電機原理及拖動第4版習題及答案

思考與習題解答

i-i說明直流電機電刷和換向器的作用，在發電機中它們是怎樣把電樞繞組中的交流電

動勢變成刷間直流電動勢的?在電動機中，刷間電壓本來就是直流電壓，為什么仍需要電刷

和換向器？

答：直流電機的電刷是連接內電路和外電路的裝置，換向器可以實現交、直流電勢電流

的轉換。在直流發電機中換向器連接的電樞元件在不同磁極下產生不同方向的交變電勢，而

電刷位置是固定的，每個旋轉到該位置的換向片輸出電勢極性是一致的，通過靜止的電刷可

以得到極性固定的電樞電勢。在電動機中刷間電壓是直流，根據電磁力定律(左手定則)在

旋轉的電樞元件中，只有不斷改變電流方向才能保證每根導體在任意時刻受到相同方向的電

磁力，因此需要電刷和換向器將刷間的直流電轉換成旋轉元件中的交變電流，電樞才能連續

旋轉，保證電機正常運行。

1-2判斷直流電機在下列情況下電刷兩端電壓的性質：

(1)磁極固定，電刷與電樞同向同速旋轉。

(2)電樞固定，電刷與磁極同向同速旋轉。

答：(1)交流；(2)直流。

1-3他勵直流發電機，額定容量&=14kW,額定電壓UN=230V,額定轉速〃2

=1450r/min,額定效率=85.5%,試求電機的額定電流與及額定狀態下的輸入功率4。

解：

(1)求電機額定電流

,PN14000…r.

