2024年河北工業(yè)大學(xué)電氣工程（電機(jī)設(shè)計(jì)）試題解析與精解考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述變壓器空載運(yùn)行的物理過(guò)程，并說(shuō)明空載電流的組成及主要作用。二、三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是如何產(chǎn)生的？請(qǐng)寫(xiě)出物理表達(dá)式，并解釋各符號(hào)的含義。三、電機(jī)設(shè)計(jì)中，為什么通常選擇硅鋼片作為鐵芯材料？與普通鋼片相比，硅鋼片有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？四、簡(jiǎn)述直流電機(jī)電樞反應(yīng)的性質(zhì)及其對(duì)電機(jī)性能的影響。五、在電機(jī)設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)行電機(jī)的熱計(jì)算？主要考慮哪些因素？電機(jī)溫升是否超過(guò)允許值有哪些后果？六、一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率Pn=75kW，額定電壓Un=380V，額定轉(zhuǎn)速nN=1440r/min，Y接法。試計(jì)算其額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率sN、額定轉(zhuǎn)矩TN（單位：N·m）以及額定電流IN（假設(shè)功率因數(shù)為0.85，過(guò)載能力Km=2.2）。七、簡(jiǎn)述電機(jī)設(shè)計(jì)中，選擇軸承的類型和材料需要考慮哪些因素？八、試述電機(jī)設(shè)計(jì)中，提高電機(jī)效率的主要途徑有哪些？九、一臺(tái)用于起重設(shè)備的繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)需要限制啟動(dòng)電流，并要求有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。簡(jiǎn)述采用哪些啟動(dòng)方法可以滿足上述要求，并說(shuō)明其原理。十、比較交流電機(jī)和直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性、控制方式等方面的主要異同點(diǎn)。十一、某電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，要求設(shè)計(jì)一臺(tái)額定功率為20kW，額定電壓為220V的單相異步電動(dòng)機(jī)。請(qǐng)簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)流程，并說(shuō)明在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮哪些關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟。十二、在電機(jī)設(shè)計(jì)中，如何進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校驗(yàn)？主要校驗(yàn)?zāi)男┎考?？十三、?jiǎn)述永磁電機(jī)的基本工作原理，并說(shuō)明永磁體在永磁電機(jī)中的作用。十四、隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有哪些新的發(fā)展趨勢(shì)？請(qǐng)舉例說(shuō)明。試卷答案一、變壓器空載運(yùn)行時(shí)，原邊繞組加額定電壓，產(chǎn)生主磁通，主磁通同時(shí)交鏈原、副邊繞組，分別在原、副邊繞組中感應(yīng)出電勢(shì)。原邊電流即為空載電流，它包含兩部分：無(wú)功分量（建立主磁通）和有功分量（補(bǔ)償鐵芯損耗和繞組銅損）。無(wú)功分量占空載電流的絕大部分。解析思路：考察變壓器空載運(yùn)行的基本原理和空載電流的組成。需要理解主磁通的作用，以及空載電流的無(wú)功分量和有功分量的來(lái)源和作用。二、三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。其物理表達(dá)式為：TN=C_T*Φ*I_2'*cos(φ_2')，其中，C_T為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為每極磁通量，I_2'為轉(zhuǎn)子電流折算值，φ_2'為轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)角。解析思路：考察三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生原理和物理表達(dá)式。需要理解旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角的作用，以及它們與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。三、電機(jī)通常選擇硅鋼片作為鐵芯材料是因?yàn)楣桎撈哂懈叽艑?dǎo)率和低損耗的特性。高磁導(dǎo)率可以降低勵(lì)磁電流，減少鐵損；低損耗（特別是低磁滯損耗和渦流損耗）可以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱量，提高電機(jī)效率。缺點(diǎn)是硅鋼片較脆，加工性能稍差。解析思路：考察電機(jī)鐵芯材料的選擇原因。需要理解硅鋼片的磁性能和損耗特性，以及它們對(duì)電機(jī)性能的影響。四、直流電機(jī)電樞反應(yīng)是指電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響。電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞電流的方向、電樞位置以及電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（如電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)）。在電動(dòng)機(jī)中，電樞反應(yīng)通常使主磁場(chǎng)發(fā)生畸變，并產(chǎn)生去磁或助磁效應(yīng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生額外的橫軸磁勢(shì)，使換向片間產(chǎn)生電勢(shì)波動(dòng)，可能導(dǎo)致火花。解析思路：考察直流電機(jī)電樞反應(yīng)的性質(zhì)和影響。需要理解電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的作用，以及電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)性能（如主磁場(chǎng)、換向）的影響。五、電機(jī)熱計(jì)算主要是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗，計(jì)算電機(jī)各部分的溫升，并判斷是否超過(guò)允許值。主要考慮因素包括：各種損耗（銅損、鐵損、機(jī)械損耗等）、散熱方式、電機(jī)材料的熱性能（如熱導(dǎo)率、比熱容）、環(huán)境溫度等。電機(jī)溫升超過(guò)允許值會(huì)導(dǎo)致絕緣材料加速老化，縮短電機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至可能燒毀電機(jī)。解析思路：考察電機(jī)熱計(jì)算的方法和考慮因素。需要理解電機(jī)損耗的產(chǎn)生，散熱方式，以及溫升對(duì)電機(jī)性能和壽命的影響。六、sN=(1500-1440)/1500=0.04TN=9550*Pn/nN=9550*75/1440=492.17N·mIN=Pn/(√3*Un*η*cosφ)=75000/(√3*380*0.85*0.85)=137.45A解析思路：考察三相異步電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)的計(jì)算。需要運(yùn)用轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)矩和電流的公式，并注意單位換算和額定條件下的參數(shù)代入。七、選擇軸承類型需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小和性質(zhì)（徑向、軸向）、工作環(huán)境（溫度、濕度、清潔度）、壽命要求、成本等因素。