汽車電工電子課件 模塊5 直流電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用

模塊5直流電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用項(xiàng)目5.1直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析

項(xiàng)目5.2直流電動(dòng)機(jī)在汽車中的應(yīng)用項(xiàng)目5.1直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析5.1.1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.1.3直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行知識(shí)學(xué)習(xí)一、直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理5.1.1直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

直流電動(dòng)機(jī)主要由定子（固定部分）和電樞（旋轉(zhuǎn)部分）兩大部分組成。圖5-1所示為直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。一、直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5-1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

定子主要由主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋、電刷裝置等部件組成。

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生主磁場。1．定子（2）換向磁極

在相鄰的主磁極之間裝有換向磁極，它也是由鐵芯和繞組構(gòu)成。其作用是消除或減小換向時(shí)的火花，保護(hù)換向器，使電動(dòng)機(jī)可靠安全的運(yùn)行。（3）機(jī)座（4）電刷裝置

電刷裝置一般由電刷、刷握、引線、電刷彈簧等構(gòu)成。

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以常稱之為電樞。電樞部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風(fēng)扇等。2．電樞（1）電樞鐵芯一般由涂有絕緣漆的0.5mm厚的硅鋼片沖壓后疊壓而成。圖5-4小型直流電動(dòng)機(jī)電樞沖片和電樞鐵芯示意圖（2）電樞繞組是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件。圖5-4小型直流電動(dòng)機(jī)電樞沖片和電樞鐵芯示意圖（3）換向器作用：在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器將外部的直流電流轉(zhuǎn)換為線圈中的交變電流，以獲得方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩。

勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組的供電方式，勵(lì)磁方式與電動(dòng)機(jī)的性能有密切關(guān)系。直流電動(dòng)機(jī)有他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)４種勵(lì)磁方式。3．勵(lì)磁方式串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定功率PN:電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。額定電壓UN

:額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）額定電流IN:

額定電壓下軸上輸出額定功率時(shí)的電流（并勵(lì)包括勵(lì)磁和電樞電流）

三者關(guān)系：PN=UNIN

（

：效率）4、直流電動(dòng)機(jī)的額定值

直流電動(dòng)機(jī)也是由磁路和電路兩個(gè)基本部分組成的。它的工作原理仍以電磁力定律和電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)。二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖5-6直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖電刷和換向片的作用，在轉(zhuǎn)子線圈中流過的電流是交變電流，所以其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向是不變的。圖示位置ab邊電流cd邊電流(a)圖a→bc→d(b)圖b→ad→c

直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（Tem）與每極磁通（Φ）和電樞電流（Ia）成正比。Tem=

KTΦIa

式中，KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。2．電磁轉(zhuǎn)矩Ea＝KeΦn

式中，Ke

—電動(dòng)勢常數(shù)，由電動(dòng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)所決定。1．反電勢直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電樞中的電流為

式中，U

—電樞外加電壓；

Ra

—電樞繞組的電阻。U

=

Ea+RaIa

三、直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢CT:與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)2.電磁轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（Tem）與每極磁通（Φ）和電樞電流（Ia）成正比轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡。（

T0：

根據(jù)實(shí)際情況，有時(shí)可忽略）Tem=CT

IaT2:機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩

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、電動(dòng)勢、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。轉(zhuǎn)矩平衡過程例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時(shí)，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達(dá)到新的平衡點(diǎn)(Ia

)

。T2

n

Ia

Tem

E

Ea=Cen直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀況取決于負(fù)載的大?。划?dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩都將自動(dòng)地作相應(yīng)的變化來達(dá)到新的平衡。直流電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)能力任務(wù)5.1.1分析直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的自適應(yīng)能力一、任務(wù)目的1．熟悉并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。2．熟悉直流電動(dòng)機(jī)電壓平衡式和轉(zhuǎn)矩平衡式。3．學(xué)會(huì)分析并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化的能力。二、任務(wù)內(nèi)容某并勵(lì)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載TL運(yùn)行，穩(wěn)定工作在額定工作點(diǎn)A，現(xiàn)在由于某些外在的擾動(dòng)，負(fù)載稍變大，變?yōu)?/p>

（

>TL

）。

試分析電動(dòng)機(jī)將如何運(yùn)行，如果外在的擾動(dòng)消失，能否回到原來的工作點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行（忽略空載轉(zhuǎn)矩）。項(xiàng)目實(shí)施三、分析過程一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)5.1.2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性IaUM+_If+_IE當(dāng)電源電壓U和勵(lì)磁回路的電阻Rf一定時(shí),勵(lì)磁電流If和磁通

不變，即

=常數(shù)。則IaUM+_If+_IE若：n=f(Tem)

