项目六 汽车电动门窗升降机

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为了提高汽车的舒适性、方便性、安全性，现代汽车普遍采用了电动车窗系统，以实现车窗的电动升降。本项目我们学习直流电动机和步进电动机的基本机构和工作原理，汽车电动门窗升降机的制作，读者通过对以上内容的学习，能够初步理解电动门窗升降功能实现的控制原理，为后续课程打下坚实的基础。11月302学习任务一直流电动机☆学习目标知识目标1.了解电动车窗系统的组成、工作原理2.了解直流电动机定子组件、转子组件结构及作用3.理解直流电动机的工作原理、励磁方式4.理解直流电动机铭牌数据的含义技能目标1.掌握永磁直流电动机正反转控制

2.掌握永磁直流电动机的调速素质目标1.规范课堂6S管理2.养成团队协作的好习惯3.养成独立思考问题的好习惯11月303学习任务一直流电动机学习任务导入现代汽车在点火开关钥匙处于接通的情况下，车内驾驶员或成员只要坐在座椅上就可以轻松的通过操纵车窗旁的控制按钮来实现车窗玻璃的上升和下降。你一定知道车窗玻璃的运动需要某种动力，但是你知道动力是如何产生的么？11月304学习任务一直流电动机学习内容引导引导问题1：如何通过操作电动车窗按钮在实车上实现电动车窗的升降？

电动车窗系统主要由车窗玻璃、车窗玻璃升降器、电动机和控制开关等组成。车窗的动作原理是操作控制开关，电动机产生旋转动力输出，输出的的动力经传动机构车窗玻璃升降器驱动车窗沿着导轨上下往复运动。因电机是双向的，通过开关控制其电流方向，使其正转或反转，以达到车窗玻璃上升和下降的目的。

11月305学习任务一直流电动机电动门窗系统新功能电动车窗的防夹功能：当车窗在上升过程中，当任意位置有物体被夹时，车窗会自动停止上升返回到下死点，以释放被夹物，保护司乘人员的安全。

电动车窗的防盗功能：当车窗未关闭时，驾驶员就离开汽车，监控系统就会发出警报或启动门窗升降器自动关闭门窗。此外，还有驾驶员在车外可以通过遥控钥匙远程控制电动门窗的升降器自动闭合或打开车窗等等。新功能的不断出现，以求汽车的更安全、更舒适、更便利。11月306学习任务一直流电动机

电动车窗主控制开关和分控制开关11月307学习任务一直流电动机车窗玻璃升降机控制按钮11月308学习任务一直流电动机常见车窗玻璃升降器有绳轮式和交臂式两种。

绳轮式升降器

交臂式升降器

11月309学习任务一直流电动机直流电动机是将直流电转化成机械能的装置，通过改变其电枢电流的方向来改变电动机的旋转方向，使车窗玻璃上升或下降

车窗驱动电机11月3010学习任务一直流电动机车窗一般采用玻璃材料，随着时代变迁，车窗玻璃也日新月异。11月3011学习任务一直流电动机引导问题2：直流电动机是如何将电能转化成机械能，实现动力输出，进而控制车窗的运动？1、电磁力定律直流电动机的工作原理是基于电磁力定律，载流导体在磁场中要受到电磁力，在导体与磁场垂直的的情况下，若导体中的电流为i,导体的长度为l，导体所在的磁通密度为B，则电磁力为：式中：f为电磁力，单位为N；B为磁场强度,单位T；i为导体中通过的电流；单位A；l为导体的长度,单位为m。11月3012学习任务一直流电动机2、直流电动机的工作原理11月3013学习任务一直流电动机直流电动机的工作过程11月3014学习任务一直流电动机直流电动机的主要结构包括产生磁场的定子和产生电磁转矩的转子，定子静止不动，转子做旋转运动。按励磁方式不同，直流电动机分永磁式直流电动机和电磁式直流电动机，永磁式直流电动机的磁场由磁性材料提供，电磁式直流电动机磁场由定子励磁线圈通电所形成的励磁磁场提供。

