专题四十一 直流电动机及其机械特性（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题四十一 直流电动机及其机械特性 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 电动势平衡方程式、功率平衡方程式、转矩平衡方程式的书写及式中某物理量的含义。 机械特性的核心定义或判断不同类型电动机的特性趋势。 他励/并励电动机“硬特性”和串励电动机“软特性”的特点。 考纲解读—考试要求 能根据不同直流电动机的机械特性，准确匹配其典型应用场景。 能描述直流电动机机械特性的定义，区分他励/并励电动机“硬特性”。 能准确掌握直流电动机的电动势平衡方程式、功率平衡方程式和转矩平衡方程式。 4 考纲解读—易考题型 简述直流电动机电动势平衡方程式U = Ea + Ia Ra中各物理量的含义，并说明负载增大时反电动势E_a的变化逻辑。 简答题  直流电动机功率平衡方程式中，输入功率P1等于电磁功率Pem与______之和 填空题 他励直流电动机的机械特性属于（ ），直流电动机转矩平衡方程式中，T0代表的是（ ） 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 1.直流电动机的电动势平衡方程式 在直流电动机中,电枢电流与感应电动势的方向相反,电源电压U与感应电动势E和电枢内部电阻压降IaRa相平衡,因此,电动势平衡方程式为 U=Ea+IaRa (7-19) 电动机属于用电器,式(7-19)表示的物理意义是,电动机加上电源电压后,电枢内要产生反电动势,电枢电阻有电流通过时,要产生电压降。准确地说,上式应称为电压平衡方程式,以与发电机电动势平衡方程式相区别。 一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 2.直流电动机的功率平衡方程式 P1=P2+P0+PaCu+ PeCu (7-24) 或 P1=P2+△p 式中 P1 —— 电源的输入功率；P2 —— 电动机轴上的输出机械功率；△p —— 电动机总损耗功率。 这就是电动机的功率平衡方程式。和发电机的功率平衡方程式相比,它们的形式是一样的。 一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 P1、P2所表示的实质是不一样的。P1对发电机来说是输入的机械功率,对电动机来说是输入的电功率。P2对于发电机来说是输出的电功率,对电动机来说是输出的机械功率。图7-34所示为并励电机的功率平衡图,可以形象地说明各功率之间的关系。 一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 3.转矩平衡方程式 将式(7-23)用电动机的角速度Ω去除,可得 = = Te = T2 + T0 （7-25） 式中Te——电动机的电磁转矩;T2——电动机的输出转矩; T0——电动机的空载转矩。 式(7-25)称为直流电动机的转矩平衡方程式。 直流电动机的电磁转矩如图7-35所示,电磁转矩T克服负载的制动转矩T2和空载转矩 T0,带动工作机以电流N恒转速n稳定运行。 一、直流电动机的电动势、功率和转矩的平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 对直流电动机来说,转速和转矩是我们最关心的运行数据。当电压为额定值,电枢回路和励磁回路电阻均为恒值时,转速与转矩的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。当外加电压与励磁电流为额定值,电枢回路串联的外加电阻为零时的机械特性称为自然(固有)机械特性,从空载到额定负载,转速下降不多,故称硬机械特性。当电枢回路的外加电阻不为零或者非额定电压，或者非额定励磁电流时的机械特性称为人为(人工)机械特性,负载增大时,转速下降较快,称为软机械特性。 二、直流电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 1.并励电动机的机械特性 并励电动机的原理接线图如图7-36所示,图中RSTR为启动、调速两用电阻。由于电压U和励磁回路可调电阻Rp均为恒值,如忽略电枢反应的影响,可知励磁电流IE和对应的磁通Φ中也为恒值。 二、直流电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 2.串励电动机的机械特性 串励电动机的原理接线图如图7-38所示。其特点是励磁绕组与电枢绕组串联,励磁电流等于电枢电流。磁通是随电枢电流而变化的,磁路未饱和时，磁通基本上与电枢电流成正比,即Φ=CIa，因而 n = C1 - C2Ra （7-29） 二、直流电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 3.复励电动机的机械特性 复励电动机的原理接线图如图7-40所示。为避免运行时产生不稳定现象,复励电动机通常接成积复励形式。由于积复励电动机既有并励绕组,又有串励绕组,所以其机械特性介于并励电动机和串励电动机之间,而当并励绕组作用大于串励绕组时,复励电动机的机械特性接近于并励电动机。