特性曲線

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n

的變化不大—硬機(jī)械特性（自然特性）。改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線n0nNTNn0Tem

n二、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（1）當(dāng)負(fù)載不大時(shí)，磁路未飽和，主磁通和電樞電流成正比，故電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流的平方成正比。隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，電樞電流也隨之增加，從而使磁通增加，由上式可知，會(huì)引起轉(zhuǎn)速急劇下降。（2）當(dāng)負(fù)載比較大時(shí)，由于磁路飽和，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，磁通增加減慢，直至磁通基本不變，因此轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而下降的速率減慢。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，其轉(zhuǎn)速呈急劇變化的特性稱為軟特性。安全起見，不能讓電動(dòng)機(jī)在空載或低于25%額定負(fù)載的情況下運(yùn)行。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不應(yīng)采用皮帶傳動(dòng)，以防皮帶滑脫或斷裂時(shí)造成電動(dòng)機(jī)空載而產(chǎn)生飛車現(xiàn)象。一、直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)二、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速三、直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)5.1.3直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，所以此時(shí)Ea=0，此時(shí)電樞電流稱為啟動(dòng)電流（Ist），

為了減小啟動(dòng)電流，對于容量稍大的直流電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)可降低加在電樞繞組上的電壓，或在電樞電路中串聯(lián)啟動(dòng)變阻器。一、直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)1.直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)啟動(dòng)電流可達(dá)額定值的10～20倍

降壓啟動(dòng)的方法只適用于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。這種方法要求有一個(gè)電壓可變的直流電源（如可控硅電源）專供電樞使用。啟動(dòng)時(shí)，降低電樞電壓，待啟動(dòng)后，隨著轉(zhuǎn)速的升高逐步升高電樞電壓，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值。1）降壓啟動(dòng)2）串聯(lián)啟動(dòng)變阻器啟動(dòng)電阻通常限制啟動(dòng)電流為額定電流的1.5～2.5倍。改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就是改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方向。電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由主磁通方向和電樞電流的方向共同決定的。改變電樞電流或主磁通的方向都能使電磁轉(zhuǎn)矩方向改變。2.直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)（1）改變電樞繞組電壓極性，即改變電樞電流方向；（2）改變勵(lì)磁繞組電壓極性，即改變勵(lì)磁電流方向。反轉(zhuǎn)方法1)改變電樞電壓極性

將勵(lì)磁繞組兩極接線調(diào)換，即可改變勵(lì)磁電壓的極性，使勵(lì)磁電流方向改變，從而使主磁通的方向改變。這種實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法在實(shí)際中一般很少采用。因?yàn)楦慕觿?lì)磁繞組接線時(shí)，勵(lì)磁電流有可能出現(xiàn)中斷，從而引起“飛車”事故。2)改變勵(lì)磁電壓極性

由直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩（Tem）不變（負(fù)載不變）時(shí)，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高低的主要是電樞回路電阻（Ra）、主磁通（Φ）、電源電壓（U）3個(gè)因素。因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下述3種方法調(diào)節(jié)。二、

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速1．改變電樞電路的電阻調(diào)速

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下。①只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡稱下調(diào)。②由于流過調(diào)速電阻（Re）上的電流為電樞電流，其數(shù)值較大，故Re上的能量損耗大，不經(jīng)濟(jì)。③使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的速度變化較大，這對于要求穩(wěn)速的負(fù)載來說是不利的。④電樞電流不受影響，數(shù)值保持不變，故這種調(diào)速叫作恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。⑤調(diào)控方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

2．改變勵(lì)磁電流調(diào)速(弱磁調(diào)速)

這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下。①調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速。②流經(jīng)調(diào)速電阻（Re）的勵(lì)磁電流較小，故功率損耗小，比較經(jīng)濟(jì)。③調(diào)速后機(jī)械特性變軟，運(yùn)行的穩(wěn)定性差。④調(diào)速范圍比較小。⑤只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以上調(diào)速，簡稱上調(diào)，也稱為弱磁調(diào)速。

直流電動(dòng)機(jī)常由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電。調(diào)節(jié)電源電壓就可均勻調(diào)速。因?yàn)榧釉陔姌猩系碾妷翰荒艹^額定值（UN），所以這種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下作均勻調(diào)速。這種調(diào)速方法具有調(diào)速范圍廣、平滑性好等優(yōu)點(diǎn)，但需要專用的直流調(diào)壓電源。3．降低電源電壓n0"n0'電壓降低TLn0nT0直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)包括能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。反接制動(dòng)就是將電樞繞組的電壓極性反接，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)方法。三、

直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)一、任務(wù)目的1．學(xué)會(huì)分析與計(jì)算電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)。2．學(xué)會(huì)分析與計(jì)算電動(dòng)機(jī)電樞電路串聯(lián)電阻啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)。3．學(xué)會(huì)分析與計(jì)算電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)時(shí)的參數(shù)。

任務(wù)5.1.2

分析與計(jì)算直流電動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)參數(shù)項(xiàng)目實(shí)施二、任務(wù)內(nèi)容一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，額定功率PN＝29kW，額定電壓UN＝440V，額定電流IN＝76A，電樞電阻Ra=0.38，

nN=1000r/min，拖動(dòng)額定大小的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，忽略空載轉(zhuǎn)矩。試求：（1）直接啟動(dòng)時(shí)的電流及其與額定電流的比值；（2）額定轉(zhuǎn)矩TN；（3）若限制啟動(dòng)電流為2倍額定電流，試計(jì)算應(yīng)在電樞電路中串聯(lián)的電阻值及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（4）若限制啟動(dòng)電流為2倍額定電流，電樞電壓應(yīng)降至多少，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是多少。三、分析過程項(xiàng)目5.2直流電動(dòng)機(jī)在汽車中

