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习题二1、已知切削力F=2000N ，工件直径d=1500mm ，电动机转速n=1450转/分，传动机构的各级速度比为：j 1=2，j 2=1.5，j 3=2。
各转轴的飞轮转矩分别为：()225.3m N GD M ⋅=，()2212m N GD ⋅=，()2227.2m N GD ⋅=，()2239m N GD ⋅=。
各级传动效率分别为：η=0.9，试求：（1） 切削功率 （2） 电动机输出功率 （3） 系统总的飞轮转矩（4） 忽略电动机的空载制动转矩时，电动机的电磁转矩 （5） 车床开车未切削时，若电动机转速加速度dn/dt =800r/min s ，忽略电动机的空载制动转矩，但不忽略传动机构的损耗转矩时，求电动机的电磁转矩。
解：由于上述问题都与电动机有关，所以，首先将各种参数折算到电动机轴上，等效为一简单的单轴系统。
由图可知，系统为4轴变速系统。
于是有： 系统总的飞轮转矩为：()()()()223212322122212122 4.5536997.25.05.3111m N j j j GD j j GD j GD GD GD M ⋅=+++=⋅⋅+⋅++=等效()m N 24225.121450321⋅=⨯⨯=⋅⋅=j j j n n m L()()m N 3450.72925.122/5.120002/11321⋅=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅=⋅=D F j j j T j T C L C C L ηη等效于是切削功率为：()()kW 38105.024275.0200060/22/≈⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=Ω⋅=L L L L n D F T P π 电动机输出功率为：()kW 52.12629.0383===CLm P P η 如电动机的空载制动转矩视为T 0，电机处于平稳状态时的电磁转矩则为：()m N 4530⋅=+=等效L em T T T当电动机处于加速状态，但仍为空载时，由牛顿第二定律可知：C L em dt dn GD T T T η/37520⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=--等效等效此时的电磁转矩为： ()m N 13.3150.729/8003754.55/37502⋅=⎪⎭⎫⎝⎛⨯=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅=等效等效L C emT T dt dn GD T η 2、已知龙门刨传动机构如图所示。
![电机学(刘颖慧)课件第3章直流电动机的电力拖动基础[48页]](https://img.taocdn.com/s1/m/02aefbf5d1f34693daef3e9a.png)
直流电机的电力拖动
一、概述
直流电机是一种常见的电动机，利用直流电流产生的磁场来实现转动。
在工业领域，直流电机的电力拖动应用广泛，包括但不限于电动车辆、机器人、工业生产线等领域。
二、直流电机的结构
直流电机通常包括定子和转子两部分。
定子上绕有电磁线圈，转子上则安装有电刷和电枢。
当电流通过电磁线圈产生磁场时，磁场与转子上的磁铁相互作用，导致转子产生转动。
三、直流电机的工作原理
直流电机的工作原理是基于洛伦兹力的作用。
当电流流过电磁线圈时，产生的磁场与磁铁相互作用，使转子受到一个力矩，从而实现转动。
这种力矩被称为电力拖动的基础。
1. 电动车辆
直流电机在电动车辆中广泛应用。
电动汽车利用直流电机将电能
转化为机械能，驱动车辆行驶。
电力拖动的优势在于高效、省时省力。
2. 机器人
机器人是另一个常见的使用直流电机电力拖动的例子。
直流电机
提供了机器人运动的动力，使其具备移动、抓取等功能。
3. 工业生产线
在工业生产线中，直流电机常用于传送带、旋转机械等设备的驱动。
通过电力拖动，提高了生产效率和精确度。
电力拖动具有高效、响应速度快、控制方便等特点。
通过调节电
流大小和方向，可以实现精准的转动控制，适用于多种工业应用。
六、结语
直流电机的电力拖动在现代工业中扮演着重要的角色，其应用范
围广泛且效果显著。
通过适当的控制和调节，直流电机可以实现高效、精准的电力拖动，推动各种机械设备的运行和发展。
