■,。
当将其接入110V的交流电源时,测得输入功率为
90W,电流为2.5A,试求此铁心的
电功率平衡可知(或能量守恒)
,输入的功率一部分消耗在线圈电阻上,一部分为铁耗
22
PFe=P入-IR=90-2.52=77.5w
1.11对于图1.14,如果铁心用D23硅钢片叠成,截面积
A=12.25汉10-m2,铁心的平均长度I=0.4m,空气隙
_109X10~Wb时所需的励磁磁动势和励磁电流。
=0510-m绕组的匝数为600匝,试求产生磁通:
.:
」
磁密B=冷竺2;=0.89(T)
A12.25丸0—'丿
Fe
查磁化曲线hFe=299(A/)
气隙:
10工"°859910"Am〉
磁动势:
F二HFelH
5
=2990.47.08599100.510
=473.9(A)
H0.89
•/F=NI•l=F/N=473.9/600=0.79(A)
1.12设1.11题的励磁绕组的电阻为120「,接于110V的直流电源上,问铁心磁通是多少?
先求岀磁势:
•••是直流电源•'■不变,e=-£=0
•I二R二罟•F=NI=600罟-550(A)
然后根据误差进行迭代设©'=12.56心0厘Wb则
BFe=B•==1(T)
•HFe=383(%)Hd宓用
…H•:
=14二10乙
F'=HFe1H"=3830.4「宀0.51。
丄
-551.3(A)
_F=551.3-550=1.3很小,•假设正确
1.13设1.12题的励磁绕组的电阻可忽略不计,接于50Hz的正弦电压110V(有效值)上,问铁心磁通最大值是多少?
•/e二u•e=110v
E=4.44fN:
';■爲
•「:
\J04.4450600=8.25810^(Wb)
1.14图1-4中直流磁路由D23硅钢片叠成,磁路各截面的净面积相等,为A=2.5汽10°口2,磁路平均长=0.5m,
l2=0.2m,I3=0.5m(包括气隙5),d=0.2x:
10°m。
己知空气隙中的磁通量①=4.6沃10°Wb,又N2I2=10300A,求另外两支路中的:
•=、:
•:
、2及NJ。
B=°=4.6“0—=184(T)
B3A2.51031.84(T)
H「巴0“844二10二=1.46496810,Am)
HFe=14600(Am)(查表得到的)
由右侧回路可求:
H2I2=N2丨2_(HFel3H.、.)
=10300-(14600X0.5+1.464968X106X0.2X102)
=10300-(7300+2929.94)=70A
•••H2=7005=140(Am)B2=0.41(T)
303
•••:
•:
」2A=0.412.510i=1.02510.(Wb)
J=门3_门2=(4.6-1.025)10"=3.57510'(Wb)B1V=1.43(T)比=1420(Am)
•NJ=H人_H2I2=1420X0.5-140X0.2=640(A)
第二章直流电机
2.1为什么直流发电机能发岀直流电流?
如果没有换向器,电机能不能发岀直流电流?
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,电机不能发岀直流电。
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,G与饱和系数
Q
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:
「o=f(F0)门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:
,如交于“膝点”,则磁路饱和,浪费
磁势,即使有较大的F0,若磁通①0基本不变了,而我的需要是①0(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?
yk=1
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
y=_1(单叠)y=J二罕yk二y
y2=y-yi
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:
-PNa
E—60a:
>n
(1)0减少10%,则©=0.9*
ECE切1.'
即!
■二冇二丽•-E=0.9E=0.9230-207(V)
(2)励磁电流减少10%,如果饱和,贝9'不变,E也不变,如没有饱和,则■-也减少10%,E=207(V)
•207(3)f■二扌=袪•E'=1.2E=276(V)
(4)旦一丄n—
(4)E'_:
:
;n'一0.9:
.:
」1.2n
e'=0.91.2230=2484(V)
2.12一台4极单叠绕组的直流电机,问:
(1)如果取岀相邻的两组电刷,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)取岀相临的两组电刷,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,
14
4条支路总电流为4I,现在两条支路并联,一条支路电阻为另一条支路的3倍,因此两条并联总电流为I+-I=I,现在电流与
41
原来电流之比为3I:
4I=3,因此容量减为原来容量的
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,因此现在相当于三条支路并联,总电流为原来的4
⑶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。
⑷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。
11
(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,电流为原来的乙,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。
1丄
(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:
仅由励磁磁动势2Nflf建立,F°=2lfNf
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,T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、电动机列岀电流]、la、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二Ia
并励:
I=IaI
f
串励:
1=la=
1f
复励:
I-IaI
If二
1
1f短复励
llf,
I=
IaIf长复励
发电机:
他励:
I=Ia
并励:
I=laI
f
串励:
I=la二
If
复励:
I=laI
If二
1f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T、n、E、U、I的方向有何不同?
能量
ema
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,la方向流向电枢,Ea与Ia方向相反。
Eala=Temi.'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,发岀电功率,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,发岀电能。
2.52一台直流发电机2p=8,当n=600r/min,每极磁通:
门-410°Wb时,E=230V,试求:
(1)若为单叠绕组,则电枢绕组应有多少导体?
(2)若为单波绕组,则电枢绕组应有多少导体?
解:
⑴E二CE「n•-Ce二走二4诊爲=95.83
C..理单叠a=4
CE60a
二Na二晋CE=晋95.83=5750根
(2)单波:
a=1
Na=专95.83=1438根
2.53一台直流电机,2p=4,S=120,每元件电阻为0.2门,当转速n=1000r/min时,每元件的平均电动势为10V。
问当电枢绕组为单叠或单波时,电枢端的电压和电枢绕组的电阻R各为多少?
a
解:
单叠绕组:
每支路元件数:
号=30•••电刷端电压U=30X10=300V
电枢绕组电阻R
a=¥=1.50单波绕组:
每支路元件数:
120
丁=60电刷端电压:
U=10X60=600V
电枢绕组电阻:
Ra=竺占二6-
2.61一直流电机并联于U=220V电网上运行,已知a=1,p=2,Na=398根,
电枢回路总电阻(包括电刷接触电阻)Ra=0.171】,IN=1.83A,pFe=276W,pmec试问:
此直流电机是发电机还是电动机运行?
计算电磁转矩T和效率。
em
nn二1500r/min,
-379W,杂散损耗
:
G-0.0103Wb,
Pad=0.86P1%,
解:
(1)E=CEGn=:
N;G门=欝0.01031500=205(V)v220V
•••总电动机运行。
(2)Ia厂晋二書=88.24(A)
a
•Tem二C^la二啓"la二莎0.010388.24=115.15(NF)
(3)I=IaIf=88.24+1.83=90.07(A)
Pl=UI=22090.07=19815.4(W)
P2-PM_PFe_Pmec-Pad=EIa_(PFePmec'Pad)=
205X88.24-276-379-0.86X19815.4100=17263.79(W)
T:
=2X100%=1眾:
X100%=87.12%或者:
1.
22
Pcua=IaRa=88.240.17=1323.67(W)
Pcuf=IfU=1.83220=402.6(W)
Pad=0.86%X19815.4=170.41(W)
P2=P1-*P=19815.4-Pcua-Pcuf-PFe-Pmec-Pad=17263.7(W)
2.57一台并励电动机,PN=5.5kW,UN=110V,IN=58A,nN=1470r/min
电刷接触电阻)。
在额定负载时突然在电枢回路中串入0.5。
电阻,若不计电枢回路中的电感和略去电枢反应的影响,试计算此
瞬间的下列项目:
(1)电枢反电动势;
(2)电枢电流;
3)电磁转矩;
(4)若总制动转矩不变,求达到稳定状态的转速。
(1)I
=0.151】(包括
占=0.797(A)
IaN
f=58-0.797=57.2(A)
二En
二Un-I
aNRa=110-57.2沃0.15=101.42(V)在电枢串入电阻的瞬间,①和n不变,•电动势不变•
•/I
Tem
t'
em
或者:
•••
U-E_110-101.42
RaR1一0.150.5
_C