汽车电工与电子基础4

1、汽车电工与电子基础汽车电工与电子基础单元单元4 电动机和发电机电动机和发电机4.1 直流电动机直流电动机4.2 三相交流发电机三相交流发电机4.3 步进电动机步进电动机 知识目标：知识目标： 1.简单叙述直流电动机的分类、基本构造及励磁方式；简单叙述直流电动机的分类、基本构造及励磁方式； 2.正确描述直流电动机的基本原理及正确使用方法；正确描述直流电动机的基本原理及正确使用方法； 3.简单叙述三相交流发电机的结构并描述其基本原理；简单叙述三相交流发电机的结构并描述其基本原理； 4. 正确描述步进电动机的基本原理。正确描述步进电动机的基本原理。 能力目标：能力目标： 1.会正确分析和使用直流电动

2、机与交流电动机；会正确分析和使用直流电动机与交流电动机； 2.会正确连接直流电动机的线路，实现其起动调速与正会正确连接直流电动机的线路，实现其起动调速与正 反转；反转； 3.能解决生产中的实际问题。能解决生产中的实际问题。 建议学时：建议学时：10学时学时4.1.1 直流电动机的铭牌数据及直流电动机的铭牌数据及主要系列主要系列4.1.2 直流电动机的基本原理直流电动机的基本原理4.1.3 直流电动机的结构直流电动机的结构4.1 直流电动机直流电动机4.1 直流电动机直流电动机4.1.4 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式4.1.5 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性4.1.6 直流

3、电动机的起动、制动、直流电动机的起动、制动、反转和调速反转和调速n直流电动机是电动机的主要类型之一，它将直流电动机是电动机的主要类型之一，它将直流电能转换成机械能。直流电动机具有优直流电能转换成机械能。直流电动机具有优良的调速和起动性能：良的调速和起动性能：（1）它的起动转矩较大；）它的起动转矩较大；（2）它的调速范围广且平滑性、经济性好；）它的调速范围广且平滑性、经济性好；（3）在无交流电源而以蓄电池作为电源的机械设）在无交流电源而以蓄电池作为电源的机械设备上，也使用直流电动机来起动，如汽车上最典备上，也使用直流电动机来起动，如汽车上最典型的直流电动机就是利用了直流电动机具有良好型的直流电动

4、机就是利用了直流电动机具有良好的起动性能的特点。的起动性能的特点。 4.1.1 直流电动机的铭牌数直流电动机的铭牌数据及主要系列据及主要系列n铭牌镶在电动机机座的外表面上，上面标明铭牌镶在电动机机座的外表面上，上面标明电动机主要额定数据及电动机产品数据，供电动机主要额定数据及电动机产品数据，供使用者使用时参考。铭牌数据主要包括：电使用者使用时参考。铭牌数据主要包括：电动机型号、电动机额定功率、额定电压、额动机型号、电动机额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流以及励磁方式定电流、额定转速和励磁电流以及励磁方式等，还包括电动机的出厂数据、出厂编号和等，还包括电动机的出厂数据、出厂编号和出

5、厂日期等。出厂日期等。n电动机的产品型号表示电动机的结构和使电动机的产品型号表示电动机的结构和使用特点，国产电动机的型号一般采用大写用特点，国产电动机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：式为：n第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品代号；第二部分字符用阿拉伯数字表示设代号；第二部分字符用阿拉伯数字表示设计序号；第三部分字符是机座代号，用阿计序号；第三部分字符是机座代号，用阿拉伯数字表示；第四部分字符表示电枢铁拉伯数字表示；第四部分字符表示电枢铁芯长度代号，用阿拉伯数字表示。现以芯长度代号，用阿拉伯数字

6、表示。现以Z2-62为例说明如下。为例说明如下。n第一部分字符含义如下。第一部分字符含义如下。nZ系列：一般用途直流电动机；系列：一般用途直流电动机；nZJ系列：精密机床用直流电动机；系列：精密机床用直流电动机；nZQ系列：直流牵引电动机；系列：直流牵引电动机；nZT系列：广调速直流电动机；系列：广调速直流电动机；nZH系列：船用直流电动机；系列：船用直流电动机；nZA系列：防爆安全型直流电动机；系列：防爆安全型直流电动机；nZKJ系列：挖掘机用直流电动机；系列：挖掘机用直流电动机；nZZJ系列：冶金起重直流电动机。系列：冶金起重直流电动机。4.1.2 直流电动机的基本直流电动机的基本原理原理

7、一、转动原理一、转动原理二、电磁转矩二、电磁转矩三、反电动势三、反电动势一、转动原理一、转动原理n图图4-1所示为直流电动机的模型，可用它模所示为直流电动机的模型，可用它模拟其工作原理。拟其工作原理。N和和S是直流电动机的一对是直流电动机的一对固定的主磁极，它的电枢绕组只有一个线圈固定的主磁极，它的电枢绕组只有一个线圈 abcd，线圈，线圈 abcd的两端分别与两个换向片的两端分别与两个换向片相连接。电枢转动时，换向片随之一起旋转。相连接。电枢转动时，换向片随之一起旋转。静止的电刷静止的电刷 A、B放置在换向片上。放置在换向片上。n图图4-1 直流电动机工作原理图直流电动机工作原理图n当直流电

