项目5 直流电动机及其应用.ppt

1、项目5直流电动机及其应用,项目5直流电动机及其应用,学习目标,学习目标,直流电动机是电动机的主要类型之一，直流电动机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。用作直流发电机，直流发电机将机械能转化为直流电能；而作为直流电动机，直流电动机将直流电能转化为机械能，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用；还可做作励磁机，一般小于10万千瓦即100MW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机；用作信号传递，直流测速发电机将机械信号转换为电信号，直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。,直流电动机,任务提出,任务分析,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机

2、的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.1直流电动机的结构,直流电动机都是由固定的定子和旋转的转子(又称电枢)两大部分组成，如图5-1所示，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件。,图5-1直流电动机的结构装配图,任务5.1直流电动机的结构,5.1.1定子部分,定子的主要部件有主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。,5.1.1.1主磁极,主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁芯和套装在铁芯上的励磁绕组构成，如图5-2

3、所示。主磁极铁芯靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。,图5-2主磁极结构,5.1.1.2机座,5.1.1.3换向极,换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，如图5-3所示，它的作用是改善直流电动机的换向情况，使电动机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁芯和套在铁芯上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。,图5-3换向极结构,5.1.1.4端盖,5.1.1.5电刷装置,电刷装置是电枢电路的引出(或引入)装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成，如图5-4所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷

4、握内用弹簧以一定的压力安放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。,图5-4四极直流电动机的电刷布置,5.1.2转子部分,直流电动机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承和风扇等，如图5-5所示。,图5-5直流电动机的转子,5.1.2转子部分,5.1.2.1电枢铁芯,电枢铁芯既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁芯的槽内。为减少电枢铁芯内的涡流损耗，铁芯一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如图5-6所示。小型电动机的电枢铁芯冲片直接压装在轴上，大型电动机的电枢铁芯冲片先压

5、装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。,图5-6直流电枢的铁芯模型,5.1.2.2电枢绕组,电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电动机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。 线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁芯槽内，上下层以及线圈与电枢铁芯之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧，如图5-7所示。大型电动机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。,图5-7电枢线圈导体在槽内的布置,5.1.2.3换向器,在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器

6、是直流电动机的关键部件之一。 换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图5-8所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电动机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。,图5-8换向器,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.2直流电动机的工作原理,如图5-9所示是直流电动机的原理图。直流电

7、动机工作时接于直流电源上，如A刷接电源正极，B刷接电源负极。电流从A刷流入，经线圈abcd，由B刷流出。如图5-10所示的瞬间，在N极下的导线ab中电流是由a到b；在S极下的导线cd中电流方向由c到d。根据电磁力定律知道，载流导体在磁场中要受力，其方向可由左手定则判定，其大小为 =Bx Li,图5-9直流电动机原理图,任务5.2直流电动机的工作原理,导线ab 受力的方向向左，导线cd 受力的方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为逆时针方向，电磁转矩使电枢逆时针方向旋转。 当线圈转过180，换向片2转至与A刷接触，换向片1转至与B刷接触。电流由正极经换向片2流入，导线dc中电流由d流向c，

8、导线ba中电流由b流向a，由换向片1经B刷流回负极。导线中的电流方向改变了，导线所在磁场的极性也改变了，电磁力及电磁力对转轴所形成的电磁转矩的方向未变，仍为逆时针方向，这样可使电动机沿一个方向连续旋转下去。 通过换向装置，使每一极面下的导体中的电流方向始终不变，因而产生单方向的电磁转矩，电枢向一个方向旋转，这就是直流电动机的基本工作原理。,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.3直流电动机的励

9、磁方式和磁场,5.3.1励磁方式,直流电动机中有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式称为励磁方式，不同励磁方式的直流电动机，其特性有很大的差异，故选择励磁方式是选择直流电动机的重要依据。 直流电动机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励4类，如图5-10所示。,图5-10直流电动机按励磁方式,5.3.1励磁方式,励磁绕组与电枢绕组串联，如图5-10(c)所示。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的启动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速，串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动机常用于要求

10、很大启动转矩且转速允许有较大变化的负载等。,电动机至少有两个绕组励磁，其中之一是串励绕组，其他为他励(或并励)绕组，如图5-10(d)所示。通常他励(或并励)绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。,5.3.1励磁方式,若串励绕组和他励(或并励)绕组的磁势方向相同，称为积复励；该型电动机多用于要求启动转矩较大，转速变化不大的负载；由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励(或他励)绕组的磁势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于启动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中；这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系统中

