《变压器与电动机》直流电动机的工作原理与特性 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》直流电动机的工作原理与特性-讲义 1. 能够解释通电导体在磁场中受力的原理，运用左手定则判断导体受力方向，说明直流电动机将电能转换为机械能的基本过程。 2. 能够识别直流电动机的主要组成部分，阐述换向器在电动机运行中的作用，分析电枢连续旋转的换向过程。 3. 理解多线圈结构对转矩平稳性的改善作用，能够说明直流电机作为发电机和电动机运行的可逆原理及其在实际中的意义。 知识点一 直流电动机的工作原理与特性 一、电磁力定律： 电磁力定律是直流电动机工作的理论基础，它指出通电导体在磁场中会受到力的作用，这个力称为电磁力或安培力。 图1 电磁力与左手定则 二、电磁力的大小： 电磁力的大小与磁场的磁感应强度、导体中的电流大小以及导体在磁场中的有效长度成正比。当导体与磁场方向垂直时，受力最大。 图2 受力最大 图3 中性面受力最小 图4 受力最大2 三、电磁力的方向： 电磁力的方向由左手定则来确定。具体方法是：伸开左手，让拇指和其余四指在同一平面内互相垂直，将左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流方向，拇指所指的方向就是导体受力的方向。 四、左手定则： 左手定则又称为电动机定则，专门用于判断通电导体在磁场中的受力方向，与判断感应电动势方向的右手定则相对应，不能混淆。 五、载流导体： 在直流电动机中，载流导体（线圈边）在磁场中受到电磁力的作用，这个力作用在电枢上产生旋转力矩（转矩），从而使电动机转动起来。 六、最大转矩： 要产生最大转矩，应尽可能使线圈平面与磁场方向平行，这样线圈边运动方向与磁场方向垂直，受力最大。 七、左手定则的作用： 掌握左手定则是理解和分析直流电动机转向、转矩以及故障排查的基础，必须能够熟练运用。 直流电动机工作的理论基础是（ ） A. 电磁感应定律 B. 电磁力定律 C. 欧姆定律 D. 焦耳定律 【答案】B 【解析】直流电动机是基于通电导体在磁场中受力的原理工作的，这个原理称为电磁力定律或安培力定律。电磁感应定律是发电机的工作原理。 1. 使用左手定则判断受力方向时，四指代表什么方向（ ） A. 导体运动方向 B. 磁感线方向 C. 导体中电流方向 D. 感应电动势方向 【答案】C 【解析】左手定则中，伸开左手让磁感线垂直穿入手心，四指指向导体中电流的方向，大拇指所指方向就是导体受力方向。 2. 当导体中电流方向与磁场方向平行时，导体会受到电磁力吗（ ） A. 受到最大电磁力 B. 受到较小电磁力 C. 不受电磁力 D. 受力方向不确定 【答案】C 【解析】只有当电流方向与磁场方向不平行（最好垂直）时，导体才会受到电磁力。电流与磁场平行时，电磁力为零。 3. 左手定则主要应用于什么情况（ ） A. 判断发电机感应电动势方向 B. 判断电动机导体受力方向 C. 判断变压器电压方向 D. 判断电路电流大小 【答案】B 【解析】左手定则专门用于判断通电导体在磁场中的受力方向，是分析电动机工作原理的重要工具。右手定则用于判断发电机感应电动势方向。 1. 在直流电动机中，电磁力最终转换成什么形式的能量（ ） A. 电能 B. 磁能 C. 机械能 D. 热能 【答案】C 【解析】直流电动机中，通电导体受电磁力作用产生转矩，带动电枢旋转，输出机械能，实现了电能到机械能的转换。 2. 要获得最大的电磁力，导体放置的方向应该是（ ） A. 与磁场方向成45度角 B. 与磁场方向平行 C. 与磁场方向垂直 D. 任意方向都可以 【答案】C 【解析】当导体与磁场方向垂直时，电流方向与磁场方向垂直，此时导体受到的电磁力最大。