《变压器与电动机》直流电动机基本工作原理与运行特性 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》直流电动机基本工作原理与运行特性-讲义 1. 学生能够理解并表述直流电动机的基本结构、工作原理及能量转换过程，掌握电压平衡方程和反电动势与转速的关系。 2. 学生能够计算直流电动机在不同转速下的电枢电流与反电动势，具备分析启动电流过大的原因及限制方法的能力。 3. 学生形成规范操作与安全意识，理解直流电动机启动时必须采取限流措施的原因，养成在实际工作中安全使用与维护电动机的职业习惯。 知识点一 直流电动机的基本结构与工作原理 一、直流电动机： 直流电动机是一种将直流电能转换为机械能的设备，主要组成部分是定子（产生磁场的部分）和转子（也叫电枢，产生动力的部分）。 它的核心原理是“通电导体在磁场中受力运动”。当给电枢绕组通入直流电流时，这些位于磁场中的绕组会受到电磁力，从而产生持续的旋转力矩，驱动转子转动。 图1 直流电动机基本原理 二、换向器： 一个关键的部件是“换向器”，它配合电刷自动切换通入电枢线圈的电流方向，确保电磁力矩的方向始终一致，使电动机能持续朝一个方向旋转。 图2 换向器 三、反电动势： 电动机转动的同时，其电枢绕组也在切割磁感线，因此会像发电机一样产生一个感应电动势，这个电动势的方向与外加电源电压相反，被称为“反电动势”。 四、电压平衡方程式： 电动机作为一种“用电设备”，其工作时电源电压主要用来克服两部分：一是电枢绕组内部的电阻造成的电压降，二是电枢旋转时产生的反电动势。这一关系用电压平衡方程式表示：`U = E + Ia * Ra`（U为电源电压，E为反电动势，Ia为电枢电流，Ra为电枢电阻）。 直流电动机能够持续朝一个方向旋转的关键部件是（ ） A. 电刷 B. 换向器 C. 主磁极 D. 轴承 【答案】B 【解析】虽然电刷是传导电流的部件，但实现电流方向自动切换、保证电磁力矩方向不变从而持续旋转的核心部件是换向器。选项C主磁极是产生磁场的，D轴承是支撑作用，与旋转方向控制无关。 1. 直流电动机工作时，电枢绕组中产生的感应电动势被称为（ ） A. 电源电动势 B. 反电动势 C. 磁动势 D. 同步电动势 【答案】B 【解析】 由于该电动势的方向与电动机外加电源电压的方向相反，起阻碍电流的作用，因此被称为“反电动势”。其他选项均不符合定义。 2. 直流电动机正常运行时的电压平衡方程式说明了什么（ ） A. 电源电压等于反电动势与电枢电阻压降之和 B. 反电动势等于电源电压与电枢电阻压降之和 C. 电枢电阻压降等于电源电压与反电动势之和 D. 电源电压等于反电动势与电枢电阻压降之差 【答案】A 【解析】电压平衡方程式 `U = E + Ia * Ra` 明确表示了电源电压（U）被用来克服反电动势（E）和在电枢绕组电阻上的电压降（Ia*Ra），三者是串联相加的关系。 3. 关于直流电动机的能量转换，下列说法正确的是（ ） A. 将机械能转换为直流电能 B. 将交流电能转换为机械能 C. 将直流电能转换为机械能 D. 将化学能转换为直流电能 【答案】C 【解析】电动机的基本功能是作为动力源，其定义就是将输入的电能（本题中特指直流电能）转换为轴上输出的机械能，用以驱动负载。 1. 在直流电动机中，直接与外部电源相连的部件是（ ） A. 换向器 B. 励磁绕组 C. 电枢绕组 D. 电刷 【答案】D 【解析】电刷是静止部件，它固定在机座上，通过滑动接触将外部直流电源的电流引入到旋转的换向器上，从而供给电枢绕组。虽然电源最终加到电枢绕组上，但直接物理连接的是电刷。 2. 直流电动机刚接通电源但尚未转动的瞬间，其反电动势为（ ） A. 最大值 B. 零 C. 等于电源电压 D. 一个不确定的中间值 【答案】B 【解析】相序不同时，合闸会导致严重事故，绝对不能合闸。反电动势的大小与电动机的转速成正比。刚启动时转速为零，因此反电动势也为零。此时电源电压将全部加在电枢电阻上，导致启动电流极大。 