第4章 发动机和发电机

1、第第4章章 电动机与发电机电动机与发电机 4.1 直流电动机直流电动机 4.2 汽车交流发电机汽车交流发电机 4.3 伺服电动机伺服电动机 4.4 步进电动机步进电动机 1 本章要求本章要求: 理解并掌握各种电机的结构和工作原理； 了解直流电动机的分类、机械特性和反转、调 速的方法； 了解汽车交流发电机的励磁方式； 掌握汽车交流发电的型号命名方法； 了解永磁电动机、步进电动机在汽车上的典型 应用。 2 第第4章章 电动机与发电机电动机与发电机 4.1 直流电动机直流电动机 4.1.1 直流电动机的结构直流电动机的结构 3 主要由磁极、电枢和换向器 部分构成 1、磁极磁极 用来在电机中产生磁场用

2、来在电机中产生磁场。 分成铁心和励磁绕组。 励磁式励磁式： 铁心缠上绕组构成 永磁式永磁式： 由永久磁铁组成 2、电枢 铁心呈圆柱状，用硅钢片叠成，表面冲有槽， 放电枢绕组(线圈)。 4 是电机中产生感应电动势的部分。 也包括铁心和绕组(线圈)两大部分。 3、换向器 5 换向器是直流电机的特殊装置，用来改变电流的用来改变电流的 方向方向。 换向器由换向片组成，各片之间用云母绝缘。 换向片在套筒外表面围成一圈，用压圈固定。 换向器装在转轴上。电枢绕组的导线按一定 规则与换向片相连接。换向器的凸起部分是焊接 电枢绕组的。 换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转 动的电枢绕组得以同外电路连接起来。

3、转转 轴轴 6 4.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 1、转动原理转动原理 在直流电机转 动时，换向器起着 非常重要作用，通 过它可以改变电枢 线圈电流方向，保 证了电枢能一直旋 转下去。 7 S N a c d 电刷电刷 I 换向片换向片 U b + I n T F F 电流和磁场相互作用的原理。电枢线圈通入电枢线圈通入 直流电以后直流电以后，在磁极的磁场中受力在磁极的磁场中受力，形成转矩形成转矩， 在其推动在其推动下转动。下转动。 U + E F E d T n S b N F a c I I 换向片换向片 电刷电刷 2、反电动势和电磁转矩反电动势和电磁转矩 （1）反电动势

4、）反电动势 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应 电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电 流的方向相反，故称反电动势。 8 CE:与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数 n:电动机转速电动机转速 :磁通磁通 式中：U 外加电压外加电压 Ra 绕组电阻绕组电阻 + U RaIa M E + 反电动势因方向与电流相反，具有阻碍电流通过的 性质，电枢中的电阻也具有同样的性质。因此,为了维 持电流的不变，外加电压要对他们加以平衡， 于是得到电枢回路电压平衡方程电枢回路电压平衡方程： 9 电枢线圈的总的反电动势 E与电枢转速n及每极磁 通成正比： E E = C n aaEaa U = E + I

5、R = C n+ I R 单单位位: (Wb)，Ia (A) ，T (Nm) 直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组中的电流 在 磁场中受力形成的，因此电磁转矩T与电枢电流 Ia以 及每极磁通有关，常用以下公式表示： （2）电磁转）电磁转 矩矩 10 CT:与电机结构有关的常数，称为转矩常数；与电机结构有关的常数，称为转矩常数； :电机每极的磁通电机每极的磁通 Ia:电枢绕组中的电流。电枢绕组中的电流。 由式可知，电磁转矩T与每极磁通和电枢电流Ia成 正比。 Ta T = C I TL:机械负载转矩 T0:空载转矩 电磁转矩: 电磁转矩的方向由和Ia的方向决定，只要改变其 中一个量的方向，电磁转矩的

