《电机学》(华中科技大学出版社)课后答案

1 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

稀土钴

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 4.44m E fN φ=。 运动电势：线圈与磁场间的相对运动而产生的e T 与磁密B ，运动速度v ，导体长度l ，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？

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。d L e dt L

ψ=- 对空心线圈：L

Li ψ= 所以di e L L dt =- 自感：2L

L

N N m m i i i L Ni N φψ===∧=∧ A

m l μ∧=

所以，L 的大小与匝数平方、磁导率μ、磁路截面积A 、磁路平均长度l 有关。 闭合铁心μ>>μ0，所以闭合铁心的自感系数远大于木质材料。因为μ0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u 1、绕组电阻R 1、电流i 1时，问 （1）绕组内为什么会感应出电动势？

（2）标出磁通、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）写出一次侧电压平衡方程式；

（4）当电流i 1增加或减小时，分别标出两侧绕组的感应电动势的实际方向。 解：(1) ∵u 1为正弦电压，∴电流i 1也随时间变化，由i 1产生的磁通随时间变化，由电磁感

应定律知d dt

e N Φ=-产生感应电动势. (2) 磁通方向：右手螺旋定则，全电流定律1e

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。

2 (3) 1111d

R N dt u i Φ=+

(4) i 1增加，如右图。i 1减小

1.8 在图1.30中，如果电流i 1在铁心中建立的磁通是t m ωsin Φ=Φ，二次绕组的匝数是

2N ，试求二次绕组内感应电动势有效值的计算公式，并写出感应电动势与磁通量关系的复数表示式。

解：

(1)222222

m m m E fN N N ωπ=Φ=Φ=Φ (2)222900.70790m E E N ω=?=-Φ?

1.9 有一单匝矩形线圈与一无限长导体在同一平面上，如图1.31所示，试分别求出下列条件

下线圈内的感应电动势：

（1）导体中通以直流电流I ，线圈以线速度v 从左向右移动；

（2）导体中通以电流sin m i I t ω=，线圈不动；

（3）导体中通以电流sin m i I t ω=，线圈以线速度v 从左向右移动。

解：关键求磁通BA Φ

= (1)∵a c vt a vt x b B dx +++Φ

=? ∴ []()()v e b B a c vt B a vt v =-++-+ 00()()2()

I B a c vt H a c vt a c vt μμπ++=++=++ ∵()2()

a c vt I Hl H a c vt π++==?++? 同理a+vt 处的B 值 0()02()a v t a v t I B H a vt μμπ+

+==+ ∴001122()()

()Ibv bI vc a vt a c vt a vt a c vt e μμππ++++++=-= (2) 只有变压器电势 d T dt e N Φ=-

a c

x a BA b B dx +Φ==? x H l N I =? N=1 ∴2()x H a c i π?+=

0x B H

μ= 00122sin i x m a x a x B I t μμππω++=

= ∴0001222sin sin ln()sin ln m m a c

I b I b b a c a c a m a x a a t dx t a x I t μμμπππωωω++++Φ==+=?

∴02ln cos b a c T a e t μω

πω+=- (3) 运动电势e v 变为：

0s i n 2()()

m bI vc t v a vt a c vt e μωπ+++=（把（1）中的I 用sin m I t ω代） 变压器电势变为：

3 02sin ln m a c vt

I b a c vt x a vt

a vt

b B dt t μπω++++++Φ==? 02ln cos b d a

c vt T dt a vt

e t μωφπω+++=-=- 线圈中感应电势v T e e e =+

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1I 、2I 、1N 、2N ，回答下列问题：

（1）总磁动势F 是多少？

（2）若2I 反向，总磁动势F 又是多少？

（3）电流方向仍如图所示，若在a 、b 出切开形成一空气隙δ，总磁动势F 是多少？此时铁心磁压降大还是空气隙磁压降大？

（4）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 、H 的大小。 （5）比较（1）和（3）中两种情况下铁心中的B 、H 的大小。

(1) 1122F N I N I =- 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) 1122F N I N I =+

（3） 总的磁势不变仍为1122F N I N I =-

∵磁压降 m k Φ 铁心l m A R μ=

空气隙00A m R δμ= 虽然 1δ> 但∵0μμ ∴0m m R R

∴空气隙的磁压降大

（4）∵忽略漏磁 ∴Fe δΦ

=Φ 而截面积相等 ∴Fe B B δ= ∵0μμ ∴Fe H H δ>

（5）∵第一种情况∵(1)Φ大 ∴(1)

(3)B B > 同理 (1)(3)H H >

1．9 一个带有气隙的铁心线圈（参考图14.1），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，问铁心内的磁通Φ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U 的工频交流电源上，如果改变气隙大小，问铁心内磁通和线圈中电流是否变化？