11、。 直流电动机各类绕组接线后，其引出线的端头要加以标记，各绕组线端的符号见表5-1。,表5-1直流电动机各绕组线端的符号,5.3.2直流电动机的磁场,5.3.2.1电枢磁场,直流电动机空载时，电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电动机的气隙磁场完全由励磁绕组的电流所产生。 直流电动机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场。 电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电流的分布情况有关。在直流电动机中，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位置有关。,5.3.2.2电枢反应,直流电动机带上负载运行后，电枢里有电流

12、流 过，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场的 出现有可能对主极磁场产生影响， 这种影响称为电枢反应。,5.3.2.3直流电动机的电枢电动势,电枢绕组中的感应电动势称为电枢电动势。电枢电动势是指直流电动机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每个支路里的感应电动势。 直流电动机运行时，其电枢中产生电磁转矩和感应电动势。,5.3.2.3直流电动机的电枢电动势,每条支路所含的元件数是相等的，而每个支路里的元件都是分布在同极性下的不同位置上。这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势。再乘以一个支路里总的导体数，就是电枢电动势。 一根导体中的感应电动势可通过电磁感应定律求得，其表达式

13、为 式中Bav一个主磁极下的平均气隙磁通密度。 Bav与每极磁通的关系为 由此导出,5.3.2.3直流电动机的电枢电动势,线速度可以表示为 将式(5-3)和式(5-4)代入式(5-1)中可得每根导体的电动势为 每条支路中的感应电动势为 式中 电动势常数， ，当电动机做好后仅与电动机结构有关，N为电枢导体总数。 磁通的单位为Wb，转速的单位为r/min，感应电动势的单位为V。,5.3.3直流电动机的额定值,每台电动机机座上都有一块铭牌，上面标有型号和一些数据，作为用户合理选择和正确使用电动机的依据，表5-2为一直流电动机铭牌。,表5-2直流电动机的铭牌,5.3.3.1电动机的额定值,(1) 额定

14、功率PN它指在额定运行状态下，发电机向负载输出的电功率PN=UNIN，或指电动机轴上输出的机械功率PN=UNINN。单位为W或kW。 (2) 额定电压UN它指在额定运行状态下，发电机允许输出的最高电压或加在电动机电枢两端的电源电压，单位为V。 (3) 额定电流IN它指电动机按规定的方式运行时，电枢绕组允许流过的最大安全电流，单位为A。 (4) 额定转速nN在额定运行状态时电动机的转速，单位为r/min。 (5) 额定励磁电压Uf在额定情况下，励磁绕组所加的电压，单位为V。 (6) 额定励磁电流If在额定情况下，通过励磁绕组的电流，单位为A。,5.3.3.2直流电动机的主要系列,直流电动机的应用

15、很广泛，型号很多，这里仅介绍部分常用系列产品。,(1) Z2系列,(3) ZQ系列,(5) Z一H系列,(2) Z和ZF系列,(4) ZZJ系列,(6) ZT系列,(8) ZU系列,(7) ZA系列,(9) ZW系列,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,5.4.1他励直流电动机的启动、调速、反转与制动,5.4.1他励直流电动机的启动、调速、反转与制动,5.4.

16、1.1他励直流电动机的启动,电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在启动瞬间(n=0)的电磁转矩称为启动转矩Tst，启动瞬间的电枢电流称为启动电流Ist。启动转矩为 Tst=CT Ist 如果他励直流电动机在额定电压下直接启动，由于启动瞬间n=0，Ea=0，故启动电流为 因为电枢电阻Ra很小，所以，直接启动电流将达到很大的数值，通常可达到(1020)IN。过大的启动电流会引起电网电压下降，影响电网上其他用户；使电动机的换向严重恶化，甚至会烧坏电动机；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。,5.4.1.1他励直流电动机的启动,对直流电动机的启动，一般有

17、如下要求。 为了限制启动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻启动或降低电枢电压启动。无论采用哪种启动方法，启动时都应保证电动机的磁通达到最大值。这是因为在同样的电流下，大则Tst大；而在同样的转矩下， 大则Ist可以小一些。,(1) 要有足够大的启动转矩,(2) 启动电流要限制在一定的范围内,(3) 启动设备要简单、可靠,5.4.1.1他励直流电动机的启动,1电枢回路串电阻启动 电动机启动前，应使励磁回路调节电阻Rst=0，这样励磁电流If最大，使磁通最大。电枢回路串接启动电阻Rst，在额定电压下的启动电流为 其中，Rst值应使Ist不大于允许值。对于普通直流电动机，一般要求Ist(1.