6、方向也随之改变,从而电 动机的转向也就改变。 11 Ta T = C I 0T T =T +T 电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。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, 即： 上式称为转矩平衡方程 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。 例：例： 达到新的平衡点(Ia 、 P入 入) 12 转矩平衡过程转矩平衡过程 设外加电枢电压U一定，T=TL(平衡)，此时，若 TL突然增加，则调整过程为 Ia TL nE T E E = C n Ta T = C I a a

7、 U - E I = R 4.1.3 直流电动机的分类与机械特性直流电动机的分类与机械特性 1、分类分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并 励电动机、串励电动机和复励电动机 （1） 他励电动机他励电动机 在电路图中，线圈代 表励磁绕组，圆圈表示 电枢(绕组)。 Ua Uf _ Ia M + _ If + 励磁绕组和电枢绕组相互独立,分别由两个直流 电源供电，因此励磁电流If仅取决于励磁电源的电 压Uf和励磁回路的总电阻，而不受电枢端电压Ua 的影响。 13 （2）并励电动机）并励电动机 Ia U M + _ If + _ I E 励磁绕组和电枢绕组并联， 由一个直流电源供电。因此励 磁

8、电流If不仅与励磁回路的电 阻 有关，而且还受电枢电压U 的 影响。 U + _ Ia M If 励磁绕组与电枢绕组串联接 到同一电源上。由于通过励磁 绕组的电流就是电枢电流，其 值大，为了减小电枢电压降和 铜损，励磁绕组应具有较小的 电阻，因此励磁绕组匝少导粗。 14 （3）串励电动机）串励电动机 励磁绕组分成两部分，与 电枢绕组并联的部分，称为并 励绕组；与电枢绕组的串联的 部分，称为串励绕组。 15 （4）复励电动机）复励电动机 - I M Ia U + 当两部分励磁绕组产生的 磁通相同时，称为积复励电动 机；方向相反时，则称为差复 励电动机。 2、机械特性机械特性 转速转速n与转矩与转

9、矩T的关系的关系 16 并励、串励电动机的机械特性是最基本的特性, 重点讨论 电磁转矩与电枢电流成正比； 起动转矩、起动电流数值小； 转速基本不受负载变化的影响，是一种恒定 转速的电动机。 （1）并励电动机的机械特 它适用于拖动负荷轻、转速变化不大的设备， 如汽 车上的风扇、泵等小型设备。 电磁转矩与电枢电流的平方成正比； 起动转矩、起动电流数值较大； 转速受负载变化的影响大，负载变化时，电 动机转速会快速下降。 串励电动机的机械特性具有以下特点： 它适用于拖动负荷重、转速变化较大的设备， 如汽车上的发动机，手电钻等。 17 （2）串励电动机的机械特性 改变直流电机转向的方法有两种： 4.1.

10、4 直流电动机的反转和调速直流电动机的反转和调速 1、反转反转 18 电磁转矩： Ta T = K I 注意注意：改变转动方向时，改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者 的方向不能同时变。 （1）改变励磁电流方）改变励磁电流方向向：保持电枢电压极性不变， 将励磁绕组反接。 （2）改变电枢电流方）改变电枢电流方向向：保持励磁绕组电流方向 不变，把电枢绕组反接。 19 2、调速调速 可见直流电机调速方法有三种。 （1）电枢回路串联电阻调速）电枢回路串联电阻调速 电能损耗大，效率低； 调速范围窄，最高转速与最低转速比为1.5:1。 这种方法多用于对调速性能要求不高的设备上， 如汽车上的鼓风机、电车等

11、行走机械。 用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不同的转 速 由转速公式: aa E U - I R n = C （2）改变电枢电压调速改变电枢电压调速 20 控制方便，易于从低速往高速方向调节； 调速效率高，经济性好； 电动机运行较平稳； 调速范围窄，一般调速比在1.5或2:1。 在某些大型车床在某些大型车床、镗床、镗床、刨床上都采用这种方刨床上都采用这种方法法。 电能损耗小，效率高； 调速范围宽，最高转速与最低转速比为1:01 改变电枢电压调速多用于对调速性能要求较高的 设备上，如汽车上伺服直流电机，工业上的轧钢机、 龙门刨床、造纸机等。 （3）改变磁通）改变磁通调速调速 4.1.5 永