8、压加在电刷两侧时，直流电流通入当直流电压加在电刷两侧时，直流电流通入电枢线圈。若线圈如图电枢线圈。若线圈如图4-1a）所示位置时，）所示位置时，ab 边处于边处于N极下，极下，cd 边在边在S极下。电枢电流极下。电枢电流 Ia经电刷经电刷A 、换向片，在电枢绕组中沿着、换向片，在电枢绕组中沿着 abcd 的方向流动，再经换向片、电的方向流动，再经换向片、电刷刷B 流出。线圈流出。线圈ab 边和边和cd 边在磁场中受到边在磁场中受到电磁力的作用，受力方向可由左手定则确定。电磁力的作用，受力方向可由左手定则确定。可以确定可以确定ab 边受力向左，边受力向左，cd 边受力向右，边受力向右，这一对电磁

9、力形成的电磁转矩，使电枢逆时这一对电磁力形成的电磁转矩，使电枢逆时针方向旋转。针方向旋转。n当电枢自图当电枢自图4-1a）所示的位置转过）所示的位置转过90时，时，两个线圈边都转到磁感应强度两个线圈边都转到磁感应强度B=0的位置，的位置，此时线圈边不受电磁力的作用，转矩消失。此时线圈边不受电磁力的作用，转矩消失。由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个角度，这时线圈度，这时线圈ab 边处于边处于S极下，极下，cd 边在边在N极极下，线圈中电流方向改变了。电枢电流下，线圈中电流方向改变了。电枢电流Ia 经经电刷电刷A 、换向片从线圈的、换向片从线圈的d 端流入，

10、再经线端流入，再经线圈的圈的a 端、换向片、电刷端、换向片、电刷B 流出。这时两个流出。这时两个线圈边受力的方向仍旧使电枢沿逆时针方向线圈边受力的方向仍旧使电枢沿逆时针方向旋转，如图旋转，如图4-1b）所示。）所示。n尽管电刷上外加的电源是直流的，但由于尽管电刷上外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，导致其产生的转矩的方向保流是交流的，导致其产生的转矩的方向保持不变，从而使得电枢能朝着一个方向一持不变，从而使得电枢能朝着一个方向一直旋转下去，通过转轴便可带动其他工作直旋转下去，通过转轴便可带动其他工作机械。机械。二、电磁转

11、矩二、电磁转矩n直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组通入直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组通入直流电流后在磁场中受力而形成的。由电直流电流后在磁场中受力而形成的。由电磁力定律可知，一根载流导线受磁场作用磁力定律可知，一根载流导线受磁场作用产生的平均电磁力为产生的平均电磁力为 F=BIL。n对于给定的电动机，磁感应强度对于给定的电动机，磁感应强度 B与每极磁与每极磁通通 成正比，导体电流成正比，导体电流 I与电枢电流成正比，与电枢电流成正比，而导体在磁场中的有效长度而导体在磁场中的有效长度 L及转子半径等及转子半径等都是固定的，取决于电动机的结构，所以电都是固定的，取决于电动机的结构，所以电磁转矩常用

12、下式表示磁转矩常用下式表示 T =CTIan式中，式中，CT是与电动机结构有关的常数，称为是与电动机结构有关的常数，称为转矩常数，对已制造好的电动机而言，转矩常数，对已制造好的电动机而言，CT是是定值；定值；为每极磁通；为每极磁通；Ia 为电枢电流。为电枢电流。n由式可知，电动机电磁转矩由式可知，电动机电磁转矩T与每极磁通与每极磁通和和电枢电流电枢电流Ia的乘积成正比。电磁转矩的方向的乘积成正比。电磁转矩的方向由由与与Ia的方向决定，只要改变其中一个量的方向决定，只要改变其中一个量的方向，电磁转矩的方向也随之改变，从而的方向，电磁转矩的方向也随之改变，从而电动机的转向也就改变。电动机的转向也就

13、改变。n电动机运行时，由于本身机械摩擦等原因电动机运行时，由于本身机械摩擦等原因产生的阻转矩称为空载损耗转矩，用产生的阻转矩称为空载损耗转矩，用T0表表示。电动机拖动的生产机械的负载转矩用示。电动机拖动的生产机械的负载转矩用TL表示。所以只有当电磁转矩表示。所以只有当电磁转矩T与空载损耗与空载损耗转矩转矩T0和负载转矩和负载转矩TL相平衡时，电动机才相平衡时，电动机才能稳定运行，即能稳定运行，即 T=T0+TLn称为直流电动机的转矩平衡方程式。称为直流电动机的转矩平衡方程式。三、反电动势三、反电动势n当直流电动机转动时，电枢绕组切割磁力线，当直流电动机转动时，电枢绕组切割磁力线，在绕组中产生感

14、应电动势，如图在绕组中产生感应电动势，如图4-1所示，该所示，该电动势的方向与电枢电流的方向相反，因而称电动势的方向与电枢电流的方向相反，因而称为反电动势。根据电磁感应定律，电枢绕组一为反电动势。根据电磁感应定律，电枢绕组一根导线的平均反电动势为根导线的平均反电动势为 eav=Bavlvn电刷间的反电动势电刷间的反电动势E与每根导线中的平均反与每根导线中的平均反电动势电动势eav成正比，线速度成正比，线速度v与电枢的转速与电枢的转速n成正比，所以反电动势常用下式表示：成正比，所以反电动势常用下式表示： E =CEnn式中，式中，CE 是与电动机结构有关的常数，称是与电动机结构有关的常数，称为电

