《電機(jī)與拖動（第4版）（附微課視頻）》隨堂小思考參考答案 劉小春 (作者)

思考一根載流導(dǎo)體和一個(gè)螺管線圈所產(chǎn)生的磁場，使用右手螺旋定則的判斷方法有什么區(qū)別？磁場的方向在螺管線圈內(nèi)部和外部有什么不同？答：都是采用右手定則來判斷。對于載流導(dǎo)體，大拇指指向電流方向，四個(gè)手指方向?yàn)榇艌龇较蚰?；對于螺管線圈，四個(gè)手指為電流方向，大拇指為磁場方向。螺管線圈內(nèi)部磁場方向從S至N，外部從N至S。思考1．式（1-4）當(dāng)中的負(fù)號表示什么？2．如果導(dǎo)體l處于磁場當(dāng)中，且導(dǎo)體方向與磁場方向的夾角為θ，當(dāng)導(dǎo)體垂直于磁場以速度v勻速運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e如何計(jì)算？答：1.表示e

總與dΦ/dt的方向相反e=blvsinθ思考根據(jù)式（1-12）判斷，圖1-6中，假設(shè)每段磁路由同樣的鐵磁性材料構(gòu)成，繞組的磁動勢相同，則三段垂直磁路中所通過的磁通是否相同？為什么？答：不同，中間段磁通最大。因?yàn)橥ㄟ^該段磁路的磁通閉合路徑較短，磁阻小，但磁勢相同，故磁通大思考硅鋼片由于工藝復(fù)雜、工藝窗口窄、生產(chǎn)難度大，被譽(yù)為鋼鐵產(chǎn)品中的工藝品，特別是取向硅鋼片。硅鋼片的主要用途是制作各種變壓器、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的鐵芯，變壓器和電機(jī)的運(yùn)行對硅鋼片的性能要求主要有哪些呢？答：?1.鐵損低，這是硅鋼片質(zhì)量的最重要指標(biāo)。??2.較強(qiáng)磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁感）高，這使電機(jī)和變壓器的鐵芯體積與重量減小，節(jié)約硅鋼片、銅線和絕緣材料等。??3.表面光滑、平整和厚度均勻，可以提高鐵芯的填充系數(shù)。??4.沖片性好，對制造微型、小型電動機(jī)更為重要。??5.表面絕緣膜的附著性和焊接性良好，能防蝕和改善沖片性。??6.基本無磁時(shí)效。思考變壓器能否對直流電壓進(jìn)行變換？如果長期在一次繞組上通入與額定值相同的直流電壓，會有什么影響？答：不能，直流回路無電抗，電流過大，繞組會發(fā)熱燒毀思考變壓器試驗(yàn)包括型式試驗(yàn)、例行試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)。空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)屬于哪一類試驗(yàn)？現(xiàn)行的國標(biāo)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是哪一個(gè)？答：例行試驗(yàn)，GB/T

