汽车电工电子技术 课件 模块六-电动机与发电机

汽车电工电子技术Contents模块一汽车电子电路基础模块二直流电路模块三交流电路模块四磁场与电磁感应Contents模块五二极管与三极管模块六电动机与发电机模块七脉冲数字电路模块八新能源汽车电力电子关键技术学习目标模块一汽车电子电路基础

知识目标1.掌握直流电动机、交流电动机及汽车交流发电机的结构与工作原理；2.了解直流电动机类型、交流电动机分类及汽车交流发电机的应用场景；3.掌握汽车交流发电机的励磁、发电、整流、稳压工作流程。技能目标1.能进行直流电动机、交流电动机及汽车交流发电机的拆装与部件检测；能使用万用表测量电动机绕组电阻和绝缘性能；能使用万用表检测发电机各部件的性能参数。素养目标1.通过在操作中遵守安全规范，养成正确使用工具和保护设备的意识；2.通过完成电动机与发电机的检测、拆装任务，培养团队协作精神；3.通过故障排查训练，培养科学精神。模块六

电动机与发电机单元1直流电动机单元2交流电动机单元3交流发电机任务场景在现代汽车中，直流电动机是许多关键系统的核心驱动部件。例如，电动车窗的升降、电动座椅的调节、雨刮器的运转，甚至新能源汽车的辅助设备都依赖直流电动机提供动力。它的高效、可控性及广泛适用性使其成为汽车电气系统中不可或缺的一部分。然而，直流电动机的结构复杂，若维护不当可能导致设备损坏或功能失效。本单元任务，我们将深入探索直流电动机的工作原理与维护方法，掌握其核心技术与实践技能。学习导入单元1直流电动机定义直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机，通过在磁场中旋转的转子与相邻的磁极产生旋转切割磁感线来实现运动。核心结构定子总成（磁极铁芯、励磁绕组）转子总成（电枢铁芯、电枢绕组、电枢轴、换向器）电刷装置（电刷、电刷架）外壳及散热风扇图6-1直流电动机结构一、直流电动机的结构单元1直流电动机1.功能定子总成又称磁极，是电机的固定部分，作用是产生转子转动时所需的磁场。2.组成固定在机壳上的4个磁极铁芯缠绕在铁芯上的磁场绕组图6-2定子总成定子总成一、直流电动机的结构单元1直流电动机3.绕组连接方式四个绕组互相串联两两串联后并联特点：励磁绕组与电源线相通，与定子外壳之间则绝缘。定子总成图6-3磁场绕组的连接方式a）励磁绕组串联b）励磁绕组两两串联后并联一、直流电动机的结构单元1直流电动机1.功能转子总成又称电枢总成，作用是产生电磁转矩。2.组成电枢铁芯：由绝缘硅钢片叠装，表面开槽安装绕组电枢绕组：绝缘铜线制成，产生感应电动势和电磁转矩，实现电能到机械能转换，与铁芯绝缘换向器：与电刷配合完成电流方向转换，由换向片加云母绝缘组成电枢轴：支撑转子旋转图6-4转子总成一、直流电动机的结构单元1直流电动机转子总成1.功能电刷及电刷架的作用是将电流引入电动机，使电枢产生连续转动，一般有4个电刷。2.组成绝缘电刷：正极电刷连接电源正极，与电动机外壳绝缘搭铁电刷：负极电刷连接电源负极，通过与端盖铆合搭铁图6-5电刷与电刷架一、直流电动机的结构单元1直流电动机电刷与电刷架1.功能主要用来安装定子磁极与磁极连通，与励磁绕组绝缘2.其它部件：端盖：支撑转子、保护内部结构散热风扇：降低电机运行温度，延长使用寿命一、直流电动机的结构单元1直流电动机外壳及其它部件1.核心原理利用磁场的相互作用将电能转化成机械能。2.工作过程换向片A与正电刷接触，换向片B与负电刷接触，线圈电流方向a→d，左手定则判断线圈受力逆时针转动；线圈转过半周，换向片B与正电刷接触，换向片A与负电刷接触，线圈电流方向变为d→a，受力仍保持逆时针转动；电源持续供电时，线圈持续按同一方向转动。图6-6直流电动机的工作原理图a）线圈中电流方向a→db）线圈中电流方向d→a二、直流电动机工作原理单元1直流电动机直流电动机中产生磁场的方式有两种：一种是永久磁铁磁场，在一些微电机中使用；另一种是电磁铁磁场，是由励磁绕组通入电流产生的，称为励磁磁场，一般电动机都采用这种励磁形式。根据不同的励磁方式，直流电动机可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机。三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机1.励磁方式永久磁铁产生磁场，无需外部励磁电流，多用于微电机。2.核心特点结构简单：无励磁绕组和换向极，体积小、质量轻。效率高：省去励磁损耗，能量转换效率可达80%以上。成本低：适合大批量生产，且维护需求低（无电刷磨损以外的励磁系统维护）。调速方便：通过改变电源电压即可实现转速调节。三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机永磁式直流电动机1.他励直流电动机励磁绕组与电枢绕组由不同的直流电源供电，两者不相连接。图6-7他励直流电动机三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机他励式并励式串励式复励式电磁式直流电动机2.并励直流电动机励磁绕组与电枢绕组并联，共用一个电源，电枢电压即是励磁电压。图6-8并励直流电动机三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机他励式并励式串励式复励式电磁式直流电动机53.串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联，共用一个电源，电枢电流即是励磁电流。图6-9串励直流电动机三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机他励式并励式串励式复励式电磁式直流电动机4.复励直流电动机励磁绕组分为两部分，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。图6-10复励直流电动机三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机他励式并励式串励式复励式电磁式直流电动机类型励磁方式特点特性典型汽车应用永磁式永久磁铁结构简单、体积小、效率高，易失磁电动车窗、刮水器、电动后视镜、座椅调节、鼓风机电机他励式励磁绕组独立供电负载过小易飞车汽车上较少使用并励式并联励磁绕组转速稳定，起动转矩小减速型电动机（刮水器、电动车窗）串励式串联励磁绕组起动转矩大，转速随负载变化大，禁止空载起动大多数直接驱动式起动机复励式串并联混合励磁高起动性能+转速稳定大功率起动机（货车、客车）三、直流电动机励磁方式及应用单元1直流电动机不同励磁方式的直流电动机的特点及在汽车上的应用四、技能训练单元1直流电动机技能训练1：拆装与检测直流电动机按规范拆装直流电动机；检测电动机的组成部件工作性能；培养安全规范操作意识和团队协作能力。能够正确使用工具进行电动机拆卸和安装；能熟练运用万用表对各部件进行性能检测；能准确分析零部件的检测结果，判断是否需要维修或更换；通过完成训练任务，提升沟通协作能力。1.任务说明2.任务目标四、技能训练单元1直流电动机技能训练1：拆装与检测直流电动机汽车直流电动机（起动机）3台；实训台3套；万用表3套；常用工具：扳手、套筒、螺丝刀、钳子、拉马、卡簧钳等各3套。（1）安全防护学员必须穿戴好工作服、工作帽、安全鞋和防护手套，长发须束起；操作前检查工具和设备的安全性，确保其性能良好；使用电气设备时，应遵守安全用电规范，防止触电事故。（2）操作规范严格按照拆装规范流程进行操作，不得擅自更改步骤；拆卸过程中，对零部件进行分类存放并做好标识，避免混淆和丢失；使用专用工具进行操作，禁止暴力拆装，防止损坏零部件；拆卸下来的螺栓、螺母等小零件应放入零件盒中，避免掉落地面。3.任务准备4.安全及注意事项四、技能训练单元1直流电动机技能训练1：拆装与检测直流电动机（3）设备维护操作完毕后，及时清理工具和设备，保持实训场地整洁;对拆卸下来的零部件进行清洁和防锈处理，妥善保管。4.安全及注意事项直流电动机拆装(以起动机为例)；电动机检测。5.任务实施（技能训练册）模块六

电动机与发电机单元1直流电动机单元2交流电动机单元3交流发电机任务场景在现代汽车的电气系统里，交流电动机扮演着至关重要的角色。例如，汽车的冷却风扇电机、空调压缩机电机、新能源汽车的驱动电机等，都依赖交流电动机来实现动力输出。与直流电动机不同，交流电动机无需换向器和电刷装置，这大大降低了机械磨损，提高了运行的可靠性和使用寿命。然而，交流电动机的工作原理与直流电动机有较大差异，其磁场的产生和能量转换过程更为复杂。本单元将深入探讨汽车交流电动机的结构、工作原理、检测方法及实际应用，帮助读者掌握其核心知识与操作技能。学习导入单元2交流电动机定子总成交流电动机的固定部分，作用是产生旋转磁场。转子总成交流电动机的旋转部分，在旋转磁场作用下产生电磁转矩带动负载。端盖及轴承支撑转子、保护内部部件。图6-11交流电动机结构一、交流电动机的结构单元2交流电动机定子铁心由相互绝缘的硅钢片叠压而成，提供磁路，减少涡流损耗。定子绕组由绝缘导线绕制，分为U、V、W三相绕组，空间相隔120°，通入三相交流电后产生旋转磁场。机座固定和支撑定子铁芯，用铸铁或铸铝制成。图6-12定子总成与定子绕组一、交流电动机的结构单元2交流电动机定子总成结构转子槽内的导电条+两端导电环，形状像笼子。特点结构简单、制造方便、运行可靠，是汽车交流电动机最常用类型。应用传统燃油车冷却风扇、电动水泵、空调压缩机等。图6-13笼型转子一、交流电动机的结构单元2交流电动机笼型转子绕线型转子定子总成1.笼型转子图6-14绕线型转子电动机一、交流电动机的结构单元2交流电动机笼型转子绕线型转子定子总成2.绕线型转子结构三相绕组与定子绕组相似，星形连接，三根引出线接到转轴的三个集电环，通过电刷与外部电路相连。特点可通过外接电阻改善起动性能和调速性能，结构复杂、成本高。应用汽车中应用较少，仅少量特种车辆使用。1.端盖主要起到支撑和保护电机内部部件的作用；通常采用铝合金材质，散热好、防漏磁。2.轴承用于支撑转子，保证转子能够灵活转动；分为滚动轴承和滑动轴承，汽车交流电机多采用密封式滚动轴承。3.装配关系定子固定在机座内↓转子通过轴承安装在定子内孔中↓端盖安装在机座两端封装部件一、交流电动机的结构单元2交流电动机端盖及轴承1.核心基础基于电磁感应定律和电磁力定律。2.旋转磁场的产生三相定子绕组接入三相交流电（U、V、W相电流相位差120°），在定子内部产生旋转磁场，转速称为同步转速，用n₀表示。图6-15旋转磁场产生原理二、交流电动机工作原理单元2交流电动机二、交流电动机工作原理单元2交流电动机3.异步电动机工作原理旋转磁场切割转子导体，产生感应电动势，与磁场相互作用产生电磁转矩驱动转子旋转，转子转速略低于同步转速，因此称为异步电动机。4.同步电动机工作原理永磁同步电机转子自带永磁体，旋转磁场“拖动”转子同步旋转（转速=旋转磁场转速），无转差率，效率更高。类型特点特性典型汽车应用笼式异步电动机结构简单、成本低、运行可靠、维护方便、效率略低（85%~90%）传统燃油车冷却风扇、电动水泵、空调压缩机、鼓风机电机等；部分低端电动车辅助电机绕线式异步电动机转子绕组外接电阻，可调节起动转矩；结构复杂、维护成本高已逐步被永磁同步电机替代，仅少量应用于特种车辆永磁同步电动机转速恒定，与电源频率保持严格的同步关系，调速性能较好，结构复杂、成本较高、需要直流励磁电源纯电动车主驱动电机（如特斯拉Model3、比亚迪汉）；插混车发电/驱动一体电机三、交流电动机分类及汽车应用单元2交流电动机模块六

电动机与发电机单元1直流电动机单元2交流电动机单元3交流发电机任务场景在汽车电气系统中，交流发电机是核心电源设备，它通过发动机驱动皮带转动，将机械能转化为电能，既为车灯、空调、ECU等用电设备供电，又为蓄电池充电，确保车辆熄火后仍能起动。汽车交流发电机具有体积小、重量轻、发电效率高（高速时可达90%以上）、输出电压稳定等优势，已成为现代汽车的标准配置。本单元将从结构到原理，从检测到维护，全面掌握汽车交流发电机的核心技术，为后续汽车电路故障诊断打下基础。学习导入单元3交流发电机汽车的主要电源，发动机正常运转时，向所有用电设备（起动机除外）供电，同时给蓄电池充电。一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机图6-16发电机安装位置图6-17蓄电池充电电路发电机作用汽车用发电机为硅整流交流发电机，包括一个三相同步交流发电机和用硅二极管组成的整流器。主要组成转子总成定子总成整流器电压调节器端盖及电刷组件图6-18交流发电机结构一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构转子是发电机的旋转部分，作用是产生旋转磁场。典型结构为爪极式。转子轴：支撑结构，传递动力励磁绕组：通入直流电产生磁场两块爪极：6对或8对，交错排列形成N极和S极集电环（滑环）：两个彼此绝缘的铜环，与轴绝缘，分别连接励磁绕组两端，通过电刷引入励磁电流图6-19交流发电机转子结构1-集电环；2-转子轴；3-爪极；4-转子铁芯；5-磁场绕组图一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构1.