15、动势常数，对已制造好的电机而言，为电动势常数，对已制造好的电机而言， CE是定值。是定值。n由此可见，直流电动机在转动时，反电动势由此可见，直流电动机在转动时，反电动势E的大小与每极磁通的大小与每极磁通和电动机转速和电动机转速n的乘积成的乘积成正比，它的方向与电枢电流相反，所以反电动正比，它的方向与电枢电流相反，所以反电动势在电路中起着限制电流的作用。势在电路中起着限制电流的作用。n根据基尔霍夫定律，在电动机稳定运行时，基根据基尔霍夫定律，在电动机稳定运行时，基于电枢绕组的端电压于电枢绕组的端电压U等于电枢绕组等于电枢绕组Ra的压降的压降 IaRa和反电动势和反电动势R之和，即之和，即 U =

16、E+IaRan称为直流电动机的电压平衡方程式。称为直流电动机的电压平衡方程式。4.1.3 直流电动机的结构直流电动机的结构一、定子一、定子二、转子二、转子n从电动机的基本工作原理知道，电动机的磁从电动机的基本工作原理知道，电动机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，直流极和电枢之间必须有相对运动，因此，直流电动机由固定不动的定子和旋转的转子两部电动机由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。图图4-2是直流电动机结构图。是直流电动机结构图。n图图4-2 直流电动机的结构直流电动机的结构n汽车直流电动机主要包括：直接传动起动汽车直

17、流电动机主要包括：直接传动起动机、减速传动起动机和永磁减速式起动机。机、减速传动起动机和永磁减速式起动机。起动机一般由直流电动机、单向传动机构、起动机一般由直流电动机、单向传动机构、操纵机构操纵机构3部分组成。图部分组成。图4-3为起动机用为起动机用直流电动机结构。一般来讲，工业用直流直流电动机结构。一般来讲，工业用直流电动机的工作电压较高，功率较大；而汽电动机的工作电压较高，功率较大；而汽车用直流电动机多应用于低压、大电流的车用直流电动机多应用于低压、大电流的工作环境，功率相对较小。工作环境，功率相对较小。n图图4-3 起动机用直流电动机结构起动机用直流电动机结构一、定子一、定子n定子的作用

18、是产生磁场和作为电动机机械定子的作用是产生磁场和作为电动机机械支撑。它由主磁极、换向磁极、电刷、机支撑。它由主磁极、换向磁极、电刷、机座、端盖和轴承等组成。图座、端盖和轴承等组成。图4-4是直流电是直流电动机的定子。动机的定子。n图图4-4 直流电动机的定子直流电动机的定子n主磁极的作用是建立主磁场，装在机座的内主磁极的作用是建立主磁场，装在机座的内壁，它由主磁极铁芯和励磁绕组组成。主磁壁，它由主磁极铁芯和励磁绕组组成。主磁极铁芯包括极芯和极掌两部分。极铁芯包括极芯和极掌两部分。n极芯上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一极芯上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电动机的磁极如图般都

19、是串联的。直流电动机的磁极如图4-4所示。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度所示。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。分布最为合适。n一般直流电动机的主磁极通过将直流电流一般直流电动机的主磁极通过将直流电流通入套装在主磁极铁芯上的励磁绕组来建通入套装在主磁极铁芯上的励磁绕组来建立。立。n主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极极交替出现的规律进行。汽车起动机一般采交替出现的规律进行。汽车起动机一般采用用4个磁极，功率较大的也有采用个磁极，功率较大的也有采用6个磁个磁极的。极的。n换向磁极在两

20、个相邻的主磁极之间中性面换向磁极在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。它的内有一个小磁极，这就是换向磁极。它的构造与主磁极相似，是由换向极铁芯和套构造与主磁极相似，是由换向极铁芯和套在铁芯上的换向极绕组构成，并用螺杆固在铁芯上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。定在机座上。n它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。换向磁极的个数一般与主磁极的极数相等，换向磁极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。极的。n换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电换向磁极的作用是产生附加

21、磁场，改善电动机的换向，减小电刷与换向器之间的火动机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧坏。花，不致使换向器烧坏。n主磁极中性面内的磁感应强度本应为零，主磁极中性面内的磁感应强度本应为零，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值，于是使转到中性面内进强度不能为零值，于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，从而行电流换向的绕组产生感应电动势，从而使得电刷与换向器之间产生较大的火花。使得电刷与换向器之间产生较大的火花。n用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，

22、使主用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。与换向器之间的火花。n电刷装置是把外电路的电压、电流引入电枢绕电刷装置是把外电路的电压、电流引入电枢绕组或把电枢绕组中的电动势、电流引到外电路。组或把电枢绕组中的电动势、电流引到外电路。电刷装置主要由用石墨制成导电块的电刷、加电刷装置主要由用石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成，如图压弹簧和刷盒等组成，如图4-5所示。所示。n图图4-5 电刷装置电刷装置n固定在机座上

23、（小容量电动机装在端盖上）固定在机座上（小容量电动机装在端盖上）不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。外电路接通。n电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。线板上，作为电枢绕组的引出端。n机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的

24、接线盒有励磁绕组和电枢绕分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。组的接线端，用来对外接线。n端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体，同时端盖对撑转子，将定转子连为一体，同时端盖对电动机内部还起到防护作用。电动机内部还起到防护作用。二、转子二、转子n直流电动机的转动部分称为转子，又称电直流电动机的转动部分称为转子，又称电枢。它由电枢铁芯、绕组、换向器等组成，枢。它由电枢铁芯、绕组、换向器等组成，如图如图4-6所示。所示。n图图4-6 直流电动机的电枢直流电动机的电枢n电枢铁芯由硅钢片冲制叠压而成，在外圆上电枢铁芯由硅

