汽车电工电子基础-项目四课件

汽车电工电子基础项目四

电动机与发电机汽车电工电子基础项目四电动机与发电机学习目标1.掌握直流电动机的结构、类别和工作原理2.理解直流电动机的启动、调整、转向与制动的方法3.能对常见直流电动机进行检测4.掌握交流发电机的结构、类别和工作原理；5.了解交流发电机的工作特性6.能对交流发电机的整机和零部件进行检测学习目标1.掌握直流电动机的结构、类别和工作原理任务1直流电动机的原理分析与检测直流电动机优点：一是扭矩大；二是工作时间短。直流电动机与交流电动机相比，它具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。直流电动机的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，且维护比较困难。直流电动机在汽车上的应用：如风扇电动机、启动机、风窗玻璃刮水器电动机、风窗玻璃冲洗器电动机、新鲜空气鼓风机电动机、用于车窗、滑动天窗、座椅等伺服电动机等等。任务1直流电动机的原理分析与检测直流电动机优点：直流电动机的一、直流电机的结构：直流电动机由固定不动的定子(主磁极)和旋转的转子(电枢)两部分组成，在这两部分之间有一个极小的空隙。如图4.1a)和b)所示。1.定子定子包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成，如图4.1所示。2.转子直流电动机的转子与其连接部件统称电枢，如图4.1所示。它主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器转轴和风扇等部件组成。一、直流电机的结构：电枢绕组电枢磁扼定子磁扼换向极绕组换向极底脚激磁绕组极身极掌电枢槽电枢齿轴承换向片电刷电枢绕组主磁极机座激磁绕组风扇端盖转轴a）直流电机结构图

b）直流电机剖面图

图4.1直流电机的结构电枢绕组电枢磁扼定子磁扼换向极绕组换向极底脚激磁绕组极身极掌二、直流电动机的分类直流电动机分永磁式和励磁式两种。其中，永磁式是由永久磁铁做成；而励磁式是指磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁式电机根据励磁绕组的接法不同可分为四类。即串励式电动机、并励式电动机、复励式电动机和他励式电动机四种类型，如表4-1所示这四种励磁电动机比较。二、直流电动机的分类直流电动机分永磁式和励磁式两种。其中，永汽车电工电子基础-项目四ppt课件三、直流电动机的工作原理1.直流电动机的工作原理图4-2是直流电动机的工作原理图。电动机工作时，电流通过电刷和换向器流入电枢绕组。如图4.2a）所示，换向片A与正电刷接触，换向片B与负电刷接触，绕组中的电流方向为a→b→c→d，根据通电导体在磁场中受电磁力的原理(左手定则)，绕组ab边、cd边均受到电磁力F的作用，由此产生逆时针方向的电磁转矩M使电枢转动；当电枢转动至换向片A与负电刷接触，换向片B与正电刷接触时，电流改由d→c→b→a(换向器适时地改变了电枢绕组中的电流方向)，如图4.2b）所示，但电磁转矩的方向仍保持不变，使电枢按逆时针方向继续转动。图4.2直流电动机的工作原理图三、直流电动机的工作原理1.直流电动机的工作原理图4.2直流2.直流电动机转矩自动调节原理

直流电动机的电枢在电磁力矩M作用下产生转动的同时，由于绕组在转动时切割磁力线而产生感生电动势，且其方向与电枢电流Is的方向相反，故称反电动势Ef。反电动势Ef与磁极的磁通量Φ和电枢的转速n成正比，即

（4-1）式中Ce为电动机的电机常数。由此可推出电枢回路的电压平衡方程式，即

（4-2）式中：U为加在启动机上的电压。Rs为电枢回路电阻，其中包括电枢绕组的电阻和电剧与换向器的接触电阻。Rj为励磁绕组等效电阻。在直流电动机刚接通电源的瞬间，电枢转速n为零，电枢反电动势也为零。此时，电枢绕组中的电流达到最大值，即

，将相应产生最大电磁转矩Mmax，若此时的电磁转矩大于电动机的阻力短Ms，电枢开始加速转动。随着电枢转速的上升，Ef增大，Is下降，电磁转矩M也就随之下降。当M下降至与Ms相平衡（M＝Ms）时，电枢就以此转速运转。2.直流电动机转矩自动调节原理直流电动机的电如果直流电动机在工作过程中负载发生变化，就会出现如下的变化。工作负载增大时，M＜Ms→n↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Ms，达到新的平衡；工作负载减小时，M＞Ms→n↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Ms，达到新的平衡。可见，当负载变化时，电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要，使之能在新的转速下稳定工作。因此直流电动机具有自动调节转矩功能。如果直流电动机在工作过程中负载发生变化，就会出现如下的变化。四、直流电动机的启动、调整、转向与制动1.直流电动机的启动直流电动机刚接入电源启动时，因为电动机转速等于零，电枢上的反电动势为零，故而外加电压全部加到电枢电阻上，而电枢电阻一般都较小，此时电动机的电枢电流会很大，即启动电流

（4-3）例如，一台直流电动机的额定电压为220V，电枢电阻为0.4Ω，其额定电流为50A，则直接启动时的电流

为550A这样大的启动电流（为额定电流的11倍），会使直流电动机的换向器形成火花而烧坏。因此启动时，必须在电枢电路中串入电阻或降低电源电压，以限制其启动电流，但又要考虑启动转矩不因启动电流减小太多而影响启动能力，一般限制在1.5～2.5倍额定电流。如图4.3所示为并励式直流电动机的启动线路图。启动时将启动变阻器Rst放到最大位置，随着电动机转速的逐渐升高，逐步减小启动变阻器Rst，最后使它短接，而此时磁场变阻Rf调到最小，增加磁通Φ，使电动机的电磁转矩增大，增加启动能力。四、直流电动机的启动、调整、转向与制动1.直流电动机的启动汽车启动机采用串励式直流电动机，即励磁绕组与电枢绕组串联，如图4.4所示。启动时，可使电流达到最大（约100多安培），此时电枢的输出转矩也最大，使汽车很容易启动。而汽车启动机允许短时间超载工作。串励式比并励式直流电动机的启动转矩要大得多。图4.3并励式电动机启动线路

图4.4串励式电动机的线路汽车启动机采用串励式直流电动机，即励磁绕组与电枢绕组串联，如2.直流电动机的调速直流电动机的调速一般有以下三种方法。以并励式直流电动机为例，根据式（4-1）和（4-2）可得到电动机转速为

（4-4）我们可以通过改变Φ、Rs和U来进行调速。（1）改变磁极磁通Φ改变磁通Φ值的大小，可以改变转速n。为此在励磁电路中串接一只磁场变阻Rf，如图4.5所示。如把磁场变阻器阻值增加，则激磁电流减小，磁通也随之减小，电动机的转速升高；反之，磁场变阻器阻值减小，则电动机的转速降低。由于并励式电动机的励磁电流较小，而在调速过程中能量耗损也较小，故而实际使用中应用较广。串励式直流电动机也可采用改变磁通Φ来调速，不过此时磁场变阻Rf必须与激磁绕组并联，如图4.6所示。磁场变阻器阻值减小，通过变阻器的电流增大，而激磁绕组的电流减小，磁通Φ减小，电动机转速升高；反之，则转速降低。以改变磁极磁通Φ来调速，电动机的转速能在其额定转速以上平滑调节。但转速增高受到电枢机械强度的制动，一般不超过额定转速的20％。

2.直流电动机的调速图4.5并励式电动机改变Φ的调速线路

图4.6串励式电动机改变Φ的调速线路图4.5并励式电动机改变Φ的调速线路图4（2）改变电枢电路中的电阻在电枢电路中串联一个可调变阻器Rsc，如图4.7所示。当阻值Rsc增大时，电枢电流Isc减小，则转速降低，反之，Rsc减小时，电动机转速将升高。（3）改变电源电压U由公式（4-4）可知，若保持激磁电路中磁通Φ不变，则改变电动机的直流电源电压U，可以实现平滑调节。但应注意U不能超过额定电压。图4.7电枢电路中串接电阻调速（2）改变电枢电路中的电阻图4.7电枢电路中串接电阻调速3.直流电动机的转向改变直流电动机的转向，由直流电动机的工作原理可知，只要改变其电枢电流方向或者改变励磁电流方向即可。但两者只能取一，通常是采用改变电枢电流方向的方法。因为励磁电路的电感较大，故而反接时会产生很高的感应电动势而击穿励磁绕组。3.直流电动机的转向

4.直流电动机的制动（1）能耗制动a）接线图

b）机械特性图4.9自励式能耗制动a）接线图b）机械特性图4.8他励式能耗制动4.直流电动机的制动a）接线图a）接线图（2）反接制动串励电动机的反接制动也有电压反接制动和倒拉反接制动两种。a）接线图

b）机械特性图4.10串励电动机电压反接制动a）接线图b）机械特性图4.11串励电动机倒拉反接制动（2）反接制动a）接线图a）接线图五、直流电动机的检测方法及种类1.励磁绕组的检查(1)断路故障最常见的断路点是在机壳接线柱与绕组抽头之间的连接导线焊接处、各励磁绕组之间的接线处，在拆检的同时应注意观察。(2)搭铁故障励磁绕组的搭铁故障多因绝缘层击穿或被碰伤所致，可用220V试灯检查，也可用万用表的电阻挡检查，如图4.12所示。(3)短路故障当励磁绕组存在匝间短路时，绕组表面有烧焦痕迹。对于无烧焦痕迹的绕组，可将其放在电枢感应仪上检查，如图4.13所示。图4.13励磁绕组短路检查图4.12励磁绕组搭铁故障检查五、直流电动机的检测方法及种类1.励磁绕组的检查图4.13励2.电枢的检查（1）断路故障首先应查看绕组端头与换向片的焊接点，若有脱焊及焊料熔化流失的痕迹，即可断定此处断路；若发现某换向片烧蚀严重，应注意检查此换向片嵌线槽处是否有焊料熔化痕迹。也可用万用表测量换向器上相邻两个铜条之间的电阻是否为0，如果不是，则表示换向器铜条之间断路，应更换电枢。（2）搭铁故障电枢绕组的搭铁故障可用220V试灯检查。用试灯的一支表笔接电枢铁芯，另一支表笔接换向片，如图4.14所示，若试灯亮说明存在搭铁故障。若接触另一些换向片时灯不亮，则说明同时存在搭铁和断路故障。也可用万用表测量换向器的每个铜条与电枢轴之间的电阻是否为∞，如果不是则表示换向器铜条有短路，应更换电枢。图4.14转子搭铁故障检查2.电枢的检查（1）断路故障首先应查看绕组端头与换向片的焊接（3）匝间短路故障首先应检查各线圈在铁芯两端的槽外部分有无变形及相互接触现象。在校正变形并确认无接触故障后，可将电枢放在电枢感应仪上检验，如图4.15所示。（4）电枢轴弯曲与换向器偏心检查当启动机出现“扫膛”或换向器处出现冒火花等现象时，应按图4.16所示方法检查电枢外圆表面和换向器表面的径向跳动。通常，电枢铁芯外圆表面跳动量不大于0.15mm，换向器表面跳动量不大于0.05mm图4.15电枢绕组短路检查图4.16电枢轴弯曲检查（3）匝间短路故障首先应检查各线圈在铁芯两端的槽外部分有无变任务2汽车交流发电机的拆解与检测发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时（怠速以上），向所有用电设备（启动机除外）供电，同时向蓄电池充电，如图4.17所示。图4.17汽车电源系统电路图任务2汽车交流发电机的拆解与检测发电机是汽车的主要电源，其功一、发电机的分类汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按结总体结构分五类（1）普通交流发电机（2）整体式交流发电机（3）带泵交流发电机（4）无刷交流发电机（5）永磁交流发电机一、发电机的分类汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由2.按整流器结构分四类（1）六管交流发电机（2）八管交流发电机（3）九管交流发电机（4）十一管交流发电机3.按磁场绕组搭铁形式两分类（1）内搭铁型交流发电机（2）外搭铁型交流发电机2.按整流器结构分四类二、交流发电机的结构车用交流发电机多采用三相同步交流发电机，其结构按其类型的不同而异，普通式与整体式的车用交流发电机在结构上大同小异，而与无刷式、永磁式在结构上有较大的差异。1.整体式交流发电机的结构整体式的车用交流发电机的结构如图4.18所示，它主要由定子、转子、电刷、整流器、前后端盖、风扇及带轮等组成。图4.18JF132型交流发电机的解体图1-后端盖2-电刷架3-电刷4-电刷弹簧压盖5-硅二极管6-元件板7-转子8-定子9-前端盖10-风扇11- V带二、交流发电机的结构车用交流发电机多采用三相同步交流发电机，（1）定子总成定子总成是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，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槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组大多数采用“Y”形（星形）连结，也有用“△”形连结的，如图4.19所示。a）星形连接b）三角形联接图4.19定子绕组的联接方式为使三相绕组中产生大小相等、相位差120°（电角度）的对称电动势，三相绕组及其在定子槽内的嵌镶必须遵循一定的原则：①每相绕组的线圈个数、每个线圈的匝数和每个线圈的节距都必须完全相等。②三相绕组的起端A、B、C（或末端X、Y、Z）在定子槽内的排列，必须相隔120°电角度。（1）定子总成定子总成是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，由以国产JF13系列交流发电机为例，其三相绕组绕制见图4.20。一对磁极占6个槽的空间位置（每槽60°电角度），一个磁极占3个槽的空间位置，所以每个线圈两条有效边的位置间隔是3个槽，每相绕组相邻线圈始边之间的距离6个槽，三相绕组的始边的相互间隔可以是2个槽，8个槽，14个槽等。图4.20国产JF13系列交流发电机定子绕组的展开图以国产JF13系列交流发电机为例，其三相绕组绕制见图4.20（2）转子总成转子总成是发电机的励磁部分，它主要由两块爪极、磁场绕组、集电环及轴等组成，如图4.21所示。图4.21交流发电机转子（2）转子总成转子总成是发电机的励磁部分，它主要由两块爪极、图4.22转子磁场的磁力线分布与磁场电路原理a）磁场的磁力线分布b）磁场电路原理1、5--电刷2、4—滑环3—励磁绕组6—点火开关7—蓄电池图4.22转子磁场的磁力线分布与磁场电路原理（3）整流器汽车用硅整流二极管具有工作电流大，反向电压高的特点。其只有一根引线，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。如图4.23所示。图4.24二极管安装示意图a）焊接式b）电路图c）压装图1—正整流板2—负整流板图4.23汽车用二极管的结构将正极管安装在一块铝制散热板上，称为正整流板；将负极管安装另一块铝制散热板上，称为负整流板，也可用发电机后盖代替负整流板。见图4.24。（3）整流器汽车用硅整流二极管具有工作电流大，反向电压高的特在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图4.25。图4.25JF1522A型交流发电机整流器总成a）整流板b）整流器总成1—负整流板2—正整流板3—散热片4—连接螺栓5—正极管6—负极管7—安装孔8—绝缘垫9—电枢接柱安装孔（4）前后端盖前后端盖的作用是支承转子总成并封闭内部构造。它由铝合金制成，具有轻便、阻磁（减少漏磁）、散热性能好等特征。在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。负整流板上（5）电刷与电刷架电刷是通过集电环给励磁绕组提供电流的元件。电刷装在电刷架内，通过弹簧与集电环紧密接触，如图4.26所示。电刷架根据发电机类型的不同，其安装位置也有所不同。有的安装在发电机的后端盖上（外装式），这种结构便于电刷的维护与更换；有的与整流器安装在一起（内装式），维护或更换电刷时，需将发电机后端盖上的防护罩拆下。发电机前端装有带轮，由发动机通过皮带带动。在带轮后面装有风扇，靠风扇的离心作用，给发电机强制通风。前后端盖用3-4个螺栓与定子紧固在一起。图4.26电刷与电刷架（5）电刷与电刷架图4.26电刷与电刷架（6）带轮及风扇交流发电机的前端有带轮由发动机通过风扇传动带驱动发电机旋转，如图4.27a）为奥迪轿车所用的发电机，图4.27b）为丰田轿车发电机。图4.27交流发电机的通风a）单风扇式b）双风扇式1、4—带轮2、5、7—风扇3、6—转子（6）带轮及风扇图4.27交流发电机的通风二、交流发电机工作原理1.交流电动势的产生交流发电机电动势产生的过程如图4.28所示。交流发电机定子的三相绕组按一定的规律排列在发电机的定子槽内，各相相差120°电角度。当将磁场绕组接通直流电源时即被激励，转子的爪极被磁化为数对N极和S极。其磁力线由N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙进入定于铁心，最后又通过气隙回到相邻的S极。当转子旋转时，由于定子绕组与磁力线有相对的切割运动，所以在三相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差120°电角度的正弦电动势eA、eB、eC。图4.28交流发电机工作原理图二、交流发电机工作原理1.交流电动势的产生图4.28交流发电2.交流电动势大小

三相绕组所产生的感应电动势可用下列方程式表示eA＝Emsinωt＝Eφsinωt（4-5）eB＝Emsin(ωt－120°)＝EΦsin(ωt－120°)（4-6）eC＝Emsin(ωt＋120°)＝EΦsin(ωt＋120°)（4-7）式中，Em——相电动势的最大值；EΦ——相电动势的有效值；ω——电角速度（ω＝2πf）。发电机每相绕组所产生的电动势的有效值（单位：V）为EΦ＝4.44KfNΦ

（4-8）式中，K--定子绕组系数，一般小于1；f--感应电动势的频率（单位：Hz）；f＝Pn/60[P为磁极对数，n为转速]；N--每相绕组的匝数；Φ--磁极的磁通（单位：Wb）。由此可见，交流发电机的输出电压与频率、定子绕组的匝数及励磁绕组的磁通量成正比。2.交流电动势大小三相绕组所产生的感应电3.交流电动势波形由此可见，交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形，如图4.29所示。图4.29交流电动势波形图3.交流电动势波形由此可见，交流电动势的幅值是发电机转速的函三、整流和励磁交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电，是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性，当给二极管加上正向电压时，二极管导通，当给二极管加上反向电压时，二极管截止。1.整流以六管构成的三相桥式整流电路为例，当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通，如图4.30所示。每个时刻有2个二极管同时导通，同时导通的两个管子总是将发电机的电压加在负荷的两端，整流器的整流原理详见项目五的相关介绍。图4.30二极管的导通原则三、整流和励磁交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电2.励磁方式与励磁控制形式车用交流发电机励磁电流的控制形式有两种，一种是控制励磁电流的火线，其搭铁可以通过发电机本体直接搭铁，这一种控制方式，我们通常称之为内搭铁(或内搭铁交流发电机)，如图4.31a）所示；另一种控制方式是控制励磁电流的搭铁，而这一种控制方式，我们通常称之为外搭铁(或外搭铁交流发电机)，如图4.31b）所示。a）内搭铁b）外搭铁图4.31车用交流发电机励磁电流的控制形式2.励磁方式与励磁控制形式车用交流发电机励磁电流的控制形式有四、交流发电机的工作特性交流发电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油发动机来说，其转速变化约为1：8，柴油机约为1：5，因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础。交流发电机的特性有输出特性。空载特性和外特性，其中以输出特性最为重要。1．输出特性输出特性是指在发电机端电压U不变（对12V系列的交流发电机规定为14V，对24V系列的交流发电机规定为28V），其输出电流与转速之间的关系，即U=常数时，

