3-3 直流电机由哪几个主要部件构成？这些部件的功能是什么？答 直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成。直流电机的定子由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座等组成。（1）主磁极：建立主磁通，包括铁心（由低碳钢片叠成）和绕组（由铜线绕成）；（2）换向磁极：改善换向，包括铁心（中大型由低碳钢片叠成，小型由整块锻钢制成）和绕组（由铜线绕成）；（3）机座：固定主磁极、换向磁极、端盖等，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成；（4）电刷装置：引出（或引入）电流，电刷由石墨等材料制成。转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。（1） 电枢铁心：构成主磁路，嵌放电枢绕组，由电工钢片叠成；（2）电枢绕组：产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换，由铜线绕成；（3）换向器：用于换向，由铜片叠成。3-4 直流电动机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？答 电流关系如下表所示（复励时，指并励绕组的励磁电流）。励磁方式种类他励并励串励复励电动机,独立表中，为励磁电流；为电枢电流；为输入电流；为励磁电压；为电枢电压。3-5 何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？公式和中的应是什么磁通？答 直流电机在空载运行时，气隙磁场仅有励磁磁动势产生。当电机带上负载后，气隙磁场便由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响，称为电枢反应。电刷在几何中性线时产生交轴电枢反应， 其结果：（1）气隙磁场发生畸变，使磁场的物理中性线偏离几何中性线一个角度。被电刷短路的换向线圈中的电动势不为零，增加了换向的困难。对发电机来说，顺电枢旋转方向移过角；对电动机来说，则逆电枢旋转方向移过角。（2）一半磁极磁通增加，另一半磁极磁通减小。在磁路不饱和的情况下，增加与减少的磁通相同，每极磁通不变。磁路饱和时，增加的少，减小的多，每极磁通减少，电动势和电磁转矩随之减小。电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢反应(其结果与上同)外， 还产生直轴电枢反应，其结果是去磁或助磁。公式和中的应是每个极面下的气隙合成磁通，它由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。3-7 将一他励直流发电机的转速提高20%，空载电压会提高多少（励磁电阻保持不变）？若是一台并励发电机，则空载电压升高得比他励发电机多还是少（励磁电阻保持不变）？答 他励发电机： ，即=C，故 ，空载电压U0增加至1.2倍。并励发电机：若维持=C，空载电压U0也增加至1.2倍，但由于U0增加的同时，也相应增加，从而导致也增大。所以并励发电机空载电压增加的程度比他励发电机大。3-9 何谓直流电机的可逆原理？如何判断一台接在直流电网上正在运行的直流电机是工作在发电状态还是电动状态？答 从原理上讲，一台电机不论是交流电机，还是直流电机，都可以在一定的条件下，作为发电机运行，其将机械能转换为电能；而在另一种特定的条件下，又作为电动机运行，将电能转换为机械能，这个原理称为电机的可逆原理。对于直流电机来说，可根据下列关系来判断电机的运行状态。当，与转速反方向时为发电机运行状态；当，与转速同方向时为电动机运行状态。3-10 直流电动机的感应电动势与哪些因素有关？