12、磁式电动机在汽车上的典型应用永磁式电动机在汽车上的典型应用 1、刮水电动机刮水电动机 Ea-电枢反电动势；电枢反电动势； UR-电枢电阻上的总压降电枢电阻上的总压降； Ia-电枢电路总电流；电枢电路总电流； R -电枢总电阻。电枢总电阻。 永久磁极永久磁极 电刷电刷 电枢电枢 21 每个线圈的反电动 势 大小相等、方向 不变。 电枢电压平衡方程电枢电压平衡方程： RR E = C n （1）开关拨到开关拨到L 3 aR E = C n Ra U= I R 3 aRRa U = E +UC n+ I R 永久磁极永久磁极 电枢电枢 电动机低速运行电动机低速运行 电动机高速运行电动机高速运行 可见

13、，通过改变电枢的电动势 就可以使电机输出高低两种不同 的转速。 22 3 a E U - I R n = C 2 aR E = C n Ra U= I R （2）开关拨到开关拨到H 电枢电压平衡方程： 2 aR Ra U = E +U C n+ I R 2 a E U - I R n = C 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。 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。 23 2、鼓风电动

14、机鼓风电动机 (1)开关置低速档开关置低速档 24 (3)当开关置于高速档当开关置于高速档 电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以 低速 运转。 (2)开关置中开关置中速速1或中速或中速2档档 电机串入的电阻数减少，电枢电压升高，以中 速运 转。 蓄电池电压全部加在电机上，所以电动机 以高 速进行运转。可见，通过开关控制通过开关控制电机串入的电阻电机串入的电阻 数即可达到调速的目的数即可达到调速的目的。 4.2 汽车交流发电汽车交流发电 机机 交流发电机是汽车的主要电源,其功用是在发 动机的转速高于怠速转速时，向起动机以外的用 电设备供电，同时还向蓄电池充电。按总体结构 不同,交流发电机可分

15、为普通式和整体式两种。普 通式是指交流发电机和整流器集成在一起组成的 发电机系统，而整体式交流发电机是由交流发电 机、整流器和电压调节器集成在一起组成的发电 机系统。因为二者的基本组成是相同的，因此为 简单起见，以普通式交流发电机为例进行讨论。 25 4.2.1 交流发电机的结构 26 由转子、定子、整流器和整流板（或称元件板、 散热板）、前后端盖、电刷装置、风扇等组成。 1、转子转子 爪极爪极：有两块，每块有6个鸟嘴形磁极，装在转轴上， 爪极间的空腔内装有铁心线圈。 27 是磁极部分，用来在电机中产生磁场，由爪 极、 励磁绕组(磁场绕组)、转轴、滑环等组成。 励磁绕组励磁绕组：绕在铁心上，铁

16、心压装在两块爪极之间的 转轴上。 滑环滑环：由相互绝缘的两个铜环组成，压装在转轴一 端并与转轴绝缘。励磁绕组的两端分别从内侧爪极的 两个小孔中引出，其中一端焊在内侧滑环上，另一端 焊接在外侧滑环上，两个铜环分别与发电机的两个电 刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，励磁绕组便 有电流通过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为N， 另一块为S极，形成6对相互交错的磁极，如右图。 28 是发电机的电枢部分，用来产生感应电动势， 由铁心铁心和三相电枢绕三相电枢绕组组组成。 铁铁心心：环状硅钢片叠成，内圆开槽，放置三相绕组。 三相电枢绕三相电枢绕组组：对称绕组，连成星形并引出4个端子， 三相绕组各引一个，中

17、性点引出一个。 29 2、定子定子 整流器的作用是将电枢绕组产生的三相交流电变 换为直流电，一般由3只正极管和3只负极管组成。 正极管正极管：引出极是正极，管壳为负极，管壳底部一 般涂有红色标记。 30 3、整流器整流器 在负极搭铁的交流发电机中，3只正极管的负极 压装在整流板的座孔内，组成发电机的正极，正极 接 线柱用 “B”（ “+”、“电枢”等字样）标记。 负极管负极管：引出极是负极，管壳为正极，管壳底 部涂有黑色标记。3只负极管的正极压装在后端盖 的座孔内组成发电机的负极，标记为“E”（ “-”）。 31 将三只正极管的正极与三只负极管的负极一一 对应连接，就组成了三相桥式整流电路，如

