汽车电工电子课件 模块5 直流电动机及其应用

模块5直流电动机及其应用项目5.1直流电动机的运行分析

项目5.2直流电动机在汽车中的应用项目5.1直流电动机的运行分析5.1.1直流电动机的结构和工作原理5.1.2直流电动机的机械特性5.1.3直流电动机的运行知识学习一、直流电动机的结构二、直流电动机的工作原理5.1.1直流电动机结构和工作原理

直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成。图5-1所示为直流电动机的结构图。一、直流电动机的结构图5-1直流电动机的结构图

定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。

（1）主磁极

主磁极的作用是产生主磁场。1．定子（2）换向磁极

在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由铁芯和绕组构成。其作用是消除或减小换向时的火花，保护换向器，使电动机可靠安全的运行。（3）机座（4）电刷装置

电刷装置一般由电刷、刷握、引线、电刷弹簧等构成。

直流电动机的转子是电动机实现能量转换的枢纽，所以常称之为电枢。电枢部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。2．电枢（1）电枢铁芯一般由涂有绝缘漆的0.5mm厚的硅钢片冲压后叠压而成。图5-4小型直流电动机电枢冲片和电枢铁芯示意图（2）电枢绕组是产生电磁转矩和感应电动势、实现能量转换的主要部件。图5-4小型直流电动机电枢冲片和电枢铁芯示意图（3）换向器作用：在直流电动机中，换向器将外部的直流电流转换为线圈中的交变电流，以获得方向不变的电磁转矩。

励磁方式是指励磁绕组的供电方式，励磁方式与电动机的性能有密切关系。直流电动机有他励、并励、串励和复励４种励磁方式。3．励磁方式串励直流电动机他励直流电动机复励直流电动机并励直流电动机额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。额定电压UN

:额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）额定电流IN:

额定电压下轴上输出额定功率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）

三者关系：PN=UNIN

（

：效率）4、直流电动机的额定值

直流电动机也是由磁路和电路两个基本部分组成的。它的工作原理仍以电磁力定律和电磁感应定律为基础。二、直流电动机的工作原理图5-6直流电动机的工作原理图电刷和换向片的作用，在转子线圈中流过的电流是交变电流，所以其产生的转矩方向是不变的。图示位置ab边电流cd边电流(a)图a→bc→d(b)图b→ad→c

直流电动机的电磁转矩（Tem）与每极磁通（Φ）和电枢电流（Ia）成正比。Tem=

KTΦIa

式中，KT

—转矩常数，取决于电动机的结构。2．电磁转矩Ea＝KeΦn

式中，Ke

—电动势常数，由电动机本身的结构所决定。1．反电势直流电动机运转时，电枢中的电流为

式中，U

—电枢外加电压；

Ra

—电枢绕组的电阻。U

=

Ea+RaIa

三、直流电动机的电磁转矩和反电动势CT:与电机结构有关的常数2.电磁转矩直流电动机的电磁转矩（Tem）与每极磁通（Φ）和电枢电流（Ia）成正比转矩平衡关系电动机的电磁转矩Tem为驱动转矩。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡。（

T0：

根据实际情况，有时可忽略）Tem=CT

IaT2:机械负载转矩T0:空载转矩

当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程例：设外加电枢电压U一定，T=T2

(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia

)

。T2

n

Ia

Tem

E

Ea=Cen直流电动机的稳定运行状况取决于负载的大小；当负载发生变化时，电动机的转速、电流、转矩都将自动地作相应的变化来达到新的平衡。直流电动机的自适应能力任务5.1.1分析直流电动机运行的自适应能力一、任务目的1．熟悉并励电动机的机械特性。2．熟悉直流电动机电压平衡式和转矩平衡式。3．学会分析并励电动机的自动适应负载变化的能力。二、任务内容某并励电动机带负载TL运行，稳定工作在额定工作点A，现在由于某些外在的扰动，负载稍变大，变为

（

>TL

）。

试分析电动机将如何运行，如果外在的扰动消失，能否回到原来的工作点继续运行（忽略空载转矩）。项目实施三、分析过程一、并励电动机5.1.2直流电动机的机械特性IaUM+_If+_IE当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通

不变，即

=常数。则IaUM+_If+_IE若：n=f(Tem)