3. 直流电动机的旋转方向取决于（ ） A. 电枢电阻的大小 B. 电源电压的高低 C. 磁通方向和电枢电流方向 D. 电刷的压力大小 【答案】C 【解析】根据左手定则（电动机定则），电磁力的方向由磁场方向（磁通方向）和导体中电流的方向共同决定。改变其中任何一个的方向，电动机的旋转方向就会改变。 · 直流电动机的核心是通电导体在磁场中受力。 · 换向器保证了力矩方向的持续性，反电动势是转动时的必然产物并影响电流。 · 掌握电压平衡方程式是理解其电气运行的基础。 知识点二 直流电动机的功率与转矩平衡关系 一、能量转换损耗： 直流电动机在能量转换过程中，遵循能量守恒定律，存在明确的功率平衡关系。输入的电功率不能完全转化为输出的机械功率，中间存在各种损耗。 图3 并励发电机功率平衡图 图4 并励发电机功率平衡图2 二、总输入电功率： 总输入电功率等于输出机械功率与所有损耗功率之和。损耗主要包括：电枢绕组电阻产生的铜损耗、励磁绕组的铜损耗（对并励电机）、旋转部件摩擦带来的机械损耗以及铁心中的涡流与磁滞损耗（铁损耗） 三、电磁功率： 从电能到机械能的转换，中间有一个关键的“电磁功率”环节。它等于反电动势与电枢电流的乘积，代表了电能通过电磁作用转换为机械能的那部分功率。 电动机的转矩也需要平衡。电动机轴上产生的总电磁转矩，必须等于负载需要克服的制动转矩和电动机自身空载运行所需的摩擦等空载转矩之和，这样才能保持匀速稳定运行。 直流电动机稳定运行时，其电磁转矩主要用于（ ） A. 克服电枢电阻 B. 产生反电动势 C. 克服负载转矩和空载转矩 D. 维持励磁电流 【答案】C 【解析】电磁转矩是驱动转矩，它的作用是带动转子旋转。稳定运行时，它必须与阻碍旋转的制动转矩相平衡，包括外部负载的制动转矩和电动机内部摩擦等因素造成的空载转矩。 1. 下列哪一项属于直流电动机的空载损耗（ ） A. 电枢绕组的铜损 B. 励磁绕组的铜损 C. 机械损耗和铁损耗 D. 换向器与电刷间的接触损耗 【答案】C 【解析】机械损耗（如轴承、风阻摩擦）和铁损耗（磁滞和涡流）与电动机是否带负载关系不大，只要旋转就会存在，因此合称为空载损耗。 2. 对于并励直流电动机，其输入电功率首先转化为（ ） A. 输出机械功率 B. 电磁功率 C. 电枢铜损和励磁铜损 D. 空载损耗 【答案】B 【解析】输入电功率（UI）中，一部分（Ia²Ra）直接变为电枢铜损发热，剩下的（E*Ia）通过电磁感应作用转化为机械形式的功率，即电磁功率，之后电磁功率再扣除空载损耗才是输出机械功率。 3. 直流电动机的转矩平衡方程表明了（ ） A. 输入转矩等于输出转矩 B. 驱动转矩等于制动转矩 C. 空载转矩等于负载转矩 D. 电磁转矩等于电源转矩 【答案】B 【解析】转矩平衡的核心是“驱动”与“制动”的平衡。电磁转矩是驱动力矩，负载转矩和空载转矩是制动力矩。当它们大小相等时，电动机转速稳定。 1. 功率平衡方程式 `P1 = P2 + Δp` 中，Δp 代表（ ） A. 输出功率 B. 输入功率 C. 电磁功率 D. 总损耗功率 【答案】D 【解析】这是功率平衡的基本形式，P1是输入电功率，P2是输出机械功率，Δp代表电动机在运行过程中产生的所有类型的损耗功率之和。 2. 如果一台直流电动机的输出机械功率增加，在电压稳定的情况下，其电磁功率将（ ） A. 不变 B. 减少 C. 增加 D. 无法确定 【答案】C 【解析】因为输出功率 `P2 = 电磁功率 - 空载损耗`。空载损耗基本不变，当负载增加导致输出功率P2增大时，电磁功率必然随之增加。 3. 电磁功率在直流电动机中的物理意义是（ ） A. 电源提供的总功率 B. 电枢绕组的发热功率 C. 电能通过磁场作用转换为机械能的功率 D. 最终传递给负载的功率 【答案】C 【解析】电磁功率（P_em = E * Ia）是电动机实现能量形态转换的核心环节，它代表了定转子磁场相互作用，将输入的电功率中可转换的部分转变为机械功率（暂未扣除空载损耗）。 · 电动机运行遵循能量守恒，功率从输入到输出逐级分配并伴有损耗。 · 转矩平衡是稳定运行的条件，电磁转矩必须与总制动转矩相等。 · 理解这两大平衡关系是分析电动机工作状态的关键。 知识点三 直流电动机的启动过程与反电动势的影响 一、直流电动机启动时电流： 直流电动机启动时存在一个突出问题：启动瞬间转速为0，反电动势也为0。根据电压平衡方程式，此时电源电压全部加在很小的电枢电阻上，导致启动电流极大，可达额定电流的10-20倍。 二、潜在后果： 巨大的启动电流会带来严重后果：可能烧毁电枢绕组；产生过大的启动转矩冲击，损坏机械传动部件；引起电网电压波动。 巨大的启动电流会带来严重后果：可能烧毁电枢绕组；产生过大的启动转矩冲击，损坏机械传动部件；引起电网电压波动。 三、反电动势： 反电动势在启动过程中起着核心的“自调节”作用。随着电动机转速从零开始上升，反电动势从零开始逐渐增大。根据 `Ia = (U - E) / Ra`，反电动势E增大会使电枢两端净电压（U-E）减小，从而自动使电枢电流Ia从启动时的最大值逐渐下降到正常运行时的额定值。 图5 反电动势 直流电动机启动电流过大的根本原因是（ ） A. 电源电压过高 B. 励磁电流过大 C. 启动时反电动势为零 D. 负载转矩过大 【答案】C 【答案】根据公式 `Ia = (U - E) / Ra`，启动瞬间n=0，故E=0，此时Ia = U / Ra。由于电枢电阻Ra很小，所以电流极大。这是根本的电气原因。 1. 为了限制直流电动机的启动电流，最常用的方法是（ ） A. 降低电源频率 B. 增大励磁电流 C. 在电枢回路串联电阻 D. 在励磁回路串联电阻 【答案】C 【解析】在电枢回路串联电阻（启动电阻），相当于增大了公式 `Ia = U / (Ra + R_start)` 中的分母，从而直接限制了启动电流。这是最经典、最常用的方法。 2. 随着直流电动机转速的升高，电枢电流的变化趋势是（ ） A. 持续增大 B. 持续减小 C. 先减小后增大 D. 保持不变 【答案】B 【解析】转速升高导致反电动势E增大，使得 `(U - E)` 减小，因此电枢电流 `Ia = (U - E) / Ra` 会从启动时的最大值逐渐减小，直到达到与负载匹配的稳定值。 3. 一台直流电动机带额定负载启动与空载启动相比，其初始启动电流（ ） A. 更大 B. 更小 C. 相同 D. 无法比较 【答案】C 【解析】启动电流的大小只取决于启动瞬间的电气参数：电源电压U、电枢回路总电阻（Ra+R_start）以及反电动势E（启动瞬间为0）。它与负载大小无关，因为负载影响的是达到稳定后的电流和转速。 1. 直流电动机启动过程中，启动变阻器的作用是（ ） A. 提高启动转矩 B. 调节运行转速 C. 限制启动电流 D. 改变旋转方向 【答案】C 【解析】启动变阻器的主要和首要作用就是在启动初期串入电枢电路，增大回路电阻以限制启动电流，保护电机和电网。启动完成后它被短接。 2. 如果不采取任何措施，直接给直流电动机加上额定电压启动，最可能发生的后果是 ( ) A. 转速过快 B. 无法启动 C. 电枢绕组过热甚至烧毁 D. 反电动势过大 【答案】C 【解析】直接启动产生的极大电流（可达额定电流数十倍）会在短时间内使电枢绕组产生大量热量，远超其散热能力，极易导致绝缘损坏、绕组烧毁。 3. 反电动势在电动机运行中的主要作用是 ( ) A. 提供励磁 B. 产生电磁转矩 C. 实现能量回馈电网 D. 自动调节电枢电流 【答案】D 【解析】反电动势最直接、最核心的运行作用是根据转速自动调节电枢电流。当负载加重转速下降时，E减小，Ia自动增大以输出更大转矩；负载减轻时则相反，实现了电流和转矩的自动适应。 · 直流电动机启动电流巨大的原因在于反电动势为零。 · 为保护电机必须采用限流启动。 · 反电动势不仅是运行的产物，更是实现电流与负载自动匹配、稳定运行的关键调节因素。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $