汽車電工電子技術(shù)項(xiàng)目四

發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)主講人：江蘇航院

王錦華單元四

直流電動(dòng)機(jī)本單元要求：了解直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理。2.掌握他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電壓與電流的關(guān)系式，接線圖、機(jī)械特性。3.搞清他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的基本原理和基本方法。一、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此，對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：(1)調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣,易于平滑調(diào)節(jié)。

(2)起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,易于快速起動(dòng)、停車。

(3)易于控制。應(yīng)用:1)軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井

提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。

2)用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。1.機(jī)座：鑄鋼或原鋼板制成，用以安裝磁極和端蓋等，

既是電動(dòng)機(jī)的外殼又是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分。2.磁極——產(chǎn)生磁場(chǎng)永磁式:

由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式:

磁極鐵芯繞線圈，

線圈中通直流電，形成電磁鐵勵(lì)磁磁極鐵芯的線圈通電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。機(jī)座定子鐵芯與換向器配合，使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與靜止外電路一直相通，引入直流電。電樞鐵芯電樞繞組3.轉(zhuǎn)子(電樞)——產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器等組成。電樞鐵芯：由硅鋼片疊成，表面均勻分布槽。電樞繞組：按一定規(guī)律嵌入電樞鐵芯槽內(nèi)，并與換向器的兩片相連，通以電流時(shí)，在主磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。換向器：由許多楔形鋼片（換向片）組成，各片間用云母或其他墊片絕緣，外表呈圓形換向器表面壓著電刷，使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組與靜止的外電路一直相通，引入直流電。1.他勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。直流電機(jī)的分類2.并勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個(gè)直流電源供電。UUfIaM+_+_If他勵(lì)I(lǐng)aUM+_If+_IE并勵(lì)他勵(lì)、并勵(lì)串勵(lì)、復(fù)勵(lì)永磁勵(lì)磁4.復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組有兩套，與電樞繞組的連接有串有并，接在同一電源上。3.串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串連接到同一電源上。串勵(lì)UIf+_IaM復(fù)勵(lì)U+_IMIa二、直流電機(jī)的工作原理IU–+SbNacd

直流電通過兩電刷通入電樞繞組，由于換向片和電源固定連接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是S極有效邊的電流方向向里,N極有效邊的電流方向向外。從而保證電磁轉(zhuǎn)矩方向不變(左手定則)，電動(dòng)機(jī)始終沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。U–+U–+電刷換向片U–+IFFTn換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。EEU–+TnSbNdFFacII換向片電刷

電樞在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由右手定則，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電樞電流的方向相反。CE:

與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n:

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

：磁通1.電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）

E=CEnU–+EETnSbNdFFacII換向片電刷式中：U—外加電壓

Ra

—電樞繞組電阻2.電樞回路電壓平衡式–RaIaE+–+UMCT:與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

:

線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3.電磁轉(zhuǎn)矩單位:

(韋伯)，Ia

(安)，T(牛頓?米)

直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通Φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩T=CT

Ia例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡，忽略空載轉(zhuǎn)矩)，此時(shí)，若T2突然增加，則調(diào)整過程為直至T=T2，達(dá)到新的平衡點(diǎn)(Ia

、P入，n

）T2

n

Ia

T

E

4.轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系T2:機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩T：電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩平衡：當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過電動(dòng)

機(jī)轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢(shì)、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩

將自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。三、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速與反轉(zhuǎn)（一）起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)不允許在額定電壓UN下直接起動(dòng)。Iast太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器起動(dòng)時(shí),n=0

1.起動(dòng)問題：(1)起動(dòng)電流大(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN,造成機(jī)械沖擊，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)遭受損壞。一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。2.起動(dòng)方法3.注意事項(xiàng)(1)電樞串電阻起動(dòng)法(2)降壓起動(dòng)法：

直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。最大起動(dòng)電壓Ust為(1)如果電動(dòng)機(jī)是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=CT

Ia),

電機(jī)將不能起動(dòng)，這時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流很大，電樞繞組有被燒壞的危險(xiǎn)。(2)如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)斷開勵(lì)磁回路，反電動(dòng)

勢(shì)E立即減小而使電樞電流增大，同時(shí)由于所產(chǎn)生

的轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動(dòng)機(jī)必將減速而停

轉(zhuǎn)，更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞

組和換向器。(3)如果電機(jī)在空載運(yùn)行，可能造成飛車，使電機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且因電樞電流過大而將繞

組燒壞。（

E

Ia

T>>

T0

n

飛車）（二）并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

1.調(diào)速均勻平滑，可以無級(jí)調(diào)速(注：異步機(jī)改變極

對(duì)數(shù)調(diào)速的方法叫有級(jí)調(diào)速)。

2.調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200以上(調(diào)速比等于最

大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比）,因此機(jī)械變速所用的齒

輪箱可大大簡化。主要優(yōu)點(diǎn)：由轉(zhuǎn)速公式:可知直流電機(jī)調(diào)速方法有三種。可見：在U一定的情況下，改變

可改變轉(zhuǎn)速n。1.

改變磁通調(diào)速

保持電樞電壓U不變，改變勵(lì)磁電流If(調(diào)Rf)以改變磁通

。由式Rf

If

n

一般只采用減少勵(lì)磁電流(減弱磁通)的方法調(diào)速,即

改變磁通調(diào)速的方法：減小磁通，n只能上調(diào)。改變

時(shí)的機(jī)械特性如圖。TLTn（

減小）Rf增加

O調(diào)速過程:直至T=TC達(dá)到新的平衡。電壓U保持一定,減小磁通

。

Rf

E

Iａ

n

Ia

E

瞬間T

>T２T

(1)調(diào)速平滑，可得到無級(jí)調(diào)速；但只能向上調(diào)，受機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。(2)調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟(jì)，電流小，便于控制。(3)機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4)對(duì)專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動(dòng)機(jī),其調(diào)速幅度可達(dá)３~４,

例如530~2120r/min及310~1240r/min。

減小

調(diào)速的特點(diǎn)：(1)若調(diào)速后

Ia

保持不變，電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。(2)這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速(如用于切削機(jī)床)使用調(diào)磁調(diào)速時(shí)應(yīng)注意：2.改變電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0"n0'電壓降低Tc特性曲線n0nT0改變電壓調(diào)速的特點(diǎn):(1)工作時(shí)電壓不允許超過UN

，而n0

U,所以調(diào)速只能向下調(diào)。(2)機(jī)械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn)定

性好。(3)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級(jí)調(diào)速。(4)調(diào)速幅度較大。調(diào)速過程:保持If

為額定,減小電樞電壓。

U

Ia

T

T

=TC穩(wěn)定n

E

Ia

T

改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費(fèi)用較高。近年來已普遍采用晶閘管整流電源對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。3.

電樞回路串電阻調(diào)速

電樞中串入電阻,使

n

、

n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下,n

。特性曲線如圖。Rann0T

電樞回路串電阻調(diào)速需在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉(zhuǎn)速下降，因此n只能下調(diào)。特點(diǎn)：(1)設(shè)備簡單，操作方便。(2)機(jī)械特性軟，穩(wěn)定性差。(3)能量損耗大，只用于小型直流機(jī)。Ra

+

R電阻增大（三）反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩：T=CT

Ia

改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：

(1)改變勵(lì)磁電流的方向。

(2)改變電樞電流的方向。注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流

兩者的方向不能同時(shí)變。

汽車電器中幾種典型直流電動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)要求：熟悉起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特性；2.理解刮水電動(dòng)機(jī)高低速運(yùn)轉(zhuǎn)和自動(dòng)復(fù)位的原理；3.理解空調(diào)鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理；4.理解電動(dòng)車窗電動(dòng)機(jī)等正反轉(zhuǎn)的原理。1.汽車起動(dòng)機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)連接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的組成1-端蓋（鋼板壓制而成）2-電刷和電刷架

3-磁場(chǎng)繞組4磁極鐵芯（？材料）5-機(jī)殼

6-電樞7-后端蓋（灰鑄鐵澆制而成）磁極鐵芯（極靴）：用鑄鋼制造，和機(jī)殼連接在一起。說明：大多數(shù)起動(dòng)機(jī)有四個(gè)磁場(chǎng)繞組，功率大于7.35kW

的起動(dòng)機(jī)有采用6個(gè)磁場(chǎng)繞組的。磁場(chǎng)繞組的連接方式請(qǐng)注意：起動(dòng)機(jī)用串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)對(duì)外只有一個(gè)接線柱起動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子總成各組成部分的名稱，鐵芯材料換向器作用電刷和電刷架正極電刷（絕緣電刷）負(fù)極電刷（搭鐵電刷）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作特性剖析串勵(lì)UIf+_IaM相同的起動(dòng)電流下，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩更大，常用于啟動(dòng)較為困難的場(chǎng)合。不允許空載起動(dòng)和運(yùn)行，否則轉(zhuǎn)速迅速增大，易發(fā)生“飛車”。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)特性曲線提問：串勵(lì)電機(jī)端電壓方向改變是否能反轉(zhuǎn)？2.刮水電動(dòng)機(jī)——永磁雙速直流電動(dòng)機(jī)三刷式永磁雙速直流電動(dòng)機(jī)

高低速運(yùn)轉(zhuǎn)原理分析紅色箭頭為電樞電流方向，藍(lán)色箭頭為反電動(dòng)勢(shì)方向紅色箭頭為電樞電流方向，藍(lán)色箭頭為反電動(dòng)勢(shì)方向注意：8中電樞電流方向與低速時(shí)相比發(fā)生變化，

但反電動(dòng)勢(shì)方向未變（磁通，轉(zhuǎn)速方向未變）復(fù)位器觸點(diǎn)a與b接通（常火線）時(shí)，刮水電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位器觸點(diǎn)a與c接通（搭鐵線）時(shí)，刮水電動(dòng)機(jī)繼續(xù)低速轉(zhuǎn)動(dòng)刮水電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)復(fù)位3