25、钢片冲制叠压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁芯也作为有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁芯也作为电机磁路的一部分。电机磁路的一部分。n绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁芯槽内和换向片相成，按一定规则嵌放在铁芯槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。向位移。n换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱换向器由许多铜制换向片组

26、成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘，如图形，片与片之间用云母绝缘，如图4-7所示。所示。n图图4-7 直流电动机的换向器直流电动机的换向器4.1.4 直流电动机的励磁直流电动机的励磁方式方式一、他励电动机一、他励电动机二、并励电动机二、并励电动机三、串励电动机三、串励电动机四、复励电动机四、复励电动机n直流电动机的性能与它的励磁方式有密切直流电动机的性能与它的励磁方式有密切的关系，励磁方式不同，电动机的运行特的关系，励磁方式不同，电动机的运行特性有很大差异。性有很大差异。n直流电动机按其励磁绕组和电枢绕组连接直流电动机按其励磁绕组和电枢绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励和方式的不同

27、，可分为他励、并励、串励和复励四类。复励四类。n4种励磁方式接线分别如图种励磁方式接线分别如图4-8所示，其中所示，其中 U表示运行时加在电动机出线端的电源电压，表示运行时加在电动机出线端的电源电压，Ia表示电枢电流，表示电枢电流，If表示励磁电流，表示励磁电流，I为经为经过负载或电源供给电动机的总电流。过负载或电源供给电动机的总电流。n图图4-8 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式 一、他励电动机一、他励电动机n励磁绕组与电枢绕组由不同的直流电源供励磁绕组与电枢绕组由不同的直流电源供电，两者不相连接。励磁电流电，两者不相连接。励磁电流If仅取决于仅取决于他励电源的电动势和励磁电路的总电

28、阻，他励电源的电动势和励磁电路的总电阻，而不受电枢端电压的影响。而不受电枢端电压的影响。二、并励电动机二、并励电动机n这种电动机的励磁绕组和电枢绕组相并联。这种电动机的励磁绕组和电枢绕组相并联。并励电动机的励磁电流并励电动机的励磁电流If不仅与励磁回路的不仅与励磁回路的电阻有关，而且还受电枢端电压的影响。由电阻有关，而且还受电枢端电压的影响。由于励磁绕组承受着电枢两端的全部电压，其于励磁绕组承受着电枢两端的全部电压，其值较高，为了减小励磁绕组的铜损耗，励磁值较高，为了减小励磁绕组的铜损耗，励磁绕组必须具有较大的电阻，所以励磁绕组匝绕组必须具有较大的电阻，所以励磁绕组匝数较多，导线较细。数较多，

29、导线较细。三、串励电动机三、串励电动机n这种电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联。这种电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联。由于通过励磁绕组的电流由于通过励磁绕组的电流If就是电枢电流就是电枢电流Ia，为了减小励磁绕组的电压降和铜损耗，励磁为了减小励磁绕组的电压降和铜损耗，励磁绕组应具有较小的电阻，因此励磁绕组一般绕组应具有较小的电阻，因此励磁绕组一般匝数较少，导线较粗。匝数较少，导线较粗。四、复励电动机四、复励电动机n这种电动机的励磁绕组分成两部分，一部这种电动机的励磁绕组分成两部分，一部分与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一分与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一部分与电枢绕组串联，称为串励绕组。当部分

30、与电枢绕组串联，称为串励绕组。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励电动机；方向相反时则称为差称为积复励电动机；方向相反时则称为差复励电动机。复励电动机。4.1.5 直流电动机的工作直流电动机的工作特性特性n直流电动机是将直流电能转换为机械能输出直流电动机是将直流电能转换为机械能输出的一种旋转机械，因此需要掌握它的转速的一种旋转机械，因此需要掌握它的转速n与输出转矩与输出转矩T之间的关系。当电源电压为额之间的关系。当电源电压为额定值，励磁电路电阻为常数时，电动机的电定值，励磁电路电阻为常数时，电动机的电磁转矩磁转矩T与转速与转速n之间的关系，称为直

31、流电动之间的关系，称为直流电动机的工作特性。下面分析不同励磁方式下直机的工作特性。下面分析不同励磁方式下直流电动机的工作特性。流电动机的工作特性。（1）永磁式：由于磁通保持不变，电枢电流增）永磁式：由于磁通保持不变，电枢电流增大时（电动机负载增加），使电磁转矩增大时，大时（电动机负载增加），使电磁转矩增大时，电动机转速下降并不明显，电动机的这种特性电动机转速下降并不明显，电动机的这种特性称为硬特性。称为硬特性。（2）串励式：当负载转矩增大时，流过电枢的）串励式：当负载转矩增大时，流过电枢的电流增大，使磁极接近饱和，磁通增加较慢，电流增大，使磁极接近饱和，磁通增加较慢，转速随转矩的变化而急剧变化

32、，电动机的这种转速随转矩的变化而急剧变化，电动机的这种特性又称为软特性。轻载时转速高，重载时转特性又称为软特性。轻载时转速高，重载时转速低，对汽车起动发动机十分有利。速低，对汽车起动发动机十分有利。（3）并励式：当负载增加时，转矩随之增加，）并励式：当负载增加时，转矩随之增加，但由于电枢电阻较小，使得电动机转速下降不但由于电枢电阻较小，使得电动机转速下降不显著。显著。（4）他励式：由于流过电枢的电流不变，因此）他励式：由于流过电枢的电流不变，因此产生的磁通也保持不变，其工作特性与永磁式产生的磁通也保持不变，其工作特性与永磁式类似。类似。（5）复励式：工作特性介于串励和并励之间。）复励式：工作特