IN=—-=------=60.87A

NUN230

(2)額定狀態下的輸入功率

4=殳=-^=16.37人卬

rjN0.855

1-4他勵直流電動機，PN-1.1kW,UN=110V,IN=13A,〃N=1500r/min,試

求電動機的額定效率以及額定狀態下的總損耗功率Epo

解：

(1)求電動機額定效率

PN二A1100

==76.92%

4-INUN~13x110

(2)額定狀態下總的損耗功率

Zp=pt-PN=/；vt/A,-Pv=13x110-1100=33QW

1-5直流電機的主磁路包括那幾部分？磁路未飽和時，勵磁磁動勢主要消耗在此路的

哪一部分？

答：直流電機主磁路包括N極鐵芯一氣隙一電樞齒一電樞軌一相鄰S極電樞齒一氣隙

-S極鐵芯一定子物一回到N極。在磁路不飽和時勵磁磁動勢主要消耗在兩段氣隙上。

1-6直流電機的勵磁磁動勢是怎么樣產生的，它與哪些量有關？電機空載時氣隙磁通

密度是如何分布的？

答：勵磁磁動勢由勵磁電流產生，其數值與勵磁電流和勵磁繞組匝數有關。電機空載時

磁通密度波形近似于梯形波。

1-7什么是直流電機磁路飽和系數？飽和系數的過高和過低對電機有何影響？

答：磁路飽和系數描述了磁路的飽和程度。如果飽和系數過大說明電機磁路處于過飽和

狀態，磁路磁阻增大、鐵損增加、電機效率下降；飽和系數過低說明電機磁路欠飽和，勵磁

電流的變化易引起磁通的波動影響電機穩定性，同時由于鐵芯未能充分利用，造成材料浪費。

1-8一單疊繞組，槽數Z=24,極數2P=4,試繪出繞組展開圖及并聯支路圖。

720

解：計算繞組節距％=——=—=5,繞組展開圖

2p4

圖1-7繞組展開圖

并聯支路圖

圖1-8并聯支路圖

1-9教材書（第20頁）中的圖『12所示單疊繞組,去掉A2B2兩組電刷，對電機的

電壓，電流及功率有何影響？

答：去掉兩組電刷后的并聯支路圖改為

電壓不變；電流為原電流的1/2；功率為原功率的1/2。

1-10何謂電樞反應，以直流電動機為例說明在什么情況下只有交軸反應？在什么情

況下出現直軸反應？

答：當電機帶上負載后，電機的合成磁場由空載磁場和電樞磁場共同決定，電樞磁場的

出現，使磁場波形發生畸變，這種現象稱為電樞反應。當電刷位于幾何中線上時，只有交軸

電樞反應；當電刷偏離幾何中線時存在交軸電樞反應和直軸電樞反應。

1-11直流電機交軸反應對磁場波形有何影響，考慮磁路飽和時和不考慮磁路飽和時,

交軸反應有何不同？

答：電樞反應使主磁場梯形波發生扭曲。對直流發電機來說前極尖去磁；后極尖增磁，

對直流電動機來說情形與之相反。不考慮磁路飽和時，發電機前、后極尖的去磁和增磁相等，

極下總磁通不變；考慮飽和時去磁大于增磁，總磁通有所減少。

1-12直流發電機中是否有電磁轉矩？如果有，它的方向怎樣？直流電動機中是否有

感應電動勢？如果有，它的方向怎樣？

答：直流發電機中有電磁轉矩，其方向與電機轉速方向相反，是制動轉矩；直流電動機

中有電樞電勢，其方向與電源電壓方向相反。

1-13直流電機中感應電動勢是怎樣產生的？它與那些量有關、在發電機和電動機中

感應電動勢各起什么作用？

答：直流電機電樞繞組導體在旋轉中切割主磁場磁力線產生感生電勢，對于結構一定的

電機，感生電勢的大小與磁通量和電機轉速有關。在發電機中它是電源電勢，可以提供輸出

電能；在電動機中它是反電勢，可以抑制電樞電流過高。

1-14直流電機中電磁轉矩是怎樣產生的？它與那些量有關、在發電機和電動機中電

磁轉矩各起什么作用？

答：在磁場中的電樞元件導體流過電流時會受到電磁力的作用，在電機結構一定時，電

磁力的大小與磁場磁感應強度和導體中電流的強弱有關，總的電磁力與電樞半徑的乘積即電

磁轉矩。在發電機中的電磁轉矩與電機轉速方向相反，是制動轉矩；在電動機中的電磁轉矩

與電機轉速方向相同，是拖動轉矩。

1-15怎樣判斷一臺直流電機工作在發電機狀態還是工作在電動機狀態？

答：電磁轉矩與電機旋轉方向相同，電機處于電動狀態；電磁轉矩與電機旋轉方向相反，

電機處于發電狀態。

1-16在直流電機中，證明E=TQ,從機電能量轉換的角度說明該式的物理意義。

答：證明電磁功率計算公式：

E?I=C-</>?n'I=--d）'?/??/=網-1'Q=CT-（b-I-Q-=T'Q

"""*"60a*2兀a2naraTYu

電磁功率依靠磁場作用進行機電能量交換，磁場對電系統和機械系統的作用與反作用表

現在感應電勢和電磁轉矩上。磁場與交鏈繞組發生相對運動產生感應電勢，只要有感應電勢

電機就能從電系統吸收或送出電能；繞組中通過電流并與氣隙磁場相互作用產生電磁轉矩,

通過電磁轉矩電機能向機械系統送出或吸收機械能。電機通過電勢和轉矩進行能量交換，具

體表現在電磁功率上既可以用電功率Ej/“來表示，也可以用機械功率來表示。

1-17并勵直流發電機必須滿足哪些條件才能建立起正常的輸出電壓？

答：滿足三個基本條件，1）要有剩磁；2）剩磁電壓方向與建立磁場的電壓方向一致;