串励绕组起主要作用的复励电动机,其机械特性接近于串励电动机。但在空载时不会发生“飞车”现象。 二、直流电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 4.各种直流电动机的应用范围 各种直流电动机的应用范围,主要取决于电动机本身的特性。 他励直流电动机广泛用于需要宽调速的拖动系统中,如龙门刨床等。并励直流电动机基本上是一种恒定转速的电动机,必要时可以调速,因此一般用于拖动转速变化较小的负载,如金属切割机床、球磨机等。专门设计的并励调速电动机可在较大范围内平滑调速,用于轧钢机、造纸机等。 二、直流电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 串励电动机启动转矩和过载能力较大,同时转速随负载变化明显。当负载转矩增大时,电动机转速会自动下降,但输出功率变化不大。适应于城市电车、电力机车、叉车、起重机、电梯等电力牵引设备中。 以并励为主的复励电动机具有较大的转矩,但转速变化不大,主要用于冲床、刨床、印刷机等。以串励为主的复励电动机具有与串励电动机接近的特性,但没有“飞车”危险,常用于吊车、电梯中。 二、直流电动机的机械特性 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：串励电动机空载时负载转矩极小→电枢电流极小→磁通极小→转速与磁通成反比，导致转速急剧升高（即“飞车”），可能损坏电机，故不能空载运行，选择C。 1.串励直流电动机不能空载运行的主要原因是（ ） A. 空载时电流过大 B. 空载时转矩过大 C. 空载时转速过高 D. 空载时反电动势过小 17 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电枢铜损是电流通过电枢电阻产生的损耗，计算公式为pCu=Ia2Ra（Ra为电枢电阻，固定），因此与电枢电流的平方成正比，故选择B。 2.直流电动机中，电枢铜损的大小与（ ）成正比 A. 电枢电压 B. 电枢电流的平方 C. 转速 D. 励磁电流 18 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：硬特性转速稳定，适合机床、精密仪器（需转速稳定）；软特性转速变化剧烈，适合电车、卷扬机（需重载低速）；串励电动机的软特性在特定场合（如牵引）有重要应用，故选择C。 3.下列关于直流电动机机械特性的说法，正确的是（ ） A. 硬特性适合需要转速剧烈变化的场合 B. 软特性适合需要转速稳定的场合 C. 他励电动机的硬特性适合机床、精密仪器 D. 串励电动机的软特性不适合任何工业场合 19 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电枢电压降低→若负载不变，反电动势需随之降低（因Ea=U-IaRa）→反电动势与转速成正比，故转速降低，选择B。 4.并励直流电动机运行时，若电枢电压降低，其转速会（ ） A. 升高 B. 降低 C. 不变 D. 先升高后降低 20 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电磁转矩是电枢电流在主磁场中受力产生的，根据左手定则，其方向由主磁场方向（励磁电流方向决定）和电枢电流方向共同决定，与电压、转速、负载转矩方向无关，故选择B。 5.直流电动机中，电磁转矩的方向由（ ）决定 A. 电枢电压方向 B. 励磁电流方向和电枢电流方向 C. 转速方向 D. 负载转矩方向 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：反电动势与电枢转速、主磁通成正比，转速升高会直接导致反电动势增大；转速降低、磁通减小会使反电动势减小；电枢电阻与反电动势无直接关联，故选择C。 6.下列哪种情况会导致直流电动机的反电动势增大（ ） A. 电枢转速降低 B. 主磁通减小 C. 电枢转速升高 D. 电枢电阻增大 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：空载损耗（机械摩擦、铁损）只要电机转速、磁通不变，其大小基本恒定，不随负载变化，属于固定损耗；可变损耗是随负载变化的铜损，电磁损耗并非规范分类，故选择B。 7.直流电动机功率平衡中，空载损耗属于（ ） A. 可变损耗 B. 固定损耗 C. 铜损 D. 电磁损耗 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：串励电动机重载时负载转矩增大→需电磁转矩增大→电磁转矩与电枢电流、磁通成正比，且磁通与电枢电流成正比，故电枢电流会增大，选择B。 8.串励直流电动机重载运行时，其电枢电流会（ ） A. 减小 B. 增大 C. 不变 D. 先增大后减小 24 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电枢电压 解析：并励电动机的励磁绕组并联在电枢两端，励磁电流（If=U/Rf，Rf为励磁绕组电阻）由电枢电压决定；当电枢电压升高或降低时，励磁电流会同步变化，进而影响磁通和转速。 1.并励直流电动机的励磁电流由______提供，运行时若电枢电压变化，励磁电流也会随之变化。 