1094.1-2013思考變壓器制造時(shí)，若疊片松散、片數(shù)不足或接縫增大，分別對變壓器鐵芯飽和程度、勵(lì)磁電流和鐵損耗有何影響？①疊片松散、片數(shù)不足：這種情況相當(dāng)于鐵心截面S減小，因?yàn)榇磐ú蛔?，所以磁密增加，磁通飽和度增加，磁?dǎo)率減小，因?yàn)榇抛鑂m=1/us，所以磁阻增大。根據(jù)磁路歐姆定律I0N1=RmΦm，當(dāng)線圈匝數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流將增大，所以鐵心損耗將增大。②接縫增大：磁導(dǎo)率μ下降，磁阻增加，由于電壓不變，截面積不變，故磁密B不變，即磁飽和度不變。鐵損正比于磁密平方，故鐵損也不變。I0N1=RmΦm因?yàn)榇抛柙黾樱源艅菰黾?，匝?shù)不變則勵(lì)磁電流增加。思考根據(jù)以上分析，判斷同一臺直流電機(jī)能否根據(jù)需要既作為發(fā)電機(jī)使用，又作為電動機(jī)使用？直流電機(jī)電刷內(nèi)繞組導(dǎo)體中的電流與電刷外部電路中電流有什么不同？答：1.同一臺直流電機(jī)能根據(jù)需要既作為發(fā)電機(jī)使用，又作為電動機(jī)使用??2.電刷內(nèi)繞組導(dǎo)體中的電流是變化的交流，外部為直流思考早期直流傳動電力機(jī)車為什么使用串勵(lì)直流電動機(jī)作為牽引電機(jī)？答：調(diào)速方便，且其機(jī)械特性軟，機(jī)車具有接近恒功率的理想牽引特性思考他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)由空載到額定負(fù)載，端電壓為什么會下降？并勵(lì)發(fā)電機(jī)與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相比，哪個(gè)電壓變化率大？答：他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)由空載到額定負(fù)載，電樞電流ia由0增加到額定值iN，電樞回路電阻壓降iaRa增加，且電樞反應(yīng)的去磁作用使主磁通下降，從而使感應(yīng)電動勢e下降。由公式u=e-iaRa可知，端電壓u隨ia的增加而下降.對于并勵(lì)發(fā)電機(jī)，除上面兩個(gè)原因外，端電壓下降，引起勵(lì)磁電流if下降，使得主磁通下降和感應(yīng)電動勢e下降，所以并勵(lì)發(fā)電機(jī)的電壓變化率比他勵(lì)發(fā)電機(jī)電壓變化率要大些。思考并勵(lì)直流電動機(jī)運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁回路斷開會出現(xiàn)什么危險(xiǎn)？答：磁通變小，電樞電流變大，電樞電勢變小，轉(zhuǎn)速變大，會造成飛車現(xiàn)象或燒毀電機(jī)！思考常說的“小馬拉大車”和“大馬拉小車”對電動機(jī)而言分別指什么運(yùn)行情況？答：“小馬拉大車”是指小功率電機(jī)拖動大負(fù)載，造成電動機(jī)過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞．甚至電動機(jī)被燒毀；“大馬拉小車”指大功率電機(jī)拖動小負(fù)載，輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利。而且還會造成電能浪費(fèi)。思考變壓器的一次繞組和二次繞組之間也是通過磁的耦合關(guān)系將電能從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)的，分析變壓器與三相異步電動機(jī)磁路的不同，并得出結(jié)論，變壓器和三相異步電動機(jī)哪種設(shè)備的效率較高？答：變壓器的主磁路由鐵心構(gòu)成，其磁阻很小，建立一定的主磁通所需要的磁動勢很小，即勵(lì)磁電流很小，通常為額定電流的2%～10%。異步電動機(jī)的主磁路除了定、轉(zhuǎn)子部分為鐵心外，還有兩段空氣隙，這使得主磁路的磁阻很大，建立一定的主磁通所需要的磁動勢就很大，即勵(lì)磁電流很很大，通常為額定電流的20%～50%。所以和同容量的變壓器相比，三相異步電動機(jī)的空載電流較大。思考電動機(jī)的參數(shù)較多，有時(shí)在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)需要知道電動機(jī)的輸出功率、功率因數(shù)、同步轉(zhuǎn)速、極對數(shù)、效率等。如果已知一臺三相異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，如何判斷它的同步轉(zhuǎn)速和極對數(shù)？答：正常運(yùn)行的異步電動機(jī)，其s很小，一般s

=

0.01～0.05，即電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，而旋轉(zhuǎn)磁場與P滿足以下關(guān)系。p123456n1(r/min)3

