電機原理及拖動第4版習題及答案（邊春元）第八章思考與習題解答

第八節(jié)思考題及答案

1.什么是特種電機？特種電機的分類？

答：與傳統(tǒng)直流電機、異步電機和同步電機相比，在工作原理、勵磁方式、技術(shù)性能或功能及結(jié)

構(gòu)上有較大特點的電機統(tǒng)稱為特種電機。特種電機大致劃分為如下幾類：永磁電機、磁阻類電

機、伺服電動機、直線電動機、信號檢測與傳感電機以及非傳統(tǒng)電磁原理電機等。

2.永磁同步電動機與電勵磁同步電動機在結(jié)構(gòu)上有什么相似之處，又有什么不同之處？兩者相

比，永磁同步電動機有什么特點？

答：永磁同步發(fā)電機與電勵磁同步發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上的不同在于前者采用永磁體建立磁場，取消了

勵磁繞組、勵磁電源、集電環(huán)和電刷等，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。若采用稀土永磁，可以提高氣隙

磁密和功率密度，具有體積小、重量輕的優(yōu)點。但永磁同步發(fā)電機制成后，難以通過調(diào)節(jié)勵磁磁

場以控制輸出電壓，使其應(yīng)用受到了限制。

3.永磁同步電動機徑向式和切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)各有什么優(yōu)點？

答：徑向式結(jié)構(gòu)：漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施、轉(zhuǎn)子沖片機械強度相對較高、安裝永

磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。切向式結(jié)構(gòu)：在于一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到

更大的每極磁通。尤其當電動機極數(shù)較多，而徑向式結(jié)構(gòu)又不能提供足夠的每極磁通時，這種結(jié)

構(gòu)便具有明顯的優(yōu)勢。此外，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極效應(yīng)明顯，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩在電機總轉(zhuǎn)矩中的

比例可達40%,這對充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機功率密度和擴展電動機的恒功率運行范圍都是

有利的。

4.簡述永磁無刷電動機的構(gòu)成，其中位置傳感器有哪幾種？

答：永磁無刷直流電動機由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測裝置和功率驅(qū)動電路三部分組成。常用的

位置傳感器主要有電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器，其中，磁敏式位

置傳感器種類有多種，如霍爾元件、磁敏晶體管以及磁敏電阻器等。

5.永磁無刷直流電動機為什么一定要有位置傳感器或間接位置傳感器?

答：永磁無刷直流電機位置傳感器的作用是為控制器提供當前轉(zhuǎn)子磁極所處位置，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)

子位置和電機轉(zhuǎn)向來確定各功率管的導(dǎo)通狀態(tài)。由于控制器只能識別電信號，因此，位置傳感器

需要將位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

6.分析永磁無刷直流電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因？其中消減換相轉(zhuǎn)矩脈動的措施有哪些？

答：永磁無刷直流電動機的反電動勢波形為平頂波大于120°電角度的梯形波，理論上來講，梯形

波電機用同相位的方波或梯形波電流脈沖驅(qū)動，就能得到平滑的轉(zhuǎn)矩。但是要做到這一點是很困

難的，由于電機在機械制造過程中產(chǎn)生的誤差會造成感應(yīng)電動勢不完全對稱，永磁材料磁性能的

不一致，定子換向過程的影響，以及工作過程中電機參數(shù)的變化，都會造成轉(zhuǎn)矩的脈動。由于永

磁無刷直流電動機電樞繞組電感的存在，繞組電流從一相切換到另一相時產(chǎn)生換相延時，從而形

成電機換相過程中的轉(zhuǎn)矩脈動。

換相轉(zhuǎn)矩脈動是最主要的轉(zhuǎn)矩脈動，嚴重可以達到平均轉(zhuǎn)矩的50%左右。因此，抑制換相轉(zhuǎn)矩

脈動是減小電機整體轉(zhuǎn)矩脈動的關(guān)鍵問題。換相轉(zhuǎn)矩脈動的抑制方法主要有以下幾種：重疊換相

法、電流滯環(huán)控制法、PWM斬波法、電流預(yù)測控制等方法。

7.說明反應(yīng)式步進電動機輸出的角位移量、線位移量、轉(zhuǎn)速或線速度？

答：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移

量，從而達到精準定位。通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度。

8.開關(guān)磁阻電動機與大步距反應(yīng)式步進電動機的區(qū)別是什么？

答：SR電機與大步距的步進電動機類似，實際上二者有根本的區(qū)別。

首先，SR電機相電流導(dǎo)通角可控，且與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。為此，轉(zhuǎn)軸上應(yīng)裝設(shè)位置檢測器；步

