任务3汽车车用电动机

1、4.3.1 步进电机1.概述一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。步进电机是利用电磁铁的 作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。 每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移 动一小段距离。步进电动机又称为脉冲电动机，是数字 控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变 即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。定子上有六个或四个，它的定子具有均任务3.3汽车车用电动机换为相应的角位移或直线位移，图4-29是步进电机的实物。控制脉冲频率，可控制电机转速。步进电机的特点是：来一个脉冲，转一个步距角。改变脉冲顺序，可改变转动方向。步进电机

2、有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线 圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。2.结构步进机主要由两部分构成： 定子和转子。它们均由磁性材料构成， 磁极，磁极上绕有绕组。如图 4-30所示是反应式步进电动机结构示意图 匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组。(a)所示。由于励磁磁若给A相绕组通电时，转子齿偏离定子齿一个角度。如图4-31通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。

3、如图4-31( b)所示。由此可见：错齿是使步进电机旋转的根本原因。步距角3 (步距)：当输入一个电脉冲时所转过的一个固定角度。单：每次只有一相绕组通电；双：每次有两相绕组通电；拍：通电次数(即从一种通电状态转到另一种通电状态)4.三相单三拍由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的4-32( a)图所示位置：1、3齿与A、A 极对齐。30涌，如图4-32 (b)所示，2、4齿和B、B 磁极轴A相绕组通电，B、C相不通电。 位置，故在这种情况下，转子必然转到同理，B相通电时，转子会转过 线对齐。当C相通电时，转子再转过 30角，如图4-32 (C)所示，1、3齿和C 、C磁极轴线 对齐。这

4、种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按AtBtCtAt的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。 每一拍转过30 (步距角)，每个通电循环周期(3拍)转过90 (一个齿距角)。(a) A相通电(b) B相通电(C) C相通电图4-32三相单三拍通电方式时转子的位置5.三相六拍三相六拍按 P AB T B T BC T C T CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获 得更精确的控制特性。A相通电，转子1、3齿与A、A对齐。如同4-33 ( a)所示。A、B相同时通电，A、A磁极拉住1、3齿，B、B磁极拉住2、4

5、齿，转子转过15:到达左图所示位置。如同4-33 (b)所示。B相通电，转子2、4齿与B、B 对齐,又转过15。如同4-33 (C)所示。B、C相同时通电，C、C磁极拉住1、3齿，B、B磁极拉住2、4齿，转子再转过 15 。如同4-33 （ d）所示。三相六拍反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：ABt BtBCt C t CA，每个循环周期分为六拍。每拍转子转过15。（步距角），一个通电循环周期（6拍）转子转过90 （齿距角）。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控 制系统中。kfHaI（a） A相通电、乂c（c） B相通电C（b） A、B相同时通电fKV?（d）

6、 B、C同时通电图4-33三相六拍通电方式时转子的位置6.三相双三拍三相双三拍按 AB T BC T CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30。（步距角），一个通电循环周期（3拍）转子转过90。（齿距角）。从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：p = 360：Zm(4-14)式中：P步距角Z转子齿数M每个通电循环周期的拍数实用步进电机的步距角多为3和1.5。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿齿距角，如图 4-34是齿距角9 :齿数是40的步进电动机（360 /40=9）；定子仍是

7、6个磁极，但每个磁极表面加工有五个和转子一样的齿。图4-34齿数是40的步进电动机步进电机具有结构简单、维护方面、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。需要说明 的是电脉冲不能直接控制步进电机，必须采用脉冲控制器将电脉冲按通电方式进行分配而后经过功率放大器放大到足够的功率，才能驱动步进电机工作。步进电机的工作过程如图 4-35所示。7.步进电机在汽车上的应用怠速就是汽车发动后温度上升到正常温度，发动机处于空挡时稳定的最低转速。此时混合气燃烧所做的功，只是用以克服发动机的内部阻力。怠速一般均在1000r/min以内。不同的车辆，怠速略有不同，应以其标明的怠速数值为 准。在使用汽车时，发动机怠速运转

8、的时间越占30%。怠速转速的高低直接影响燃油消耗和尾气排放。怠速过高，耗油量增加；怠速过低，发动机转速不稳，容易熄火。在汽车上，利用步进电动机作为怠速控制阀的主要执行部件，实现怠速控制。步进电动机式怠速控制阀是目前世界上电喷发动机中应用最多的一种怠速控制装置。它用于控制汽车进气系统旁通空气通道的开度，从而调节旁通通道的进气量，使发动机转速达到所要求的目标值。如图4-36所示为步进电动机式怠速控制示意图。汽车行驶时，发动机所需的大流量空 气由气缸吸气行程吸入， 从主空气通道经节气门通过。节气门开度越大，进入空气越大。空 气进入多少由发动机的单片机经空气流量传感器检测得出，然后按空气与汽油的理想混

9、合比例（质量比14.7 : 1）计算喷油量，由喷油量喷入进气管。混合气越多，燃烧后产生的压力 越大，发动机转速就越高。当汽车暂停行驶时，节气门关闭，为了维持发动机怠速运转，发动机所需的小流量空气 从旁通通道入口流入，经步进电动机式怠速控制阀从旁路通道出口流入发动机。步进电动机式怠速控制阀由步进电动机、阀杆、控制阀和阀座组成。 转子的正转或反转运动经阀杆（丝杆）转换成向前或向后的直线伸缩运动，阀杆每旋转1圈，伸缩1个螺距;控制阀与阀杆相连， 为凸圆锥状；阀座为凹圆锥状。当控制阀座推进时， 通气横截面积减小， 反之通气横截面积增大，从而达到控制怠速通气量的目的。怠速控制均采用发动机转速反馈闭环控制