第二章 直流电机的电力拖动2-1 一台他励直流电动机的额定数据为： N P =54 kW ，N U =220 V ，N I =270 A ， N n =1150 r /min 。
估算额定运行时的aN E ，再计算N e C Φ、N T 、0n ，最后画出固有机械特性。
解： 估算额定运行时的 V 20922095.095.0=⨯==N aN U Emin)/r /(V 182.01150209===ΦN aN N e n E C N.m 29.469270182.055.955.9=⨯⨯=Φ=Φ=N N e N N T N I C I C Tr/min 1209182.02200==Φ=N e N C U n 在n -T 直角坐标系中过点A （1209，0）和点B （1150，469.29）作直线，该直线就是他励直流电动机的固有机械特性，如题2-1图所示。
2-2 一台他励直流电动机的额定数据为：N P =7.5 kW ，N U = 220 V ，N I =40 A ，N n =1 000 r /min ，a R =0.5 Ω。
拖动L T =0. 5N T 恒转矩负载运行时电动机的转速及电枢电流是多大?解： V 200405.0220=⨯-=-=Φ=N a N N N e aN I R U n C En /(r/min)1209 1150 T/N.m469.29 题2-1图1V/r.min 2.01000200-===ΦN aN N e n E C r/min 11002.02200==Φ=N e N C U n 由a N T I C T Φ=可知，当L T =0.5N T 时，A 20405.05.0=⨯==N a I Ir/min 10505011002.0205.0110000=-=⨯-=Φ-=∆-=a N e a I C R n n n n2-3 写出题2-3图所示各种情况下系统的运动方程，并说明系统的运行状态。
2-1 他励直流电动机的机械特性指的是什么？是根据那几个方程式推倒出来的？ 答：T C C R R C u n T e c a e φφφ+-= 据以下三个方程：)(c a a a R R I E u ++=n C E e a φ=a T I C T φ=2-2 他励直流电动机的机械特性的斜率与那些量有关？什么叫硬特性？什么叫软特性？答：β与所串电阻R C 及励磁磁场Φ有关；β值较小的机械特性称硬特性，反之为软特性2-3 为什么0n 称为理想空载转速？堵转点是否只意味着电动机转速为零？为什么？答：因为实际中空载转矩T 0不可避免，故n 0达不到。
堵转就是n=0的点。
2-4 什么叫人为机械特性？从物理概念上说明为什么电枢外串电阻越大，机械特性越软？答：人为机械特性指通过改变u 、φ、R 参数得到的机械特性。
2-5 为什么降低电源电压的人为机械特性是互相平行的？为什么减弱气隙每极磁通后机械特性会变软？答：u 与β值无关；因为φφβ∴∝1减小，β增大，特性边软。
2-6 什么是电力拖动系统的稳定运行？能够稳定运行的充分必要条件是什么？答：系统在某种外界扰动下离开原的平衡状态，在新的条件下获得的新的平衡；或当扰动消失后系统能自动恢复到原来的平衡状态。
满足上述条件，系统就是稳定的。
系统稳定运行的充分必要条件是：1）电机的机械特性与负载转矩特性必须有交点，在交点处L T T =；2）在交点附近应有dndT dn dT L <。
2-7 他励直流电动机稳定运行时，电枢电流的大小由什么决定？改变电枢回路电阻或改变电源电压的大小时，能否改变电枢电流的大小？答：I a 由负载T L 决定。
不能。
2-8 他励直流电动机为什么不能直接起动？直接起动会引起什么不良后果？答：起动开始瞬间，由于机械惯性的影响，电动机转速,0,0==a E n 这时起动电流为 a N st R U I =，因电枢电阻数值很小，因此，st I 很大，可达额定电流的（10~20）倍。
因此不能直接起动。
直接起动可能产生如下后果：1、大电流使电枢绕组受到过大的电磁力，易损坏绕组；2、使换向困难，主要是在换向器表面产生火花及环火，少坏电刷与换向器；3、过大的起动电流还会产生过大的起动转矩，从而使传动机构受到很大的冲击力，加速过快，易损坏传动变速机构；4、过大的起动电流会引起电网电压的波动，影响电网上其他用户的正常用电。
2-9 起动他励直流电动机前励磁绕阻断线，没发现就起动了，下面两种情况会引起什么后果？(1)空载起动；(2)负载起动，T L ＝T N 。