3）勵磁回路總電阻要小于臨界電阻。

1-18并勵直流發電機正轉時能夠自勵，反轉后是否還能自勵？若再反轉的同時把勵

磁繞組的兩個端子反接，是否可以自勵？電樞端電壓是否改變方向？

答：不能自勵。因為反轉后剩磁方向與建立磁場的電壓方向不一致，不能滿足自勵的基

本條件。如果電機反轉同時將勵磁繞組反接是可以自勵的，但電樞端電壓的方向與正轉時相

反。

1-19一臺直流發電機，當分別把它接成他勵和并勵時，在相同的負載情況下，電壓調

整率是否相同？如果不同，哪種接法電壓調整率更大？為什么？

答：他勵直流發電機和并勵直流發電機在相同負載情況下電樞電流是不同的，并勵發電

機由于電樞電流除了提供負載電流以外還要供給發電機本身的勵磁電流，所以電壓調整率要

比他勵發電機大。

1-20一臺直流電動機，拖動一臺直流發電機。當發電機負載增加時，電動機的電流和

機組轉速如何變化？說明其物理過程。

答：發電機負載增加（即電流增大），其制動電磁轉矩也增大，則拖動它的電動機必須

增加拖動轉矩與之平衡。因此在磁通不變時，電動機電樞電流也增大，機組轉速會下降：如

果要維持機組轉速不變，可以減小電動機電樞回路的電阻或者提升電動機的端電壓。

1-21一臺并勵直流發電機，&=16左皿,（4=230匕幾=69.6A,〃N=1600〃min,電

樞回路電阻&=0.128Q,勵磁回路電阻號=150Q,環=85.5%,試求額定工作狀態下的

勵磁電流、電樞電流、電樞電動勢、電樞銅耗、輸入功率、電磁功率。

解：

1）額定工作狀態下的勵磁電流

=%=230/150=1.53A

於Rf

2）額定工作狀態下的電樞電流

laHm=69.6+1.53=71.13A

3）額定工作狀態下的電樞電勢

EaN=UN+IaN/?＜（=230+71.13x0.128=239.1V

4）額定工作狀態下的電樞銅耗

pcuN==71.132xo128=647.6W

5）額定工作狀態下的輸入功率

=18.7KW

6）額定工作狀態下的電磁功率

&=239.1x71.13=17KW

1-22如何改變他勵，并勵和串勵直流電動機的旋轉方向

答：將電樞端電壓接線或者勵磁電壓接線之一反接。

1.23他勵直流電動機正在運行時，勵磁回路突然斷線會有什么現象發生？

答：飛車事故。

1-24判斷下列兩種情況下哪一種可以使接在電網上的直流電動機變為發電機；（1）加

大勵磁電流〃，使。增加，試圖使（2）在電動機軸上外加一個轉矩使旋轉速度上

升，使燈＞〃。

答：（2）

1-25他勵直流電動機，在拉斷電樞回路電源瞬間（n未變），電機處于什么運行狀態，

端電壓多大？

答：發電制動狀態，端電壓為紇

1-26直流電動機電磁轉矩是拖動性質的，電磁轉矩增加時，轉速似乎應該上升，但從

機械特性上看，電磁轉矩增加時，轉速反而下降，這是什么原因？

答：當磁通不變時電磁轉矩的增加是靠電樞電流增加來實現的，電樞電流的增加同時也

會導致電樞回路電阻壓降的增加，由于電源電壓不變，電樞電勢=￡/-/〃&下降，而電

樞電勢E"=QS-〃，因為式中磁通不變所以轉速下降。

1-27說明直流電動機理想空載轉速許的物理意義？

答：理想空載轉速是當凡,=U時的一種理想狀態，此時電樞電流為0,電磁轉矩為0,

電動機沒有能量輸出，輸入的機械功率用于克服電動機的空載損耗。依靠電動機本身是無法

達到理想空載轉速的，必須加外力拖動。

1-28與他勵，并勵直流電動機相比，串勵直流電動機的工作特性有何特點？

答：串勵直流電機的工作特性很軟，它的起動轉矩較大，其理想空載轉速為無窮大。串

勵電機適合起動困難永不空載的情況。

1-29并勵直流電動機旦=7.5公匕?！?220匕4=40.6A,%=3000/7min,

R“=0.213Q,額定勵磁電流/刀=0.683A,不計附加損耗，求電機在額定狀態下的電樞電

流，額定效率，輸出轉距，電樞銅耗，勵磁銅耗，空載損耗，電磁功率，電磁轉矩及空載轉

矩。

解：求額定狀態下下列參數

1）電樞電流

aN/④一/加=40.6-0.683=39.917A

2）額定效率

"=俞=紜鬻^83.97%。84%

3）輸出轉矩

T、N=9550殳=9550^-=23.875N-m

2N

nN3000

4）電樞銅耗

%“=心&=39.9*2x0.213=339.38W

5）勵磁銅耗

pf=UfIIN=220x0.683=150.26W

6）空載損耗

p7500

p=q_p-pf-PN=—----399.38-150.26-7500=878.93W

7,v10.84

7）電磁功率

PM=PN+p.=7500+878.93=8378.93W

8）電磁轉矩

TQOC8378.93X10-

葭=9550-^=9550------------=26.61N-m

NnN3000

9）空載轉矩

T0=TN-T2N=26.67-23.876=2.8N?m

1-30并勵直流發電機

PN=2.1kW,UN=1102,〃N=115（h7min，4=0.02。,/加=5A,把它接在110V直流電

網上，試求額定電樞電流時電機轉速。

解：額定電樞電流時電機轉速

p27000

發電機額定電流：〃=2=津巴=245.454

NUN110

發電機電樞電流：10alN=245.45+5=250.45A

電機的電勢常數：Q/=〃+,褐=110+250.45x0.02=。/

eN

nN1150

出立+…、士t/,-/,/?,110-250.45x0.02,八“，.