進電動機由方波電流供電，可無位置檢測裝置。其次，SR電機能在較寬的范圍內(nèi)調(diào)速，并能高效

地進行能量轉(zhuǎn)換；步進電動機無此功能。

9.開關(guān)磁阻電動機的控制方式有哪些？

答：SR電機常用的控制模式有角度位置控制（AngularPositionControl,APC,又叫單脈沖控

制）、電流斬波控制（ChoppedCurrentControl,CCC,又叫電流PWM控制）和電壓斬波控制。

10.開關(guān)磁阻電動機的功率變換器與變頻異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器有何區(qū)別？

答：前者繞組串聯(lián)在橋臂兩個功率開關(guān)的中間，不存在直通的危險。

11.什么是交流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性？給出用標幺值表示的調(diào)節(jié)特性曲線組。

答：流伺服電動機的另一條主要特性曲線是調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)特性是指轉(zhuǎn)矩恒定時轉(zhuǎn)速〃隨控制電

壓變化的關(guān)系特性曲線，即當T=C時〃=的關(guān)系曲線調(diào)節(jié)特性也常以標么值表示，這

時是當T*=C時〃*=/1）的關(guān)系曲線。直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也可以根據(jù)式（8-22）繪出。

當T*=0時調(diào)節(jié)特性是通過坐標原點的一條直線。

n*=U：-T*或〃*=a-T(8-22)

圖8-31標幺值調(diào)節(jié)特性

12.交流伺服電動機，如果兩相繞組對稱，外加兩相電壓不對稱時，為什么將產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁

場？

答：如果兩相繞組是對稱的，外加電壓。f和Uc是不對稱的，這時兩相電流A和乙。也是不對稱

的。應(yīng)用兩相對稱分量法把兩相不對稱電流jf和4分成兩組兩相對稱電流，則有

A-=g(，f-仇)

(8-34)

心=H-M)

4-=1(4+J4)

乙，

進行上述分解就是把流過兩相繞組的不對稱電流八和I分成一組正序兩相對稱電流入+和

和一組負序兩相對稱電流八一和［一。正序電流產(chǎn)生正序圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，負序電流產(chǎn)生負序圓形旋

轉(zhuǎn)磁動勢。把上面兩個方向相反的圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢合成，就得到了兩相不對稱電流產(chǎn)生的合成磁

動勢，它是一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。

13.什么是交流伺服電動機的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如何消除？

答:交流伺服電動機是兩相電動機，勵磁繞組加固定電壓Uf,控制繞組加控制電壓調(diào)節(jié)Uc

來控制電動機的運行。當口為零時，交流伺服電動機應(yīng)當停轉(zhuǎn)，這是對伺服電動機的基本要求。

當Uc為零時，變成單相電動機，單相電動機如果原來是轉(zhuǎn)動的，口為零后，它能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這

與伺服電動機的要求是不適應(yīng)的，這種現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

為消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，需加大轉(zhuǎn)子籠條的電阻，由異步電動機機械特性理論可知，加大轉(zhuǎn)子

電阻，機械特性曲線隨之變化，這時最大轉(zhuǎn)矩雖然基本不變，但出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時的臨界轉(zhuǎn)差率卻

與轉(zhuǎn)子電阻成比例地增大，當Sm>l后，曲線q=/(s)及工=/($)如圖8-36中曲線1、2所

示，將兩條曲線疊加則得出轉(zhuǎn)子電阻加大后的單相電動機的機械特性r=/(s),如圖8-36中曲線

3所示。由曲線3可以看出，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為正時，電磁轉(zhuǎn)矩為負，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為負時，電磁轉(zhuǎn)矩為

正。轉(zhuǎn)矩T總是反對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，起制動作用。所以，伺服電動機一旦Uc為零，成為單相，電動

機就會馬上停止下來。這就消除了“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，滿足了伺服電動機的要求。

14.直流電機由哪些特點？有哪些用途？

答：直線電動機可以看成是從旋轉(zhuǎn)電動機演化而來的。直線電動機的初級相當于旋轉(zhuǎn)電動機的定

子，初級鐵心也是由硅鋼片疊成的，一面開有槽，三相（或單相）繞組嵌置于槽內(nèi)。直線電動機的

次級相當于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子，與籠型轉(zhuǎn)子相對應(yīng)的次級就是柵形次級，它一般是在鋼板上開槽，

