专题三十四 直流电机的基本工作原理（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题三十四 直流电机的基本工作原理（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.重点考查电场强度、电势差、欧姆定律及基尔霍夫定律的应用。要求能分析串并联电路的电流、电压分配规律，掌握电功、电功率的计算方法，理解电源电动势与内阻的物理意义。 2.核心考点为理想变压器的变压比（U1/U2=n1/n2）、变流比（I1/I2=n2/n1）及能量守恒关系。需区分升压与降压变压器的结构特点，掌握多绕组变压器的电压分配规律。 3.考查安全电压等级（如36V、24V）、接地保护原理及常见电路故障排查。实验部分需掌握“探究变压器电压与匝数关系”的操作步骤，理解铁芯材料（硅钢片）对实验结果的影响。 4.要求结合实际场景（如家庭电路、电力传输）分析变压器的选型与参数设计，能通过公式推导解决含负载的复杂电路问题，重点关注效率计算与能量损耗分析。 二、知识点梳理 直流电机，一般指换向器式直流电机。直流电机包括直流发电机和直流电动机。它们具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机拖动旋转而发电，它是将机械能转换成电能的设备；直流电动机则是接在直流电源上，产生电磁转矩，拖动各种工作机械工作，它是将电能转变为机械能的设备。 一、直流发电机 1.电磁感应与右手定则 从物理学中可知，在磁感应强度为B的均匀磁场中，当一根有效长度为L的导体，做垂直切割磁感线运动时，则在导体L上产生感应电动势。这种由于导体切割磁感线而使导体产生电动势的现象，称为电磁感应。其感应电动势的大小计算规律，称为电磁感应定律，公式为e=BLv(7-1) 其中，v为导体的运动速度；电动势e的方向可按右手定则确定，即伸开右手，让拇指与其余四指在同一平面内，且互相垂直。将右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体的运动方向，其余四指所指的方向，便是导体中感应电动势的方向，如图7-12所示。 2.直流发电机的基本工作原理 图7-13所示为直流发电机原理图。两个磁极N、S建立恒定磁场，两极中间有圆柱形铁心，称为电枢铁心，其作用是使极掌处空气隙的磁通均匀分布。铁心上固定着线圈abcd,线圈的ad两端分别接在跟电枢铁心一起旋转的两片半圆铜片上，这两个半圆形铜片称为换向片，它们合在一起称为换 向器。电枢铁心，铁心上固定的线圈，以及换向器组合在一起称为电枢。电刷AB分别与这两个换向片接触而通向外电路。 (1)在图7-13(a)中当电枢逆时针旋转时，线圈两边ab与cd切割磁感线产生感应电动势，方向如图7-13(a)所示，由d→c→b→a,电刷A为正极，电刷B为负极。外电路上的电流方向是由正极A流出，经负载流向负极B。可根据右手定则判断。 (2)在图7-13(b)中当电枢旋转90°时，如图7-13(b)所示，线圈两边均处于磁场的物理中性面上，此时线圈不切割磁感线，感应电动势为零。两电刷A、B同时与两换向片接触，把线圈短接，线圈中也没有电流通过。 (3)在图7-13(c)中当电枢转过了物理中性面后，如图7-13(c)所示，此时线圈的电动势方向改变了，变成了由a→b→c→d,电刷A原来与换向片1接触，变为与换向片2接触，电刷B原来与换向片2接触，变为与换向片1接触，这样电刷A仍为正极，电刷B仍为负极。 线圈每转过一对磁极，其电动势方向就改变一次，但两电刷间的电动势方向是不变的，只是大小在零与最大值之间变化。这种单线圈直流发电机，虽然可以获得恒定方向的电动势和电流，但它们的大小是脉动的，其电动势波形图如图7-13(d)所示。这就是直流发电机的基本工作原理。 3.直流发电机恒定电动势的产生 上述的发电机，电动势方向虽然不变，但大小是脉动的，而且波动很大，这样的电动势是不符合实际要求的。要减少电动势的波动程度，可以在电枢上适当增加线圈数和换向片数。例如，在电枢上绕两个线圈，即每隔90°就有一个线圈边，如图7-14(a)所示。这样换向后半波电动势将相差90°,其合成的电动势波形如图7-14(b)所示，波动程度已显著减小。实际应用的直流电机中线圈数总是较多的，磁极对数也不只是一对，电动势的波动程度很小。 图7-15所示为8个线圈直流发电机，这8个线圈绕在一个圆柱形的铁心上，换向器是由8个换向片组成，每个线圈的两边分别接到相邻的换向片上。很明显，所有的线圈通过换向片串联起来，构成了一个闭合绕组，两个电刷装在两磁极之间的中心线上。 当原动机带动电枢旋转时，每个线圈的有效边都不断地交替切割N极和S极磁通，不论电枢转到什么位置，N极范围内所有线圈边的电动势都具有相同的方向，S极范围内所有线圈边的电动势也具有相同的方向。