25 常考习题练习与讲解—填空题 答案：主磁通 解析：反电动势本质是电枢绕组切割磁感线产生的，根据电磁感应原理，其大小与切割速度（电枢转速）和磁场强弱（主磁通）成正比，因此转速和主磁通是决定反电动势的两个核心因素。 2.直流电动机稳定运行时，反电动势的大小取决于电枢转速和______，转速越高或磁通越大，反电动势越大。 26 常考习题练习与讲解—填空题 答案：稳定运行 解析：转矩平衡的本质是“驱动转矩=阻力转矩”，只有当转速稳定（角速度不变）时，电机的转矩才能达到平衡；启动时转速上升（驱动转矩>阻力转矩），停机时转速下降（驱动转矩<阻力转矩），均不满足平衡条件。 3.转矩平衡方程式仅在直流电动机______状态下成立，启动或停机过程中转速变化，转矩不平衡，方程式不适用。 27 常考习题练习与讲解—填空题 答案：机械特性 解析：不同负载对转速变化的需求不同（如机床需稳定转速，电车需重载低速），而电动机的机械特性直接反映转速与转矩的关系，因此选择时需让电机特性满足负载需求，这是应用选择的核心逻辑。 4.直流电动机应用选择的关键是______与负载需求相匹配，如重载低速、轻载高速的负载需选择软特性电动机。 28 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：并励电动机失去励磁电流→主磁通急剧减小（仅剩少量剩磁）→转速与磁通成反比，转速急剧升高（飞车），可能损坏电机，因此运行中需防止励磁回路断开，故题干表述正确。 1.并励直流电动机若突然失去励磁电流，会因磁通急剧减小而导致转速急剧升高，引发飞车事故。（ ） 29 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：根据电动势平衡关系，在电枢电压和电枢电阻不变时，反电动势越大，电枢电流越小，而非越大，故题干表述错误。 2.直流电动机的反电动势起到阻碍电枢电流增大的作用，因此反电动势越大，电枢电流越大。（ ） 30 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：他励电动机负载增大→负载转矩增大→电磁转矩增大→电枢电流增大→电枢电阻压降增大→反电动势减小→转速（与反电动势成正比）略有下降，转速波动小，符合硬特性定义，故题干表述正确。 3.他励直流电动机负载增大时，电枢电流增大，反电动势减小，转速略有下降，符合硬特性的特点。（ ） 31 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：应用选择的核心是“特性匹配”，如机床需转速稳定（选硬特性电机），电车需重载低速（选软特性电机）；若特性不匹配，即使功率足够，也可能无法满足负载需求（如用串励电机驱动机床，转速波动大，影响加工精度），故题干表述错误。 4.直流电动机应用选择时，只要电动机功率足够，即可任意选用，无需考虑机械特性。（ ） 32 常考习题练习与讲解—简答题 答案：反电动势的作用：①阻碍电枢电流增大，防止电流因电枢电压作用而过大，保护电机绕组；②调节电枢电流，当负载变化时，反电动势通过与电枢电压的差值自动调整电流大小，维持电机稳定运行。与转速的关系：反电动势与电枢转速成正比，转速越高，电枢绕组切割磁感线速度越快，反电动势越大；转速越低，反电动势越小，启动瞬间转速为零，反电动势也为零。 1.简述直流电动机中反电动势的作用及与转速的关系。 33 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流保持不变的条件下，电机转速与电磁转矩之间的变化关系，直接反映电机带负载时的转速稳定性。 2.什么是直流电动机的机械特性？ 34 常考习题练习与讲解—简答题 答案：串励直流电动机不能长时间空载运行，核心原因是空载时易出现“飞车”事故。串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流等于电枢电流；空载时负载转矩极小，电枢电流随之极小，导致主磁通急剧减小。由于电机转速与主磁通成反比，磁通极小会使转速急剧升高，此时转速远超电机设计的额定转速，会造成电机机械强度不足、绕组过热损坏，甚至引发安全事故，因此禁止长时间空载运行。 3.为什么串励直流电动机不能长时间空载运行？ 35 常考习题练习与讲解—简答题 答案：直流电动机稳定运行时的转矩平衡方程式为Tem=T2+T0，含义是：电动机产生的电磁转矩（Tem，驱动转矩）需同时克服阻碍旋转的负载转矩（T2，外部负载阻力）和空载损耗转矩（T0，内部机械摩擦、铁损阻力），三者平衡才能维持转速稳定。 4.简述直流电动机转矩平衡方程式的含义。 36 重点复习知识点： 1.转矩平衡（Tem=T2+T0）是稳定运行的前提，电磁转矩Tem需同时克服负载转矩T2和空载损耗转矩T0。 2.他励/并励电动机为硬特性，因励磁电流稳定，负载增大时仅Ia略增、Ea略降，转速平缓下降；串励电动机为软特性，励磁电流与电枢电流同步变化，导致“轻载转速极高、重载转速极低”。 3.他励/并励电动机因硬特性，适用于机床主轴、精密仪器；串励电动机因软特性，适用于电车、卷扬机；复励电动机因“转速稳定+过载能力强”，适用于印刷机、起重机。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 37 $