33、性介于串励和并励之间。n由于一般情况下，并励式直流电动机的励由于一般情况下，并励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组是并联在同一电源上，磁绕组与电枢绕组是并联在同一电源上，当外电压及励磁电阻不变时，每极磁通也当外电压及励磁电阻不变时，每极磁通也基本不变，故永磁式、并励式、他励式直基本不变，故永磁式、并励式、他励式直流电动机转速与转矩的关系基本相同，电流电动机转速与转矩的关系基本相同，电动机转速随转矩的增加而近似按线性规律动机转速随转矩的增加而近似按线性规律下降，但下降很慢，即特性较硬。下降，但下降很慢，即特性较硬。n图图4-9表示的是不同励磁方式下直流电动表示的是不同励磁方式下直流电动机的工作特性

34、。机的工作特性。n图图 4-9 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性4.1.6 直流电动机的起动、直流电动机的起动、制动、反转和调速制动、反转和调速一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动二、直流电动机的制动二、直流电动机的制动三、直流电动机的反转三、直流电动机的反转四、直流电动机的调速四、直流电动机的调速一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动n直流电动机从接通电源开始，转子由静止到直流电动机从接通电源开始，转子由静止到稳定运行的过程称为起动。电动机在起动过稳定运行的过程称为起动。电动机在起动过程中，电枢电流程中，电枢电流Ia、电磁转矩、电磁转矩T、转速、转速n都随都随时间变化。时间变化

35、。n开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为起动电流，用枢电流称为起动电流，用Ist表示；对应的电表示；对应的电磁转矩称为起动转矩，用磁转矩称为起动转矩，用Tst表示。生产机械表示。生产机械对直流电动机起动的基本要求是：起动转矩对直流电动机起动的基本要求是：起动转矩要足够，但不要过大，起动时间要短，起动要足够，但不要过大，起动时间要短，起动电流要小，起动设备要简单、经济、可靠。电流要小，起动设备要简单、经济、可靠。n直流电动机如果把电枢直接接入直流电源起动，直流电动机如果把电枢直接接入直流电源起动，在起动开始瞬间，反电动势（在起动开始瞬间，反电动势

36、（E=CEn）尚未）尚未建立，所以起动电流和起动转矩分别为建立，所以起动电流和起动转矩分别为n在额定电压下起动，由于在额定电压下起动，由于Ra很小，故很小，故Ist非常大，非常大，一般可达额定电流的一般可达额定电流的102倍，起动转矩也很倍，起动转矩也很大。这样大的起动电流在电刷与换向器接触处大。这样大的起动电流在电刷与换向器接触处会产生强烈的火花，易导致换向器损坏。会产生强烈的火花，易导致换向器损坏。n同时，过大的起动转矩将电动机及其拖动的机同时，过大的起动转矩将电动机及其拖动的机械遭受突然的巨大冲击，也会损坏传动机构和械遭受突然的巨大冲击，也会损坏传动机构和生产机械。因此除容量很小的直流电

37、动机外，生产机械。因此除容量很小的直流电动机外，必须设法减小起动电流。必须设法减小起动电流。n由式可知，减小起动电流的方法有两种：由式可知，减小起动电流的方法有两种：降低电枢端电压降低电枢端电压U 和在电枢电路中串联起和在电枢电路中串联起动电阻动电阻Rst 。n降低电枢电压起动，需要有一个可调压的降低电枢电压起动，需要有一个可调压的直流电源专供电枢电路使用。随着转速的直流电源专供电枢电路使用。随着转速的升高其电源电压可逐渐升高到额定值，这升高其电源电压可逐渐升高到额定值，这种方法只适用于他励电动机。种方法只适用于他励电动机。n对于并励、串励和复励电动机，一般都采用对于并励、串励和复励电动机，一

38、般都采用在电枢电路内串联起动电阻在电枢电路内串联起动电阻Rst的方法起动。的方法起动。这时起动电流这时起动电流n起动开始瞬间，将起动电阻放在最大处，随起动开始瞬间，将起动电阻放在最大处，随着电动机转速的上升，逐段将起动电阻切除，着电动机转速的上升，逐段将起动电阻切除，当当Rst=0时起动过程结束。时起动过程结束。二、直流电动机的制动二、直流电动机的制动1.能耗制动能耗制动2.回馈制动回馈制动3.反接制动反接制动n在工业生产过程中，经常需要采取一些措施在工业生产过程中，经常需要采取一些措施使直流电动机尽快停转，或者从较高转速降使直流电动机尽快停转，或者从较高转速降到较低转速运转，这就是电动机的制

39、动问题。到较低转速运转，这就是电动机的制动问题。制动就是施加一个与电动机转向相反的转矩。制动就是施加一个与电动机转向相反的转矩。实现制动有两种方法：机械制动和电气制动。实现制动有两种方法：机械制动和电气制动。常见的直流电机的电气制动类型有能耗制动、常见的直流电机的电气制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。反接制动和回馈制动。n电动机的转矩取决于磁通电动机的转矩取决于磁通与电枢电流与电枢电流Ia的相互作用。故改变电磁转矩的方向从而的相互作用。故改变电磁转矩的方向从而实现直流电动机的制动和反转的方法有两实现直流电动机的制动和反转的方法有两种：一种是改变磁通（即励磁电流）的方种：一种是改变磁通（即