转子总成转子工作原理当两个集电环通过电刷通入直流电时，励磁绕组中就有电流通过，并产生轴向磁通，使爪极一块被磁化为N极，另一块被磁化为S极，当转子转动时，就形成了旋转的磁场。图6-20磁场电路原理1、5-电刷；2、4-集电环；3-励磁绕组；6-点火开关；7-蓄电池一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构1.转子总成定子是发电机的固定部分，核心作用是产生感应电动势。定子铁芯：由硅钢片叠压而成，减少涡流损耗，内圆周开有均匀槽，用于嵌放定子绕组。定子绕组：定子绕组在转子产生的旋转磁场作用下，感应并输出三相正弦交流电动势。三相绕组采用星形接法或三角形接法。图6-21交流发电机定子总成发电机结构2.定子总成一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机定子绕组星形接法：将每相绕组的末端接在一起形成一个中性点，从中性点引出一个端子，再从每相的始端各引出一个端子，共引出4个端子。星形接法的发电机低速充电性能好，被桑塔纳、奥迪等大多数轿车的发电机采用。三角形接法：将三相绕组的始、末端依次相连接，再从三个连接点引出3个端子，适用于大功率发电机，被神龙富康、北京切诺基等车的发电机采用。图6-22三相绕组的接法a）星形接法b）三角形接法三相绕组空间互差120°，感应产生频率相同、幅值相等、相位互差120°的三相电动势一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构2.定子总成整流器作用是将三相同步交流发电机产生的三相交流电变成直流电输出。6只硅二极管：3个正极管、3个负极管，组成三相桥式全波整流电路正、负整流板：固定二极管，散热工作原理:利用二极管的单向导电性实现交直流转换导通原则:正极管：某一瞬间正极电位最高者导通负极管：某一瞬间负极电位最低者导通图6-23交流发电机整流器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-正二极管；6-负二极管；7-安装孔；8-绝缘垫；9-电枢接柱安装孔一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构3.整流器发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持稳定（一般为13.5~14.5V），防止电压过高烧坏用电设备、导致蓄电池过充，或电压过低导致用电设备工作异常、蓄电池充电不足。调压原理：通过控制励磁电流通断的占空比，调节磁场强度，实现输出电压稳定转速升高：减小励磁电流，减弱磁场，降低电压转速降低：增大励磁电流，增强磁场，升高电压图6-24交流发电机电压调节器一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构4.电压调节器调压过程(外搭铁式晶体管电压调节器)(1)他励阶段闭合点火开关，发动机未起动，蓄电池供电，VS稳压管截止→VT1截止→VT2导通，励磁电流由蓄电池提供。励磁电路：蓄电池正极→发电机磁场绕组→调节器磁场接线柱F→VT2→搭铁→发电机负极。一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构4.电压调节器图6-25他励状态下电流回路调压过程(外搭铁式晶体管电压调节器)(2)自励阶段发动机起动，发电机转速>1000r/min，发电机输出电压低于调节电压，VS、VT1仍截止，VT2导通，励磁电流由发电机自身提供励磁电路：发电机正极→发电机磁场绕组→调节器磁场接线柱F→VT2→搭铁→发电机负极。一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构4.电压调节器图6-26自励状态下电流回路调压过程(外搭铁式晶体管电压调节器)(3)调压阶段输出电压达到调节上限，VS反向击穿→VT1导通→VT2截止，励磁电流下降，发电机电压降低。(4)电压回落电压回落至调节下限，VS截止→VT1截止→VT2导通，励磁电流增大，发电机电压回升。一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构4.