答：（1）电机飞车，转速太高，容易造成事故。
（2）电机电枢中电流很大，却很可能起动不了，由于C T I C T φ=，此时磁场只有点剩磁很小。
2-10 如何判断他励直流电动机是处于电动运行状态还是制动运行状态？答：电机所发出的电磁转矩与转速方向相同，即为电动状态。
若电磁转矩与转动方向相反，则为制动状态。
2-11 电动机在电动状态和制动状态下运行时机械特性位于哪个象限？答：电动状态机械特性位于一、三象限；制动状态机械特性位于二、四象限。
2-12 能耗制动过程和能耗制动运行有何异同点？答：相同点：两种状态下，电磁转矩都与电机转向相反。
不同点：能耗制动中负载转矩与电磁转矩同向；而能耗运行中负载转矩与电磁转矩反向。
2-13 电压反接制动与电动势反接制动有何异同点？答：相同点：两种状态都是制动状态，即电磁转矩都与转向相反。
不同点：电压反接制动中，电流方向发生改变；而电动势方向制动中电流流向不变。
2-14 什么叫电力拖动系统的过渡过程？在过渡过程中为什么电动机的转速不能突变？答：指系统从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定运行状态。
由于机械惯性时间远大于电磁惯性时间，在过渡过程中可以把电磁量任务是突变的，而机械量不能。
2-15什么是机械过渡过程？推导他励直流电动机拖动系统机械过渡过程解析式时作了哪些假定？答：指机械量如转速的变化过程（从一个稳态到另一个稳态）假设：1）电源电压u恒定不变2）磁通φ恒定不变3）负载转矩T L保持常数不变2-16什么是他励直流电动机拖动系统机械过渡过程的三要素？机电时间常数的大小与哪些量有关？答：三要素指：初始值、稳态值、机电时间常数。
机电时间常数与系统的转动惯量、所串电阻、及励磁磁场有关。
2-17 他励直流电动机有那几种调速方法？各有什么特点？答：1）电枢串电阻调速特点：优点：设备简单、初投资少；缺点：1、有级调速，级数有限，平滑性差2、轻载时，调速范围小3、低速时，η低，电能损耗大4、低速运行，转速稳定性差适用于调速性能要求不高的场合。
2）降低电压调速特点：优点：1、电源电压能连续调节，调速的平滑性好，可达到无级调速；2、无论是高速或低速，机械特性硬度不变，低速时稳定性好；3、低速时电能损耗小，效率高。
缺点：设备的初投资大。
适用于对调速性能要求较高的设备上。
3）减弱励磁磁通调速特点：优点：1、电流较小的励磁电路中进行调节、控制方便，功率损耗小2、用于调速的变阻器功率小，可较平滑调速，实现无级调速。
缺点：调速范围较小。
2-18 静差率与机械特性的硬度有何区别？ 答：00n n n -=δ，机械特性越硬，δ越小。
可以利用δ来衡量机械特性的硬度。
2-19 调速范围与静差率有什么关系？为什么要同时提出才有意义？ 答：调速范围m inm ax n n D =，其中n min 受到调速相对稳定性限制，而稳定性则通过δ（静差率）反映，故同时考察D 与δ对调速系统才有意义。
2-20什么叫恒转矩调速方式和恒功率调速方式？他励直流电动机的三种调速方法各属于哪种调速方式？答： 恒转矩调速方式：当采用电枢串电阻调速和降低电枢电压调速时，N a N I I =Φ=Φ,，则电动机容许输出的转矩为===N N N T cy T I C T φ常数。
由此可见，这两种调速方法在整个调速范围内，不论转速等于多少，电动机容许输出的转矩都为一恒值，因此称为恒转矩调速方式。
恒功率调速方式：当采用弱磁调速时，磁通φ是变化的，因此容许输出转矩cy T 与转速n 成反比。
而输出功率k n n c T P cy =⨯=Ω=602π，即为一恒定值。
故称为恒功率调速方式。
串电阻调速和降电压调速属于恒转矩调速方式，弱磁调速属于恒功率调速。
2-21 电动机的调速方式为什么要与负载性质匹配？不匹配时有什么问题？答：电动机的容许输出转矩和容许输出功率，仅仅表示电动机的利用限度，并不代表电 动机的实际输出，电动机的实际输出是由负载的需要来决定的。
负载有三种类型：恒转矩负载、恒功率负载、通风机型负载。
每种类型的负载，在不同转速下所需要的转矩和电流是不同的。
所以要根据电动机所拖动负载的性质来选择调速方式，达到合理使用电动机的目的。
2-22是否可以说他励直流电动机拖动的负载只要转矩不超过额定值，不论采用哪一种调速方法，电动机都可以长期运行而不致过热损坏？答：不可以。
串电阻调速和降压调速可以这样认为，但弱磁调速时N L T T =时，绕组N a I I >，故不能长时间运行。