18、图所 示，它将三相绕组的交流电变换为12伏的直流电。 整流器的工作原理将在第5章介绍。 32 4、端盖与电刷装置端盖与电刷装置 前后端盖前后端盖：一般由铝合金铸成，因为铝合金 为非导磁材料，可减少漏磁，并具有重量轻、散 热性好的优点。在前后端盖的轴承孔内嵌有钢套， 以提高轴承孔的机械强度和耐磨性。 33 电刷装置电刷装置：安装在后端盖上，包括电刷、电刷 架和 电刷弹簧。 电刷装在刷架内，靠弹簧的压力与转子轴上的 滑环保持接触，为发电机的励磁绕组提供电流。 34 4.2.2 交流发电机的工作原理与励磁方式交流发电机的工作原理与励磁方式 1、工作原理工作原理 发电机的转子为磁转子为磁极极，当磁极绕

19、组接通直流 电源时将产生磁场产生磁场。 发电机的定子为电定子为电枢枢，三相电枢绕组在铁心 上彼此相彼此相差差120o。 35 当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，电枢绕当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，电枢绕 组因组因 切割磁力线而产生感应电动势。切割磁力线而产生感应电动势。 可见，三相电动势是对称三相电动势是对称的的。 K 绕组系数；绕组系数； f = pn / 60 电动势频率电动势频率， p为磁极对数为磁极对数， n为发电机转速为发电机转速； N 每相绕组的匝数每相绕组的匝数； 每极磁通。每极磁通。 上式中，（V） 36 ) 1202120sinsin Vm e = Et -Et - )

20、1202120sinsin Wm e= Et +Et + 2sinsin Um e = Et =Et 4.44E =KfN 在结构常数一定时，每相绕组产生的电压、电 动势与转速和磁通量乘积成正比，转速越高、磁通 量越大，电压、电动势也越高，相反，电压、电动 势越小。掌握这一特点，有利于理解发电机的励磁 方式。 由上式可推知 式中 ，称为结构常数结构常数 37 E E = C n 4.44 60 E p C=KN E UE = C n 在忽略电阻压降的情况下，每相的感应电压: 发电机开始发电时，电枢 的三相电压低于蓄电池电压， 整流器的二极管截止，此时励 磁电流由蓄电池提供。当发电 机电压升高到

21、超过蓄电池电压时，二极管导通，此时发电 机一方面向蓄电池充电，另一方面，向磁场绕组提供励磁 电流。所以采用这种方式是由发电机开始发电时电压较低 决定的。 38 发电机励磁回路发电机励磁回路 2、励磁方式励磁方式 是发电机磁场产生的方式 汽车发电机采用从蓄电池汽车发电机采用从蓄电池 励磁变换为自励的方式励磁变换为自励的方式。 4.2.3 交流发电机的型号 根据我国汽车行业推荐标准，交流发电机的型号有 五部分组五部分组成成： 电压等级代号电压等级代号 1位数字 39 电流等级代号电流等级代号 JF 1位拼音 变形代号变形代号：字母 设计序号设计序号： 12位数字 产品代号产品代号：23位拼音字母

22、1、产品代号 JF：交流发电机 JFZ：整体式交流发电机 JFB：带泵交流发电机 JFW：带泵交流发电机 2、电压等级(V) 电流等级电流等级 代号代号 123456789 电流范围电流范围19 2029 3039 4049 5059 6069 7079 8089 90 40 3、电流等级(A) 1：12V、2：24V、6：6V 4、设计序号 按产品设计顺序编出的号码，用12 位数字表示。 Y：右边 Z：左边 无字母无字母：表示在中间位置 从驱动端看 例如：例如：桑塔纳、奥迪轿车用JFZ1913Z型交流发电 机是电压等级为12V、电流等级为大于90A、第13 次设计、调整臂在左边的整体式交流发