引导问题3：如何制作直流电动机？11月3015学习任务一直流电动机直流电动机在汽车上主要分布在发动机、底盘、车身及附件中起驱动作用，发动机部件上的应用主要是在汽车起动机、电喷控制系统、发动机水箱散热器、发动机涡轮增压器执行机构、废气循环及发动机中；汽车底盘车架上的应用主要是在电子悬架控制系统、电动助力转向装置、汽车稳定性控制系统、汽车巡航控制系统、防抱死控制系统及驱动动力控制系统中；汽车车身部件上的应用主要是在中央门锁装置、电动后视镜、电动升降天线、自动前灯、电动汽车座椅调节器等当中；汽车附件上的应用包括吸尘器、气泵、电动座椅按摩器等。直流电动机在汽车上的分布11月3016学习任务一直流电动机1、永磁式直流电动机的结构电动车窗多采用带减速器的永磁两极直流电动机，它包括定子组件、电枢（转子）组件、碳刷端盖组件、减速箱体组件等几大部件。高档的车窗电机还加上了由霍尔传感器、磁环、温度传感器、微处理器以及相关线路组成的电子模块系统。

1-定子；2-电枢；3-碳刷组件；4-接线柱；5-减速箱体；6-动密封圈7-涡轮；8-输出轴；9-透气膜；10-霍尔元件；11-磁环11月3017学习任务一直流电动机永磁直流电动机结构

11月3018学习任务一直流电动机（1）定子组件定子外壳：主要起支撑作用，外壳成扁平，细长状，且一端又起轴承盖作用，不仅简化了装配，又提高了电机的密封性。外壳一般用1-2mm厚薄钢板经多次拉伸而成。外壳内壁要安装磁体，后端要安装含油轴承组件，前端要连接碳刷、端盖组件。11月3019学习任务一直流电动机磁体：产生励磁磁场，对处在其中的通电导体产生力的作用。类型主要包括铁氧体材料、稀土钕铁硼磁铁，钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大，性能好的电机多选用它作为磁极。为保证磁体装配的牢固、可靠、不致脱落，除采用合适的黏胶工艺外，还在结构上采用“U”形的弹簧卡子，把两磁体强行支撑。

11月3020学习任务一直流电动机（2）转子组件永磁直流电动机的转子是电动机的转动部分，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，它由转子铁芯、转子绕组、换向器、转轴等构成。转子结构

11月3021学习任务一直流电动机转子铁芯：是主磁路的一部分，同时对放置在其上电枢绕组起支撑作用。转子铁芯多用冷轧硅钢片或经氧化膜处理的热轧片叠压而成。转子绕组：是直流电机的电路重要组成部分，作用是产生电磁转矩进行机电能量转换。它由绝缘的漆包线在转子铁芯上有规律绕制而成。换向器：作用是当转子绕组旋转过电流平衡位置时，能自动改变线圈中电流的方向，保证电机能顺时针或逆时针旋转。换向器由换向片和绝缘部分组成。碳刷（电刷）：用于电机的换向器或滑环上，作为电流导入导出的滑动接触体。碳刷是由贵金属（金、银）或石墨做成。转轴：向外输出机械能，起支撑换向器、转子铁芯、端盖、轴承等部件作用，并进行能量传递。一般由优质钢材加工而成。11月3022学习任务一直流电动机2、电磁式直流电动机的结构主要是由定子部分和转子部分组成定子部分主要包括主磁极、机座、换向磁极、碳刷装置和端盖，转子部分主要包括电枢铁芯、励磁绕组、换向器、电动机转轴和轴承等部分。

1-轴承；2-轴；3-电枢绕组；4-换向绕组；5-电枢铁心；6-后端盖；7-刷杆座；8-换向器；9-电刷；10-主磁极；11-机座；12-励磁绕组；13-风扇；14-前端盖11月3023学习任务一直流电动机

电磁式直流电动机的主磁极由主磁极铁芯和绕组构成，为了减少涡流损耗，主磁极铁芯一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成。主磁极上的绕组是用来产生主磁通的，称为励磁绕组，励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁芯上，整个主磁极用螺钉固定在机座上。当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均被磁化为一定极性，依据主磁极个数的不同，形成具有一定数量的Ｎ、Ｓ磁极对。

注：换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。11月3024学习任务一直流电动机3、直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电，如何建立主磁场的问题。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、串励和复励四类。

11月3025学习任务一直流电动机

他励直流电动机:励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电动机称为他励直流电动机。永磁直流电动机也可看他励直流电动机。并励直流电动机：并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联,共用同一电源。串励直流电动机：串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。复励直流电机：复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。11月3026学习任务一直流电动机