如气隙δ增大磁阻m R 增大，如磁势不变，则

φ减小 ∵ d dt u

Ri e Ri φ=+=+ ∵ φ在减小 ∴0d

dt φ< ∴ i 增大

接在交流电源上，同上 直流电源：∵

0d dt φ

= ∴i 不变

但φ仍然减小。 1．10 一个有铁心的线圈，电阻为Ω2。当将其接入110V 的交流电源时，测得输入功率为90W ，电流为A 5.2，试求此铁心的铁心损耗。

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

∴2290 2.5277.5Fe P P I R w

=-=-?=入

4 1．11 对于图14.1，如果铁心用D23硅钢片叠成，截面积241025.12m A -?=，铁心的平均长度m l 4.0=，空气隙m 3105.0-?=δ绕组的匝数为600匝，试求产生磁通Wb 4109.10-?=Φ时所需的励磁磁动势和励磁电流。

磁密4

410.91012.25100.89()A B T --?Φ

?=== 查磁化曲线 299()Fe A H m

= 气隙：570.897.0859910()410

A H m δπ--==?? 磁动势: Fe F H l H δδ=+

= 532990.47.0859910

0.510-?+???

=473.9(A) ∵F=NI ∴I=F ／N=473.9／600=0.79(A)

1．12 设1．11题的励磁绕组的电阻为Ω120，接于110V 的直流电源上，问铁心磁通是多少？

先求出磁势： ∵是直流电源 ∴φ不变，0d dt e φ=-

= ∴110120U

R I == ∴110120600550()

F NI A ==?= 然后根据误差进行迭代 设'412.5610Wb φ-=?则

1()A Fe B B T δΦ=== ∴383()A m Fe

H = 71410H πδ-?= ∴71410H πδ

-?= ∴

7'314103830.40.510551.3()Fe F H l H A δπδ--?=+=?+

??=

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 u = ∴E=110V

4.44m E fN =Φ

∴41104.44506008.25810()m Wb -??Φ==?

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

23105.2m A -?=，磁路平均长m l 5.01=，m l 2.02=，m l 5.03=（包括气隙δ）

，m 2102.0-?=δ。己知空气隙中的磁通量Wb 3106.4-?=Φ，又A I N 1030022=，求另外两支路中的1Φ、2Φ及11I N 。

334.6103 2.510 1.84()A B T --?Φ?=== 37061.84410 1.46496810()B A u m H δπ--?===?

14600()A m Fe H =(查表得到的)

由右侧回路可求：

5 22223()Fe H l N I H l H δδ=-+ =10300－(1460030.5+1.464968361030.23210-) =10300-(7300+2929.94)=70A ∴700.52

140()A m H == 20.41()B T = ∴230.320.41 2.510 1.02510()B A Wb -Φ==??=?

33132(4.6 1.025)10 3.57510()

Wb --Φ=Φ-Φ=-?=? 11 1.43()A B T Φ==

11420()A m H = ∴11122NI H l H l =-=142030.5-14030.2=640(A)

6 第二章 直流电机

2．1 为什么直流发电机能发出直流电流？如果没有换向器，电机能不能发出直流电流？ 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，电机不能发出直流电。

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，δΦ与饱和系数有关。

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：00()f F Φ= 0Φ-主磁通，0F 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0Φ，如交于“膝点”，则磁路饱和，浪费磁势，即使有较大的0F ，若磁通0Φ基本不变了，而我的需要是0Φ（根据E 和m T 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

7 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？ 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1k y =

单波：相临两串联元件对应边的距离约为2τ形成波浪型

节距上：

12i Z P y ε=±

1y =±（单叠）11i Z k P p y ±±== k y y = 21y y y =-

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：a

PN E E C n n =Φ=Φ

（1）φ减少10％，则'0.9φ

φ= 即 ''10.9E E C n E

E C n ΦΦ== ∴'0.90.9230207()E E V ==?=

（2）励磁电流减少10％，如果饱和，则φ不变，E 也不变，如没有饱和，则φ也减少10％，'E =207(V)

∴207

(3)

'' 1.2n n E n E n == ∴' 1.2276()E E V == (4)'''0.9 1.2n n E

n E n ΦΦΦΦ==

'0.9 1.22302484()E V =??=

2．12 一台4极单叠绕组的直流电机，问：

（1）如果取出相邻的两组电刷，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)取出相临的两组电刷，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 ，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 +13I=43I ，现在电流与原来电流之比为

8 43

I ：4I=13，因此容量减为原来容量的13 (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34

(3)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。

(4)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。

(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12，容量减为原来的1

(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。

(4)单波失去一个磁极，感应电动势减小12，容量减小12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α角

电动机：物理中性线逆电机旋转方向移过一个不大的α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：B δ仅由励磁磁动势2f f N I 建立，02f f F I N =

负载：由2f f N I 和Ax 共同建立： 0a F F + 由每极合成磁通计算，即负载磁通计算，∵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、电动机列出电流I 、a I 、f I 的关系式。

四种励磁方式：他励，并励，串励，复励

电动机：他励：a I

I =

9 并励：a f I

I I =+ 串励：a f I

I I == 复励：'a f f I

I I I =+= 短复励

'a f I I =，'a f I I I =+ 长复励

发电机：他励：a I I = 并励：a f I I I =+

串励：a f I

I I == 复励：'a f f I I I I =+= 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em T 、n 、E 、U 、a I 的方向有何不同？能量转换关系如何？