作為電動機時轉速：n=-A---紇③=------------------=1050r/min

O.I

1-31一臺他勵直流電動機

&=1.1AW,〃=110匕4=13A,〃N=1500z7min,R“=1Q,將它用作他勵直流發電機,

并保持n=nN,（t>=（i>N,Ia=laN時，求電機的輸出電壓。

解：

直流電動機電樞電勢：EaM=4—*凡=110—13x1=97V

EQ7

電勢常數：C*v=3_=二L=0.065

eN

nN1500

轉速不變、磁通不變，直流發電機電樞電勢：EaC=EaM=97V

發電機輸出電壓：Uc=EaC-心4=97-13x1=84V

1-32并勵直流電動機

PN=96kW,UN=440匕9=255A/加=5A,nN=500r/min,,Ra=0.078Q,試求（1）

額定輸出轉距；（2）額定電磁轉距（3）空載轉距（4）理想空載轉距（5）實際空載轉距。

解：

1）額定輸出轉矩

7；w=9550^=—x9550=1833.6^-m

2N%500

2）額定電磁轉矩

額定電樞電流：/“N=/可一/例=255-5=250A

磁通不變的電勢常數：C2N="一心”=例-25°X°.078=084

nN500

磁通不變的轉矩常數：=9.55C/N=9.55X0.84=8.02

額定電磁轉矩：TN=8.02x250=2005-m

3）空載轉矩

W加=2005-1833.6=17L4M〃？

4）理想空載轉速

440

UN----=523.8r/min

C@N0.84

5）實際空載轉速

n=%------凡----xr.=523.8——0-O78-xl71.4=521.8r/min

CM，XCMN0.84X8.02

1-33并勵直流電動機UM=220V,〃=81.74,%,=85%,電樞電阻凡=0.1。,勵磁

回路電阻R/=88.80。試畫出功率流程圖，并求出額定輸入功率，額定輸出功率，總損耗,

電樞回路銅損耗，勵磁回路銅損耗，機械損耗與鐵損耗之和（不計附加損耗）

解：

1）功率流程圖

pf2

f

PC.=1；&Pn=pm+pFe+Ps

P\=UI"PM=E“1“=TQ-2=(。

2）額定輸入功率

《=220x81.7=17.97左W

3）額定輸出功率

PN=々=17.97x0.85=15.27后W

4）總損耗

￡P=P「PN=17.97-15.27=2.7ZW

5）電樞回路銅損耗

P-不了x凡=(81.7—2.477)2x0.1=627.7W

6）額定勵磁電流:

八七鼠"477A

7）勵磁回路銅損耗

Pf=U"N=220x2.477=544.94W

8）機械損耗與鐵損之和（忽略附加損耗）

Po=Pm+pFe=Xp-pcu-pf=2700-627.7-544.94=1527.36W

1-34一臺并勵直流電動機PN=15kW,UN=440匕〃=19L4,4V=4A,

6=0.082。，〃N=750〃min,不計電樞反應影響，試求：（1）額定輸出轉距（2）額定電

磁轉距（3）理想空載轉距（4）實際空載電流及空載轉距

解：

1）額定輸出轉矩

TM=9550%=9550x二=955N?加

nN750

2）額定電磁轉矩

額定電樞電流：—，例=1%-4=187A

磁通不變的電勢吊數：C?@N==---------------------=0.566

〃N750

磁通不變的轉矩常數：G、%=9.55￡,%=9.55X0.566=5.41

額定電磁轉矩：TN=G耙I,?=5.41x187=1011.277-^

3）理想空載轉速

L_440

777.39r/min

C&N0.566

4）實際空載電流及空載轉速

空載轉矩：=1011.2—955=56.2N?加

實際空載電流：/°=」V=%=10.39A

°Ci/5.41

Rnnon

實際空轉速：n=nn——Jx/0=777.39-曰一x10.39=775.88r/min

C&N0.566

1-35并勵直流電動機，PN=nkW,UN=220V,IN=91A,/?w=1500r/min,

R,=0.074Q,/網=2.5/1,求電樞電流為50A時的電機轉速。

解：

額定電樞電流：/“N=4一/於=91-2.5=88.5A

額定磁通的電勢常數：C/N=UNH=220-88.5x0.074=0J42

eN

nN1500

電樞電流50A時的轉速:nJ-------憶I=220-°Q74x50=1523r/min

%C仲N0.142

1-36換向極的作用是什么？它裝在哪里？它的繞組如何勵磁?磁場的方向應如何確定？

答：換向極用于改善直流電機的換向，它裝在直流電機的幾何中線上；它的繞組應與電

樞繞組串聯且換向極繞組產生的換向磁場應與電樞磁場方向相反。

1-37何謂直線換向，延遲換向？怎樣才能實現直線換向？

答：當換向元件中各電勢之和為0時，換向電流與時間呈線性關系，即直線換向；當換

向元件中的自感電勢、互感電勢及電樞反應電勢的作用大于換向電勢時，電流變化慢于直線

換向，即延遲換向；反之，當換向電勢起主要作用時電流變化比直線換向快，即超越換向。

要實現直線換向，可加裝換向極繞組使換向元件中合成電勢為0即可實現直線換向。

1-38說明直流電動機和直流發電機怎樣用移刷的辦法改善換向？

答：直流電動機應逆電機轉向移動電刷一個合適角度；而直流發電機應順電機轉向移動

電刷一個合適角度。

1-39怎樣安裝補償繞組？它的作用是什么？

答:在主磁極沿氣隙表面安放補償繞組，與電樞繞組串聯，并使兩繞組中電流方向相反，

以抵消電樞反應。

1-40一臺直流發電機改作發電機運行，換向極繞組的接法是否需要改接？為什么？

答：不需要。因為電樞繞組與換向繞組串聯，在電樞電流變換方向時換向繞組電流也隨

之改變了。

思考與習題解答

2-1什么是電力拖動系統？包括哪幾部分？都起什么作用？舉例說明。

答：電力拖動系統包括以下五個部分

(1)電源：為拖動系統提供能源；

(2)電動機：拖動系統的動力設備；

(3)傳動機構：將機能量傳遞給工作機械；

(4)工作機構：完成生產工藝要求的設備；

(5)控制設備：根據工藝要求，向電動機發出各種指令。

2-2電力拖動系統運動方程式中T,7；及”的正方向是如何規定的？如何表示它們的

實際方向？

答：電磁轉矩T與電機轉向一致為正方向；負載轉矩TL與電磁轉矩方向相反為正方向；

電機轉速n與電磁轉矩方向一致為正方向。它們的實際方向，可以根據參考方向加正負號來

表示。

2-3試說明GO?與J的概念。它們之間有什么關系？

答：J是系統轉動慣量，是物體繞固定軸旋轉時慣性的度量；GD?是系統飛輪力矩，是轉

動部分重力與回轉直徑平方的乘積，作為一個整體參數代替轉動慣量J進行工程計算，它們

之間的關系是：

4g

2-4從運動方程式如何看出系統是處于加速，減速，穩速或靜止等運動狀態？

答：運動方程式7一乙=包-?玄，T-T,=Td,當Td>0時系統加速；當Td<0時系

375dt

統減速，當Td=O時系統穩速或靜止。

2-5在一個單軸拖動系統中，怎樣判斷系統貯存的動能是增加還是減少？

答：系統動能變化由TQ和TiQ共同決定，當。和Q方向相同時，如果。增加則系統動

能增加；反之，若。減小則系統動能減小。

2-6多軸拖動系統為什么要折算成等效單軸系統？

答：研究多軸拖動系統的運動時，要對每根軸單獨寫出運動方程聯立求解得出拖動系統

的運動狀態很繁瑣，為簡化分析計算，將多軸系統折算為等效單軸系統，再按單軸拖動系統

的運動方程式來分析。

2-7把多軸電力拖動系統折算為等效單軸系統時負載轉矩按什么原則折算？各軸的飛

輪力矩按什么原則折算？

答：負載轉矩折算原則是：折算前后傳遞的負載功率不變；飛輪力矩的折算原則是：系

統總動能不變。

2-8什么是動態轉矩？它與電動機的負載轉矩有什么區別和聯系？

答：動態轉矩是電磁轉矩與負載轉矩之差；當它大于零時說明負載轉矩小于電機軸輸

出轉矩。

動態轉矩用來克服拖動系統由轉動慣量引起的慣性，使是電動機轉速發生變化。當系統進入

穩定運行狀態時動態轉矩即為零。

2-9負載的機械特性有哪幾種主要類型？各有什么特點？

答：主要有反抗性負載和位能性負載。反抗性負載轉矩在任何時候都與電機轉向相反;

位能負載轉矩方向始終不變。

2T0試求出某拖動系統（教材57頁，圖2-13）以1，〃/的加速度提升重物時，電動

機應產生的電磁轉矩。折算到電動機軸上的負載轉矩「s=195N.m,折算到電動機軸上的系

統（包括卷筒）轉動慣量1=2必.加2,卷筒直徑1）=0.4m,減速機的速比j=2.57.計算時忽

略電動機的空載轉矩。

解：設物體提升速度/

v=2n',則包=2史=2。=2機/{

?.?卷筒線速度

dtdt

60dn60dv60

卷筒轉速n?,=——v,則rlll--=-------=-----2o

7tDdtTLDdtTTD

n=jn,則包=/@^=2.57x95.5/s

電動機轉速

dtdt

4gJdn…4x9.81x2

T=^eqmx245.4=246N?加

375dt375

答：忽略空載轉矩時，電動機應產生246N?m電磁轉矩。

2-11試求圖2-14所示（教材57頁）拖動系統提升或下放罐籠時，折算到電動機軸上

的等效負載轉矩以及折算到電動機上的拖動系統升降運動部分的飛輪力矩，已知罐籠的質量

也=300超，重物的質量加=1000依，平衡錘的質量，%=600%g,罐籠提升速度

vin=\.5m/s,電動機的轉速〃=980r/min,傳動效率%=0.85。傳動機構及卷筒的飛輪力

矩略而不計。

解：（1）根據折算后功率不變原則：（“盧=Gmvm

考慮傳動效率有：T=9.55G?,^其中：n為電動機轉速980r/min

合成后負載重力％=+m-mp)g=(300+1000-600)x9.81=68677V

1.5

折算到電動機軸上Tmea=9.55G,,上匚=9.55x6867——：——=118N?加

〃7980x0.85

(2)根據折算前后系統動能不變原則，升降部分折算到電機軸上等效飛輪力矩

G*=365G“,(±)2=365x6867x(二)2=5.87N2

mn980

2-12如圖2-5所示的龍門刨床，已知切割力耳”=2000N。切削速度匕“=10m/min,傳動效

率〃。=0.8,工作臺質量=3000必，工件質量加,“=600他，工作臺與導軌之間的摩擦系數

〃=0.1;齒輪8的直徑&=500nim；傳動齒輪的齒數為Z1=15,Z2=47,Z3=22,Z4=58,Z5=18,

Z6=58,Z7=14,

222

28=46;齒輪的飛輪力矩6。2I=3.1"-病，G￡>2=15.27V-/n,GD^8N-m,

GD：=24N-m2,GD；=14N?m2,GD：=38N.m2,GD'=26N-m2,GD-=42N-m2,

電動機轉矩的飛輪力矩GOj=200N.加2。試求：

(1)折算到電動機軸上的總飛輪力矩及負載轉矩(包括切削轉矩及摩擦轉矩兩部分);