引导问题4：如何识读直流电动机铭牌和技术数据？表6-1-1直流电动机铭牌11月3027学习任务一直流电动机型号：型号包含电机的系列、机座号、铁心长度、设计次数、极数等。以Z2—92为例，Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度代号。额定功率：是指直流电动机在正常使用时，轴上允许输出的额定机械功率，一般用KW表示单位。额定电压：是指直流电动机在额定条件下正常运转时，从电刷两端输入给电动机的电压，单位用V表示。额定电流：是指直流电动机在额定电压下输出额定功率时，长期运转允许输入的工作电流，单位用A表示。11月3028学习任务一直流电动机额定转速：是指直流电动机工作在额定电压、电流，输出额定功率时转子的转速，单位用r/min(转/分)表示。直流电动机铭牌通常标有高、低两种转速，低转速是基本转速，高转速是电动机输出的极限转速。励磁方式：分他励、并励、串励和复励四种。励磁电压：是指励磁绕组的供电电压，单位用V表示。励磁电流：是指在励磁电压的条件下，励磁绕组的输入电流，单位用A表示。定额：是指直流电动机的工作方式，一般分连续制、断续制。绝缘等级：是指直流电动机制造时所用绝缘材料的耐热等级，一般分B级、F级、H级、C级。温升：指直流电动机在额定工况下运行时，电机所允许的工作温度减去绕组环境温度的数值，单位用K表示。11月3029学习任务一直流电动机引导问题5：永磁直流电动机如何反转、调速？

1、直流电动机的反转方法1：保持电枢绕组两端电压极性恒定不变，改变励磁绕组电流方向，使电动机反转。方法2：保持励磁绕组电流方向不变，改变电枢绕组电流方向,使电动机反转。注：实际应用中多采用方法2.但对反转速度变化要求不高的大容量的电动机，为了减小控制电器的容量，可采用方法1实现直流电动的反转。11月3030学习任务一直流电动机2、直流电动机的调速方法1：降低电枢电压的降压调速法。降压调速11月3031学习任务一直流电动机方法2：保持电源电压和主磁极磁场不变，通过在电枢回路中串入电阻使电动机降低转速的电枢电阻调速法。电枢电阻调速11月3032学习任务一直流电动机方法3：保持他励直流电动机电枢绕组电压、电枢回路电阻不变，通过减少直流电动机的励磁磁通，提高转速的弱磁调速法。弱磁调速11月3033学习任务一直流电动机引导问题6：怎样设计简单电路同时实现控制电动机正反转和速度调节？●各小组成员制定实施本次实训任务的具体步骤、操作方法，预期效果。步骤内容123411月3034学习任务二步进电动机☆学习目标知识目标1.了解磁阻式步进电动机的结构2.了解步进电动机的主要技术数据3.理解三相磁阻式步进电动的工作原理4.理解步进电动机控制系统技能目标1.掌握简单微机控制系统实现步进电动机的转动方向和转速控制素质目标1.规范课堂6S管理2.养成团队协作的好习惯3.养成独立思考问题的好习惯11月3035学习任务二步进电动机学习任务导入步进电动机是一种特殊的电机，由于它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机、脉冲电动机。步进电动机的发展迅速，尤其是随着计算机技术、微电子技术和数字技术的发展，其应用领域日益广阔，涉及冶金、电力、纺织、电子、化工、医疗、印刷以及航空航天、船舶、汽车等。目前，在汽车上的应用主要有步进电动机全数字仪表、电动车窗、电动车电子油门控制、汽车制动测试系统、汽车步进电动机型怠速控制阀等。步进电动机在我们的生活中应用相当广泛，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，因此要用好步进电动机并非易事。11月3036学习任务二步进电动机学习内容引导引导问题1：步进电动机是如何运转的，它的优势是什么？步进电动机的外形构造