18、52)IN。 在启动电流产生的启动转矩作用下，电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的升高，电枢电动势(反电动势)Ea逐渐增大，使电枢电流逐渐减小，这样转速的上升就逐渐缓慢下来。,5.4.1.1他励直流电动机的启动,为了缩短启动时间，保持电动机在启动过程中的加速不变，就要求在启动过程中电枢电流维持不变，因此随着电动机转速的升高,应将启动电阻平滑地切除，最后使电动机转速达到运行值。 实际上，平滑地切除电阻是不可能的，一般是在电阻回路中串入多级(通常是25级)电阻，在启动过程中逐级加以切除。启动电阻的级数越多，启动过程就越快且越平稳，但所需要的控制设备就越多，投资也越大。如图5-11所示是采用三级电阻

19、启动时电动机的电路原理图及其机械特性。,5.4.1.1他励直流电动机的启动,图中KM为接通电源用的直流接触器主触点，KM1，KM2，KM3为启动过程中切除启动电阻Rad的三个接触器的主触点。,图5-11他励直流电动机三级电阻启动,5.4.1.1他励直流电动机的启动,2降压启动,5.4.1.2他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或两者配合起来调速。通过改变传动机构速比的方法称为机械调速；通过改变电动机参数的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。可见，在调速前后，

20、电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起电动机转速的改变，则不能称为调速。 根据他励直流电动机的转速公式,5.4.1.2他励直流电动机的调速,1评价调速的指标 评价调速性能好坏的指标由以下4个方面。,(4) 调速的经济性。 主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,(1) 调速范围:,(3) 调速的平滑性。 平滑系数其计算公式为:,(2) 静差率(相对稳定性):,5.4.1.2他励直流电动机的调速,2调速方法 (1) 电枢回路串电阻调速。 电枢电路串电阻调速时，保持U=UN，=N不变，调节电枢电路所串电阻R ad，即可实现转速调节。调速过程如图5-12所示。从图

21、中可以看出，串入的电阻值越大，稳态转速就越低。,图5-12电枢串电阻调速,5.4.1.2他励直流电动机的调速,(2) 降低电源电压调速。 电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程可用如图5-13所示的图形来说明。,图5-13降低电压调速,5.4.1.2他励直流电动机的调速,(3) 减弱磁通调速。 额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很多，磁通也增加很少，从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速，其调速原理及调速过程可用图5-14说明。弱磁调速时，保持U=U

22、N，电枢电路不串附加电阻，通过调节励磁回路的附加电阻，减小励磁电流，使磁通下降，从而实现调速。,图5-14减弱磁通调速,5.4.1.3他励直流电动机的反转,5.4.1.4他励直流电动机的制动,根据电磁转矩Tem和转速n方向之间的关系，可以把电动机分为两种运行状态。当Tem与n方向相同时，称为电动运行状态，简称电动状态；当Tem与n方向相反时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩，电动机将电能转换成机械能；制动状态时，电磁转矩为制动转矩，电动机将机械能转换成电能。 在电力拖动系统中，电动机经常需要工作在制动状态。例如，许多生产机械工作时，往往需要快速停车或者有高速运行迅

23、速转为低速运行，这就要求电动机进行制动。因此，电动机的制动运行也是十分重要的。 他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动3种方式，下面分别加以介绍。,5.4.1.4他励直流电动机的制动,1能耗制动 如图5-15所示是能耗制动的接线图。能耗制动是把正在作电动运行的直流电动机从电网上切除，同时在电枢回路中串入一个制动电阻Rad，形成一个闭合的回路。能耗制动时串入的制动电阻Rad越小，起始制动转矩越大，制动越迅速，但不能太小，否则会制动转矩和制动电流将超过允许值。一般直流电动机的最大电流应限制在2.5IN以内。,图5-15能耗制动接线图,5.4.1.4他励直流电动机的制动,初始制动时，因为

24、磁通保持不变、电枢存在惯性，其转速n不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和Ea的方向均不改变。但是，由Ea在闭合的回路内产生的电枢电流IaB却与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，由此而产生的电磁转矩TemB也与电动状态时Tem的方向相反，变为制动转矩，于是电动机处于制动运行。制动运行时，电动机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在电阻上，直到电动机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。 能耗制动时的机械特性，就是在U=0、=N、R=Ra+RB条件下的一条人为机械特性，即,或,5.4.1.4他励直流电动机的制动,可见，能耗制动时的机械特性是一条通过

25、坐标原点的直线，其理想空载转速为零，特性的斜率 ，与电动状态下电枢串电阻RB时的人为特性的斜率相同，如图5-16所示直线BC。,图5-16能耗制动时的机械特性,5.4.1.4他励直流电动机的制动,2反接制动 反接制动分为电压反接制动和倒拉反接制动两种。 (1) 电压反接制动。 电压反接制动时的接线图如图5-17所示。开关投向电动侧时，电枢接正极性的电源电压，此时电动机处于电动状态运行。,图5-17电压反接制动接线图,5.4.1.4他励直流电动机的制动,进行制动时，开关投向制动侧，此时电枢回路串入制动电阻RB后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内，U与Ea

26、顺向串联，共同产生很大的反向电流 反向的电枢电流IaB产生很大的反向电磁转矩TemB，从而产生很强的制动作用，这就是电压反接制动。 电动状态时，电枢电流的大小由UN与Ea之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由UN与Ea之和决定，因此反接制动时电枢电流是非常大的。,5.4.1.4他励直流电动机的制动,为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB。RB的大小应反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许值Imax=(22.5)IN，因此应串入的制动电阻值为 比较式(5-19)和式(5-17)可知，反接制动电阻值要比能耗制动电阻值约大一倍。 电压反接制动时的机械特性就是在U=UN

27、， =N ，R=Ra+RB条件下的一条人为特性，即,5.4.1.4他励直流电动机的制动,可见，其特性曲线是一条通过n0点，斜率为 的直线，如图5-18所示线段bc。,图5-18电压反接制动时的机械特性,5.4.1.4他励直流电动机的制动,(2) 倒拉反转反接制动。 倒拉反接制动是指电动机在电动状态匀速提升重物时，突然在电枢回路中串入一个足够大的制动电阻Rad，使电动机由上升转为下放的状态。控制电路和机械特性如图5-25所示。倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。 如图5-19所示为正向电动状态(提升重物)时电动机的各物理量方向，此时电动机工作在固有特性如图5-19所示上的a点。如果在电枢回

28、路中串入一个较大的电阻RB，便可实现倒拉反转反接制动。,5.4.1.4他励直流电动机的制动,图5-19倒拉反转反接制动,5.4.1.4他励直流电动机的制动,反接制动的特点： 1) 电枢电压反接制动过程中，制动转矩随转速降低的变化较小，制动较强烈。在电 动机静止不动时，也存在制动转矩。 2) 制动过程中，要从电网吸收大量电能，电枢反接制动到转速为零时，不及时切断 电源，靠电磁转矩大于负载转矩，电动机会反向起动。 3) 适用的场合：倒拉反接制动适用于位能胜负载低速下放重物。电枢电压的反接制动用于要求电机迅速停转或迅速反转的场合，前者为稳定的制动运行，而后者却为过渡性的制动过程。,5.4.1.4他励

29、直流电动机的制动,(3) 回馈制动。,5.4.1.4他励直流电动机的制动,回馈制动的特点： 1) 回馈制动在nn0时出现，在调速过程中不需改变接线，电动机从电动状态自然转入回馈制动状态运行，线路简单，实现容易。 2) 回馈制动时直流电动机变成直流发电机与电网并联运行，它将系统存储的机械能转变成电能回馈给电网。由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，故回馈制动节省能源，经济性好。 除以上两种回馈制动稳定运行外，还有一种发生在动态过程中的回馈制动过程。电动机在电动运行状态下，由于某种条件的变化(如带位能性负载下降、降压调速等)，使电枢转速n超过理想空载转速n0，则进入回馈制动。,5.4

30、.1.4他励直流电动机的制动,回馈制动时，转速方向并未改变，而nn0，使EaU，电枢电流Ia0反向，电磁转矩Tem0也反向，为制动转矩。制动时n未改变方向，而Ia已反向为负，电源输入功率为负；而电磁功率亦小于零，表明电机处于发电状态，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网，故称回馈制动。 图5-20是带位能负载下降时的回馈制动机械特性。,图5-20回馈制动机械特性,5.4.2串励直流电动机的启动、调速、反转与制动,5.4.2.1串励电动机的启动、调速和反转,5.4.2.2串励电动机的制动,对于串励电动机，若不考虑剩磁，只有n趋于无穷大时，才能出现Ea=U，要使EaU，显然无法实现。虽然电动机中

31、存在少量的剩磁，但要使EaU，转速将高达不能允许的数值，故串励电动机不存在回馈制动状态。串励电动机只有能耗制动和反接制动两种制动方法，下面分别进行分析。,5.4.2.2串励电动机的制动,图5-21串励电动机的他励式能耗制动,图5-22串励电动机的自励式能耗制动,5.4.2.2串励电动机的制动,图5-24串励电动机倒拉反转反接制动,图5-23串励电动机的电压反接制动,5.4.3复励直流电动机的的启动、调速与制动,5.4.3复励直流电动机的的启动、调速与制动,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转

32、和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.5无刷直流电动机,传统有刷直流电动机的优点：机械特性线性，调节特性线性，调速和启动性能好，堵转转矩大，广泛用于驱动和伺服系统。缺点是有电刷和换向器，会产生火花，引起干扰和噪声。 无刷直流电动机是一种用电子换向的小功率直流电动机，又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。用电子开关电路和位置传感器代替传统电动机中的电刷和换向器，既有普通有刷电动机的调速特性，又克服了电刷和换向器带来的缺点。这种电动机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用

33、电器。因为无刷电动机是通过电子线路进行控制和运行，可称为电子运行电动机。而电子换向器代替机械换向器，又称为电子换向式电动机ECM(Electronically Commutated Motor)。,任务5.5无刷直流电动机,5.5.1无刷直流电动机的基本组成环节,无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。,同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。,驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；

34、接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。,5.5.1无刷直流电动机的基本组成环节,5.5.2电动机本体,5.5.2电动机本体,定子绕组一般为对称多相(3相、4相或5相)。当电动机接上电源后，电流流入绕组，产生磁势，该磁势与转子磁场相互作用而产生电磁转矩，电动机带动负载旋转。电动机转动起来后，便在绕组中产生反电势，吸收一定的电功率并通过转子输出一定的机械功率，从而实现将电能转换为机械能。要求绕组能流过一定的电流，产生足够的磁势并得到足够的转矩。且结构简单，运行可靠。对称多相绕组可以接成星形和封

35、闭形。各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接。 绕组分为集中绕组和分布绕组。绕组由许多线圈连接而成。线圈称为绕组元件。 转子由永久磁铁按一定极对数(2p=2，4，6等)组成，在电动机气隙中建立足够的磁场，包括永磁体、导磁体和支撑部件。,5.5.3位置传感器,5.5.4电子开关线路,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.6车用直流起动机,5.6.1起动机的组成及其分类,图5-25起动机的

36、组成,图5-26起动机的外形,5.6.1起动机的组成及其分类,图5-27起动机的型号,5.6.1起动机的组成及其分类,1) 产品代号：QD、QDJ和QDY分别表示起动机、减速式起动机和永磁式起动机。 2) 电压等级代号：1代表12V；2代表24V。 3) 功率等级代号：含义见表5-3。 例如：QD124表示额定电压为12V，功率为12kW，第四次设计的起动机。,表5-3功率等级代号,5.6.2起动机用直流电动机,5.6.2.1直流电动机的工作原理,直流电动机是将电能转变为机械能的装置。它是根据载流导体在磁场中受到电磁力作用而发生运动的原理工作的。如图5-28所示，在直流电动机的电刷A、B上外加

37、直流电压，这时线圈中将有电流流过，其流向由电刷Bdcba电刷A，于是载流导体在磁场中受到电磁力作用，形成力矩(称电磁转矩)使线圈转动。由左手定则可以确定，电磁转矩使线圈顺时针转动。当线圈转过180时，线圈中的电流虽然改变了方向，即从a到d，但线圈在磁场中的位置也相应发生了改变，电磁转矩方向也就不变，使线圈仍按原来的顺时针方向继续旋转。,图5-28直流电动机工作原理,5.6.2.2直流电动机组成,起动机的直流电动机主要由定子、转子、换向器、电刷及端盖等组成，如图5-29所示。,图5-29起动机用直流电动机结构,1定子,定子俗称磁极，作用是产生磁场，分励磁式和永磁式两类。为增大转矩，汽车起动机通常

38、采用四个磁极，两对磁极相对交错安装，定子与转子铁芯形成的磁力线回路如图5-30所示，低碳钢板制成的机壳是磁路的一部分。,图5-30电动机磁路,1定子,(1) 励磁式定子。 励磁式电动机定子铁芯为低碳钢，铁芯磁场要靠绕在外面的励磁绕组通电建立。为使电动机磁通能按设计要求分布，将铁芯制成如图5-31所示的形状，并用埋头螺钉紧固在机壳上。励磁绕组由扁铜带(矩形截面)绕制而成，其匝数一般为610匝；铜带之间用绝缘纸绝缘，并用白布带以半叠包扎法包好后浸上绝缘漆烘干而成。,图5-31励磁式电动机定子,1定子,励磁绕组与转子串联，故称串励式电动机。具体连接如图5-32所示，先将励磁绕组两两串联后并联再与电枢

39、(转子)绕组串联。,图5-32串励式电动机内部线路,1定子,(2) 永磁式定子。,2转子,转子俗称电枢，由电枢轴、铁芯、电枢绕组和换向器等组成。转子的作用是产生电磁转矩。典型起动机转子结构如图5-33所示。 转子轴驱动端制有螺旋形花键，用以套装传动机构中的单向离合器。 转子与定子铁芯气隙，普通起动机一般为0.50.8mm，减速型起动机一般为0.40.5mm。,图5-33起动机转子,3电刷端盖,4驱动端盖,驱动端盖如图5-34所示。上有拨叉座和驱动齿轮行程调整螺钉，还有支撑拨叉的轴销孔。为了避免电枢轴弯曲变形，一些起动机装有中间支撑板。端盖及中间支撑板上的轴承多用青铜石墨轴承或铁基含油轴承。轴承

40、一般采用滑动式，以承受起动机工作时的冲击性载荷。,图5-34起动机用电刷及支架,5.6.2.3直流电动机特性,直流电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类，电磁式按励磁绕组与电枢绕组的连接关系又可分并励式、串励式和复励式3种，如图5-35所示为几种电动机的机械特性，即电动机输出转速与电磁转矩之间的关系。,图5-35直流电动机机械特性比较,5.6.3起动机的传动机构,一般起动机的传动机构是指包括驱动齿轮的单向离合器。减速起动机的传动机构还包括减速装置。驱动齿轮与飞轮的啮合一般是靠拨叉强制拨动完成，如图5-36所示。 常见起动机单向离合器的结构主要有滚柱式、弹簧式和摩擦片式3种。,图5-36起动

41、机驱动齿轮啮合过程,5.6.3.1滚柱式单向离合器,5.6.3.1滚柱式单向离合器,图5-37滚柱式单向离合器,图5-38滚柱式单向离合器工作原理,5.6.3.2弹簧式单向离台器,5.6.3.2弹簧式单向离台器,图5-39弹簧式单向离合器,5.6.3.3摩擦片式单向离合器,图5-40摩擦片式单向离合器,5.6.3.3摩擦片式单向离合器,5.6.4起动机的控制机构,起动机控制机构也叫操纵机构。下面介绍广泛使用的电磁操纵强制啮合式起动机控制机构的组成和工作过程。,5.6.4.1组成,电磁操纵式起动机电路原理图及符号如图5-41所示。控制机构由电磁开关、拨叉等组成，电磁开关由吸拉线圈、保持线圈、活动

42、铁芯、固定铁芯、主开关接触盘及复位弹簧等组成。其中吸拉线圈与电动机串联，保持线圈与电动机并联。活动铁芯可驱动拨叉运动。又可推动接触盘推杆。,图5-41电磁操纵式起动机电路原理,5.6.4.2工作过程,控制机构作用过程如下所述。 (1) 起动机不工作时，驱动齿轮处于与飞轮齿轮脱开啮合位置，电磁开关中的接触盘与各接触点分开。 (2) 将启动开关接通时，蓄电池经启动控制电路向起动机电磁开关通电，其电流回路为： 此时，吸拉线圈和保持线圈磁场方向相同。,5.6.4.2工作过程,(3) 发动机启动后，飞轮转动线速度超过了起动机驱动小齿轮的线速度，单向离合器打滑，避免了电枢绕组高速甩散的危险。 (4) 松开

43、启动开关时，启动控制电路断开，但电磁开关内吸拉线圈和保持线圈通过仍然闭合的主开关得到电流，其电流回路为： 因吸拉线圈和保持线圈磁场方向相反，相互削弱，活动铁芯在复位弹簧作用下迅速回位，使驱动小齿轮脱开啮合，主开关断开，起动机停止工作，启动结束。 常见的电磁开关按开关与铁芯的结构形式分为整体式和分离式两种。,相关知识,任务5.1直流电动机的结构,任务5.2直流电动机的工作原理,任务5.3直流电动机的励磁方式和磁场,任务5.4直流电动机的启动、反转和调速,任务5.5无刷直流电动机,任务5.6车用直流起动机,任务5.7典型汽车电动机控制电路,任务5.7典型汽车电动机控制电路,5.7.1启动系控制电路

44、,常见的启动系控制电路有：开关直接控制、继电器控制和启动复合继电器控制3种。,开关直接控制是指起动机由点火开关或启动按钮直接控制。启动功率较小的汽车(如长安奥拓微型轿车、天津夏利轿车)常用这种控制形式。起动机电磁开关形式，如图5-42所示。 开关直接控制启动系电路如图5-43所示。,5.7.1启动系控制电路,图5-42起动机电磁开关形式,图5-43开关直接控制启动系电路,5.7.1启动系控制电路,启动继电器控制是指用启动继电器触点控制起动机电磁开关的大电流，而用点火开关或启动按钮控制继电器线圈的小电流。启动继电器的作用就是以小电流控制大电流，保护点火开关，减少起动机电磁开关线路压降。,为了在发

45、动机启动后。使起动机自动停转并保证不再接通起动机电路，解放CA1092及东风EQ1092等汽车采用了具有安全驱动保护功能的启动复合继电器控制启动系。启动复合继电器由启动继电器和保护继电器两部分组成，启动继电器的触点是常开的，控制起动机。,5.7.2汽车发电机控制电路,5.7.3直流电动机的故障及维护,5.7.3.1直流电动机常见的故障与处理方法,直流电动机和其他电动机一样，在使用前应按产品使用说明书认真检查，以避免发生故障、损坏电动机和有关设备。在使用直流电动机时，应经常观察电动机的换向情况，还应注意电动机各部分是否有过热情况。 在运行中，直流电动机的故障是多种多样的，产生故障的原因较为复杂，

46、并且互相影响。 当直流电动机发生故障时，首先要对电动机的电源、线路、辅助设备和电动机所带负载进行仔细的检查，看它们是否正常，然后再从电动机机械方面加以检查，如检查电刷架是否有松动、电刷接触是否良好、轴承转动是否灵活等。,5.7.3.1直流电动机常见的故障与处理方法,直流电动机常见的故障与处理方法见下表5-4(部分)。,5.7.3.2直流电动机修理后的检查和实验,直流电动机拆装、修理后，必须经检查和实验后才能使用。 1检修项目 检修后欲投入运行的电动机，所有的紧固元件应拧紧，转子转动应灵活。此外还应检查下列项目。 (1) 检查出线是否正确，接线是否与端子的标号一致，电动机内部的接线是否有碰触转动

47、的部件。 (2) 检查换向器的表面。应光滑、光洁、不得有毛刺、裂纹、裂痕等缺陷。换向片间的云母片不得高出换向器的表面，凹下深度为11.5mm。 (3) 检查刷握。刷握应牢固而精确地固定在刷架上，各刷握之间的距离应相等，刷距偏差不超过1mm。,5.7.3.2直流电动机修理后的检查和实验,(4) 检查刷握的下边缘与换向器表面的距离、电刷在刷握中装配的尺寸要求、电刷与换向片的吻合接触面积。 (5) 电刷压力弹簧的压力。一般电动机应为1217kPa；经常受到冲击振动的电动机应为2040kPa。一般电动机内各电刷的压力与其平均值的偏差不应超过10%。 (6) 检查电动机气隙的不均匀度。当气隙在3mm以下

48、时，其最大容许偏差值不应超过其算术平均值的20%；当气隙在3mm以上时，偏差不应超过算术平均值的10%。测量时可用塞规在电枢的圆周上检测各磁极下的气隙，每次在电动机的轴向两端测量。,5.7.3.2直流电动机修理后的检查和实验,2实验项目 (1) 绝缘电阻测试对500V以下的电动机，用500V的摇表分别测各绕组对地及各绕组与绕组之间的绝缘电阻，其阻值应大于0.5M。 (2) 绕组直流电阻的测量采用直流双臂电桥来测量，每次应重复测量三次，取其算术平均值。测得的各绕组的直流电阻值，应与制造厂或安装时最初测量的数据进行比较，相差不得超过2% (3) 确定电刷中性线常采用的方法有以下3种。,5.7.3.

49、2直流电动机修理后的检查和实验,(4) 耐压实验在各绕组对地之间和各绕组之间，施加频率为50Hz的正弦交流电压。施加的电压值为：对1kW以下、额定电压不超过36V的电动机，加500V+2倍额定电压，历时1min不击穿为合格；对1kW以上、额定电压在36V以上的电动机，加1 000V+2倍额定电压，历时1min不击穿为合格。 (5) 空载试验应在上述各项试验都合格的条件下进行。将电动机接入电源和励磁，使其在空载下运行一段时间，观察各部位，看是否有过热现象、异常噪声、异常振动或出现火花等，初步鉴定电动机的接线、装配和修理的质量是否合格。,5.7.3.2直流电动机修理后的检查和实验,(6) 负载试验

50、一般情况可以不进行此项试验。必要时可结合生产机械来进行。 负载试验的目的是考验电动机在工作条件下的输出是否稳定。对于发电机主要是检查输出电压、电流是否合格；对电动机，主要是看转矩、转速等是否合格。同时，检查负载情况下各部位的温升、噪声、振动、换向以及产生的火花等是否合格。 (7) 超速试验目的是考核电动机的机械强度及承受能力。一般在空载下进行，使电动机超速达120%的额定转速，历时2min，机械结构没有损坏及没有残余变形为合格。,任务实施,(1)汽车起动机的基本结构,常见汽车起动机的基本结构如图5-44所示。,图5-44汽车起动机的基本结构,(2) 起动机拆解和清洗,1) 首先将待修起动机外部

51、的尘污、油污清除。 2) 拆下连接片与电磁开关，取下电磁铁芯。 3) 拆下防尘箍，用钢丝钩子提起电刷弹簧取出电刷(共4只)。 4) 拆下起动机贯穿螺栓，使后端盖、起动机外壳、电枢分离。 5) 取下拨叉支承销，取下驱动端盖、拨叉与转子总成。 6) 用专用工具拆下止推座圈，取下驱动齿轮、单向离合器。各总成是否继续进一步分解，应视具体情况而定。 7) 对分解的零部件进行清洗。清洗时，对所有的绝缘部件，只能用干净布蘸少量汽油擦拭，其他机械零件均可放入汽油、煤油或柴油中洗刷干净并凉干。,(3) 起动机主要部件的检测,1) 直流电动机的检修。,(3) 起动机主要部件的检测, 磁场绕组(定子)的检查如图5-

52、45所示。 磁场绕组断路的检查 磁场绕组搭铁的检查 磁场绕组短路的检查：可用2V直流电进行接线，如图5-46所示。,图5-45磁场绕组断路及搭铁的检查,图5-46磁场绕组短路的检查,(3) 起动机主要部件的检测, 电枢绕组(转子)的检查。 短路检验：如图5-47所示。 断路检验：如图5-48所示。 使用万用表对电枢绕组搭铁的检查：用电阻R10K挡检测，如图5-49所示。,图5-47电枢短路检验操作图,图5-48电枢断路检验操作图,图5-49检测电枢轴与电枢绕组之间的绝缘电阻,(3) 起动机主要部件的检测,使用万用表对电枢绕组的短路检查：用电阻R1挡检查换向器和电枢铁芯之间是否导通，如图5-50所示。如有导通现象，说明电枢绕组搭铁，应更换电枢。