(2)切削時電動機輸出的功率。

解.?傳動機構各級速比為T號*比5嘮=(|=>34=泮氤

z8_46_n4

k

z714nf

??,J=J,W4=87.46

nf3.67r/min

7iDs3.14X0.5

電動機轉速〃=jnf=87.46x6.37=557r/min

（!）r?=9.55［廠+（%+%）iM，=19.76M,〃

平移部分折算到電機軸上的飛輪力矩為

GD；=365且口=365g（.+："，"）.=iA5N-m2

qn-n2

系統總的等效飛輪力矩為

G必=GD；+也淖+毀*+出烏+縛+G%=7.36N而

〃片（jj）2（./""『2

19.75x557

(2)舄==1.15碗

95509550

2-13某拖動系統的傳動機構如圖2-16所示（教材57頁）。根據工藝要求，生產機械軸

平均加速度必須為4〃,“/力=3r/（min.s）,但按現有的傳動系統加速度過大。為此用增加飛

輪的辦法來減少起動加速度，現只有一個飛輪，其飛輪力矩為G￡>2=625Mn2。問將此飛

輪裝在哪根軸上才能滿足要求？圖中各軸的飛輪力矩及轉速如下：

2

GD：=80N.m,nt=2500r/min;

22

GD2=250N.m,n2=1000r/min;

22

GD3=750N.ZM.n}=500r/min;

負載轉矩Tm=100N.m,電動機電磁轉矩T=30N.m,不計電動機空載轉矩T。

解：方法一，折算到電機軸上。

GD2dn

系統等效運動方程：丁-"-^?五

系統總速比/=2.％=5

?2〃3

T100

折算到電動機軸上等效負載轉矩T=—?—=20N.m

mej5

?n-Jnm?,-=J--=5x3=15r/(rmn.5)

