汽车电工与电子基础（第4版）课件：直流电动机

汽车电工与电子基础（第4版）

直流电动机单元学习目标知识目标：１.简述直流电动机的基本构造２.正确描述直流电动机的基本原理及正确使用方法。能力目标：１.会正确分析直流电动机电路并对一般故障进行排除２.会对直流电动机的电路进行正确连接,实现其起动调速与正反转。直流电动机的结构直流电动机的工作原理直流电动机的分类直流电动机的机械特性1234汽车起动机由三部分组成:传动机构、控制装置、直流电动机。如图６-１、图６-２所示，其直流电动机部分又由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成图６-３是电动机各个部件展开图。图6-1汽车起动机外形

直流电动机的结构图6-1汽车起动机外形

直流电动机的结构图６-2汽车起动机的结构图6-1汽车起动机外形

直流电动机的结构图６-3汽车起动机部件

定子的作用是产生磁场和作为电动机机械支撑。它由磁极、电刷、机座、端盖等组成。磁极的作用是产生电枢转动时所需的磁场，由固定在机壳上的铁芯和励磁绕组组成，如图6-4所示。直流电动机的结构1.1定子图６-4电动机定子电刷装置主要由用碳—石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷架等组成，如图6-5所示。电刷固定在端盖上，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。电刷数一般等于磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。直流电动机的结构1.1定子图６-5电刷装置

机座用铸钢或铸铁制成，用来固定磁极和端盖等，它是电动机磁路的一部分，机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。

端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。直流电动机的结构1.1定子

转子又称电枢，是电动机的旋转部分，它由电枢铁芯、绕组、换向器等组成。如图６-６所示。直流电动机的结构图6-6电动机转子1.2

转子

电枢铁芯由硅钢片叠压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组，铁芯也作为电机磁路的一部分。绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁芯槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。直流电动机的结构1.2

转子

换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘，如图６-７所示。直流电动机的结构图6-7启动电动机的换向器1.2

转子

图６-８表示一台最简单的直流电动机原理图，Ｎ和Ｓ是直流电动机的一对固定的主磁极，它的电枢绕组只有一个线圈ａｂｃｄ，线圈ａｂｃｄ的两端分别与两个换向片相连接，电枢转动时，换向片随之一起旋转，静止的电刷Ａ、Ｂ放置在换向片上。

图６-８直流电动机工作原理图

直流电动机的工作原理２.１转动原理

直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组通入直流电流后在磁场中受力而形成的，由电磁力定律可知，一根载流导线受磁场作用产生的平均电磁力为

直流电动机的工作原理２.２电磁转矩与反电动势

直流电动机的工作原理２.２电磁转矩与反电动势

直流电动机的工作原理２.２电磁转矩与反电动势当直流电动机转动时，电枢绕组切割磁力线，在绕组中产生感应电动势，电动势的方向与电枢电流的方向相反，因而称为反电动势。根据电磁感应定律，电枢绕组一根导线的平均反电动势为

式中:ｖ———导线切割磁力线的线速度。

直流电动机的工作原理２.２电磁转矩与反电动势

直流电动机的工作原理２.２电磁转矩与反电动势

直流电动机的分类３.１他励电动机图６-9他励直流电动机

图6-10并励直流电动机

直流电动机的分类３.２自励电动机

图6-11串励直流电动机

直流电动机的分类３.２自励电动机复励电动机

这种电动机的励磁绕组分成两部分，一部分与电枢绕组并联，称为并励绕组，另一部分与电枢绕组串联，称为串励绕组。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励电动机，方向相反时则称为差复励电动机。如图6-12所示。图6-12复励直流电动机

直流电动机的分类３.２自励电动机

直流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性４.１并励电动机的机械特性

图6-13直流电动机的机械特性

直流电动机的机械特性４.１并励电动机的机械特性

直流电动机的机械特性４.１并励电动机的机械特性

直流电动机的机械特性４.１并励电动机的机械特性

解：额定励磁电流为额定输入功率为则额定电流为

直流电动机的机械特性４.１并励电动机的机械特性额定转矩为所以额定电枢电流为额定运转下的反电动势为

直流电动机的机械特性４.２串励电动机的机械特性

可推出由式(6-9)知,串励电动机在磁路不饱和时的机械特性曲线为双曲线。

直流电动机的机械特性４.２串励电动机的机械特性

对于永磁电动机，也能得到和并励特性相近的机械特性曲线，如图６-１３所示。如果将串励和并励磁场绕组结合起来(复励电动机)，就能得到介于串励和并励之间的转速转矩特性，图6-14是复励电动机机械特性曲线。

由于复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组，所以其工作特性介于并励电动机和串励电动机之间，当并励绕组的磁场起主导作用时，机械特性接近于并励电动机。如图6-14中的曲线１，当串励绕组的磁场起主导作用时，机械特性接近串励电动机，如图6-14中曲线２。

直流电动机的机械特性４.３永磁电动机的机械特性

图6-14复励电动机机械特性曲线

直流电动机的机械特性４.３永磁电动机的机械特性1.启动

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转启动转矩为降低电枢电压启动，需要有一个可调压的直流电源专供电枢电路之用。随着转速的升高使电源电压逐渐升高到额定值，这种方法只适用于他励电动机。

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转解:(１)直接启动电流为其与额定电流的比值为

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转(２)若将启动电流限制为额定电流的２倍，则所以启动电阻为

用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不同的转速，称为调速。直流电动机和交流电动机相比较，虽有许多不足之处，但直流电动机在许多领域内仍被广泛地采用。一方面是因为电子技术的日益发展，能够经济而可靠地获得直流电能，更为重要的是因为它具有极其可贵的调速性能。可以在宽广的范围内进行平滑而经济地调速。根据转速公式

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转２.调速

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转图６-13直流电动机的机械特性

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

图6-15改变电枢电压时的机械特性曲线

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

变电枢电压调速的特点是:(１)电枢电压只能从额定值往下调，因此只能是降速调速。(２)调速时机械特性硬度不变，调速稳定性好，故调速范围宽，最高转速与最低转速比可达１０∶１以上。(３)电能损耗小，效率高。(４)需要专用的调压直流电源，初投资高。改变电枢电压调速多用于调速性能要求较高的设备上，如轧钢机、龙门刨床、造纸机等。

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

图6-16变磁通调速原理的接线

图6-17变磁通Φ时的机械特性曲线

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

改变磁通Φ调速的特点(１)控制方便宜于从低速往高速方向调节。(２)受电动机换向条件和机械强度的限制，调速范围较小。一般调速比只能做到1.5:1或2:1。只有经过特殊设计的电动机变磁调速范围可达4:1以上。(３)因为励磁电流很小，在Ｒｆ上损耗的电能少故调速效率高经济性好。(４)机械特性的硬度变化不大，电动机运行较平稳。在某些重型车床、大型镗床、大型刨床等都采用这种调速方法。

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转

3.反转保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接，使电枢电流方向改变。如果两电流方向同时改变，电动机的转动方向将不改变。由于他励和并励电动机励磁绕组匝数较多，电感较大。励磁电流从正向额定值变到负向额定值的时间长。反向磁通的建立过程缓慢。而且在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大的自感电动势。可能造成绝缘击穿，所以他励和并励电动机通常采用改变电枢电流的方向使其反转。

知识拓展直流电动机的启动、调速和反转（１)绕线式电动刮水器的结构刮水器的作用是用来清除风窗玻璃上的雨水、雪或尘土，以确保驾驶员良好的能见度.有前风窗刮水器和后风窗刮水器之分，因驱动装置的不同。刮水器有真空式、气动式和电动式三种。目前汽车上广泛使用的是电动刮水器电动刮水器由直流电动机和一套传动机构组成，电动机旋转经减速和连动机构的作用变成刮水器摇臂的摆动

实例分析汽车绕线式电动刮水器的变速原理

（２)电动刮水器的变速原理刮水器的变速是利用直流电动机变速原理来实现的，由直流电动机电压平衡方程式可得转速公式为式中:Ｕ———电动机端电压Ｉ———通过电枢绕组的电流Ｒ———电枢绕组的电阻ｋ———常数Ｚ———正、负电刷间串联的绕组(导体)数Φ———磁极磁通

实例分析汽车绕线式电动刮水器的变速原理

在电压U和直流电动机定型的条件下，即Ｉ、R、K均为常数时，当磁极磁通Φ增大时转速n下降。反之则转速上升。若两电刷之间的电枢绕组(导体)数Ｚ增多时转速ｎ也下降。反之则上升，所以刮水器变速是在直流电动机变速的理论基础上采取改变电动机磁极磁通的强弱。或者改变两电刷之间的导体(绕组)数多少来实现的。

采用改变电动机磁极磁通变速的方法。只适合于线绕式直流电动机，线绕式电动刮水器的工作原理见图6-18

实例分析汽车绕线式电动刮水器的变速原理

图６-１８线绕式电动刮水器原理１-串励绕组２-电枢３-并励绕组４-触点５-凸轮６-刮水器开关７-熔断器８-电源开关

实例分析汽车绕线式电动刮水器的变速原理

当刮水器开关在Ｉ挡位置(低速)时，电流由蓄电池正极经电源开关→熔断器→接线柱②→接触片然后分两路:一路通过接线柱③→串励绕组１→电枢２至蓄电池负极形成回路另一路通过接线柱④→并励绕组３至蓄电池负极而形成回路此时在串励绕组ｌ和并励绕组３的共同作用下磁场增强电动机以低速运转。

当刮水器开关在Ⅱ挡位置(高速)时，电流由蓄电池正极经电源开关→熔断器→接线柱②→接触片→接线柱③→串励绕组１→电枢２至蓄电池负极形成回路，此时由于并励绕组３被隔除磁场减弱电动机以高速运转。

实例分析汽车绕线式电动刮水器的变速原理

随着电动机及其相关技术的发展汽车也在不断地追求驾驶舒适性和自动操纵性，微小型直流电动机已成为现代汽车不可缺少的部件有的轿车上已安装了２０个以上微型电动机。可活动的设备无论是作圆周运动或横向摆动或直线移动。一般都有微型电动机作为动力源，例如电动座椅坐垫的位置移动、靠背和头枕角度的变化、后视镜的摆动、照明灯的洗涤、玻璃窗的开启及关闭、电动车门锁的操纵、散热器冷却风扇的转动等其中刮水器电动机的驱动机构是采用蜗杆传动形式，将电动机输出轴转动减速和变向中控门锁的电动机采用齿轮齿条传动形式起到减速并将旋转改变为直线移动电动车窗升降电动机及驱动机构如图6-19所示刮水器电动机与中控门锁电动机如图6-20所示

实例分析永磁式直流电动机在汽车中的其他应用

图6-19电动车窗升降电动机及