40、励磁电流）的方向；另一种是改变电枢电流的方向。但若向；另一种是改变电枢电流的方向。但若同时改变磁通的方向和电枢电流的方向，同时改变磁通的方向和电枢电流的方向，则直流电动机的转向维持不变。则直流电动机的转向维持不变。1.能耗制动能耗制动n图图4-10是并励电动机的能耗制动电路图。将是并励电动机的能耗制动电路图。将电动机的电枢绕组从电源上切除后，主磁极绕电动机的电枢绕组从电源上切除后，主磁极绕组仍接在电源上，主极磁通组仍接在电源上，主极磁通不变，电动机依不变，电动机依靠惯性继续转动，当开关靠惯性继续转动，当开关S从从1位接到位接到2位时，位时，脱离电源后的电枢绕组被接到制动电阻脱离电源后的电枢绕组

41、被接到制动电阻R上，上，此时电机处于发电状态，将转子动能转化为电此时电机处于发电状态，将转子动能转化为电能消耗在制动电阻上。此时电枢电流与电动机能消耗在制动电阻上。此时电枢电流与电动机状态时的电流方向相反，产生的电磁转矩是制状态时的电流方向相反，产生的电磁转矩是制动转矩，从而使电动机迅速停止转动。动转矩，从而使电动机迅速停止转动。n图图4-10是并励电动机的能耗制动电路图是并励电动机的能耗制动电路图n能耗制动所需制动设备简单，成本低，制能耗制动所需制动设备简单，成本低，制动平稳可靠，但能量白白浪费且制动时间动平稳可靠，但能量白白浪费且制动时间长。对于要求准确停车的系统，采用能耗长。对于要求准确

42、停车的系统，采用能耗制动较为方便制动较为方便2.回馈制动回馈制动n当电动机车下坡或吊上重物下降时，可能出现当电动机车下坡或吊上重物下降时，可能出现电动机转速高于空载转速，此时电动机作发电电动机转速高于空载转速，此时电动机作发电机运行，电动机将机械能转换成电能，反送回机运行，电动机将机械能转换成电能，反送回电网，并产生制动转矩来限制电动机的转速。电网，并产生制动转矩来限制电动机的转速。n回馈制动能将产生的电能回馈到电网中，节能回馈制动能将产生的电能回馈到电网中，节能明显，但只能发生在转速大于理想空载转速的明显，但只能发生在转速大于理想空载转速的情况下，能降低转速但不能制动到停止状态。情况下，能降

43、低转速但不能制动到停止状态。3.反接制动反接制动n改变励磁电流改变励磁电流If的方向或改变电枢电流的方向或改变电枢电流Ia的方向，使电动机得到反向转矩，从而产的方向，使电动机得到反向转矩，从而产生制动作用。在电动机转速降低至零附近生制动作用。在电动机转速降低至零附近时应断开电源，否则电动机将反转。时应断开电源，否则电动机将反转。n图图4-11为他励直流电动机的电枢反接的为他励直流电动机的电枢反接的反接制动电路，制动时使反接制动电路，制动时使S1断开、断开、S2闭闭合，使电枢电源反接的同时串入一个制动合，使电枢电源反接的同时串入一个制动电阻电阻Ra，这时由于，这时由于U反向，电流反向，产反向，电

44、流反向，产生的转矩生的转矩T反向，进入制动状态。反向，进入制动状态。n反接制动所需设备简单，操作简单，制动反接制动所需设备简单，操作简单，制动迅速，但对电网冲击大，需从电网吸收大迅速，但对电网冲击大，需从电网吸收大量电能，制动准确度难控制。适用于要求量电能，制动准确度难控制。适用于要求快速停车的拖动系统，对于要求快速并立快速停车的拖动系统，对于要求快速并立即反转的系统更为理想。即反转的系统更为理想。 n图图4-11 电枢反接的反接制动电路图电枢反接的反接制动电路图三、直流电动机的反转三、直流电动机的反转n电动机的转动方向由电磁转矩方向确定。电动机的转动方向由电磁转矩方向确定。由转矩公式由转矩公

45、式 T=CTIa可知，可以通过改可知，可以通过改变励磁电流方向或改变电枢电流方向来改变励磁电流方向或改变电枢电流方向来改变电动机的转动方向，即实现反转。变电动机的转动方向，即实现反转。n因此改变电动机转向的方法有两种：保持电因此改变电动机转向的方法有两种：保持电枢电压两端极性不变，把励磁绕组反接，使枢电压两端极性不变，把励磁绕组反接，使励磁电流方向改变；保持励磁绕组电流方向励磁电流方向改变；保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使电枢电流方向改不变，把电枢绕组反接，使电枢电流方向改变。如果两电流方向同时改变，电动机的转变。如果两电流方向同时改变，电动机的转动方向将不改变。动方向将不改变。n

46、由于他励和并励电动机励磁绕组匝数较多，电由于他励和并励电动机励磁绕组匝数较多，电感较大，励磁电流从正向额定值变到负向额定感较大，励磁电流从正向额定值变到负向额定值的时间长，反向磁通的建立过程缓慢，而且值的时间长，反向磁通的建立过程缓慢，而且在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大的自感电动势，可能造成绝缘击穿，所以他励的自感电动势，可能造成绝缘击穿，所以他励和并励电动机通常采用改变电枢电流的方向使和并励电动机通常采用改变电枢电流的方向使其反转。其反转。四、直流电动机的调速四、直流电动机的调速n在生产或工作过程中，往往需要根据工艺或在生产或工作过程中，往往