10、方式，即发动机转速传感器将发动机的实际转速和目标转速进行比较， 根据比较的差值确定使发动机达到目标值的控制量，并通过执行机构对发动机怠速进行校正。Q进入气步逍电动机阀朴控制阀帽哑为通通逍 出口Mfj Q住代匸二I迪逍牢气说W；佟感器图4-36步进电动机式怠速控制示意图4.3.3 永磁式电动机在汽车上的典型应用1. 刮水器电动机1）刮水器的作用刮水器的作用除去挡风玻璃上的水、雪及沙尘，保证在不良天气时驾驶员仍具有良好的视线。如图4-37所示是刮水器的作用实情。广r.图4-37刮水器的作用实情2）刮水器电动机结构刮水器电动机结构由刮水电动机、传动机构、控制装置、刮臂和刮片等组成。如图4-38所示。

11、3）刮水器工作过程直流电动机旋转时， 通过蜗轮蜗杆减速使蜗轮上偏心相连的拉杆作往复运动，再通过拉杆和摆杆带动左右两刷架作往复摆动，实现刮雨水、雪灰尘。电动刮水器通过对电动机进行控制可实现变速刮水。 电动刮水器有自动复位装置，任意时刻关闭刮水器时， 刮水片均能停永磁式刮水电动机变速原理是利用三个电刷来改变正负电刷之间串联的线圈数，实现变速。永磁电动机工作时， 在电枢内同时产生反电动势，其方向与电枢电流的方向相反。要使电动机旋转，外加电压必须克服反电动势的作用。当电动机转速升高时，反电动势增加，只有当外加电压等于反电动势时，电枢的转速才能稳定。其工作原理如图4-40所示。1十H 1 L+ +Sii

12、L（b）电路原理图16-换向片编号；-线圈组编号 ;S-开 关；H-高速挡；L-低速挡（a）结构原理图图4-40 永磁式电动机变速原理Bi为低速运转电刷，B2为高速运转电刷，B3为公共电刷，Bi、B2安装相差60。直流 电动机工作时，在电枢中所有线圈中同时产生反电动势，每一个小线圈都产生相等的反电动势E=Cen,其方向如图4-40 （b）所示。当开关拔向“ L”时，电源电压加在 Bi和B3之间，由于、和、组成 两条并联支路，支路中串联的线圈（导体）均有效线圈，串联线圈（导体）数相对较多（每 条支路串联3组绕组），总反电动势为3Ce，由公式（4-7）和（4-8）可知电动机的转速为 n= U -

13、IaRa，在电压U和直流电动机定型的条件下，Ia （）、Ra、Ce都是常数，此时电3C3动机以较低转速运转。当开关拔向“ H”时，电源电压加在 B2和B3之间，由于线圈和产生方向相反的电 动势，互相抵消，故组成两条并联支路，串联线圈（导体）数相对较少（每条支路串联2U _ I R组绕组），总反电动势为绘，电动机的转速为“甘。电动机以较高转速运转。2. 电动门锁电动机所示。以锁车为例说明控制过程。1闭合，门锁继电器的锁止线圈通电，触点 5闭+ 7熔断器（右）7门锁主开关17门锁继电器+7熔断门锁电机是永磁式双向电机，用于车门的控制。通过改变电机的电流方向，使其旋转 方向改变，控制车门打开或关闭。

14、电动门锁电动机工作原理图如图4-41当门锁主开关转到锁止位置时，触点 合。各门锁电动机通电，电流方向：蓄电池锁止线圈通7搭铁。此时触点5闭合，使得电流同时流动，其电流方向为：蓄电池器（右）7触点57最下面导线7分流到四个电动机7触点7 7搭铁。此时电动机旋转将车门锁上。图4-41电动门锁电动机工作原理图3. 电动车窗电动机电动车窗电机通常采用永磁式双向电机，用于车窗玻璃的控制。利用开关改变电机电 枢电流的方向即可改变其旋转方向使车窗玻璃上升或下降。电动车窗电机工作原理图如图4-42所示。以左后门窗为例说明其控制过程。设点火开关已接通。当主控开关的左后窗开关拨到Up时，电动机通电，电流方向：蓄电

15、池+7点火开关7电路断路器7左后门窗Up 7左后门窗电动机（电流水平从左到右）7Down （有两个）7搭铁（第四个水平线上的搭铁）。此时电动机旋转，带动左后窗玻璃上升。当主控开关的左后窗开关拨到Down时，电流反向（学生自己可以指出），此时电动机反向旋转，带动左后门窗玻璃下降。图4-42电动车窗电机工作原理图（福特公司的车窗控制电路）4. 鼓风电动机鼓风电动机是汽车空调专用的电动机，其作用是促进空调内外气体的交换，达到制冷、 供暖、除霜和通风的目的。鼓风电动机采用永磁式三速电机，多数安装在暖风机总成内，与其安装在一起的还有 调速电阻总成，如图 4-43所示。鼓风电动机的控制开关安装在仪表板上，开关通过控制调 速电阻来控制电机的转速。鼓风电动机工作原理如图 4-44所示。（1）开关置低速档。将鼓风机开关1置“低（Low ） ”，此时电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以低速运转。（2） 开关置中速1或中速2档。将鼓风机开关 1置“中（Med1、Med2 ） ”，电机串入 的电阻数减少，电枢电压升高，以中速运转。（3） 当开关置于高速档。将鼓