2025年大學(xué)《數(shù)理基礎(chǔ)科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——直流電機(jī)的工作原理和特性考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件是________和________。2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成________關(guān)系。3.當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行在________狀態(tài)。4.直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的根本原因是________。5.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性曲線是________的。6.電樞反應(yīng)通常會(huì)使發(fā)電機(jī)氣隙磁密沿電樞旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生________。7.直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式為_(kāi)_______，其中`C_e`為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，`φ`為每極磁通，`n`為電樞轉(zhuǎn)速。8.直流電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，輸入功率等于各損耗功率之和加上________。9.對(duì)于串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，若將兩根電源線對(duì)調(diào)（反接），其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩將________。10.換向器在直流電機(jī)中的作用是________。二、選擇題（每題3分，共30分，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.在直流電動(dòng)機(jī)中，電樞電流的方向（）。A.始終流入B.始終流出C.交變變化D.根據(jù)負(fù)載決定2.一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，在保持電樞電壓和磁通量不變的情況下，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速將（）。A.不變B.升高C.降低D.先升高后降低3.下列哪種勵(lì)磁方式下，電機(jī)的主磁通與電樞電流幾乎成正比？（）A.并勵(lì)B.串勵(lì)C.復(fù)勵(lì)（并勵(lì)為主）D.復(fù)勵(lì)（串勵(lì)為主）4.一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，如果電樞電路突然發(fā)生斷路，其轉(zhuǎn)速將（）。A.立即降低至零B.略有下降C.升高D.基本不變5.當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓和電樞電流均不變時(shí)，若將其改接為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其輸出電動(dòng)勢(shì)將（）。A.大于輸入電壓B.等于輸入電壓C.小于輸入電壓D.無(wú)法確定6.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生（）。A.很高轉(zhuǎn)速和很大轉(zhuǎn)矩B.很高轉(zhuǎn)速和很小轉(zhuǎn)矩C.很低轉(zhuǎn)速和很大轉(zhuǎn)矩D.很低轉(zhuǎn)速和很小轉(zhuǎn)矩7.直流電機(jī)中，電樞鐵芯的主要作用是（）。A.產(chǎn)生主磁場(chǎng)B.安放電樞繞組C.引入勵(lì)磁電流D.實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換8.所謂的“電樞反應(yīng)”，是指（）。A.電樞鐵芯的磁化效應(yīng)B.電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響C.換向器引起的火花D.勵(lì)磁繞組與電樞繞組的互感作用9.直流電機(jī)中，`C_eφn`表達(dá)式主要用于計(jì)算（）。A.電磁轉(zhuǎn)矩B.電磁功率C.空載電動(dòng)勢(shì)D.輸入功率10.對(duì)于一臺(tái)正常的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，在額定電壓下運(yùn)行，若勵(lì)磁回路突然斷開(kāi)，則（）。A.電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)B.電機(jī)轉(zhuǎn)速將急劇升高，可能損壞C.電樞電流將急劇減小D.主磁通將保持不變?nèi)?、?jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述直流電機(jī)中換向器的作用。2.何謂直流電機(jī)的電樞反應(yīng)？它對(duì)電機(jī)的運(yùn)行有何影響？3.與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相比，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有哪些主要特點(diǎn)？4.解釋直流電機(jī)中電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩和電功率之間的基本關(guān)系。四、計(jì)算題（共30分）1.一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓`U_N=220V`，額定電樞電流`I_aN=75A`，額定轉(zhuǎn)速`n_N=1500r/min`。已知電樞回路總電阻（包括電刷接觸電阻）`R_a=0.25Ω`，勵(lì)磁回路電阻`R_f=88Ω`。試求：（1）額定負(fù)載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)`E_N`；（2）額定負(fù)載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩`T_N`（設(shè)轉(zhuǎn)矩常數(shù)`C_tφ_N=0.029`）；（3）若電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，電樞電流為`I_a=60A`，此時(shí)的轉(zhuǎn)速`n`為多少？（假設(shè)磁通量與勵(lì)磁電流成正比）（4）若電機(jī)在額定電壓和額定電流下運(yùn)行，電樞反電動(dòng)勢(shì)`E=210V`，求電機(jī)的輸入功率、電磁功率和總損耗。（共15分）2.