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：em T 与n 方向相同，是驱动转矩，a E 与U 方向相反，是反电动势，a I 方向流向电枢，a E 与a I 方向相反。a a em E I T =Ω

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：em T 与n 方向相反，是阻力转矩，E 与U 方向相同，a E 与a I 方向相同，发出电功率，为克服阻力转矩em T ，不断输入机械能，才能维持发电机以转n 旋转，发出电能。

2．19 为什么电机的效率随输出功率不同而变化？负载时直流电机中有哪些损耗？是什么原因引起的？为什么铁耗和机械损耗可看成是不变损耗？

∵电机铜耗随输出功率变化，所以效率随输出功率变化，负载时有：铜耗，铁耗，机械损耗。

铜耗：电枢绕组铜耗和励磁绕组铜耗。2a a I R ，f UI

铁耗：交变磁场引起涡流损耗和磁滞损耗

机械能：抽水，电刷摩擦损耗

∵铁耗和机械耗和附加损耗与负载电流无关 ∴认为是不变损耗

2．20 直流发电机中电枢绕组元件内的电动势和电流是交流的还是直流的？若是交流的，为什么计算稳态电动势a a R I U E +=时不考虑元件的电感？

都是交流的

∵通过电刷引出的感应电动势是直流，∴不考虑元件电感

2．21 他励直流发电机由空载到额定负载，端电压为什么会下降？并励发电机与他励发电机相比，哪一个的电压变化率大？

空载时：他励发电机端电压U=E=e C n Φ

负载时：a a U E I R =- ∴电压下降

10 并励下降大，∵随着电压下降，Φ减小，∴a E 下降，端电压更加下降

2．22 若把直流发电机的转速升高20%，问在他励方式下运行和并励方式下运行时，哪一种运行方式下空载电压升高的较多？

空载电压0e U E C n ≈=Φ 他励时，n 升20％，E 升20％

并励时，∵n 增加 ∴E 增加，f I 增加，Φ增加，∴E 除n 增大外，Φ也增大，∴并励时，空载电压升较多。

2．23 并励发电机正转时能自励，反转时还能自励吗？

2．24 要想改变并励电动机、串励电动机及复励电动机的旋转方向，应该怎样处理？ 2．25 并励电动机正在运行时励磁绕组突然断开，试问在电机有剩磁或没有剩磁的情况下有什么后果？若起动时就断了线又有何后果？

2．26 一台正在运行的并励直流电动机，转速为1450r/min 。现将它停下来，用改变励磁绕组的极性来改变转向后（其它均未变），当电枢电流的大小与正转时相同时，发现转速为1500r/min ，试问这可能是什么原因引起的？

2．27 对于一台并励直流电动机，如果电源电压和励磁电流保持不变，制动转矩为恒定值。试分析在电枢回路串入电阻j R 后，对电动机的电枢电流、转速、输入功率、铜耗、铁耗及效率有何影响？为什么？

2．28 电磁换向理论是在什么基础上分析问题的？主要结论是什么？在研究真实换向过程应如何补充修正？

2．29 换向元件在换向过程中可能出现哪些电动势？是什么原因引起的？它们对换向各有什么影响？

2．30 换向极的作用是什么？它装在哪里？它的绕组怎么连接？如果将已调整好换向极的直流电机的换向极绕组的极性接反，那么运行时会出现什么现象？

2．31 一台直流电机，轻载运行时换向良好，当带上额定负载时，后刷边出现火花。问应如何调整换向极下气隙或换向极绕组的匝数，才能改善换向？

2．32 接在电网上运行的并励电动机，如用改变电枢端的极性来改变旋转方向，换向极绕组不改换，换向情况有没有变化？ 2．33 小容量2极直流电机，只装了一个换向极，是否会造成一电刷换向好另一电刷换向不好？

2．34 没有换向极的直流电动机往往标明旋转方向，如果旋转方向反了会出现什么后果？如果将这台电动机改为发电机运行，又不改动电刷位置，问它的旋转方向是否与原来所标明的方向一样？

2．35 环火是怎样引起的？补偿绕组的作用是什么？安置在哪里？如何连接？ 2．36 选择电刷时应考虑哪些因素？如果一台直流电机，原来采用碳-石墨电刷，额定负载时换向良好。后因电刷磨坏，改换成铜-石墨电刷，额定负载时电刷下火花很大，这是为什么？

2．44 电机的冷却方式和通风系统有哪些种类？一台已制成的电机被加强冷却后，容量可否提高？

2．45 已知某直流电动机铭牌数据如下：额定功率kW P N 75=，额定电压V U N 220=，额定转速min /1500r n N =，额定效率%5.88=N η。试求该电机的额定电流。

解：3750000.885184.7510N N P P W η===? N I =1N P U =385.2 (A )