選擇軸承材料需要考慮電機(jī)的運(yùn)行溫度、載荷大小、轉(zhuǎn)速、腐蝕環(huán)境、成本等因素。常用材料有軸承鋼（如GCr15）等。解析思路：考察軸承類型和材料選擇需考慮的因素。需要理解不同類型軸承（如球軸承、滾子軸承）的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，以及軸承材料的熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度、耐磨性等性能。八、提高電機(jī)效率的主要途徑包括：降低各種損耗，如銅損、鐵損、機(jī)械損耗等；優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如改善電磁設(shè)計(jì)、減少漏磁、優(yōu)化通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)等；選用高性能材料，如高磁導(dǎo)率鐵芯材料、低電阻繞組材料、低摩擦軸承等。解析思路：考察提高電機(jī)效率的方法。需要理解電機(jī)損耗的來(lái)源，以及從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料等方面優(yōu)化電機(jī)性能以提高效率的思路。九、可采用星三角啟動(dòng)或自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)。星三角啟動(dòng)原理：?jiǎn)?dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，降低啟動(dòng)電壓和電流，啟動(dòng)后改接成三角形，正常運(yùn)行。自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)原理：利用自耦變壓器降低加到電機(jī)定子繞組上的電壓，從而降低啟動(dòng)電流，啟動(dòng)后切除自耦變壓器，電機(jī)正常運(yùn)行。這兩種方法都能在限制啟動(dòng)電流的同時(shí)提供較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（星三角啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，自耦變壓器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與降壓比的平方成正比）。解析思路：考察電機(jī)啟動(dòng)方法的選擇和原理。需要理解星三角啟動(dòng)和自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)的原理，以及它們對(duì)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響。十、相同點(diǎn)：都利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；都存在轉(zhuǎn)差現(xiàn)象（交流電機(jī)）；都可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)等。不同點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上，直流電機(jī)有換向器，交流電機(jī)無(wú)換向器；運(yùn)行特性上，直流電機(jī)調(diào)速性能好，控制靈活，但維護(hù)復(fù)雜；交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但調(diào)速性能相對(duì)較差?？刂品绞缴?，直流電機(jī)常用電樞控制、磁場(chǎng)控制；交流電機(jī)常用變頻控制、變壓控制等。解析思路：考察交流電機(jī)和直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性、控制方式等方面的比較。需要掌握兩類電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理，以及它們?cè)谛阅芎涂刂品矫娴膬?yōu)缺點(diǎn)。十一、設(shè)計(jì)流程：1.確定電機(jī)基本參數(shù)（功率、電壓、轉(zhuǎn)速等）；2.選擇電機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式；3.進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)（計(jì)算定轉(zhuǎn)子尺寸、繞組參數(shù)等）；4.進(jìn)行熱計(jì)算（計(jì)算損耗和溫升）；5.進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)（計(jì)算轉(zhuǎn)軸、軸承等）；6.進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校驗(yàn)；7.繪制電機(jī)圖紙；8.進(jìn)行樣機(jī)試制和測(cè)試。關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟：關(guān)鍵參數(shù)包括功率、電壓、轉(zhuǎn)速、效率、溫升、轉(zhuǎn)矩等；設(shè)計(jì)步驟中，電磁設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)是核心，決定了電機(jī)的性能。解析思路：考察單相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵點(diǎn)。需要了解電機(jī)設(shè)計(jì)的基本流程，以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計(jì)步驟。十二、進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校驗(yàn)主要是通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)方法，確定電機(jī)各部件（如轉(zhuǎn)軸、軸承座、機(jī)殼等）在額定負(fù)載和實(shí)際工作條件下的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，并與材料的強(qiáng)度極限和允許變形量進(jìn)行比較，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。主要校驗(yàn)部件包括轉(zhuǎn)軸（抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度）、軸承座（剛度、承載力）、機(jī)殼（剛度、散熱性能）、端蓋等。解析思路：考察電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校驗(yàn)的方法和對(duì)象。需要理解強(qiáng)度和剛度的概念，以及校驗(yàn)的基本原理，即比較實(shí)際應(yīng)力/應(yīng)變/變形與允許值。十三、永磁電機(jī)的基本工作原理是利用永磁體產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)與電樞電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（或磁場(chǎng)）相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。永磁體在永磁電機(jī)中提供主磁場(chǎng)或輔助磁場(chǎng)，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，減小勵(lì)磁電流，提高電機(jī)效率和功率密度。解析思路：考察永磁電機(jī)的工作原理和永磁體的作用。需要理解永磁體的特性，以及它在永磁電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用，以及其對(duì)電機(jī)性能的影響。十四、電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢(shì)包括：1.高效節(jié)能：開(kāi)發(fā)更高效率的電機(jī)，如無(wú)鐵芯電機(jī)、永磁電機(jī)等，以滿足節(jié)能減排的需求；2.高功率密度：在有限體積內(nèi)提高電機(jī)功率，如采用高磁能密度永磁材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等；3.智能化：集成傳感器和智能