在槽中嵌入銅條（或鑄鋁），然后用銅帶在兩端短接而成。

直線電動機的初級與旋轉(zhuǎn)電動機的定子有較大的差別，旋轉(zhuǎn)電動機的定子鐵心與繞組沿圓周

方向是處處連續(xù)的，而直線電動機的初級鐵心是開斷的，鐵心和繞組的開斷造成各相繞組所處的

磁場有差異，因而各相繞組的阻抗也不對稱，使電動機的損耗增加，出力減小。

直線電動機可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事及其他各種需要直線運動的場合，采用直線電

動機驅(qū)動的裝置與旋轉(zhuǎn)電動機傳動相比，直線電動機傳動主要具有以下優(yōu)點：

（1）由于省去了把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，筒化了整個裝置或系統(tǒng)，節(jié)約了

成本，縮小了體積。

（2）由于不存在中間傳動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量和阻力的影響，直線電動機直接傳動的反應(yīng)速度快，

靈敏度高，隨動性好，準確度高。

（3）由于省去了中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，提高了裝置的傳遞效率。止匕外，由于直線電動機是通過電能直

接產(chǎn)生直線電磁推力，驅(qū)動裝置中，其運動可以實現(xiàn)無機械接觸，使傳動零部件無磨損，從而大

大減少了機械損耗。

（4）由于直線電動機是靠電磁推力驅(qū)動裝置運行的，故整個裝置或系統(tǒng)的噪聲很小或無噪聲，

運行環(huán)境好，提高了裝置運行的可靠性。

（5）由于直線電動機結(jié)構(gòu)簡單，且它的初級鐵心在嵌線后可以用環(huán)氧樹脂等密封成整體，所以

不怕污染，適應(yīng)性好，可在某些有毒氣體、核輻射和液態(tài)物質(zhì)等中應(yīng)用。

（6）由于直線電動機結(jié)構(gòu)簡單，其散熱效果也較好，因此線負荷和電流密度可以更高，可提高電

動機的額定容量。

（7）裝配靈活性大，往往可將電動機和其他機件合成一體，實現(xiàn)機電一體化。

隨著我國城市之問、城鎮(zhèn)之間互相促進和依存的關(guān)系不斷加強，以及城市核心區(qū)域迅速擴張

與發(fā)展，加強各地域快速、安全、舒適的互聯(lián)互通越來越重要。尤其是大中型城市，“地下-地面

一高架相結(jié)合、城區(qū)一城郊聯(lián)運”的新需求表現(xiàn)更加突出?，F(xiàn)代城市軌道交通車輛要求有更強的

爬坡能力、更小的轉(zhuǎn)彎半徑以及全天候的運行性能。

15.直線感應(yīng)電動機與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動機的主要差別是什么？

答：運行原理相同，磁場運動方向不同、轉(zhuǎn)子（或次級）的運動方向不同。旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動為旋轉(zhuǎn)

方向；直線感應(yīng)電機為直線運動。

16.直流電機的端部效應(yīng)是什么？如何抑制？

答：由于直線電機是將旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開并拉直，而得到一種結(jié)構(gòu)特殊的電機。直線電機初級

鐵心寬度方向（橫向）的中間部分磁場基本上是均勻的，而在橫向的邊緣區(qū)域磁場有所削弱，這種

現(xiàn)象稱為靜態(tài)邊端效應(yīng)。

次級導(dǎo)體板在行波磁場作用下，在次級導(dǎo)體板中會感應(yīng)出電動勢，并產(chǎn)生電流。若次級導(dǎo)體

板沿橫向伸出鐵心的部分使用超導(dǎo)材料制成，則它的端部電阻為零。這種理想狀態(tài)使得鐵心疊厚

范圍內(nèi)電流分布是并行的，即只有y軸分量。對應(yīng)于這樣的電流分布，其對空載氣隙磁密在沿橫

向的分布影響如圖8-45（a）所示。

在不存在端部電阻情況下，次級導(dǎo)體板的引入僅改變合成氣隙磁通密度的幅值，而不改變它

在沿橫向分布的形狀。但事實上，次級導(dǎo)體板端部不是超導(dǎo)材料，它是存在電阻的。因此次級導(dǎo)

體板中的電流分布見圖8-45（b）o

次級電流在有效寬度范圍內(nèi)不僅有y軸分量，還存在x軸分量，次級導(dǎo)體板中的電流有一部

分在有效寬度范圍內(nèi)就閉合了?合成的氣隙磁通密度分布的形狀呈馬鞍形分布，它與空載時氣隙

磁通密度分布