特性曲线

并励电动机在负载变化时，转速n

的变化不大—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线n0nNTNn0Tem

n二、串励直流电动机（1）当负载不大时，磁路未饱和，主磁通和电枢电流成正比，故电磁转矩和电枢电流的平方成正比。随着负载转矩增加，电枢电流也随之增加，从而使磁通增加，由上式可知，会引起转速急剧下降。（2）当负载比较大时，由于磁路饱和，随着负载转矩增加，磁通增加减慢，直至磁通基本不变，因此转速随负载转矩增加而下降的速率减慢。串励电动机随负载转矩变化，其转速呈急剧变化的特性称为软特性。安全起见，不能让电动机在空载或低于25%额定负载的情况下运行。串励电动机不应采用皮带传动，以防皮带滑脱或断裂时造成电动机空载而产生飞车现象。一、直流电动机启动和反转二、直流电动机调速三、直流电动机制动5.1.3直流电动机的运行

电动机在启动的瞬间转速n=0，所以此时Ea=0，此时电枢电流称为启动电流（Ist），

为了减小启动电流，对于容量稍大的直流电动机，启动时可降低加在电枢绕组上的电压，或在电枢电路中串联启动变阻器。一、直流电动机启动和反转1.直流电动机启动启动电流可达额定值的10～20倍

降压启动的方法只适用于他励直流电动机。这种方法要求有一个电压可变的直流电源（如可控硅电源）专供电枢使用。启动时，降低电枢电压，待启动后，随着转速的升高逐步升高电枢电压，直到转速达到额定值。1）降压启动2）串联启动变阻器启动电阻通常限制启动电流为额定电流的1.5～2.5倍。改变电动机的旋转方向就是改变电动机电磁转矩方向。电磁转矩的方向是由主磁通方向和电枢电流的方向共同决定的。改变电枢电流或主磁通的方向都能使电磁转矩方向改变。2.直流电动机反转（1）改变电枢绕组电压极性，即改变电枢电流方向；（2）改变励磁绕组电压极性，即改变励磁电流方向。反转方法1)改变电枢电压极性

将励磁绕组两极接线调换，即可改变励磁电压的极性，使励磁电流方向改变，从而使主磁通的方向改变。这种实现反转的方法在实际中一般很少采用。因为改接励磁绕组接线时，励磁电流有可能出现中断，从而引起“飞车”事故。2)改变励磁电压极性

由直流电动机的机械特性方程式可知，当转矩（Tem）不变（负载不变）时，影响电动机转速高低的主要是电枢回路电阻（Ra）、主磁通（Φ）、电源电压（U）3个因素。因此电动机的转速可由下述3种方法调节。二、

直流电动机调速1．改变电枢电路的电阻调速

这种调速方法的特点如下。①只能在额定转速（nN）以下进行调节，简称下调。②由于流过调速电阻（Re）上的电流为电枢电流，其数值较大，故Re上的能量损耗大，不经济。③使电动机的机械特性变软。当负载变动时，电动机的速度变化较大，这对于要求稳速的负载来说是不利的。④电枢电流不受影响，数值保持不变，故这种调速叫作恒转矩调速。⑤调控方法简单，容易实现。

2．改变励磁电流调速(弱磁调速)

这种调速方法的特点如下。①调速平滑，可做到无级调速。②流经调速电阻（Re）的励磁电流较小，故功率损耗小，比较经济。③调速后机械特性变软，运行的稳定性差。④调速范围比较小。⑤只能在额定转速（nN）以上调速，简称上调，也称为弱磁调速。

直流电动机常由单独的可调整流装置供电。调节电源电压就可均匀调速。因为加在电枢上的电压不能超过额定值（UN），所以这种调速方法只能在额定转速（nN）以下作均匀调速。这种调速方法具有调速范围广、平滑性好等优点，但需要专用的直流调压电源。3．降低电源电压n0"n0'电压降低TLn0nT0直流电动机制动包括能耗制动、反接制动和回馈制动。反接制动就是将电枢绕组的电压极性反接，产生制动转矩的制动方法。三、

直流电动机制动一、任务目的1．学会分析与计算电动机直接启动时的参数。2．学会分析与计算电动机电枢电路串联电阻启动时的参数。3．学会分析与计算电动机降压启动时的参数。