一臺(tái)串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，額定電壓`U_N=220V`，額定轉(zhuǎn)速`n_N=1200r/min`，額定電樞電流`I_aN=40A`。已知電樞回路總電阻`R_a=0.5Ω`，串勵(lì)勵(lì)磁回路的電阻`R_f=0.25Ω`。試求：（1）額定負(fù)載時(shí)的電動(dòng)勢(shì)`E_N`；（2）若將該發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，接入`U=220V`電源，電樞電流為`I_a=50A`，此時(shí)的轉(zhuǎn)速`n`大約是多少？（設(shè)電機(jī)和發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)`C_e`相同，且磁通與勵(lì)磁電流成正比，忽略電樞反應(yīng)影響）（共15分）五、論述題（10分）結(jié)合直流電機(jī)的功率平衡關(guān)系，論述提高直流電機(jī)效率的主要途徑。試卷答案一、填空題1.換向器電刷2.正3.穩(wěn)定運(yùn)行4.電樞繞導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線產(chǎn)生電磁感應(yīng)5.硬（或非線性下降）6.負(fù)載7.E=C_eφn8.輸出功率9.猛烈增大（或急劇升高）10.實(shí)現(xiàn)電樞繞組的旋轉(zhuǎn)換向二、選擇題1.C2.B3.A4.C5.A6.B7.B8.B9.C10.B三、簡(jiǎn)答題1.換向器的作用是將電刷與旋轉(zhuǎn)的電樞繞組連接起來(lái)，并將外部直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)部的交變電流，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向保持不變，保證電機(jī)能夠持續(xù)旋轉(zhuǎn)。2.電樞反應(yīng)是指直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。它會(huì)使氣隙合成磁場(chǎng)發(fā)生畸變和扭曲，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生兩方面影響：一方面，使電樞磁場(chǎng)的軸線偏離幾何中性線，導(dǎo)致?lián)Q向器產(chǎn)生火花；另一方面，使主磁場(chǎng)軸線附近的磁密發(fā)生變化，從而影響電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩特性。3.串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)有：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，主磁通隨電樞電流的變化而顯著變化；轉(zhuǎn)速特性非常硬，負(fù)載增加時(shí)轉(zhuǎn)速急劇下降；空載時(shí)轉(zhuǎn)速極高，可能損壞電機(jī)；過(guò)載能力強(qiáng)；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大。4.直流電機(jī)中，電樞電動(dòng)勢(shì)`E=C_eφn`是驅(qū)動(dòng)電樞電流`I_a`的反電動(dòng)勢(shì)，電磁轉(zhuǎn)矩`T=C_tφI_a`是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。輸入功率`P_1=UI_a`，其中`U`是輸入電壓。電磁功率`P_em=EI_a=Tω`（ω為機(jī)械角速度），它是通過(guò)電磁場(chǎng)從電能轉(zhuǎn)換到機(jī)械能（或反之）的功率。輸出機(jī)械功率`P_2=Tω`。各功率之間的關(guān)系為`P_1=P_em+P_loss`，`P_em=P_2+P_loss`，其中`P_loss`為電機(jī)內(nèi)部損耗（銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗等）。四、計(jì)算題1.（1）`E_N=U_N-I_aNR_a=220-75\times0.25=182.5V`（2）`T_N=C_tφ_NI_aN≈C_t\frac{U_N}{R_f}I_aN=0.029\times\frac{220}{88}\times75=58.59N·m`（3）`E=C_eφn`，`φ_N∝I_aN`，`φ∝I_a`，`E∝n`。則`n=n_N\frac{E}{E_N}=1500\times\frac{U_N-I_aR_a}{U_N-I_aNR_a}=1500\times\frac{220-60\times0.25}{182.5}=1500\times\frac{205}{182.5}=1711.11r/min`（4）`P_1=UI_a=220\times75=16500W`；`P_em=EI_a=210\times75=15750W`；`P_loss=P_1-P_em=16500-15750=750W`；`P_2=P_em-P_loss=15750-750=15000W`2.（1）`E_N=U_N-I_aNR_a=220-40\times0.5=180V`（2）發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)`C_e`相同，磁通`φ`與勵(lì)磁電流`I`成正比。發(fā)電機(jī)額定電動(dòng)勢(shì)`E_N=C_eφ_Nn_N`。電動(dòng)機(jī)額定電流`IaN=40A`，此時(shí)磁通為`φ≈φ_N\frac{IaN}{I_aN}=φ_N\frac{40}{40}=φ_N`。設(shè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為`n'`，則`180=C_eφN\frac{n'}{n_N}`。所以`n'=n_N\frac{180}{E_N}=1200\times\frac{180}{180}=1200r/min`。（注意：此題簡(jiǎn)化假設(shè)磁通變化不大，實(shí)際串勵(lì)電機(jī)磁通隨電流變化顯著，計(jì)算會(huì)更復(fù)雜）五、論述題提高直流電機(jī)效率的主要途徑在于降低電機(jī)的內(nèi)部損耗。直流電機(jī)的損耗主要包括：1.銅耗（P_cu）：包括電樞繞組銅耗`I_a^2R_a`和勵(lì)磁繞組銅耗`I_f^2R_f`。減小銅耗的方法是選擇合適的電流密度，降低繞組電阻（選用導(dǎo)電性能好的材料，減小導(dǎo)線電阻），以及在允許范圍內(nèi)減小電流。對(duì)于串勵(lì)電機(jī)，需特別注意空載時(shí)的巨大銅耗和低效問(wèn)題。2.鐵耗（P_fe）：包括基本鐵耗（由磁通交變引起的渦流損耗和磁滯損耗）和附加鐵耗（由電樞反應(yīng)、齒槽效應(yīng)等引起的額外損耗）。減小鐵耗的方法是選用高磁導(dǎo)率、低損耗的硅鋼片，改善電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減小磁路磁密波動(dòng)。3.機(jī)械損耗