0001

5001

000750600500因此在已知電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的情況下即可判斷電動機(jī)的極對數(shù)。如電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430r/min，則可知磁場轉(zhuǎn)速為1500r/min，故P=2.思考圖4-12是幾臺電動機(jī)的銘牌，請仔細(xì)觀察，判斷電動機(jī)額定電流與額定功率數(shù)值大小的大致關(guān)系。答：由圖可知，電流（A）的數(shù)值大小與P（k'W）的數(shù)值大小關(guān)系約為2倍，即若已知P為2kW，則電流約為4A左右。思考深槽式或雙籠形異步電動機(jī)利用電流的集膚效應(yīng)能有效改善電動機(jī)的起動性能，那么，還有哪些場合合理利用了集膚效應(yīng)？答：當(dāng)頻率很高的電流通過導(dǎo)線時(shí)，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。既然導(dǎo)線的中心部分幾乎沒有電流通過，就可以把這中心部分除去以節(jié)約材料，在高頻電路中可用空心銅導(dǎo)線代替實(shí)心銅導(dǎo)線以節(jié)約銅材，如室外天線。思考為什么說籠形異步電動機(jī)可以采用變極調(diào)速，其轉(zhuǎn)子繞組是如何變極的？答：籠形轉(zhuǎn)子的極對數(shù)是由旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，能自動的隨定子極對數(shù)的改變而改變，使定轉(zhuǎn)子磁動勢的極對數(shù)相等，在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩；但如果是繞線轉(zhuǎn)子的話，就必須改變轉(zhuǎn)子繞組的接法，使其極對數(shù)與定子相同，這就非常復(fù)雜。思考轉(zhuǎn)子繞組串電阻是繞線式異步電動機(jī)的啟動方法，也是調(diào)速方法。思考繞線式異步電動機(jī)啟動和調(diào)速所串的電阻是否可以共用？答：不能共用。因?yàn)閱与娮枋嵌虝r(shí)工作制，而調(diào)速所串電阻是連續(xù)工作制。短時(shí)工作制的電阻連續(xù)工作將超過允許的發(fā)熱溫度。思考大答：不允許。從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時(shí)，電動機(jī)的制動電流接近起動電流的2倍，而起動電流是額定電流的4～7倍，故制動電流將非常大，對線路及電動機(jī)繞組造成較大影響。一般可采取定子繞組串電阻限制電流。思考與三相異步電動機(jī)相比，單相異步電動機(jī)為什么只用于功率較小的場合？答：單相異步電動機(jī)與同容量的三相異步電動機(jī)相比較，體積較大、效率較低、運(yùn)行性能較差。因此一般只制成小型和微型系列的單相異步電動機(jī)。且單相異步電動機(jī)接入的是電網(wǎng)單相電源，單相電流過大，會引起整個(gè)用電系統(tǒng)三相電流嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致線路及變壓器的損壞。思考有一臺風(fēng)扇，按下起動按鍵，風(fēng)葉不動，但是用其他物件撥動一下風(fēng)葉之后，風(fēng)扇就起動并正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這是什么原因呢？答：一般是起動繞組斷路，導(dǎo)致起動時(shí)無轉(zhuǎn)矩，如圖所示，但是撥動一下，提供一個(gè)方向的轉(zhuǎn)速之后，轉(zhuǎn)矩也大于零，使電動機(jī)沿該方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動起來。對于電容分相式單相異步電動機(jī)，較多情況是電容損壞。如果是罩極式單相異步電動機(jī)，有可能短路環(huán)斷裂。思考直流伺服電動機(jī)在不帶負(fù)載時(shí)，其調(diào)節(jié)特性有無死區(qū)？若有，為什么？調(diào)節(jié)特性死區(qū)的大小與哪些因素有關(guān)？答：有死區(qū)電壓。∵由式可知，若Tem為零，則電壓為0，轉(zhuǎn)速n為零，但電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還需克服空載轉(zhuǎn)矩，故負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為零，n為0時(shí)，電壓U大于0。思考在分析交流測速發(fā)電機(jī)的工作原理時(shí)，哪些與異步電機(jī)的情況相同？哪些與變壓器相同？分析它們之間的相似處和不同點(diǎn)。答：交流測速發(fā)電機(jī)的定子上也有兩個(gè)空間上互差90°電角度的繞組，但是其中一個(gè)是勵(lì)磁繞組，另一個(gè)用來輸出電壓，稱為輸出繞組，輸出繞組中的電動勢和電流時(shí)感應(yīng)產(chǎn)生的。而單相異步電動機(jī)一個(gè)是起動繞組，一個(gè)工作繞組，2個(gè)繞組都需要通入交流電。變壓器同一相也有2個(gè)繞組，一個(gè)為一次繞組，一個(gè)為二次繞組。在一次繞組接入交流電時(shí)，在二次繞組將通過電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出交變電動勢。異步測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子靜止不動時(shí)，其類似于一臺變壓器，勵(lì)磁繞組相當(dāng)于變壓器的一次側(cè)繞組，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相當(dāng)于變壓器的二次繞組，此時(shí)輸出繞組無電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體因切割磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子電流又產(chǎn)生磁通Φ2，此磁通在空間上是固定的，與輸出繞組軸線相重合。Φ2在時(shí)間上是按正弦規(guī)律變化的，因此，在輸出繞組中感應(yīng)出頻率相同的輸出電壓