23、电机。 41 5、变形代号 交流发电机是以调整臂的位置作为变 形代号。 4.3 伺服电动机伺服电动机 伺服电动机伺服电动机是一种电压控制型电机是一种电压控制型电机。当电压 信号的大小和极性改变时，电动机的转速和转向也 随之改变。 伺服电动机具有可控性好，运行平稳，反应敏 捷、快速等优点，在自动控制系统中获得了广泛使 用。在汽车上在汽车上，伺服电动机常用于发动机的节气门伺服电动机常用于发动机的节气门 开度开度控制控制、自动离合器的离合控制等方、自动离合器的离合控制等方面面。 伺服电动机按电源的性质分为直流和交流两种。 直流伺服电动机在汽车上经常使用，因此本节重点 讨论直流机的结构和工作原理。 4

24、2 4.3.1 传统直流伺服电动机传统直流伺服电动机 传统直流伺服电动机的结构、工作原理与一般直 流电动机基本相同，但也有自身特点。 结构上结构上:直流伺服电动机的体积较小，为了减少动惯 量，电枢做得细长一些。 工作原理上工作原理上:直流伺服电动机采用电枢控制方式即 把控制电压加在电枢绕组上而励磁电压保持恒定。 传统直流伺服机分为： 永磁式永磁式：结构决定无法用磁场励磁 他励式他励式：损耗大，电枢的响应慢 不足不足：换向时引起的火花会产生电磁干扰，且电刷与 换向片要定期清理和维护，影响了电动机的可靠性。 43 4.3.2 新型无刷直流电动机新型无刷直流电动机 电动电动 机机 位置传感器位置传感

25、器 电子开关电子开关 1、结构结构 三相定子绕组的首端 A、B、C相连 接电源的 正极 ， 末端X、Y、Z通过3个 开关a、b、c 接电源负 极。 位置传感器用于检测 转子位置并控制开关状 态。 44 2、工作原理工作原理 假定转子在假定转子在 当前位置上当前位置上 开关开关a闭合闭合 A相通入电流形相通入电流形成成N极极,转转 子逆时针转动子逆时针转动120o 位置传感器检测到转子位置位置传感器检测到转子位置 变化后断开变化后断开a后接通后接通c开关开关 C 相 通相 通 入 电 流入 电 流 形 成形 成 N 极 ， 转极 ， 转 子 逆 时子 逆 时 针 再 转针 再 转 120o 在位

26、置传感器的在位置传感器的 控制下，三相绕控制下，三相绕 组按组按ACB 顺顺序依次通电而序依次通电而 在定子上产生一在定子上产生一 个逆时针磁场个逆时针磁场， 驱动转子旋转驱动转子旋转。 45 因为电源反接后因为电源反接后，开关按照，开关按照 abc顺序闭合后，顺序闭合后，则定子则定子 从从A相开始依次出相开始依次出现现S极极，形，形 成顺时针磁场成顺时针磁场，在在其作用其作用下下 转子顺时针转动转子顺时针转动 46 假设转子逆时针转动为反向，顺时针为正向，由由反转变反转变 正转只要改变电源的极性即可。正转只要改变电源的极性即可。 因为反转变正转非常简便因为反转变正转非常简便， 故伺服电机常用于汽车自故伺服电机常用于汽车自 动离合器的控制动离合器的控制。 4.4 步进电动机步进电动机 步进电动机是一种脉冲控制型电机。控制脉冲 频率越高电机转速越快，改变控制脉冲输入顺序则 电机的转向也随之改变。 每输入一个电脉冲步进电动机所转过的角度称 为步进角(步距角)。它的大小取决于电机的结构， 当结构一定时，步进角是一个定值，所以步进电机 的角度移动或直线移动的精确度极高。又因为其调 速范围大，起动、反转及制动控制灵活等优点，从 而在数字控