47、需要根据工艺或设备的具体情况调整直流电动机的运行速度。设备的具体情况调整直流电动机的运行速度。通过人为的方法改变电动机的速度，称为调通过人为的方法改变电动机的速度，称为调速。下面以他励电动机为例说明直流电动机速。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。的调速方法。n他励直流电动机的调速有改变电枢电压、改变他励直流电动机的调速有改变电枢电压、改变电枢回路电阻和改变主磁通等电枢回路电阻和改变主磁通等3种调速方法。种调速方法。n一般而言，调压调速的稳定性和平滑性较好，一般而言，调压调速的稳定性和平滑性较好，但只能用于减速；改变电枢回路电阻调速则操但只能用于减速；改变电枢回路电阻调速则操作简单，

48、平滑性较差，也只能用于减速；改变作简单，平滑性较差，也只能用于减速；改变主磁通则只能调高转速且调速范围窄，但速度主磁通则只能调高转速且调速范围窄，但速度变化较平滑，控制方便。变化较平滑，控制方便。n实际应用时电动机的调速往往是将以上几种方实际应用时电动机的调速往往是将以上几种方法结合起来。法结合起来。4.2 三相交流发电机三相交流发电机4.2.1 三相同步发电机的构造三相同步发电机的构造4.2.2 三相同步发电机的工作原理三相同步发电机的工作原理n工业和民用电绝大部分都是由三相电源提供的，工业和民用电绝大部分都是由三相电源提供的，目前三相电源主要是由发电厂利用三相同步发目前三相电源主要是由发电

49、厂利用三相同步发电机发电产生的。我国主要的发电形式有火力电机发电产生的。我国主要的发电形式有火力发电、水力发电和核能发电。汽车作为一种移发电、水力发电和核能发电。汽车作为一种移动的交通工具，无法使用普通的三相电源来提动的交通工具，无法使用普通的三相电源来提供电能，因此汽车就需要有自带的电源系统。供电能，因此汽车就需要有自带的电源系统。汽车电源系统主要由蓄电池、发电机和调节器汽车电源系统主要由蓄电池、发电机和调节器组成。在汽车的电源中发电机是主要电源，蓄组成。在汽车的电源中发电机是主要电源，蓄电池是辅助电源，调节器是在发电机转速变化电池是辅助电源，调节器是在发电机转速变化时自动调节发电机的输出电

50、压并使其保持稳定。时自动调节发电机的输出电压并使其保持稳定。n汽车发电机有直流发电机和交流发电机两种。汽车发电机有直流发电机和交流发电机两种。由于直流发电机换相时存在的干扰现象，现代由于直流发电机换相时存在的干扰现象，现代高速发动机主要采用交流发电机。对汽车电器高速发动机主要采用交流发电机。对汽车电器而言，正常情况下除起动机外，其他用电设备而言，正常情况下除起动机外，其他用电设备的供电主要是由交流发电机完成，并向汽车蓄的供电主要是由交流发电机完成，并向汽车蓄电池充电。由于汽车交流发电机采用二极管整电池充电。由于汽车交流发电机采用二极管整流，将三相交流电整流为直流电，故又称为硅流，将三相交流电整

51、流为直流电，故又称为硅整流发电机。硅整流发电机包括一个三相同步整流发电机。硅整流发电机包括一个三相同步交流发电机和若干个整流二极管。交流发电机和若干个整流二极管。4.2.1 三相同步发电机的三相同步发电机的构造构造n同步电机的结构形式有旋转电枢式和旋转同步电机的结构形式有旋转电枢式和旋转磁极式，旋转电枢式将三相绕组安装在转磁极式，旋转电枢式将三相绕组安装在转子上，磁极装在定子上，旋转磁极式将磁子上，磁极装在定子上，旋转磁极式将磁极装在转子上，三相绕组装在定子上。大极装在转子上，三相绕组装在定子上。大容量的同步电机往往采用旋转磁极式。容量的同步电机往往采用旋转磁极式。n在旋转磁极式同步发电机中，

52、按照磁极的形在旋转磁极式同步发电机中，按照磁极的形状可以分为隐极式转子和凸极式转子两种。状可以分为隐极式转子和凸极式转子两种。隐极式的转子上没有明显凸出的磁极，其气隐极式的转子上没有明显凸出的磁极，其气隙是均匀的，转子成圆柱形的，其外形如图隙是均匀的，转子成圆柱形的，其外形如图4-12a）所示，常用作汽轮发电机的转子。）所示，常用作汽轮发电机的转子。凸极式的转子上有明显凸出的磁极，气隙不凸极式的转子上有明显凸出的磁极，气隙不均匀，其外形如图均匀，其外形如图4-12b）所示，水轮发电）所示，水轮发电机等转速较低的同步电机一般都采用凸极式机等转速较低的同步电机一般都采用凸极式转子。转子。n图图4-

53、12 同步发电机同步发电机n汽车整体式交流发电机零部件组成如图汽车整体式交流发电机零部件组成如图4-13所示，它属于隐极式同步发电机。所示，它属于隐极式同步发电机。n图图4-13 整体式交流发电机零部件整体式交流发电机零部件n同步发电机和其他类型的旋转电机一样，主要同步发电机和其他类型的旋转电机一样，主要由固定的定子和转子两大部分组成。由固定的定子和转子两大部分组成。n定子又称电枢，是发电机的固定部分。定子由定子又称电枢，是发电机的固定部分。定子由定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯和定子绕定子铁芯和定子绕组组成。定子铁芯和定子绕组又称为电枢铁芯和电枢绕组。定子铁芯的内组又称为电枢铁芯和电枢绕组。