2．46 已知直流发电机的额定功率kW P N 240=，额定电压V U N 460=，额定转速

11 min /600r n N =，试求电机的额定电流。

2．47 一台直流发电机的数据：62=p ，总导体数780=a N ，并联支路数62=a ，运行角速度是s rad /40π=Ω，每极磁通Wb 0392.0=Φ。试计算

（1）发电机的感应电动势；

（2）当转速min /900r n =，但磁通不变时发电机的感应电动势；

（3）当磁通变为min /900,0435.0r n Wb =时发电机的感应电动势。

解：(1) 37806060313

a PN E a C ??=== 60

E E E C n C πΩ=Φ=Φ =1330.0392 360402π

π?=611.5V

(2)E=E C n Φ=1330.03923900=458.6V

(3)E=1330.04353900=509V

2．48 一台4极、kW 82、230V 、min /970r 的他励直流发电机，如果每极的合成磁通等于空载额定转速下具有额定电压时每极的磁通，试求当电机输出额定电流时的电磁转矩。

解： 3

8210356.52()N N

P N I A ?=== 60a PN E N N a E C n U =Φ=

Φ

2a PN em T N N a T C I I π=Φ=Φ ∴260N em N n E

T I π= ∴6030356.5223022970

807.7N N I E

em n T N m ππ???=== 2．50 试计算下列绕组的节距1y ，2y ，y 和K y ，绘制绕组展开图，安放主极及电刷，求并联支路对数。

（1）右行短距单叠绕组：42=p ，22==S Z ；

（2）右行整距单叠绕组：42=p ，20==S Z ；

（3）左行单波绕组：42=p ，19==S Z ；

（4）左行单波绕组：42=p ，21==S Z 。

2．51 一台直流发电机，42=p ，22=a ，21=S ，每元件匝数3=y N ，当W b 2010825.1-?=Φ、min /1500r n =时试求正负刷间的电动势。

解：22213126a y N N S ==??=

212660601

a PN

E a C ??== = 8.4÷2=4.2 28.4

2 1.825101500115E E C n V -=Φ=???=

2．52 一台直流发电机82=p ，当min /600r n =，每极磁通Wb 3104-?=Φ时，V E 230=，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：(1) E E C n =Φ ∴323041060095.83

E E

n C -Φ?=== 60a PN

E a C = 单叠 a=4 ∴60604495.835750a a

E P N C ?==?=根

12 (2)单波：a=1

60195.831438

a N ?=?=根 2．53 一台直流电机，42=p ，120=S ，每元件电阻为Ω2.0，当转速min

/1000r n =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a R 各为多少？

解：单叠绕组：每支路元件数：120

430=

∴电刷端电压U=30310=300V 电枢绕组电阻0.2

304 1.5a R ?==Ω 单波绕组：每支路元件数：

120

260= 电刷端电压：U=10360=600V

电枢绕组电阻：a R =0.260

26?=Ω

2．54 一台2极发电机，空载时每极磁通为Wb 3.0，每极励磁磁动势为3000A 。现设电枢

圆周上共有电流8400A 并作均匀分布，已知电枢外径为m 42.0若电刷自几何中性线前移

?20机械角度，试求：

（1）每极的交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势各为多少？

（2）当略去交轴电枢反应的去磁作用和假定磁路不饱和时，试求每极的净有磁动势及

每极下的合成磁通。

2．55 有一直流发电机，42=p ，95=S ，每个元件的串联匝数3=y N ，m D a 162.0=，

A I N 36=，1=a ，电刷在几何中性线上，试计算额定负载时的线负荷A 及交轴电枢磁动

势aq F 。

2．56 一台并励直流发电机，kW P N 26=，V U N 230=，min /960r n N =，42=p ，

单波绕组，电枢导体总数444=a N 根，额定励磁电流A I fN 592.2=，空载额定电压时的

磁通W b 0174.00=Φ。电刷安放在几何中性线上，忽略交轴电枢反应的去磁作用，试求额

定负载时的电磁转矩及电磁功率。

解：2444221141.4a PN T

a C ππ???=== e m T a T C I =Φ 32610

230113.043(

)N N P N U I A -?=== ∴141.40.0174115.64284.5()em T N m =??=?

113.043 2.592115.64()a N fN I I I A =+=+=

2

29606060100.48n rad s ππ?Ω===

284.5100.4828.5e m e m P T k W

=Ω=?= 2．57 一台并励直流发电机，kW P N 19=，V U N 230=，min /1450r n N =，电枢电路

各绕组总电阻Ω=183.0a r ，V U b 22=?，励磁绕组每极匝数880=f N 匝，A I fN 79.2=，

励磁绕组电阻Ω=1.81f R 。当转速为min /1450r 时，测得电机的空载特性如下表：

试求：（1 （2）电机的电压调整率U ?；

13 （3）在额定运行情况下电枢反应的等效去磁磁动势fa F 。

2．59 一台4极并励电动机，kW P N 14=，V U N 220=，Ω=0814.0a r ，V U b 22=?，主极绕组每极2800匝，总励磁电阻Ω=248f R 。电机在min /1800r 时的空载特性如下：

时为A 1.0，试求：

（1）额定负载下的转速；

（2）若在此电机中的每个主极装设5.3匝的串励绕组（积复励或差复励两种情况），这时电枢电路的总电阻Ω=089.0a r ，试求额定负载下的转速。`

2．60 两台完全相同的并励直流电机，机械上用同一轴联在一起，并联于230V 的电网上运行，轴上不带其它负载。在min /1000r 时空载特性如下：

总电阻（包括电刷接触电阻）均为Ω1.0，若忽略电枢反应的影响，试问：

（1）哪一台是发电机？哪一台为电动机？

（2）总的机械损耗和铁耗是多少

（3）只调节励磁电流能否改变两机的运行状态（保持转速不变）？

（4）是否可以在min /1200r 时两台电机都从电网吸取功率或向电网送出功率？ 解：(1)∵甲台电机在min 1000r 时的电动势为195.9V ,

乙台电机在min 1000r 时的电动势为186.7V ,

∴甲台电机在min 1200r 时电动势

12001000195.9235()E V =?=甲 (∵00E n E n =甲)

乙台电机在min 1200r 时电动势：

12001000186.7224()

E V =?=乙 E 甲＞230V E 乙＜230V ∴ 甲为发电机，乙为电动机。

(2)电动机：2emn om m P P P -=

发电机：2oG

emG P P P -= ∴两台电机总的机械耗和铁耗为： om oG emM emG P P P P -=-

电动机：2302240.160()M a U E aM

R I A --=== 2246013440()emM M aM P E I W ==?=

发电机：2352200.150()G a E U

aG R I A --===

2355011750()emG G aG P E I W ==?= 总的机械耗和铁耗：

13440117501690()emo emG P P W -=-=

(3)要改变两台电机运行状态并保持转速不变，应减小甲台电机的励磁电流，同时增加乙台电机的励磁电流，当两台电机的励磁电流相同时，两台电机都是电动机，最后乙为发电机，

14 甲为电动机。

(4)都可以通过从电网吸收电功率成为电动机，但不能都成为发电机，因为没有原动机，即没有输入机械能，无法输出电能。

2．61一直流电机并联于V U 220=电网上运行，已知1=a ，2=p ，398=a N 根，min /1500r n N =，Wb 0103.0=Φ，电枢回路总电阻（包括电刷接触电阻）Ω=17.0a R ，

A I N 83.1=，W p Fe 276=，W p mec 379=，杂散损耗%

86.01P p ad =，试问：此直流电机是发电机还是电动机运行？计算电磁转矩em T 和效率。

解：（1）60a PN E a E C n n =Φ=

Φ=23986010.01031500????=205（V ）＜220V ∴总电动机运行。

（2）2202050.1788.24()a

U

E a R I A --=== ∴ 2

3982210.010388.24115.15()a PN

em T a a a T C I I N m ππ??=Φ=Φ=??= （3）a f I I I =+=88.24+1.83=90.07(A)

122090.0719815.4()

P UI W ==?= 2M Fe mec ad P P P P P =---=()a Fe mec ad EI P P P -++=

205388.24-276-379-0.86319815.4100=17263.79(W) 2

1P P η=3100％=17263.7919815.43100％=87.12％或者：

2288.240.171323.67()

cua a a P I R W ==?= 1.83220402.6()

cuf f P I U W ==?= ad P =0.86％319815.4=170.41(W )

2119815.4cua cuf Fe mec ad

P P P P P P P P =-∑=-----=17263.7(W )

2．62一台kW 15、220V 的并励电动机，额定效率%3.85=N η，电枢回路的总电阻（包括电刷接触电阻）Ω=2.0a R ，并励回路电阻Ω=44f R 。今欲使起动电流限制为额定电流的5.1倍，试求起动变阻器电阻应为多少？若起动时不接起动电阻则起动电流为额定电流的多少倍？

2．63一台并励电动机，kW P N 5.5=，V U N 110=，A I N 58=，min /1470r n N =，

Ω=138f R ，Ω=15.0a R （包括电刷接触电阻）

。在额定负载时突然在电枢回路中串入Ω5.0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) 110138

0.797()f N

f f U U f R R I A ==== 580.79757.2(

a N N f I I I A =-=-= ∴11057.20.15101.42()N

N aN a E U I R V =-=-?=在电枢串入电阻的瞬间，Φ和n

15 不变，∴电动势不变∴'101.42()E V =

∵f I 不变，∴Φ不变，由于惯性，n 不变（加讲串电阻调速过程） (2) ''110101.420.150.513.2()a U E a R R I A Ω--++=

== (3) ''''em E a a em E a a T C I I T C I I ΦΦ== ∴''a

a I em em I T T =? 9.55e m E a

T C I =Φ 或者：∵E C Φ不变 '

'

'101.414709.559.559.5513.28.7()