dtdt

五7

/dt

=(30-20)x375/15=250N〃，

設X為加裝飛輪力矩的軸速比

222

GErq=GD；+GD；/j；+GD；/j+GD/x

250=80+250/2.52+750/52+625/x2

???x=2.5.?.應GOz加在中間軸上。

方法二，折算到負教軸上的電動機轉矩Teg

Teq=Tj=30x5=150N.m

滿足—=3r/min.s時系統等效飛輪力矩G%

dtq

GD2,

(l50-100)=^^-x3GErq=6250N.m

不加飛輪時折算到負載軸上的系統總飛輪力矩GD。？

222

GD；a=GD：(2)+GD；(^)+GD；+GDx=80x(型+250x(幽牛+750=3750N./

%%,400500

與G%的差值為G%-G%=6250-3750=2500N.m

現有飛輪的飛輪力矩G￡>；,=625NM<2500NM。故裝在負載軸上不能滿足要求。

將飛輪裝在2軸上，其飛輪力矩折算到負載軸的值為

GD；,=GD；(—)2625x(1^2)2=25007V.m,可滿足要求，.?.應加在中間軸上。

1,1八173500

2-14一臺卷揚機，其傳動系統如圖2T7所示(教材58頁)，其各部分的數據如下：

Z)=20,GD,2=1N.nV；

2

Z2=100,GD2=6N.nr；

22

Z3=30,GD3=3N.m；

22

Z4=124,GD4=1ON.m；

22

Z5=25,GD5=8N./n；

22

Z6=92,GD6=14N.mO

卷筒直徑d=0,6m,質量啊=130Zg,卷筒回轉半徑p與r之比plr=0.76,重物質量m=6000

kg，

吊鉤和滑輪的質量丸=200依，重物提升速度匕,=120m/min,每對?齒輪的傳動效率/z=°§5,

滑輪的傳動功率/z=097，卷筒回轉效率力”=0.96,卷筒效率7T=0.96,略去鋼繩的質量。

22

電動機數據為Rv=20kW,niV=950r/min,GDR=2W.m,>試求：

(1)折算到電動機軸上的系統總飛輪力矩；

(2)以匕“=120m/min提升和下放重物時折算到電動機軸上的負載轉矩。

解：各級速比j,=Z2/Z,=100/20=5

j2=Z4/Z3=124/30=4.13

?=Z6/Z5=92/25=3.68

卷筒回轉半徑p=0.76r=0.76x-=0.76x—=0.228加

22

卷筒轉動慣量J=叫7?2=130x0.2282=6.76kg-m2

卷筒飛輪力矩G。=4gJ=4x9.81x6.76=265N?加

提升部分重力G,"=（加+%））g=（6000+200）9.81=60822N

(1)折算到電機軸上總的飛輪力矩

10+814+265<02Y

=21+1+空+------Z-++365X60822X——

4.1323.6821950；

=45.35N"2

(2)折算到電機軸上等效負載轉矩

不考慮傳遞效率：T=9.55G,,,*=122.28N?m

n

xx

只傳遞效率：7<=7cz7c,nHa=0.953*0.97X0.96=0.8

T17792

提升時：TT==1±±±2=152.867V-m

eqm

r/c0.8

損耗：AT=1即1-4刖=152.86-122.28=30.58N-m

下放時：TeqmJ=久的—AT=122.28—30.58=91.7N?加

第三章直流電機的電力拖動

3-1他勵直流電動機的機械特性指的是什么？是根據哪幾個方程式推導出來的。

答：他勵直流電動機的機械特性是在電源電壓、氣隙磁通及電樞回路總電阻均不變時電

機的轉速與電磁轉矩之間的函數關系。它是根據電壓平衡方程式、電磁轉矩公式、電動勢公

式推導出來的。

3-2什么叫硬特性？什么叫軟特性？他勵直流電動機機械特性的斜率與哪些量有關？

什么叫機械特性的硬度？

答：機械特性的硬度就是機械特性曲線斜率的倒數，斜率越小機械特性越硬；斜率越大

特性越軟，電動機運行時若T變化引起的n變化較小，則這種電動機機械特征為硬特性；反

之，若T的變化引起的n變化較大，即為軟特性。他勵直流電動機機械特性的斜率與電樞回

路總電阻4+凡成正比，與氣隙磁通Q的平方成反比。機械特征的硬度是指在機械特性曲

線的工作范圍內某一點的電磁轉矩對該點轉速的導數四.