若一台直流电动机在额定条件下的运行时的感应电动势为220V，试问在下列情况下电动势变为多少？（1）磁通减少10% ；（2）励磁电流减少10% ；（3）转速增加20%；（4）磁通减少10%，同时转速增加20%。答 直流电动机的感应电动势表达式为，其中，由电机结构决定的常数，称为电动势常数。所以感应电动势与气隙每极磁通量和电枢的转速有关。若每极磁通保持不变，则电枢电动势和转速成正比；若转速保持不变，则电枢电动势与每极磁通成正比。（1）减少10% ，亦减少10%，为198V；（2）减少10% ，由于磁路饱和，减少不到10%，亦减少不到10%，因此；（3）增加20%，亦增加20%，为264V；（4）减少10%，同时增加20%，。3-13 并励电动机在运行中励磁回路断线，将会发生什么现象？为什么？答 励磁回路断开后，主极磁场只剩下剩磁。在断开瞬间，转速n不会立即变化，因此电枢电动势变为与剩磁磁通成正比的很小的值。由于电枢电流，很小，因此会急剧增大。由于主磁通减至很小、增至很大，因此电磁转矩的变化就有两种可能。（1）若增大的比率高于主磁通减小的比率（剩磁较大时），则迅速增大，当负载转矩不变时，使转速n明显升高。随着n升高，升高，使开始减小，减小，最终在较高的转速下，电动机达到新的稳态。此时，n和都远远超过其额定值，一方面出现“飞车”现象，会造成电机转子（特别是换向器）的损坏；另一方面，过大的电枢电流使电机发热严重，换向火花很大，有可能烧毁换向器和电枢绕组。这种情况是很危险的。（2）增大受到的限制，因此，若增大的比率低于主磁通减小的比率（剩磁很小时），则减小，不变时，使n降低。随着n降低，降低。此时已经非常小了，因此，降低使增大从而增大的幅度很有限，即使减速到，仍有。最终电动机停转，但仍然远远超过其额定值，可能烧毁电机，这种情况也是很危险的。所以，并励（或他励）直流电动机运行中绝不允许励磁回路开路，对此必须采取必要的保护措施。从上述分析可见，这种因励磁回路开路而造成主磁通异常变化的情况，与正常的弱磁升速是有所不同的。3-14 一台直流电动机，额定功率为，额定电压，额定效率，额定转速，求该电动机的额定电流和额定负载时的输入功率？解 额定电流额定负载时的输入功率或 3-24 一直流电动机数据为：2p6，总导体数N780，并联支路数2a6，运行角速度，每极磁通为0.0392Wb。试计算：（1） 电动机感应电动势；（2） 速度为900r/min，磁通不变时电动机的感应电动势；（3） 磁通为0.0435Wb，n900r/min时电动机的感应电动势；（4）若每一线圈电流的允许值为50A，在第（3）问情况下运行时，电动机的电磁功率。解 （1）电动势常数 电机转速感应电动势（2）速度为900r/min，磁通不变时电动机的感应电动势为（3）磁通为0.0435Wb，n900r/min时电动机的感应电动势为（4）每一线圈电流的允许值为50A，则电机中总电枢电流为电磁功率3-26 一台并励直流电动机的额定数据如下：，电枢回路电阻，励磁回路电阻，若忽略电枢反应的影响，试求：（1）电动机的额定输出转矩；（2）在额定负载时的电磁转矩；（3）额定负载时的效率；（4）在理想空载（）时的转速；（5）当电枢回路串入电阻R0.15时，在额定转矩时的转速。解 （1）电动机的额定输出转矩（2）额定励磁电流、电枢电流分别为电枢电动势额定负载时的电磁功率电磁转矩（3）效率（4）理想空载转速（5）额定转矩时，3-27 一直流电机并联于U220V电网上运行， a1，p2，N398，电枢回路总电阻（包括电刷接触电阻），试问此电机是发电机还是电动机？计算其电磁转矩和效率。解 （1）通过比较与的大小来判断该电机的运行状态因为，所以该电机为电动机运行状态。（2）求电磁转矩电磁功率为或输入功率输出功率其中，效率4-1 什么是他励直流电动机的机械特性? 什么是它的固有特性? 什么是人为特性?