11月3037学习任务二步进电动机步进电动机是一种将电机输入脉冲电流信号转换成角位移或直线位移的机电执行元件。每当脉冲信号施加于电机时，其转轴就转过一个固定的角度，如果脉冲连续，电机则一步一步连续旋转，其角位移或线位移量与输入信号的脉冲数成正比，而转速或线速度也正比于输入信号脉冲的频率，所以通过改变脉冲信号的输入就能方便的控制它的工作状态。同时，有的步进电动机还有自锁能力,当控制脉冲信号停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时,则电动机可以保持在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上,能够实现停车时转子定位。11月3038学习任务二步进电动机步进电动机的优势其一是在负载能力范围内，电压、电流、负载及温度等因素变化并不能影响到电动机的步距值。其二是其步距误差不会长期积累。

其三是控制性能好，起动、制动、转向、调速等运行方式的改变都可以在少数脉冲内完成。

其四是有的步进电动机具有自锁功能。

主要缺点是效率较低并且需要专用电源供给电脉冲信号，带负载惯量的能力不强，在运行中会出现共振和振荡问题。

11月3039学习任务二步进电动机引导问题2：步进电动机的内部结构如何，它是基于什么原理工作的？步进电动机的种类很多，按结构分电磁式、永磁式、混合式、磁阻式、印刷绕组式、直线式、滚切式、机械谐波式、章动传动式、交流感应式等。目前，磁阻式也称反应式步进电动机和混合式步进电动机在国内应用比较普遍。但是，随着市场的变化，近几年直线步进电动机需求量明显呈上升趋势。由于磁阻式步进电动机结构和控制简单，应用广泛。11月3040学习任务二步进电动机1、磁阻式步进电动机的结构磁阻式步进电动机与其他普通电动机一样也分为定子和转子两部分，结构如图所示，它是由磁性转子铁通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生的转动。磁阻式步进电动机的结构形式很多，按定转子铁芯的段数分为单段式和多段式两种。定子和转子结构11月3041学习任务二步进电动机（1）单段式单段式是定转子为一段铁芯，由于各相绕组沿圆周方向均匀排列，所以又称为径向分相式。它是步进电动机中使用最多的一种结构形式，下图所示为三相反应式步进电动机的径向截面图。

三相磁阻式步进电动机结构

11月3042学习任务二步进电动机定转子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极式，磁极的极面上开有小齿。定子上有三套控制绕组，每一套有两个串联的集中控制绕组分别绕在径向相对的两个磁极上。每套绕组叫一相，三相绕组接成星形，所以定子磁极数通常为相数的两倍，即p=2m(p为磁极数，m为相数)。转子上没有绕组，沿圆周也有均匀的小齿，其齿距和定子磁极上小齿的齿距必须相等，而且转子的齿数有一定的限制

11月3043学习任务二步进电动机（2）多段式多段式是定转子铁芯沿电机轴向按相数分成m段，下图表示一个三相多段式步进电动机的结构。

多段式轴向磁路反应式步进电动机

11月3044学习任务二步进电动机这种结构中每相都有自己独立的一套定子和转子，沿着转轴的方向装配在一起。每相定转子铁芯的圆周上都有齿形相近和齿距相同的均匀小齿。定子上的各相绕组的连接使得相邻两磁极极性相反，当绕组通电时，所有的转子齿均与定子齿一一相对。多段式步进电动机定子空间利用率较好，环形控制绕组制作方便。转子可做成细长型以减小转动惯量。步距角可做得较小。

11月3045学习任务二步进电动机2、磁阻式步进电动机的工作原理下图是一台三相反应式步进电动机的原理图。定子铁芯为凸极式，共有六个磁极，两个相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料制成，也是凸极结构，只有两个转子齿。

三相磁阻式步进电动机原理图

11月3046学习任务二步进电动机当A相绕组通电，其余两相均不通电时，根据电磁学原理，便会在AA方向产生磁场，在磁场电磁力的作用下，吸引转子，使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐，如图6.20（a）所示。如A相断电，B相通电，这时新的磁场产生的电磁力又吸引转子齿与定子BB磁极上的齿对齐，如图6.20（b）所示，转子沿顺时针方向旋转60°，步距角等于60°。如果控制线路不停的按照A→B→C→A→的顺序控制步进电动机的绕组通断电，步进电动机的转子便不停的顺时针旋转；若通电顺序改为A→C→B→A→，同理，步进电动机的转子便不停的逆时针旋转。11月30（1）三相单三拍通电方式47学习任务二步进电动机(2)三相双三拍通电方式三相双三拍绕组的通电方式为AB→BC→CA→AB（顺时针旋转）或AB→CA→BC→AB（逆时针旋转）。每拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。