这是电动机设计的基本原则。 3. 下列哪个设备主要应用电磁力定律工作（ ） A. 直流发电机 B. 变压器 C. 直流电动机 D. 感应炉 【答案】C 【解析】直流电动机基于电磁力定律工作，通电导体在磁场中受力产生运动。直流发电机基于电磁感应定律，变压器基于电磁感应中的互感原理。 · 电磁力定律是直流电动机工作的基础，指通电导体在磁场中会受到力的作用。 · 左手定则是判断该力方向的方法：磁感线穿手心，四指指电流，拇指指受力。 · 掌握这一定律和定则是理解电动机如何将电能转换为机械能的关键。 知识点二 直流电动机的基本结构与运行过程 一、直流电动机： 直流电动机的基本结构与直流发电机完全相同，都由定子（磁极、机座）、转子（电枢）、换向器和电刷等主要部分组成。 图5 直流电动机的基本结构 二、恒定磁场： 磁极产生恒定磁场，可以是永磁体或由直流电励磁的电磁铁；电枢由铁心和嵌放在槽中的线圈组成，是电动机的旋转部分。 三、换向器： 换向器由许多铜片组成，各片间相互绝缘，每个线圈的两端按一定规则连接到换向片上，随电枢一起旋转。 四、电刷： 电刷通常由石墨制成，固定在刷握中，依靠弹簧压力与换向器保持接触，将外部直流电源引入旋转的电枢绕组。 五、电枢旋转： 当直流电源通过电刷和换向器向电枢线圈供电时，载流导体在磁场中受到电磁力作用，产生转矩使电枢旋转。 电枢旋转时，线圈边从一个磁极范围转到相邻异性磁极范围，通过线圈的电流方向在换向器作用下自动改变一次，从而保证转矩方向始终一致，电动机连续旋转。 六、电动机的转向： 电动机的转向由磁场方向和电枢电流方向共同决定，改变其中任何一个的方向，电动机的转向就会改变。 直流电动机中，将外部直流电引入旋转电枢的部件是（ ） A. 磁极 B. 换向器 C. 电刷 D. 电枢铁心 【答案】C 【解析】电刷固定不动，通过弹簧压力与旋转的换向器保持接触，将外部静止电路的直流电引入旋转的电枢绕组。 1. 保证直流电动机连续旋转的关键部件是（ ） A. 磁极和电枢 B. 换向器和电刷 C. 机座和端盖 D. 轴承和轴 【答案】B 【解析】换向器和电刷配合工作，在电枢旋转过程中自动改变线圈中电流方向，使转矩方向始终一致，保证电动机连续旋转。 2. 当电枢线圈转到中性面位置时，线圈中的电流方向（ ） A. 不变 B. 改变 C. 为零 D. 最大 【答案】B 【解析】当线圈转到中性面位置时，换向器进行换向操作，与该线圈连接的电刷从一片换向片换到相邻的另一片，使线圈中电流方向改变。 3. 要改变直流电动机的旋转方向，可以（ ） A. 同时改变磁场和电枢电流方向 B. 只改变电源电压大小 C. 改变磁场方向或电枢电流方向之一 D. 增加电刷压力 【答案】C 【解析】电动机转向由磁场方向和电枢电流方向共同决定，改变其中任何一个方向，转向就会改变。如果两个方向同时改变，转向不变。 1. 直流电动机启动瞬间，电枢线圈处于什么位置转矩最大（ ） A. 线圈平面与磁场平行 B. 线圈平面与磁场垂直 C. 线圈在中性面上 D. 任意位置都一样 【答案】A 【解析】当线圈平面与磁场方向平行时，线圈边切割磁感线方向与磁场垂直，此时电磁力最大，产生的转矩也最大。 2. 在实际直流电动机中，电枢铁心为什么开有许多槽（ ） A. 减轻重量 B. 便于散热 C. 嵌放线圈 D. 美观 【答案】C 【解析】电枢铁心上开的槽用于嵌放电枢绕组线圈，槽口用槽楔固定，防止线圈在旋转时受离心力作用而飞出。 3. 直流电动机运行时，电刷与换向器之间会产生（ ） A. 感应电动势 B. 摩擦和火花 C. 强大磁场 D. 冷却效果 【答案】B 【解析】电刷与旋转的换向器之间是滑动接触，会产生摩擦和磨损，换向过程中也可能产生火花，这是直流电机的特点之一。 · 直流电动机通过电刷和换向器将直流电引入电枢绕组，载流导体在磁场中受力产生转矩。 · 换向器在恰当时刻自动改变线圈电流方向，确保转矩方向恒定，实现连续旋转。 · 理解各部件功能及其协调工作是掌握电动机运行原理的基础。 知识点三 转矩的平稳性与电机的可逆性 一、单线圈直流电动机的转矩： 单线圈直流电动机产生的转矩是脉动的，在零与最大值之间周期性变化，这会导致电动机运行不平稳、产生振动和噪音。 二、提高转矩平稳性的方法： 为提高转矩的平稳性，实际电动机采用多线圈结构，在电枢上均匀分布多个线圈，各线圈通过换向片连接。 三、多线圈结构的转矩： 多线圈结构中，各线圈在空间位置上错开，产生的转矩脉动在时间相位上不同，多个转矩叠加后使总转矩更加平稳。 当每个磁极下的线圈数足够多时（通常每个磁极下导体数大于8），转矩脉动可降至很小，接近恒定转矩，电动机运行平稳。 四、直流电机的可逆性： 直流电机具有可逆性，同一台电机既可作为发电机运行，也可作为电动机运行，结构上没有任何区别。 作为发电机运行时，由原动机拖动旋转，将机械能转换为电能；作为电动机运行时，接入直流电源，将电能转换为机械能。 电机的可逆性在实际应用中很有价值，如电力机车下坡时，电动机可转为发电机运行，将动能转换为电能回馈电网，实现再生制动。 单线圈直流电动机的主要问题是（ ） A. 无法启动 B. 转矩脉动大 C. 转速不稳定 D. 效率太低 【答案】B 【答案】单线圈电动机的转矩在旋转过程中从零变化到最大值再回到零，脉动很大，导致运行不平稳、产生振动。 1. 采用多线圈结构可以（ ） A. 提高电动机转速 B. 减小转矩脉动 C. 降低制造成本 D. 减少电流消耗 【答案】B 【解析】多线圈结构中各线圈产生的转矩相位不同，相互叠加后使总转矩更加平稳，减小了转矩脉动。 2. 直流电机的可逆性是指（ ） A. 可以正转也可以反转 B. 既可作为发电机也可作为电动机 C. 电压可升可降 D. 电流方向可改变 【答案】B 【解析】直流电机的可逆性指同一台电机，根据外界条件不同，既可作为发电机运行（机械能→电能），也可作为电动机运行（电能→机械能）。 3. 要使转矩接近恒定，每个磁极下的导体数一般需要（ ） A. 少于4个 B. 4-6个 C. 大于8个 D. 越多越差 【答案】C 【解析】理论和实践表明，当每个磁极范围内的导体数目大于8时，转矩的波动程度很小，可以认为是接近恒定的。 1. 一台直流电机作为电动机运行，如果外力拖动它旋转，且转速超过一定值，它可能（ ） A. 停止转动 B. 转为发电机运行 C. 烧坏线圈 D. 反向旋转 【答案】B 【解析】根据直流电机的可逆性，如果外力拖动电动机旋转，且转速足够高，它可能转为发电机运行，向外输出电能。 2. 多线圈电动机中，各线圈产生的转矩相位关系是 ( ) A. 完全相同 B. 部分相同 C. 完全不同 D. 没有关系 【答案】C 【解析】由于各线圈在电枢圆周上均匀分布，它们在不同时间到达产生最大转矩的位置，因此产生的转矩在时间相位上不同。 3. 再生制动利用了直流电机的什么特性 ( ) A. 转矩可调 B. 转速可调 C. 可逆性 D. 效率高 【答案】C 【解析】再生制动时，电力机车的电动机在惯性作用下被车轮拖动旋转，转为发电机运行，将动能转化为电能回馈电网，利用了电机的可逆性。 · 多线圈结构通过多个线圈转矩的叠加，使直流电动机的输出转矩更加平稳，减少振动和噪音。 · 直流电机具有可逆性，同一设备可根据不同条件作为发电机或电动机运行。 · 这些特性使直流电机在多种场合得到广泛应用，具有很高的实用价值。 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 $