的函数关系。图4.32所示为交流发电机的输出特性曲线。图4.32交流发电机的输出特性曲线四、交流发电机的工作特性交流发电机的工作特点是转速变化范围大2．空载特性空载特性是指无负荷时，发电机端电压与转速的变化规律。即

的空载特性曲线，如图4.33所示。从曲线可以看出，随着转速的升高，端电压上升较快。由他励转入自励发电时，即能向蓄电池进行补充充电。这进一步证实了交流发电机低速充电性能好的优点。空载特性是判定交流发电机充电性能是否良好的重要依据。图4.33交流发电机的空载特性曲线2．空载特性空载特性是指无负荷时，发电机端电压与转速的变化规3．外特性外特性是指发电机转速保持一定时，发电机的端电压与输出电流的关系。在经不同恒定转速的试验后，可以绘出一组相似的

外特性曲线，如图4.34所示。图4.34发电机的外特性曲线3．外特性外特性是指发电机转速保持一定时，发电机的端电压与输六、交流发电机的整机检测1.用万用表检测在发电机不解体时，用万用表测量各接线柱间的电阻值，可初步判断发电机是否有故障。其方法是用万用表R×1挡测量发电机F与E之间的电阻值；发电机B与E之间的电阻值。并记录下所测各值，与相应的标准值(几种交流发电机各接柱之间的电阻见表4.2比较：常用交流发电机各接柱之间电阻标准值表4.2六、交流发电机的整机检测1.用万用表检测（1）F与E之间的电阻：若超过规定值，可能是电剧与集电环接触不良；若小于规定值，可能是励磁绕组有匝间短路或搭铁故障；若电阻为零，可能是两个集电环之间有短路或者F接线柱有搭铁故障。（2）B与E之间的电阻值：若示值在40－50Ω以上，可认为无故障；若示值在10Ω左右，说明有失效的整流二极管，需拆检；值为零，则说明有不同极性的二极管击穿，需拆检。若交流发电机有中性抽头（N）接线柱，用万用表R×1挡，测N与E以及N与B之间的正反向电阻值，可进一步判断故障在正极管还是在负极管。交流发电机型号F与E间(Ω)B与E间N与E间正向(Ω)反向(Ω)正向(Ω)反向(Ω)有刷JF11、JFl3、JFl5、JF215～640～50﹥1000010﹥10000JFl2、JF22、JF23、JF2519.5～21无刷JFWl43.5～3.8JFW2815～16（1）F与E之间的电阻：若超过规定值，可能是电剧与集电环接触2.用实验法检测

将发电机按图4.35所示的接线方法装夹在专用试验台上，进行发电机空载试验和负荷试验，测出发电机在空载和满载情况下发出额定电压时对应的最小转速，从而判断发电机的工作是否正常。（1）空载试验合上开关S1，由蓄电池供给发电机励孩电流进行他励，当发电机转速为1000r/min（用转速表测量）时，对12V电系发电机电压应为14V，对24V电系发电机电压应为28V。（2）负荷试验。断开开关S1，发电机转为自励，合上开关S2，调节可调电阻R，在发电机转速为1000r/min时，发电机电压应大于12V或24V；在发电机转速为2500r/min时，电压应达到14V或28V，电流应达到或接近该发电机的额定电流。图4.35交流发电机试验线路图2.用实验法检测将发电机按图4