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：P 2R .
解析：设单叠绕组时支路电阻为R 1 ，考虑到并联支路数2a =2p ，故有：
1
2R R P
=
,则12R PR = ，单波绕组时，并联支路数2a=2,每条支路有p 个R 1 ,
则每条支路电阻为22p R ，并联电阻为2p R 。

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a a
e U I R n C -=
Φ
知：转速n 有所增大。

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：
①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。

②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。

③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：①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。

②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。

③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,U Q =s=k=22; （2）左行单波绕组：2p=6,U Q =s=k=22。

解：
（1）①计算节距
合成节距等于换向节距 y=c y =1 第一节距54
22
2y 1=±=±=
εεp Q u （短距绕组，有利于换向和节约端部用铜）
第二节距4y 12=-=y y ②绘制绕组展开图
③绘制电路图
p ==a
11
2A1A2
12
13
12
2345678910
11131415161718
19
20
21
22
7
18B1
B2
-
+
（2）①计算节距
73
1
221y y =-=-=
=p K c
347y 46
222Q y 121=-=-==±=±=
y y p u ；εε n
N N S S
162
345
7891011121314151617181920
21221
62
3
4578910111213141516171819
2122-+
1
A 2A 1
B 2
B
②绘制绕组展开图
③绘制电路图
p ==a
-+
20
13
6
21
14
7
22
11
18
3
10
7
2
9
25
11615
8
15
16
18
B 1
B 2
B 3
A 1
A 2
A 3
45
19
12
45
1112
19
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：
12
23456789101112131415161718192021221
23
45
67
8
9
1011121314151617181920
21
22N N S S N S
n
-
+
A1A2A3B1B2B3
（1）;34.6314
.3*3*2398
*314.3*2,63.63*60398*360C ======
a pz C a pz a T a e 当11500r min =n 时， 2a1e 1C 6.63 2.1101500208.9V E -=Φ=⨯⨯⨯=n ；
2500r min =n 时， 2a1e 1C 6.63 2.11050069.6V E -=Φ=⨯⨯⨯=n 。

（2）2e T a C 63.34 2.1101013.30N m -==⨯⨯⨯=⋅T ΦI 。

3-15 一台他励直流电动机的额定数据为：6kW N P =，220V N U =，
1000/min N r n =，500W Cua p =，W p Cuf 100=，0395W p =。

计算额定运行时电
动机的0T 、N T 、P e 、N η。

解：额定运行状态下：
000101
395 3.771000
2*3.14*60
600057.31000
2*3.14*60
60003956395600050010039569956000
85.7%6995N N N N e N N Cua cuf N N p T N m P T N m
P P p W
P P p p p W
P P η==
=⋅Ω=
=
=⋅Ω=+=+==+++=+++==
==
3-16 一台四极82kW 、230V 、970r/min 的并励直流发电机，Ω0259.0=a r ，
Ω=5.26f r ，一对电刷接触压降为2伏，kW p p mec Fe 3.4=+，N ad P p 005.0=,求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：
1230
8.6826.582000356.52230
356.528.68365.22230365.2*0.02592241.16241.46*365.2881808818043000.005*8200092980881N f f N N N a N f a N a a s e a a e Fe mec ad e e N U I A r P I A U I I I A
E U I r U V P E I W
P P p p p W P T ====
===+=+==++∆=++=====+++=++==
=Ω1
80
868.5970
260
8200088.2%92980N N m P P η=⋅=
==π*
3-17 一 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。

解：3
100*10434.78230
N N N P I A U ===，
空载时，为产生额定电压所需的励磁磁动势为：7*1000=7000A ， 负载时，为产生额定电压所需的励磁磁动势为：9.4*1000=9400A ，
说明负载时有()940070002400A A -=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2400A 的励磁磁动势对去磁作用进行补偿，因此所需匝数为：
2400
6434.78
c N =
=。

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。

解：额定负载时，电枢电流为：
110
8079.2138
11079.2*0.1598.12a a I A
E V =-
==-= （1）串入电阻的瞬间，电机转速不变，电枢电动势不变，故：
''
''11079.2*0.1598.1211098.12
21.60.150.498.12*21.613.772*1470/60
a a a a e N E V
I A E I T N m
=-=-=
=+===⋅Ωπ
（2）稳定后：''79.2a a I I A ==
（3）
''''
''
11079.2*(0.150.4)66.27566.275*1470=993min 98.12a a e a a E V
E C n E r
n n E =-+==Φ
==
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0.078Ω（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。

解：（1）296000
=1834.4N m 260
N N P T ==⋅Ω500π*
（2）
2255220440220*0.078422.84422.84*220
1777.54260
a N f a N a a a a e N I I I A
E U I R V E I T N m
=-=-==-=-==
==⋅Ω500π*
（3）
0440*500520.29
min 422.84
a e N N aN E C n U r n n E =Φ
=== 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 ＝0.5Ω。

拖动T L ＝T N 5.0恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大？ 解：
'''22040*0.5200200*40
=76.4310002*
60
75000.50.50.5*35.831000
2*60
35.83
*4018.7576.43
22018.75*0.5210.62521aN N N a aN N eN N eN T aN N L N N L N eN a N a a e a N aN E U I r V E I T N m
T C I P T T N m T I I A T E U I r V E C n E n n E =-=-==
=⋅Ω=Φ====⋅Ω=
===-=-==Φ=
=ππ0.625
*10001053min 200
r
=
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）
',2301200min 1200
,*186.67224.004,,10001200
,*195.83237.996,1000
a e a a E C n U V r
n A E V Ea U B E V Ea U =Φ====<==>故在时，对于电机电动机状态对于电机，发电机状态
（2）
230224.004
,59.960.1
224.004*59.9613.431234.996230
,49.960.1234.996*49.9611.74a a a e a a a a a e a a U E A I A R P E I KW
E U B I A
R P E I KW --=
=====--======对于电机对于电机。