2-23 一台他励直流电动机，铭牌数据为P N =60kW ，U N =220V ，I N =305A ，n N =1000r/min ，试求：（1） 固有机械特性并画在坐标纸上。
（2） T =时的转速。
（3） 转速n =1100r/min 时的电枢电流。
解：（1）Ω=⨯-⨯=-=038.0)30530560000305220(21)(212N N N N a I P I u R ， =-=ΦN a N N N e n R I U C min 208.01000038.0305220⋅=⨯-r V min 1058208.02200r C U n N e N ===φ m N I C T N N e N ⋅=⨯⨯==8.605305208.055.955.9φ∴通过（1058，0）及（1000，）可以作出固有机械特性（2）时N NT N e N a N e N T T C C T R C U n 75.0=∴-=φφφ min 1016208.0208.055.98.60575.0038.0208.0220r n =⨯⨯⨯⨯-= （3）n=1100r/minN Ne a N e N I C R C U n φφ-= A R C n C U I a N e N e N N 9.229038.0208.0)11001058()(-=-=-=∴φφ 2-24 电动机的数据同上题，试计算并画出下列机械特性：（1） 电枢回路总电阻为时的人为机械特性。
（2） 电枢回路总电阻为2R N 的人为机械特性。
（3） 电源电压为，电枢回路不串电阻时的人为机械特性。
（4） 电源电压为U N ，电枢不串电阻，ф=фN 时的人为机械特性。
注：R N =U N /I N 称为额定电阻，它相当于电动机额定运行时从电枢两端看进去的等效电阻。
解：（1）Ω===721.0305220N N N I U R 当外串后总电阻为时：T T C C R C U n NT N e n N e N 874.010585.0-=⋅-=φφφ （2）当电枢总电阻为Ω=442.12n R 时：T T C C R C U n NT N e n N e N 49.310582-=⋅-=φφφ （3）N U U 5.0=T T C C R C U n N T e a N e N 092.0529)(5.02-=-=φφ （4）N φφ5.0=T T C C R C U n N T e a N e N 368.02116)(25.05.02-=-=φφ 2-25 Z2—71型他励直流电动机,P N =， U N =110V ， I N =85.2A ， n N =750r/min ，R a =Ω。
采用电枢串电阻分三级起动,最大起动电流为2l n ，试计算各级起动电阻值。
解：选N I I 21=，Ω=⨯==646.02.8521101I U R N m 711.1129.0646.033===a m R R γ Ω=⨯==∴221.0129.0711.11γa R RΩ=⨯==378.0711.1221.012γR RΩ=-=-=∴092.0129.0221.011a st R R RΩ=-=-=157.0221.0378.0122R R R stΩ=-=-=268.0378.0646.0233R R R st2-26 一台他励直流电动机，P N =，U N =220V ， I N =41A ， n N =1500r/min ，R a =Ω，拖动恒转矩负载运行，T=T N 。
当把电源电压降到U=180V 时，问：（1） 降低电源电压瞬间电动机的电枢电流及电磁转矩是多少？（2） 稳定运行时转速是多少？ 解：1min 316.01500376.041220-⋅=⨯-=-=r V n R I U C N a N N N e φ ∴机械特性 T C C R C U n N T e a N e N ⋅-=2)(φφ （1）当在额定点运行时 V n C E N N e N 2041500136.0=⨯=⋅=φ∴降压瞬间 180a a R I ⋅+=204 A I a 8.63376.0204180-=-= m N I C T a N T ⋅-=-⨯⨯==9.82)8.63(136.055.9φ (2) min 1211113132441136.0376.0136.0180r n =-=⋅-= 2-27上题中的电动机拖动恒转矩负载运行，T=T N ，若把磁通减小到φ=φN ,。