答 他励直流电动机的机械特性便是指，在电源电压U、磁通及电枢总电阻均为常数的条件下，电动机的电磁转矩T与转速n之间的关系曲线，即n=f (T)，当他励直流电动机的供电电压，励磁磁通，电枢回路外串电阻的情况下所对应的机械特性，称之为他励直流电动机的固有机械特性。电力拖动系统运行时，经常需要人为地改变电动机的工作条件，以获得所需要的机械特性，这种特性统称为人为机械特性。他励直流电动机包括改变供电电压U、减弱磁通量及电枢回路外串电阻的人为机械特性。4-3 他励直流电动机拖动恒转矩负载时采用弱磁调速，忽略磁通变化的过渡过程，试分析电动机从高速向低速调速过程中，电动机经历过哪些运行状态?答 弱磁调速的机械特性如图所示，系统原运行在固有特性的A点。当减弱磁通，由变为（），若忽略磁通变化的电磁过渡过程，则工作点由A跳到点。由于此时电动机电磁转矩，故系统加速，直到工作点运动到B，电动机电磁转矩为止。若再减弱磁通，即由变为（），则又会最终稳定运行在C点。习题4-2附图4-4 拖动位能性恒转矩负载的他励直流电动机有可能工作在反向电动运行状态吗? 试举例说明。答 他励直流电动机进行电压反接制动时，如果拖动位能性负载，则系统将有可能工作在反向电动运行状态，而后进入反向回馈制动稳定运行状态。如图所示，设开始时电动机带位能性恒转矩负载正向稳定运行于第象限的A点。进行电压反接制动时，转速迅速降到n=0，工作点运动到C点。此时，若不立即切断电源并用刨闸刹住电动机轴，由于，系统还将迅速降速，即开始反转，工作点沿机械特性继续向下运动。经过CD段的反向电动状态后，越过的D点进入第象限，最后稳定运行于与机械特性的交点E。此时，n0，电机处于回馈制动运行状态。习题4-4附图4-5 采用电动机惯例时他励直流电动机电磁功率，说明了电动机内机电能量转换的方向是机械功率转换成电功率。那么是否可以认为该电动机运行于回馈制动状态? 或者说已是一台他励发电机? 为什么?答 他励直流电动机运行时，说明与方向相反，因此电动机运行于制动状态。制动运行状态包括回馈制动运行、能耗制动运行、反接制动过程及倒拉反转等制动状态，而直流发电机状态仅仅是回馈制动运行这一种。因此仅仅从说明电机是一台发电机的看法是错误的。判断他励直流电动机运行于发电机状态还必须增加一个条件，即运行于回馈制动状态的条件是： ；，即机械功率转变为电功率后，还必须回馈给电源。4-6 一台他励直流电动机拖动卷扬机，当电枢接额定电压，电枢回路串入电阻时提升重物匀速上升时，若把电源电压突然倒换极性，电动机最后稳定运行于什么状态? 重物是提升还是下放? 画出机械特性图，说明中间经历了什么运行状态?答 当端电压为额定值、电枢回路串入电阻，拖动重物匀速上升时，电机运行于电动机状态，即正向电动状态。若将端电压突然倒换极性，则电动机最后将稳定运行于反向回馈制动状态，使重物匀速下放。下面利用机械特性进行说明。如图所示，不计空载转矩，负载转矩大小为，直线1是电机的固有机械特性，即直线2是端电压等于额定值、电枢串接电阻时的人为机械特性，即直线3是端电压极性改变、电枢串接电阻时的人为机械特性，即端电压极性改变前，匀速提升重物时的工作点为A；端电压极性改变后，运行的工作点为E。从A点到E点，中间经历的状态有：BC段，运行于反接制动状态；CD段，为反向电动状态；DE段，在负载转矩作用下继续反向升速，运行于反向回馈制动状态。图4-34 习题4-6附图4-7 什么叫电力拖动系统的过渡过程? 它有几种性质? 引起过渡过程的原因是什么? 从理论上讲过渡过程的时间是多少? 工程实际上如何计算?答 在电力拖动系统中，由于转矩平衡关系遭破坏，导致系统从一种稳态向另一种稳态过渡的过程，称为电力拖动系统的过渡过程。系统在从一个稳态点进入另一个稳态点时，之所以不能瞬间完成，需要有一个过程，是因为系统中存在着储存能量的惯性环节，致使其一些物理量不能突变。在电机传动系统中，实际存在的惯性环节较多，有机械惯性、电枢