U2。杯形轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流的大小與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，因此，輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。思考步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)相比各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？高檔數(shù)控機(jī)床一般使用步進(jìn)電動機(jī)還是伺服電動機(jī)？答：優(yōu)缺點(diǎn)1、控制精度不同。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機(jī)取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同。一個(gè)是開環(huán)控制，一個(gè)是閉環(huán)控制。3、低頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)便于系統(tǒng)調(diào)整。4、矩頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，5、過載能力不同。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力，而交流電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。6、運(yùn)行性能不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。7、速度響應(yīng)性能不同。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。8、價(jià)格上，步進(jìn)優(yōu)勢很明顯。二、現(xiàn)代高檔數(shù)控機(jī)床上一般選用伺服電機(jī)思考如果一臺三相異步電動機(jī)接上電源后能起動并運(yùn)行，但是轉(zhuǎn)速明顯偏低，伴隨沉悶的“嗡嗡”聲，可能是什么原因？如果接上電源不能起動，但是用物件撥動一下軸伸端，電動機(jī)能起動并運(yùn)行，同樣轉(zhuǎn)速明顯偏低，并伴隨沉悶的“嗡嗡”聲，又是什么原因？答：①可能電源電壓偏低②電動機(jī)存在缺相，可能一相電源缺失或繞組一相斷路思考電動機(jī)溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)中非常重要的試驗(yàn)，電動機(jī)溫升的高低，決定著電動機(jī)絕緣的使用壽命。所以溫升試驗(yàn)對電動機(jī)的質(zhì)量具有非常重要的作用。電動機(jī)溫升試驗(yàn)一般有哪些測試方法？答：溫度計(jì)法、熱電偶法、電阻法、埋置檢溫計(jì)法和雙橋帶電測溫法五種方法。一、溫度計(jì)法測量電機(jī)繞組溫度溫度計(jì)包括膨脹溫度計(jì)（例如水銀、酒精溫度計(jì)）、半導(dǎo)體溫度計(jì)及非埋置的熱電阻或電阻溫度計(jì)。溫度計(jì)法是直接測定電機(jī)溫度，最為簡便。但是溫度計(jì)僅能接觸到電機(jī)各部分的表面，且測量不當(dāng)?shù)脑?，環(huán)境對測量結(jié)果的影響非常大。二、熱電偶法測量電機(jī)繞組溫度熱電偶法是將熱電偶粘貼在設(shè)備部件表面，通過溫度測量儀測量設(shè)備部件表面的溫度來計(jì)算出溫升。用熱電偶法測量溫升的影響因素包括熱電偶、溫度測量儀、膠粘劑和測試的環(huán)境條件、試驗(yàn)工程師的操作水平等。采用熱電偶測量繞組的溫度時(shí)應(yīng)考慮，由于熱電偶的讀數(shù)滯后于繞組的溫度變化，當(dāng)電動機(jī)斷電后，熱電偶的溫度可能還會繼續(xù)上升，因此電動機(jī)繞組的溫度應(yīng)記錄最高溫度，該溫度可能在斷電后才能達(dá)到。三、電阻法測量電機(jī)繞組溫度電阻法測量電機(jī)繞組溫度是根據(jù)導(dǎo)體電阻隨著溫度升高而增大原理來測量的。式中K-----常數(shù)，對于銅K=234.5，對于鋁K=228；R0----電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前所測的繞組電阻，單位為（?）；Rf----電動機(jī)額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)到溫度穩(wěn)定后停機(jī)馬上測出的