又由于线圈是经换向器串联在一起的，通过电刷将闭合绕组分成两部分并联。在旋转时，大部分时间有两个线圈被电刷短路，况且被短路的两个线圈正处于不产生感应电动势的位置上。这样两个线圈组并联称为并联支路数a=1,此时采用一对电刷，如图7-15(d)所示。因此，电刷A、B间的电动势始终为处于N极(或S极)范围内所有线圈电动势之和，也就是说，无论电枢转到什么位置，由于线圈的相互替换，换向器的换向作用，电刷A、B间的电动势的方向总是恒定的，即直流电动势，并且是最大的直流电动势。 由此可知，每个磁极范围内的线圈数越多，电动势的波动就越小。实践和分析都表明，当每个磁极范围内的导体数目大于8时，电动势的波动程度就小于1%,实际上发电机线圈数是很多的，换向片数也很多，换向后得到的电动势波动程度很小，可以认为是恒定的直流电动势。 二、直流电动机 1.直流电动机工作的理论基础 直流电动机工作的理论基础是基于电磁力定律，即通电导体在磁场中会受到力的作用。在磁感应强度为B的磁场中，放置一条长度为L的导体，且与磁感线方向垂直。若在导体L中通以电流I,则作用在载流导体上的电磁力为F=BIL方向可按左手定则来确定。如图7-16所示，伸开左手，让拇指和其余四指在同一平面内且互相垂直，将左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，令四指指向电流方向，拇指所指示的方向就是导体的受力方向。 2.直流电动机的基本工作原理 图7-17所示为直流电动机的工作原理示意图。基本结构与直流发电机完全相同。将直流电源的正负极通过电刷A、B与电机接通。 (1)在图7-17(a)所示的瞬间，直流电流通过电刷A、换向片1、线圈ab和cd,最后经换向片2及电刷B回到电源的负极。 载流导体ab和cd在磁场中要受到磁场力的作用。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右，这样就产生一个转矩，使电枢沿逆时针方向旋转。 (2)在图7-17(b)中当电枢转过90°时，两个线圈边都转到磁感应强度B=0的位置，此时线圈边不受磁场力的作用，转矩消失，如图7-17(b)所示。 (3)在图7-17(c)中由于电枢机械惯性的作用，转矩虽为零，电枢也能转过一定角度，这时线圈改变了电流方向，电流流经的途径是通过电刷A、换向片2、线圈边dc和ba,最后经换向片1及电刷B回到电源的负极。这时两个线圈边受力的方向仍旧使电枢沿逆时针方向旋转，如图7-17(c)所示。 从以上分析可以知道，一个线圈边从一个磁极范围经过中性面转到相邻异性磁极范围时，通过线圈的电流方向改变一次，电枢的转动方向仍保持不变。改变线圈中电流方向是换向器和电刷完成的。当然，在实际直流电动机中，有许多个线圈牢固地嵌在电枢铁心槽中。当线圈通过电流，在磁场中因受力而运动时，就带动整个电枢旋转，通过转轴便可带动其他工作机械。这就是直流电动机的基本工作原理。 3.直流电动机恒定转矩的产生 要保证电动机连续平稳地旋转，单靠一对换向器是不可能实现的。为了使载流导体在磁场中所受到的电磁力形成一种方向不变，大小也不变的恒定转矩，则要增加换向片数来解决。如果每极换向器片数增至8片以上(相应也要增加线圈数),就可以使转子上得到的转矩，从脉动的转矩变成几乎不变的恒定转矩。 三、直流电机的可逆性 从直流发电机和直流电动机的基本原理可知，直流发电机和直流电动机在结构上是相同的，两者没有本质的区别。所不同的是外界所加的条件不同。用动力机械带动直流电机旋转，它就成为发电机；若给直流电机电枢通电，直流电机就旋转，输出转矩，带动其他机械旋转，它就成为电动机。所以一台直流电机，既可作为发电机运行，也可作为电动机运行。其内部运行机制仅仅是电流方向发生了改变，这就是直流电机的可逆性。 三、真题练讲 1.（2023年河南省统一考试）某理想变压器原线圈匝数为800匝，副线圈匝数为200匝，若原线圈接220V交流电，则副线圈输出电压为（ ） A.55V B.110V C.440V D.880V 答案：A 解析：根据变压比公式U1/U2=n1/n2，代入数据得U2=220×(200/800)=55V。理想变压器忽略能量损耗，电压比严格等于匝数比。 2.（2024年河南省统一考试）下列关于变压器的说法正确的是（ ） A.铁芯必须用整块金属制成以增强导磁性 B.副线圈电流增大时，原线圈电流一定减小 C.输入功率始终等于输出功率 D.可用于改变直流电压 答案：C 解析：理想变压器遵循能量守恒，输入功率等于输出功率。铁芯需用绝缘硅钢片叠压以减少涡流损耗（A错误）；副线圈电流增大时，原线圈电流同步增大（B错误）；变压器仅适用于交流电（D错误）。 3.