任务5.1.2

分析与计算直流电动电动机启动参数项目实施二、任务内容一台他励电动机，额定功率PN＝29kW，额定电压UN＝440V，额定电流IN＝76A，电枢电阻Ra=0.38，

nN=1000r/min，拖动额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。试求：（1）直接启动时的电流及其与额定电流的比值；（2）额定转矩TN；（3）若限制启动电流为2倍额定电流，试计算应在电枢电路中串联的电阻值及启动转矩；（4）若限制启动电流为2倍额定电流，电枢电压应降至多少，启动转矩是多少。三、分析过程项目5.2直流电动机在汽车中

的应用5.2.1汽车用电动机5.2.2汽车电气控制电路分析知识学习一、电动刮水器5.2.1汽车用电动机刮雨器是专门用来清除汽车挡风玻璃上的雨水、雪或灰尘来确保驾驶员良好能见度的装置。采用三刷式永磁电动机。电动刮水器由电动机和一套传动机构组成电刷B3为高低速公用电刷。B1用于低速，B2用于高速，B2与B1相差60°。工作原理1—电枢绕组2—永久磁铁3—整流子4—反电动势永磁式三刷电动机是利用3个电刷来改变正负电刷之间串联的绕组数实现变速的。“L”：一条线圈①⑥⑤串联支路；另一条线圈②③④串联支路，即在B1和B3之间有两条支路，各3个线圈，感应电势方向相同。“H”：一条4个线圈②①⑥⑤串联，另一条两个线圈③④串联。其中线圈②的反电动势与线圈①⑥⑤的反电动势方向相反，互相抵消后，变为只有两个线圈的反电动势与电源电压平衡。

二、电动汽车用电动机简介电动汽车对电机的要求（1）有很好的转矩控制动态性能（2）在恒转矩区运行应满足启动和爬坡的要求，在恒功率区运行应满足高速行驶的要求；

（3）能够在大范围内保持高效率运行，并尽可能地提高其功率密度，实现小型轻量化；

（4）具有较高的可靠性；（5）有4～5倍的过载能力，以满足加速和爬坡需求（6）低噪声，低成本新能源汽车的核心是三电系统—电池、电机、电控。高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统是电动汽车的关键技术之一。。电动汽车电机最早采用的是控制性能优良的有刷电机，随着电机、电力电子、自动控制等技术的不断发展，永磁同步电机、三相感应电机、无刷电机和开关磁阻电机等得到广泛应用，在汽车的动力系统中逐步取代了有刷电机1）低压2）直流额定电压6V、12V、24V，汽油机普遍采用12V电源，柴油机多采用24V。汽车运行中的电压，一般12V系统为14V，24V系统的为28V。蓄电池、交流发电机+整流电路蓄电池静止电动势常在11.5V-13.5V，发电机输出电压常限定在13.8V-15V之间（24V电系28V-30V）。5.2.2汽车电气控制电路分析一、汽车电路特点蓄电池正极线直接与各用电设备连接，蓄电池负极线直接搭在车架金属机件上，用电设备的负极线也就近搭在车架金属机件上，利用发动机和汽车底盘（粱架）的金属体作公共通道。3）负极搭铁4）单线并联（单线搭铁+并联连接）电源到用电设备只用一根导线连接，而用金属机件作为另一根公共回路线的连接方式称为单线制。绝大部分用电设备都是并联在电源上。故当一条支路发生故障时，并不影响其他支路设备的正常工作。举例：常用照明系统电路低压直流负极搭铁单线并联二、继电器结构继电器是具有隔离功能的自动开关元件。它可以用较小的电流来控制较大的电流，从而实现对电路的控制。继电器的输入信号可以是电压、电流等电量，也可以是热、速度、油压等非电量，而输出则都是触点动作，使输出量发生预定的变化。汽车控制电路继电器常用的有电磁式继电器和干簧式继电器，其中，电磁式继电器又可分为接柱式继电器和插接式继电器。1．电磁式继电器作用：用来传递信号和同时控制多个电路，也可直接用来控制电气执行元件。组成：铁芯线圈（电磁铁）和可与电磁铁联动的触点。几种常见插接式继电器的内部结构及插座插脚布置继电器控制显示与报警电路2．干簧式继电器干簧管又称为干式舌簧管，是一种在玻