N N E e m E a a n T C I I N m =Φ=?=??=? (4) ∵总制动转矩不变， ∴em T 不变。

∴电枢电流57.2()a

I A =不变 ∴()11057.2(0.150.5)72.82()a a E U

I R R V Ω=-+=-?+= ∵N N E n E n = ∴72.82min 101.4214701055.5()N

E r N E n n ==?=

2．64并励电动机的kW P N 96=，V U N 440=，A I N 255=，A I fN 5=，min /500r n N =。已知电枢电阻为Ω078.0，试求：

（1）电动机的额定输出转矩；

（2）在额定电流时的电磁转矩；

（3）电机的空载转速；

（4）在总制动转矩不变的情况下，当电枢回路串入Ω1.0电阻后的稳定转速. 解：(1) 3296106021833.5()N P n T N m ??=

==? (2) 4402500.078420.5()aN a a E U I R V =-=-?=

420.52506025002007.74()em

aN aN

N N P E I em T N m π??ΩΩ?====

2555250()aN N f I I I A =-=-= (3) 420.5min 5000.841523.2()aN

N E r e n C Φ==== 空载转速440500min 0523.2()e

U r n ?=== (4)总制动转矩不变，em T 不变，250aN I I A ∞

== ()4402500.17839N a j E U I R R V ∞∞=-+

=-?= ∴395.5

min 420.5500470.3()N E r N E n n ∞

∞==?=

2．65一台并励电动机，kW P N 2.7=，V U N 110=，min /900r n N =，%85=N η，

Ω=08.0a R （包括电刷接触电阻）

，A I fN 2=。若总制动转矩不变，在电枢回路串入一电阻使转速降低到min /450r ，试求串入电阻的数值、输出功率和效率（假设n p ∝0）。 解：31

7.2100.8511077()N N N N P P N U U I A η??====

110(772)0.08104aN N aN a E U I R V =-=--?= (1) 1049000.1156aN N E e n C Φ=

== ''()a e N aN a j E C n U I R R =Φ=-+即

16 0．11563450=110－753（0.08+j R ）求解得0.6933j R =Ω

2．66串励电动机V U N 220=，A I N 40=，min /1000r n N =，电枢回路各绕组电阻

Ω=5.0a r ，

一对电刷接触压降V U b 22=?。若制动总转矩为额定值，外施电压减到150V ，试求此时电枢电流a I 及转速n （假设电机不饱和）。

解：(1)∵是串励 ∴a f I I =又∵总制动转矩保持为额定值

∴'

em em T T = 2e m T a T f a T C I C k I =Φ= T f C k 为常数， ∴'40()a a I I A ==

(2) 2220400.52198()N N N a b E U I r U V =--?=-?-=

'''2150400.52128()a a b E U I r U V =--?=-?-=

''N

N E n E n =

(条件a I 不变)否则：'''N a N a E I n E I n = ∴'

'128

min 1981000646.5()

N E r N E n n ==?=

2．67某串励电动机，kW P N 7.14=，V U N 220=，A I N 5.78=，min /585r n N =，

Ω=26.0a R （包括电刷接触电阻）

，欲在负载制动转矩不变条件下把转速降到min /350r ，需串入多大电阻？

解：22078.50.26199.59()N a

E U I R V =-=-?= ∵总制动转矩不变 ∴a I 不变，∴Φ不变 ∴'''E E

C n n E E C n n ΦΦ== ∴''350585199.59119.41()

n

n E E V ==?= '220119.41

78.50.26 1.021()a U

E a I R R --Ω=-=-=Ω

2．68已知他励直流电动机kW P N 12=，V U N 220=，A I N 62=，min /1340r n N =，Ω=25.0a R ，试求：

（1）拖动额定负载在电动机状态下运行时，采用电源反接制动，允许的最大制动力矩为N T 2 ，那么此时应串入的制动电阻为多大？

（2）电源反接后转速下降到N n 2.0时，再切换到能耗制动，使其准确停车。当允许的最大力矩也为N T 2 时，应串入的制动电阻为多大？

2．69一台并励电动机，kW P N 10=，V U N 220=，min /1500r n N =，%5.84=N η，A I fN 178.1=，Ω=354.0a R ，试求下列制动方式制动时，进入制动状态瞬间的电枢回路的损耗和电磁制动转矩。

（1）电动机在恒转矩负载在额定状态下运行时，电枢回路串电阻使转速下降到min /200r n =时稳定运行，然后采用反接制动；

（2）采用能耗制动，制动前的运行状态同（1）；

（3）电动机带位能性负载作回馈制动运行，当min /2000r n =时。

17 第三章 变压器

3．1 变压器有哪几个主要部件？各部件的功能是什么？

变压器的主要部件:

铁心:磁路,包括芯柱和铁轭两部分

绕组:电路

油箱:加强散热，提高绝缘强度

套管:使高压引线和接地的油箱绝缘

3．2 变压器铁心的作用是什么？为什么要用厚0.35mm 、表面涂绝缘漆的硅钢片制造铁心？ 变压器铁心的作用是磁路.铁心中交变的磁通会在铁心中引起铁耗,用涂绝缘漆的薄硅钢片叠成铁心,可以大大减小铁耗.