三相双三拍原理图

11月3048学习任务二步进电动机当AB两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置，如图6-1-21（a）所示。若下一拍为BC两相同时通电时则转子按顺时针转过60°到达新的平衡位置如图6-1-21（b）所式，可见双三拍运行时的步距角仍是60°，但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电，例如由AB两相通电变为BC两相通电时B相保持持续通电状态。11月3049学习任务二步进电动机(3)三相单、双六拍通电方式三相单、双六拍绕组的通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A（顺时针）或A→AC→C→CB→B→BA→A（逆时针）即一相通电和两相通电间隔地轮流进行。

三相单、双六拍原理图

11月3050学习任务二步进电动机当由A相通电转变成A和B同时通电时，转子的磁极将同时受A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的合磁场共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，如图6-1-22（b）所示，这时它的步距角等于30°。当由A相和B相同时通电转变成6-1-22（c）所示的只有B相通电时，转子磁极再顺时针旋转30°，其余以此类推，步进电动机顺序循环下去。

11月3051学习任务二步进电动机引导问题3：如何识读步进电动机的技术数据？步距角：是每给一个脉冲信号电机转子所转角度，常见的有0.75°、1.5°、1.8°、3°、3.6°等，如对于步距角为0.75°步进电动机，转一圈所用的脉冲数为n=360/0.75=480个脉冲。精度：是指最大步距误差。步进电动机每转一圈的累积误差是零,所以步进电动机产品样本上一般不给出精度指标。定位转矩：是指绕组不通电时电磁转矩的最大值,或转角不超过一定值时的转矩。通常反应式步进电动机的定位转矩为零,除非具有特殊的产生定位转矩的装置。混合式步进电动机具有一定的定位转矩。11月3052学习任务二步进电动机静转矩：是指不改变控制绕组通电状态,即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内的电流及失调角的函数。对应于某一失调角时,静转矩值最大,称为最大静转矩,它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。动转矩：是指转子转动情况下的最大输出转矩值,它与运行频率有关。当然,对于在一定频率情况下,最大静转矩越大其动转矩也就越大。起动频率：是指电动机空载起动和停止均无失步的最高频率，又称最高起动频率或空载起动频率。运行频率：是指频率连续上升时,电动机不失步运行的最高频率，又称连续频率。11月3053学习任务二步进电动机引导问题4：步进电动机和直流电动机的控制方式是否相似？步进电动机控制系统与普通交、直流电动机控制系统有较大区别，它必须有驱动器、控制器、电源方能驱动步进电动机正常工作，系统框图如图所示

步进电动机控制系统

11月3054学习任务二步进电动机控制器包括信号发生器、缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正反转控制门等，作用是产生脉冲信号并转化为环形脉冲加到驱动器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。驱动器实质上就是脉冲功率放大器，因为从控制器能够输出的电流很小，而步进电动机工作时一般需要几安到几十安的电流。因此，需要进行功率放大。电源供电，提供功率放大时所需能量。该系统较简单，完全是利用一些数字逻辑单元采用纯硬件电路的形式实现步进电动机运行方式控制。但是，随之而来的缺陷是当要想改变系统的控制功能时，整个硬件电路都要重新设计，灵活性明显较差。11月3055学习任务二步进电动机微型计算机为核心步进电动机控制系统却有效的提高系统的灵活性和可靠性，它是利用计算机的软件或软、硬件相结合的方法使系统的功能大大增强。微机控制步进电机系统11月3056学习任务二步进电动机引导问题6：如何利用微机控制系统实现四相步进电动机正反转和调速控制，分别采用双四拍方式、单四拍方式和单双八拍方式？

步骤内容1234●各小组成员制定实施本次实训任务的具体步骤、操作方法，预期效果。11月3057学习任务三汽车电动门窗升降机的制作

☆学习目标知识目标1.了解蓄电池、点火开关、熔断器的基本结构2.理解典型电动门窗的控制原理技能目标1.掌握蓄电池、点火开关、熔断器等检测方法2.掌握典型汽车电动门窗升降机的制作方法3.掌握复杂电路的分析和连接方法素质目标1.规范课堂6S管理2.养成团队协作的好习惯3.