（2022年山东省统一考试）某实验中，变压器原线圈接12V交流电源，副线圈接“0-4”接线柱，测得副线圈电压为6V。若将副线圈改接“0-8”接线柱，且电源电压不变，则副线圈电压变为（ ） A.3V B.6V C.12V D.24V 答案：C 解析：原线圈电压U1=12V，初始副线圈匝数比为4:8，电压U2=6V。改接后匝数比变为8:8，即U2'=U1×(8/8)=12V。 4.（2025年江苏省统一考试）安全电压是指不致使人直接致死或致残的电压，下列环境中应采用12V安全电压的是（ ） A.干燥办公室 B.潮湿地下室 C.金属容器内 D.户外施工现场 答案：C 解析：根据国家标准，金属容器内等特别危险环境需采用12V安全电压。潮湿环境通常用24V，干燥环境可用36V。 5.（2024年河南省统一考试）某变压器原线圈电流为0.5A，副线圈电流为2A，则该变压器的变比为（ ） A.1:4 B.4:1 C.1:2 D.2:1 答案：B 解析：由变流比公式I1/I2=n2/n1，得n1/n2=I2/I1=2/0.5=4:1，即变比为4:1。 四、限时练讲 1.变压器铁芯采用硅钢片叠压的主要目的是（ ） A.增强导电性 B.减少涡流损耗 C.降低成本 D.便于加工 答案：B 解析：硅钢片表面绝缘，可抑制铁芯中涡流产生的热量，提高变压器效率。 2.某理想变压器原线圈电压为220V，副线圈电压为11V，若副线圈匝数为50匝，则原线圈匝数为（ ） A.1000匝 B.500匝 C.250匝 D.2000匝 答案：A 解析：根据n1=n2×(U1/U2)=50×(220/11)=1000匝。 3.下列关于变压器的说法错误的是（ ） A.输入功率由输出功率决定 B.副线圈负载增加时，原线圈电流增大 C.可实现电压、电流、阻抗的变换 D.只能改变交流电压的大小 答案：D 解析：变压器还可通过改变匝数比实现阻抗匹配，并非仅改变电压大小。 4.实验中测量变压器副线圈电压时，应使用（ ） A.直流电压表 B.交流电压表 C.万用表直流挡 D.电流表 答案：B 解析：变压器工作于交流电，必须用交流电压表测量副线圈电压。 5.某变压器原线圈接220V电源，副线圈接10Ω电阻，测得副线圈电流为2A，则原线圈输入功率为（ ） A.40W B.80W C.440W D.880W 答案：A 解析：副线圈功率P2=I2^2 R=2^2× 10=40W，理想变压器输入功率等于输出功率。 6.安全电压的等级不包括（ ） A.42V B.36V C.24V D.18V 答案：D 解析：我国安全电压额定值为42V、36V、24V、12V、6V，不包含18V。 7.变压器空载运行时，原线圈电流主要用于（ ） A.产生主磁通 B.克服线圈电阻 C.输出功率 D.抵消副线圈电流 答案：A 解析：空载时副线圈无电流，原线圈电流主要用于励磁，产生铁芯中的主磁通。 8.下列场景中需使用降压变压器的是（ ） A.发电厂升压输电 B.手机充电器 C.实验室高压电源 D.电焊机 答案：B 解析：手机充电器将220V市电降至5V左右，属于降压变压器应用。 9.简述变压器的工作原理。 答案：变压器基于电磁感应原理工作。原线圈接入交流电后，产生交变磁场，铁芯中的交变磁通穿过副线圈，根据法拉第电磁感应定律，副线圈中产生感应电动势。若副线圈闭合，则形成电流。理想情况下，电压比等于匝数比（U1/U2=n1/n2），电流比等于匝数反比（I1/I2=n2/n1），输入功率等于输出功率。 10.说明安全用电中保护接地的作用。 答案：保护接地通过将电器金属外壳与大地连接，当设备漏电时，电流经接地线导入大地，避免人体接触带电外壳而触电。例如，若火线绝缘破损与金属外壳接触，接地电阻远小于人体电阻，大部分电流通过接地线分流，从而保障人身安全。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.重点掌握变压器变压比、变流比公式及能量守恒关系，通过推导公式加深对电磁感应原理的理解。例如，结合实验数据验证U1/U2=n1/n2，分析铁芯材料对实验结果的影响。 2.熟练掌握“探究变压器电压与匝数关系”的实验步骤，注意实验中安全电压的选择（如不超过12V），避免直接接触裸露导线。通过模拟电路故障（如铁芯未闭合）分析实验误差来源。 3.将题目按类型（如电压计算、电流计算、安全用电）分类，总结解题方法。例如，变压器负载变化时，原线圈电流与副线圈负载电阻的关系可通过功率守恒推导，避免死记硬背。 4.关注变压器在电力传输、电子设备中的具体应用，如家庭电路中的降压变压器、电焊机的特殊设计。通过分析实际案例，提升运用知识解决问题的能力。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$