3．3 为什么变压器的铁心和绕组通常浸在变压器油中？

因变压器油绝缘性质比空气好，所以将铁心和绕组浸在变压器油中可加强散热和提高绝缘强度.

3．4 变压器有哪些主要额定值？一次、二次侧额定电压的含义是什么？

额定值 1N I ,2N I ,1N U ,2N U ,N S ,N f

1N U :一次绕组端子间电压保证值

2N U :空载时,一次侧加额定电压,二次侧测量得到的电压

3．5 变压器中主磁通与漏磁通的作用有什么不同？在等效电路中是怎样反映它们的作用的？

主磁通:同时交链一次，二次绕组,但是能量从一次侧传递到二侧的媒介,使1122E N E N k ==,实现变压功能

漏磁通:只交链自身绕组,作用是在绕组电路中产生电压降,负载时影响主磁通,

1E 和二次电压2U 的变化,以及限制二次绕组短路时短路电流的大小,在等效电路中用m Z 反应磁通的作用,用1x δ,2x δ反应漏磁通的作用

3．6 电抗σ1X 、k X 、m X 的物理概念如何？它们的数据在空载试验、短路试验及正常负

载运行时是否相等？为什么定量计算可认为k Z 和m Z 是不变的？*k Z 的大小对变压器

的运行性能有什么影响？在类变压器*k Z 的范围如何？

1x δ:对应一次绕组的漏磁通,磁路的磁组很大，因此1x δ很小,因为空气的磁导率为常数,

18 ∴1x δ为常数

12k x x x δδ=+叫短路电抗

m x :对应于主磁通,主磁通所走的磁路是闭合铁心,其磁阻很小,而电抗与磁阻成反比,因此m x 很大.另外,铁心的磁导率不是常数,它随磁通密度的增加而变小，磁阻与磁导率成反比,所以励磁电抗和铁心磁导率成正比

由于短路时电压低,主磁通小，而 负载试验时加额定电压，主磁通大，所以短路试验时m x 比空载试验时的m x 大.正常负载运行时加额定电压，所以主磁通和空载试验时基本相同,即负载运行时的励磁电抗与空载试验时基本相等，1x δ,k x 在空载试验,断路试验和负载运行时,数值相等,

K K U K I Z =叫短路阻抗 1212()()

K K K Z R j X R R j x x δδ=+=+++是常数∴不变(12,R R 随温度变化

)

21

102m E fN m I R Z π===(见背面)

3．7 为了得到正弦感应电动势，当铁心不饱和与饱和时，空载电流应各呈何种波形？为什么？

铁心不饱和时,空载电流Φ与成正比,如感应电势成正弦,则Φ也为正弦变化，∴0i 也为正弦

铁心饱和时: 0i 为尖顶波,见123P 图3.8

3．8 试说明磁动势平衡的概念极其在分析变压器中的作用？

一次电流1I 产生的磁动势1F 和二次电流2I 产生的磁动势2

F 共同作用在磁路上，等于磁通乘磁组,即 12m m

F F R α+=Φ 其中α是考虑铁心的磁滞和涡流损耗时磁动势超前磁通的一个小角度,实际铁心的m R 很小，而0m R ≈,则12

0F F += ,即12F F =- 这就叫磁动势平衡,即一二次磁动势相量的大小相等，方向相反，二次电流增大时,一次电流随之增大. 当仅考虑数量关系时,有11

22N I N I =即12kI I =或21I k I = ∴利用磁动势平衡的概念来定性分析变压器运行时,可立即得出结论,一,二次电流之比和他们的匝数成反比.

19

3．9 为什么变压器的空载损耗可以近似地看成是铁耗，短路损耗可以近似地看成是铜耗？

负载时变压器真正的铁耗和铜耗与空载损耗和短路损耗有无差别，为什么？

解： 0Fe P P ≈ ∵空载损耗 2

001Fe P mI R P =+空载时0I 很小，∴ 201mI R 可忽略 ∴0Fe P P ≈

k c u

P P ≈ ∵k cu Fe P P P =+∵短路试验时外施电压k U 很小, ∴Φ很小, 0I 很小 ∴铁耗很小,可忽略铁耗, k cu P P ≈

负载时Fe P ：与空载时无差别，这是因为当f 不变时，2222Fe

P B E U ∝∝Φ∝∝负载与空载时一次绕组侧施加的电压基本不变，∴Fe P 基本不变，则不变损耗，严格说，空载时，漏抗压降大∴磁密略低，铁耗略少些

cu P ：如果是同一电流，则无差别。如果考虑到短路损耗包含少量的铁耗的话，负载真正的

铜耗比短路时侧略小。

3．10 变压器的其它条件不变，仅将一、二次绕组匝数变化%10±，对σ1X ，m X 的影响

怎样？如果仅将外施电压变化%10±，其影响怎样？如果仅将频率变化%10±，其影响又怎样？

解：①一，二次绕组匝数变比±10％。

1:x δ如'