的應(yīng)用5.2.1汽車用電動(dòng)機(jī)5.2.2汽車電氣控制電路分析知識(shí)學(xué)習(xí)一、電動(dòng)刮水器5.2.1汽車用電動(dòng)機(jī)刮雨器是專門用來清除汽車擋風(fēng)玻璃上的雨水、雪或灰塵來確保駕駛員良好能見度的裝置。采用三刷式永磁電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)刮水器由電動(dòng)機(jī)和一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成電刷B3為高低速公用電刷。B1用于低速，B2用于高速，B2與B1相差60°。工作原理1—電樞繞組2—永久磁鐵3—整流子4—反電動(dòng)勢永磁式三刷電動(dòng)機(jī)是利用3個(gè)電刷來改變正負(fù)電刷之間串聯(lián)的繞組數(shù)實(shí)現(xiàn)變速的?！癓”：一條線圈①⑥⑤串聯(lián)支路；另一條線圈②③④串聯(lián)支路，即在B1和B3之間有兩條支路，各3個(gè)線圈，感應(yīng)電勢方向相同?！癏”：一條4個(gè)線圈②①⑥⑤串聯(lián)，另一條兩個(gè)線圈③④串聯(lián)。其中線圈②的反電動(dòng)勢與線圈①⑥⑤的反電動(dòng)勢方向相反，互相抵消后，變?yōu)橹挥袃蓚€(gè)線圈的反電動(dòng)勢與電源電壓平衡。

二、電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)簡介電動(dòng)汽車對電機(jī)的要求（1）有很好的轉(zhuǎn)矩控制動(dòng)態(tài)性能（2）在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行應(yīng)滿足啟動(dòng)和爬坡的要求，在恒功率區(qū)運(yùn)行應(yīng)滿足高速行駛的要求；

（3）能夠在大范圍內(nèi)保持高效率運(yùn)行，并盡可能地提高其功率密度，實(shí)現(xiàn)小型輕量化；

（4）具有較高的可靠性；（5）有4～5倍的過載能力，以滿足加速和爬坡需求（6）低噪聲，低成本新能源汽車的核心是三電系統(tǒng)—電池、電機(jī)、電控。高功率密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。。電動(dòng)汽車電機(jī)最早采用的是控制性能優(yōu)良的有刷電機(jī)，隨著電機(jī)、電力電子、自動(dòng)控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)、三相感應(yīng)電機(jī)、無刷電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等得到廣泛應(yīng)用，在汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中逐步取代了有刷電機(jī)1）低壓2）直流額定電壓6V、12V、24V，汽油機(jī)普遍采用12V電源，柴油機(jī)多采用24V。汽車運(yùn)行中的電壓，一般12V系統(tǒng)為14V，24V系統(tǒng)的為28V。蓄電池、交流發(fā)電機(jī)+整流電路蓄電池靜止電動(dòng)勢常在11.5V-13.5V，發(fā)電機(jī)輸出電壓常限定在13.8V-15V之間（24V電系28V-30V）。5.2.2汽車電氣控制電路分析一、汽車電路特點(diǎn)蓄電池正極線直接與各用電設(shè)備連接，蓄電池負(fù)極線直接搭在車架金屬機(jī)件上，用電設(shè)備的負(fù)極線也就近搭在車架金屬機(jī)件上，利用發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車底盤（粱架）的金屬體作公共通道。3）負(fù)極搭鐵4）單線并聯(lián)（單線搭鐵+并聯(lián)連接）電源到用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線連接，而用金屬機(jī)件作為另一根公共回路線的連接方式稱為單線制。絕大部分用電設(shè)備都是并聯(lián)在電源上。故當(dāng)一條支路發(fā)生故障時(shí)，并不影響其他支路設(shè)備的正常工作。舉例：常用照明系統(tǒng)電路低壓直流負(fù)極搭鐵單線并聯(lián)二、繼電器結(jié)構(gòu)繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件。它可以用較小的電流來控制較大的電流，從而實(shí)現(xiàn)對電路的控制。繼電器的輸入信號可以是電壓、電流等電量，也可以是熱、速度、油壓等非電量，而輸出則都是觸點(diǎn)動(dòng)作，使輸出量發(fā)生預(yù)定的變化。汽車控制電路繼電器常用的有電磁式繼電器和干簧式繼電器，其中，電磁式繼電器又可分為接柱式繼電器和插接式繼電器。1．電磁式繼電器作用：用來傳遞信號和同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用來控制電氣執(zhí)行元件。組成：鐵芯線圈（電磁鐵）和可與電磁鐵聯(lián)動(dòng)的觸點(diǎn)。幾種常見插接式繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及插座插腳布置繼電器控制顯示與報(bào)警電路2．干簧式繼電器干簧管又稱為干式舌簧管，是一種在玻