汽车电工电子基础第7章 直流电机和

第7章直流电机和交流发电机

7.1直流电机

7.1.1直流电机的工作原理

1．电磁感应与右手定则从物理学中可知，在一个均匀磁场中，当放置一根有效长度为的导体，作垂直切割磁力线运动时，则在导体上产生感应电动势。这种由于导体切割磁力线而在导体上感应电动势的现象，称为电磁感应。其电动势的大小，取决于单位时间内切割磁力线的多少，按法拉第电磁感应定律来计算，有２．交流电动势到直流电动势的变换３．直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理是基于电磁力定律，若磁场与导体互相垂直，且导体中通以电流，则作用于载流导体上的电磁力为7.1.2直流电动机结构直流电机可作为电动机运行，也可作为发电机运行。不管是电动机还是发电机其结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子。小型直流电动机的结构如图7.6所示，其剖面图见图7.7所示。

1.定子部分

2.转子部分

3.铭牌数据及主要系列图7.7小型直流电机的剖面图

7.1.3直流电机的电枢电势与电磁转矩直流电机的电枢，就是指电刷间的电势，可用下式表示；

式中，——每个磁极的磁通（Wb）；

——电枢转速(r/min)，是取决于电机结构的常数。在直流电机中当电枢绕组内有电流通过时，此电流将与磁场相互作用，使电枢上每根导体受到电磁力的作用，此电磁力在电机转轴上产生电磁转矩。直流电机的电磁转矩可用下式表示：式中，——电磁转矩（Ｎ·m）；

——每个磁极的磁通（Wb）；

——电枢电流（Ａ）；

——是取决于电机结构的常数7.1.4并励直流电动机的运行直流电动机和发电机一样，按其励磁绕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。图7.14为并励电动机的电路图，其励磁绕组与电枢并联接到直流电源，故图7.14并励电动机的接线图

7.4.1.1起动与反转当直流电动机起动的瞬间，电枢转速，因而电枢反电势，如以额定电压直接引至电枢两端，则将产生很大的起动电流，起动时的电枢电流为起动电流一般取为额定电流的1.5～2.5倍，如果要改变直流电动机的旋转方向，必须改变其电磁转矩的作用方向，根据左手定则，很容易看出，改变电枢电流的方向。或者改变励磁绕组内电流的方向，均可以使电机反转。在现代化的工矿企业中，由于自动化程度的提高，直流电动机的起动和反转也与其它电动机一样，都是自动控制的。7.4.1.2机械特性当电动机带动生产机械进行工作时，随着机械负载的变化，电动机的转速要发生变化，这个变化的规律可用机械特性来表示，如图7.15所示，当及均为常数时，转速与转矩的关系曲线，称为机械特性曲线。因为电枢电势及,故电动机的转速为图7.15并励电动机的机械特性同时考虑到电磁转矩，代入上式则得到7.4.1.3调速直流电动机的最大优点就是可以在很广的范围内平滑而经济地调节转速。根据直流电动机的转速公式,当在电枢电路中串有外加电阻`时，转速的表达式为

n=

由上式可知，有三种方法来调节转速：

(1)改变每极的磁通量。

(2)改变串联于电枢电路的电阻（是用于调速的，称为调速变阻器，是按电动机长期负载时的额定电流而设计的）。

(3)改变电源电压（仅可用于他励电动机，并且必须在专用的可变直流电源时才能采用）。7.4.1.4制动直流电动机和异步电动机一样，在要求其迅速停止，或者必须限制其旋转速度时，可以用下列各种电气制动方法。现在讨论并励电动机各种制动方式的工作原理。假设电动机在正常运行时的接线图和电枢中电流、电势及轴上电磁转矩的方向如图7.18所示。

7.18并励电动机正常工作时的情况

1．能耗制动图

2．反接制动

3．发电机反馈制动7.2三相交流发电机

7.2.1三相交流同步发电机的工作原理

同步电机是相对异步电机而言的，同步电机的特点是转子的转速n与频率f之间具有固定不变的关系，即，或，转速称为同步转速。同步电机主要作发电机，亦可作为电动机或补偿机。1-定子铁心2-定子绕组3-磁极图7.22同步电机运行原理图图7.22可以用来说明同步发电机工作原理，定子结构与一般异步电机相似，铁心迭片开槽，并装上定子三相绕组。电机转子上装了磁极，每个磁极上均套上一个励磁线圈，并把它们按一定规律联接起来，称为励磁绕组。励磁绕组通入直流电，产生磁场，当原动机拖动电机转子旋转时，磁场与定子绕组有相对运动，会在定子绕组感应出交流电势，即定子三相绕组会产生三相交流电势。7.2.2三相交流同步发电机的结构汽车用交流发电机是由一个三相同步交流发电机及用硅二极管组成的整流器所组成，图7.23所示为国产JF型系列硅整流发电机的结构图。图7.23硅整流发电机结构图7.2.2.1三相同步交流发电机三相同步交流发电机由转子总成、定子总成、传动带轮、风扇、前后端盖及电刷等部件组成。

1．转子转子由转子轴、励磁绕组、两块爪形磁极、集电环等组成。

2．定子定子由定子铁心和定子绕组组成，定子铁心由相互绝缘的内圆带嵌线槽的圆环状硅钢片迭成。

3．前后端盖前后端盖用非导磁性材料铝合金制成，漏磁少，并具有轻便、散热性好等优点。

4．电刷与电刷架两只电刷装在电刷架的方孔内，利用弹簧的压力使其与集电环保持良好的接触。

5．风扇

6．传动带轮7．2．2．2整流器整流器的作用是把三相同步交流发电机产生的三相交流电变成直流电输出，它一般用六个硅二极管接成三相桥式全波整流电路。

1．正极管

2．负极管有些发电机为了提高中性点电压，提高发电机输出功率，增加了二只二极管对中性点电压进行整流，并汇入发电机的输出端。同时具备上述两种功能的发电机整流器共有11只硅二极管，图7.28为几种不同发电机整流器。图7.28具有中性点和磁场二极管的整流器7.2.3交流发电机的工作原理及特性

7．2．3．1交流发电机的工作原理

1．三相交流电动势的产生当外加直流电压作用在励磁绕组两端点的接线柱之间时，励磁绕组中便有电流通过，产生轴向磁场，两块爪形磁极被磁化，形成了六对相间排列的磁极。磁极的磁力线经过转子与定子之间的气隙、定子铁心形成闭合磁路。转子旋转时，励磁绕组所产生的磁场也随之转动，形成旋转磁场。

2．整流原理和过程在交流发电机中，整流器是利用硅二极管的单相导电性能进行整流的。

3．交流发电机的励磁方式交流发电机发电时，需由蓄电池供给励磁电流，此时为他励。当发电机电压达到蓄电池电压时，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。7．2．3．2交流发电机的工作特性交流发电机的工作特性是指发电机经整流后输出的直流电压、电流和转速之间的关系，包括输出特性、空载特性和外特性。其中输出特性最为重要。