11N N =+10％=1.11N ∵2111x wN δδ=Λ1δΛ-漏磁路的漏磁导，为常数 ∴'21111.1 1.21x x x δ

δδ==即1x δ增加21％ 如'11N N =－10％=0.91N 则'21110.90.811x x x δδδ==即1x δ减少19％，二次绕组匝数变化对1x δ无影响

:m x 2211222uA

m m m l

x fL fN fN πππ==Λ= 1N 增加，0I 减少∴u 增大 ∴

m x <-19％。

②外施电压变比±10％，1x δ不变，

1U E ≈由磁化曲线知，0I 比 m Φ变化快 ∴U Φ∝∴U ↑

0I ↓m x ↑ ③1:x δ 21112x f N δδπ=Λ 1δΛ为漏磁路的漏磁导 ∴1δΛ为常数

20 ∴

f 变化±10％，1x δ变化±10％。 m x ： m x 除与f 成正比外，还与Fe u 成正比

∵ 4.44E fN =Φ ∴f

变化±10％，E 不变 ∴Φ变化±10％，

如f 增加10％，则Φ减小10％，Fe u 增大，∴m x 的增加大于10％。

f 减小10％，则Φ增加10％，Fe u 减小，∴m x 的减小于10％。

3．11 分析变压器有哪几种方法？它们之间有无联系？为什么？

解：分析变压器有三种方法：基本方程式，等效电路和相量图，三者有联系，他们的物理

本质是一样，都反映了变压器内部的电磁关系，在进行定量计算时，宜采用等效电路和方程式，定性的给各物理量间关系时，可用相量图。

3．12 一台变压器，原设计的额定频率为50Hz ，现将它接到60Hz 的电网上运行，额定电

压不变，试问对励磁电流、铁耗、漏抗、电压变化率等有何影响？

解：

f 也50Hz 变为60Hz ，额定电压不变。 ①1114.44m U E fN ≈=Φ f 变为原来的6

5，则m Φ变为原来的56

∴励磁电流减小，即0

I ↓，0I 为原来的56 ②15050()f Fe m P P B β= 1.2 1.6

β= 虽然频率变为原来的65倍，但频率的1.6次方与铁耗成正比

但m Φ减小56倍，∴m B 减小5

6倍，但m B 的平方与Fe P 成正比 ∴最终仍是铁耗减小，即Fe P ↓

③励磁电抗 22

1122A

m m l x fN fN μππ=Λ= f ↑，饱和程度降低，μ↑ ∴m x ↑ ④漏电抗：21112x fN δδπ=Λ 1δΛ为漏磁路磁导可认为是常数

∴ 1x δ随频率增大而增大。 ⑤电压变化率**0022(cos sin )k k U R x βφφ?=+∵*k x ↑，∴U ?增大

3．13 一台额定频率为50Hz 的电力变压器，接到频率为60Hz 、电压为额定电压5/6倍的

电网上运行，问此时变压器的空载电流、励磁电抗、漏电抗及铁耗等将如何变化？

21

为什么？

解： 原来1114.44N m U fN =Φ现在56112654.44N

m U fN =?Φ

∴25236m m Φ=Φ与3.12一样

如改为60Hz 电力变压器，接到50Hz 电网上，电压为56倍，则现在55112664.44N m U fN =?Φ

∴12m m Φ=Φ

(1)∵磁通未变 ∴0I 不变

(2)∵Φ不变 ∴饱和程度不变 ∴Fe u 不变 故m x f ∝ ∴m x 减小为原来的5

6

倍

(3) 1x f δ∝ ∴1x δ也减小为原来的5

倍，副方电抗2x δ也一样，

(4)

2Fe m P B f β

∝

1.3 1.6β= m B 不变 ∴Fe P 随f

的减小而减小。

3．14 在变压器高压方和低压方分别加额定电压进行空载试验，所测得的铁耗是否一样？

计算出来的励磁阻抗有何差别？ 在高压方和低压方做空载试验，只要都加额定电压，由于12N N U kU =这两种情况下主磁

通是相等的；原因是

11

1 4.44N U m fN Φ=

221

2

21

214.44 4.44 4.44N N N U kU U m m fN fN k

fN

?Φ=

=

=

=Φ∴铁损耗相等

在高压方做：101

1U m I Z = 1U 为电压，01I 为在高压侧测得的空载电流。 在低压方做：202

2U m I Z =

2U 02I 为低压方做空载试验时所测得的电压，电流。

∵无论在高压做还是低压做磁通不变，相同 ∴电压之比等于匝数之比，即1

2U kU =

又∵磁通相等，∴两种情况磁势相同，∴101202N I N I =

∴0102I kI = ∴1

02112

201

2

1m m k

Z I U

Z U I k k ===

3．15 在分析变压器时，为何要进行折算？折算的条件是什么？如何进行具体折算？若用

标么值时是否还需要折算？

(1)∵变压器一，二次绕组无直接电联系，且一，二次绕组匝数不等，用设有经过折算的基本解公司无法画出等效电路，∴要折算。

(2)如果将二次绕组折算到一次侧，因为二次绕组通过其磁动势2

F 对一起绕组起作用，∴

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