dn

3-3什么叫固有機械特性？從物理概念上說明為什么在他勵直流電動機固有機械特性

上對應額定電磁轉矩7；時，轉速有的降落？

答：當電動機。=UN，0=4V，K=0時的機械特性成為固有機械特征電動機在理想空

載（耳,=UN，T=0）下運行時E?=UN，電動機轉速N=烏」=%，在額定狀態下運

動時/?=〃，電樞繞組產生電壓降/“￡,，此時電樞電動勢紇="乂-/八6,?，轉速

〃=〃N="吸;"'，產生轉速降=An.va=JN

3-4什么叫人為機械特性？從物理概念上說明為什么電樞外串越大，機械特性越軟？

答：通過改變電動機的電樞電壓、氣隙磁通、電樞回路電阻等電氣參數而獲得的電動機

機械特性稱人為機械特性。在相同的負載轉矩下，電樞回路外串電阻&越大，機械特性的斜

R+R

率夕=二八:就越大，機械特性曲線就越陡，負載轉矩變化時引起的轉矩變化就越大，因

此使特性變軟。

3-5為什么降低電源電壓的人為機械特是互相平行的？為什么減弱氣隙每極磁通后機

械特性會變軟？

答：降低電源電壓調速時。=么,，電樞回路不串電阻，因此不通電源電壓的各條人為機

械特性曲線的斜率4=—^不變，，而理想空載轉速與電源電壓成比例降低，因此不同

GGON

電源電壓下各機械特性互相平行。弱磁時。=。心電樞回路不串電阻。I后，“0=烏」t

C&N

同時因。I,電動機產生同樣的電磁轉矩所需的t,因而/“Rt,使A?t,由這兩個原

因使電動機的機械特性曲線斜率增大硬度變小。

3-6什么是電力拖動系統的穩定運行？能夠穩定運行的充分必要條件是什么？

答：處于某一轉速下運行的電力拖動系統，由于受到某種擾動導致系統的轉速發生變化

而離開原來的平衡狀態，如果系統能在新的條件下達到新的平衡狀態，或者當擾動消失后系

統能回復到原來的轉速下繼續運行，則系統是穩定的否則系統是不穩定的。系統穩定的充分

必要條件是：在交點T=T,處滿足竺＜也。

dndn

3-7他勵直流電動機穩定運行時，電樞電流的大小由什么決定？改變電樞回路電阻或

改變電源電壓的大小時，能否改變電樞電流的大?。?/p>

答：他勵直流電動機穩定運行時T=TL,/“=口二。若。=常數，則/〃僅由7；決定。

CT（p

改變U或電樞回路電阻的瞬間，因系統機械慣性使n不能突變，Ej也不能突變，破壞了電

1]1,

動機電壓平衡關系，因而/?也會發生變化，例如UiI瞬間Ea不變，/“=4—J。

ra

當達到新的穩定狀態后T=TL,Ia=,若TL中恒定則/?不變。

CT（P

3-8他勵直流電動機為什么不能直接起動？直接起動會引起什么不良后果？

答:起動瞬間電樞電勢為零，起動電流1“=2竺，電樞電阻很小起動電流很大，過大

此

電樞電流產生強烈的換向器火花，損壞換向器和電刷；另外大電流轉矩的沖擊也可造成拖動

機構損壞。

3-9起動他勵直流電動機前勵磁繞組斷線，沒發現就起動了下面兩種情況會引起什么

后果？

（1）空載起動；（2）負載起動，

答：（1）一般情況下電動機或多或少總有一定的剩磁，由于空載轉矩較小，電動機可能

會克服空載轉矩而起動，但穩定運行時由于磁通很小，轉速將會很高，如果電機的機械強度

不允許就會損壞電機；(2)不能起動，長時間的堵轉會燒壞電樞繞組。如果采用降壓起動由

于剩磁通很小，電樞電流不能產生起動所需轉矩，故不能起動。

3-10他勵直流電動機有幾種調速方法？各有什么特點？

答：3種。

(1)電樞回路串電阻：調速設備簡單，操作方便。但屬分級調速平滑性差，輕載時調

速范圍小，損耗大效率低。

(2)降低電源電壓：可實現無級調速，輕載或重載的調速范圍不變，特性硬度較高負

載變化時穩定性好，損耗小效率高。但需要一套電壓可連續調節的直流電源。

(3)減弱磁通：一般是基速以上的調速，調節方便、損耗小，可實現無級調速。但轉

速不能升的太高，調速范圍有限。通常與降壓調速配合使用。

3-11靜差率與機械特性的硬度有何區別？

解：靜差率是在某一調節轉速下，電動機從理想空載轉速到額定負載時的轉速變化率

5%=Qlx100%。靜差率是電動機調速性能好壞的一個指標，6%越小，負載變化時轉

%

速的變化越小，轉速相對穩定性越好。機械特性的硬度是指在機械特性曲線的工作范圍內某

點的，=a,它表示電動機運行時由于轉速變化(dn)而引起轉矩變化(dT)的大小。

dn

當電動機運行時由于外界干擾(U,7；變化)一起轉速變化曲，若a大,則電磁轉矩的變化

江也大，使電動機能較快地達到新的穩定狀態。因此a的大小表示電動機在工作點上運行

時抗擾動能力的大小。

3-12調速范圍與靜差率有什么關系？為什么要同時提出才有意義？

答：調速范圍D是額定負載下的最高轉速和最低轉速之比。D與8%相互制約：因為6%

n—nnw

二3一%,。=」皿，因此導出——迺一，由此式可見，D與6是一一對應的，

n0(}n.min(1-\3.)mi3n，U

而且相互制約。對于某種調速方法，例如電樞回路串電阻調速，此時〃0=-^J,“max=〃N'

c機

都是常數，如果要求6小，則D就大。對于不同調速方法，相同的6要求對應的D也不同。

例如降壓調速時，%=，〃。=烏」，"。與U成正比例下降，與電樞串電阻調速相比，

C仲N

在相同的6下可以得到較大的調速范圍。因此只有在滿足一定的靜差率要求下的調速范圍才

有意義。例如降壓調速和電樞串電阻調速都能把轉速從匹調到零，如果沒有對靜差率的要

求，這兩種調速方法的調速范圍都可達到無限大這時。也就沒有意義了。

3-13什么叫恒轉矩調速方式和恒功率調速方式？他勵直流電動機的三種調速方法各

屬于哪種調速方式？

答：恒轉矩調速方式是在整個調速范圍內，保持4=r的條件下電動機允許輸出的轉

矩為常數；恒功率調速方式是在整個調速范圍內/,=IN保持的條件下電動機的允許輸出的

功率為常數。串電阻調速和調壓調速屬恒轉矩調速，弱磁調速屬恒功率調速。

3-14電動機的調速方式為什么要與負載性質匹配？不匹配時有什么問題？

答：電動機調速方式與負載性質匹配是指恒功率負載采用恒功率調速方式，恒轉矩負載

采用恒轉矩調速方式，這樣就能保證在調速范圍內電動機電流均保持額定值不變，可以充分

利用電動機，如果二者不匹配，例如恒功率負載采用恒轉矩調速方式。恒功率負載功率

PL=(=常數，n=nmin時，乙最大。n=時，/最小。為使電動機不過載，應按"=?min

95soP

下的負載轉矩為電動機的額定轉矩，即留=N，/〃=幾。如果采用恒轉矩調速方式，

例如降壓調速，此時。=伽，在T=&時，T=TN=CT<f>NIN,電動機可以充分利用。

但電動機在nmin<n<nmax下運行時，電磁轉矩因TLJ而降低，/"=<IN,電動機就

CT<PN

不能充分利用了。對于恒轉矩負載采用恒功率調速方式的情況，例如弱磁調速。由于恒轉矩

負載7；=常數，6=黑，〃=〃min時功率2最小，〃="max時功率4最大。為了電動機

9550P

不過載，應選〃=時的電動機功率為額定功率，此時。=------^=。以小，電動機可

"max

充分利用。但在"T降速，使電動機在<〃</max的某一轉速下穩定運行時，乙仍為。，

但因0T,故(<幾，電動機不能充分利用。因此可見，如果電動機調速方

CT(pI

式與負載性質不匹配時，電動機只能在〃max或〃min下運行