54、定子铁芯的内圆周表面有冲槽，用来放置三相对称绕组。绕圆周表面有冲槽，用来放置三相对称绕组。绕组的接法有星形和三角形两种方式，一般采用组的接法有星形和三角形两种方式，一般采用星形连接。如图星形连接。如图4-14所示为定子绕组结构和所示为定子绕组结构和星形连接图。星形连接图。n图图4-14 定子结构与三相绕组的星形连接图定子结构与三相绕组的星形连接图n转子由转子轴、励磁绕组、两块爪形磁极、转子由转子轴、励磁绕组、两块爪形磁极、集电环等组成，如图集电环等组成，如图4-15所示。转子由低所示。转子由低碳钢制成，两块六爪磁极压装在转子轴上，碳钢制成，两块六爪磁极压装在转子轴上，其空腔内装有导磁绕组，励磁

55、绕组的两根引其空腔内装有导磁绕组，励磁绕组的两根引出线分别焊在与轴绝缘的两个压装在轴上的出线分别焊在与轴绝缘的两个压装在轴上的集电环上。集电环上。n图图4-15 转子结构转子结构n集电环与装在后端盖内的两个电刷相接触，两集电环与装在后端盖内的两个电刷相接触，两个电刷通过引线分别接在两个螺钉接线柱上，个电刷通过引线分别接在两个螺钉接线柱上，这两个接线柱即为发电机的这两个接线柱即为发电机的“+”极（电枢）接极（电枢）接线柱和线柱和“-”极（搭铁）接线柱。当这两个接线极（搭铁）接线柱。当这两个接线柱与直流电源相接时，便有电流流过励磁绕组，柱与直流电源相接时，便有电流流过励磁绕组，从而产生磁场。从而产

56、生磁场。n气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，为气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，为0.21mm，气隙层的厚度和形状对发电机内部磁场，气隙层的厚度和形状对发电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。的分布和同步电机的性能有重大影响。 4.2.2 三相同步发电机的工三相同步发电机的工作原理作原理n当蓄电池或发电机作用于磁场绕组两端时，当蓄电池或发电机作用于磁场绕组两端时，磁场绕组就有电流流过，转子的爪极被磁化磁场绕组就有电流流过，转子的爪极被磁化形成一个磁极。当转子被发动机驱动旋转时，形成一个磁极。当转子被发动机驱动旋转时，由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割

57、运动，定子三相绕组切割转子磁极的磁力线，电枢定子三相绕组切割转子磁极的磁力线，电枢绕组中将会感应出频率相同、幅值相等、相绕组中将会感应出频率相同、幅值相等、相位相差位相差120的按周期性变化的三相对称交的按周期性变化的三相对称交变电动势。变电动势。n通过引出线，即可向外提供交流电源。图通过引出线，即可向外提供交流电源。图4-16a）中用）中用U 1U 2、V 1V 2、W 1W 23个在空间错开个在空间错开120分布的线圈代表三相分布的线圈代表三相对称交流绕组。感应电动势输出波形如图对称交流绕组。感应电动势输出波形如图4-16b）所示。）所示。n图图4-16 同步发电机同步发电机n感应电动势可

58、用下列方程式表示：感应电动势可用下列方程式表示：n三相电动势的频率由发电机的磁极数和转速决三相电动势的频率由发电机的磁极数和转速决定：当转子为一对磁极时，转子旋转一周，绕定：当转子为一对磁极时，转子旋转一周，绕组中的感应电动势变化一个周期；当发电机有组中的感应电动势变化一个周期；当发电机有p对磁极时，则转子转过一周，感应电动势变对磁极时，则转子转过一周，感应电动势变化化p个周期。设转子每分钟转速为个周期。设转子每分钟转速为n，则电动势，则电动势的频率的频率f为为n满足式的电机就称为同步电机。满足式的电机就称为同步电机。n我国规定工业交流电的频率为我国规定工业交流电的频率为50Hz，故应，故应用

59、于工业上的同步发电机存在用于工业上的同步发电机存在n要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。值称为同步转速。n由式可得由式可得2极发电机的同步转速为极发电机的同步转速为3000rmin，4极发电机的同步转速为极发电机的同步转速为1500rmin，依此类推。只有运行于同步转速，同步发电机依此类推。只有运行于同步转速，同步发电机才能正常运行，这也是同步发电机名称的由来。才能正常运行，这也是同步发电机名称的由来。n汽车交流发电机的基本结构为定子、转子、整汽车交流发电机的基本结构

60、为定子、转子、整流器和端盖流器和端盖4部分组成。其中整流器的作用是部分组成。其中整流器的作用是将三相定子绕组产生的交流电变为直流电。汽将三相定子绕组产生的交流电变为直流电。汽车交流发电机电路如图车交流发电机电路如图4-17所示。所示。n图图4-17 汽车交流发电机的工作原理汽车交流发电机的工作原理 n汽车用交流发电机与一般工业交流发电机汽车用交流发电机与一般工业交流发电机的主要区别在于它的转速变化范围很大、的主要区别在于它的转速变化范围很大、功率较小，且汽车发电机发出的交流电主功率较小，且汽车发电机发出的交流电主要考虑的是输出电压和电流，对输出频率要考虑的是输出电压和电流，对输出频率没有要求，