电压调节器循环往复，输出电压稳定在13.5~14.5V区间图6-27调节电压上限时电流回路（1）端盖分前端盖和后端盖，支撑转子、定子、整流器和电刷组件铝合金铸造，防漏磁、散热性能好（2）电刷组件安装在后端盖上，由电刷、电刷架和电刷弹簧组成电刷由铜粉和石墨粉压装而成，通过弹簧压力与集电环紧密接触，将电源引入励磁绕组图6-28端盖及电刷组件一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机结构5.端盖及电刷组件核心基础基于电磁感应原理产生交流电。完整工作流程分为“励磁→发电→整流→稳压”(1)励磁阶段（起动时）发动机未起动时，蓄电池通过点火开关向励磁绕组供电，产生初始磁场（他励）；发动机起动后，发电机转速升高（>1000r/min），定子绕组开始发电，转为自励。图6-29电磁感应原理一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机励磁阶段发电阶段整流阶段稳压阶段交流发电机工作原理(2)发电阶段（电磁感应）发动机通过皮带驱动转子旋转，爪极形成的旋转磁场切割定子绕组，根据法拉第电磁感应定律，定子三相绕组中产生三相交流电。图6-30交流发电机电路及波形图b）交流发电机输出波形a）交流发电机电路1-定子铁芯；2-定子绕组；3-转子；4-励磁绕组；5-整流二极管；6-电刷一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机励磁阶段发电阶段整流阶段稳压阶段交流发电机工作原理(3)整流阶段（交直转换）整流器利用二极管的单向导电性将三相交流电转换为直流电，再通过蓄电池的滤波作用，输出平稳的直流电。图6-31交流发电机整流原理a）整流电路图b）整流后发电机输出一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机励磁阶段发电阶段整流阶段稳压阶段交流发电机工作原理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。通过由二极管组成的整流器将定子绕组产生的交流电变为直流电。正极管导通原则：整流器的3只正极管（VD1、VD3、VD5）的正极分别接在定子绕组的始端（U、V、W），负极连接在一起。3只正极管导通原则是在某一瞬间正极电位最高者导通。负极管导通原则：整流器的3只负极管（VD2、VD4、VD6）的负极分别接在定子绕组的始端（U、V、W），它们的正极连接在一起。3只负极管的导通原则是在某一瞬间负极电位最低者导通。图6-32整流过程示意图一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机励磁阶段发电阶段整流阶段稳压阶段交流发电机工作原理(4)稳压阶段（电压调节）：电压调节器实时监测输出电压，通过控制励磁电流通断占空比，确保发电机在800~6000r/min转速范围内，输出电压稳定在13.5~14.5V。一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机励磁阶段发电阶段整流阶段稳压阶段交流发电机工作原理类型特点普通交流发电机使用时需配装电压调节器的发电机，例JF132。整体式交流发电机发电机和调节器制成一个整体的发电机。带泵交流发电机和汽车制动系统用真空助力泵安装在一起的发电机，例JFZB292。无刷交流发电机不需要电刷的发电机，例JFW1913。永磁交流发电机磁极为永磁铁制成的发电机。类型特点内搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）直接搭铁（和壳体相联）外搭铁型交流发电机磁场绕组的一端（负极）接入调节器，通过调节器后再搭铁一、汽车交流发电机认知单元3交流发电机发电机分类1.按照总体结构分类2.按照磁场绕组搭铁形式分类1.产品代号产品代号由中文字母表示，例：JF-普通交流发电机；JFZ-整体式（调节器内置）交流发电机；JFB-带泵的交流发电机；JFW-无刷交流发电机。2.电压等级代号电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，例：1-12V系统；2-24V系统；3-3V系统；4-4V系统；5-5V系统；6-6V系统。3.电流等级代号电流等级代号用一位阿拉伯数字表示。图6-33交流发电机型号组