直流電動(dòng)機(jī)學(xué)案課件

直電動(dòng)機(jī)

本節(jié)主要介紹的內(nèi)容有：

●直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

●直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

●汽車(chē)起動(dòng)機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造

●汽車(chē)電器中幾種典型直流電動(dòng)機(jī)一、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，是以通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受電場(chǎng)力作用的原理而制成的。其工作原理如圖5-2-1所示。 當(dāng)電流由正電刷和換向片A流入，從換向片B和負(fù)電刷流出時(shí)，見(jiàn)圖5-2-1（a），電樞繞組線圈中的電流方向?yàn)閍→b→c→d，此時(shí)轉(zhuǎn)矩方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉．?dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)180°后，電流由正電刷和換向片B流入，從換向片A和負(fù)電刷流出，線圈中的電流方向?yàn)閐→c→b→a，轉(zhuǎn)矩方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。電樞軸便可在一個(gè)固定轉(zhuǎn)向的電磁轉(zhuǎn)矩作用下而不斷旋轉(zhuǎn)。一個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是有限的，且電樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定，所以電動(dòng)機(jī)的電樞繞組是由很多線圈組成的，換向器片的數(shù)量也隨線圈數(shù)量的增加而增多。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M取決于磁通Ф，電樞電流Ia的乘積，可用下式表示：

M=Cm·Ф·Ia式中，Cm是電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。二、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

當(dāng)電動(dòng)機(jī)接入直流電源時(shí)，載流導(dǎo)體產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使電樞旋轉(zhuǎn)。而電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈又會(huì)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向可用右手定則來(lái)判斷。因其電動(dòng)勢(shì)的方向恰與電樞線圈電流方向相反，故稱(chēng)反電動(dòng)勢(shì)ER。其大小與電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)Cm，電樞轉(zhuǎn)速n及磁極磁通Ф成正比，即

ER=Cm·Ф·n

因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)方向與電源電壓方向相反，因而在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其電壓平衡方程式是

U=ER+Ia·Ra

式中，U為電源電壓，Ra是電樞電路的電阻，由此可得電樞電流為

Ia=（U－ER）/Ra

三、汽車(chē)起動(dòng)機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造汽車(chē)起動(dòng)機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)由磁極、電樞、換向器等組成，如圖5-2-2所示，電樞繞組與勵(lì)磁繞組串聯(lián)的直流電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)機(jī)機(jī)殼的一端有4個(gè)檢查窗口，中部只有一個(gè)電流輸入接線柱，并在內(nèi)部與勵(lì)磁繞組的一端相連。端蓋分前、后兩個(gè)，前端蓋由鋼板壓制而成，后端蓋由灰鑄鐵澆制而成，呈缺口杯狀。它們的中心均壓裝著青銅石墨軸承套或鐵基含油軸承套，外圍有2個(gè)或4個(gè)組裝螺孔。電刷裝在前端蓋內(nèi)，后端蓋上有撥叉座，蓋口有凸緣和安裝螺孔，還有擰緊中間軸承板的螺釘孔。1．機(jī)殼勵(lì)磁繞組是由繞在極靴上的線圈構(gòu)成的電磁鐵（圖5-2-3）。2．勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組固定到起動(dòng)機(jī)外殼里面（圖5-2-4）。用鑄鋼制造的極靴和起動(dòng)機(jī)外殼連接在一起，可增加勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)強(qiáng)度（圖5-2-5）。當(dāng)電流流過(guò)勵(lì)磁繞組時(shí)，便建立強(qiáng)大的、靜止的電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)根據(jù)繞組圍繞在極靴的方向，分為S極和N極。勵(lì)磁繞組的極性對(duì)調(diào)，便產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)。勵(lì)磁繞組與電樞繞組的接法有兩種：串聯(lián)和既有串聯(lián)也有并聯(lián)的復(fù)式接法（如圖5-2-6所示），復(fù)式接法可以在繞組銅條截面尺寸相同的情況下增大起動(dòng)電流，從而增大轉(zhuǎn)矩。大多數(shù)起動(dòng)機(jī)采用4個(gè)勵(lì)磁繞組。功率大于7.35kW的起動(dòng)機(jī)有采用6個(gè)勵(lì)磁繞組的。電樞由若干薄的、外圓帶槽的硅鋼片疊成的鐵心和電樞繞組組成。鐵心的疊片結(jié)構(gòu)可以減小渦流電流。電樞繞組安裝在疊片外徑邊緣的槽內(nèi)，繞組線匝分別接到換向器銅片，電樞安裝在電樞軸上。圖5-2-7所示為電樞總成。3．電樞換向器由許多換向片組成，換向片的內(nèi)側(cè)制成燕尾形，嵌裝在軸套上，其外圓車(chē)成圓形。換向片與換向片之間均用云母絕緣。電刷架一般為框式結(jié)構(gòu)，其中正極刷架與端蓋絕緣安裝，負(fù)極刷架直接搭鐵。刷架上裝有彈性較好的盤(pán)形彈簧。電刷由銅粉與石墨粉壓制而成，呈棕紅色，裝在端蓋上的電刷架中，通過(guò)電刷彈簧保持與換向片之間具有適當(dāng)?shù)膲毫Αｋ娝⑴c刷架的組合如圖5-2-8所示。4．換向器及電刷(二)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1.單三拍當(dāng)A相繞組單獨(dú)先通入脈沖直流電，定子與轉(zhuǎn)子的氣隙間即產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)方向與A相繞組軸線重合一致。這時(shí)轉(zhuǎn)子被磁化。根據(jù)磁力線力圖通過(guò)磁阻最小路徑的性質(zhì)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與A相繞組軸一致，如圖4.17所示位置。接著B(niǎo)相繞組單獨(dú)通入脈沖直流電，定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙磁場(chǎng)方向又與B相繞組軸線一致，則轉(zhuǎn)子就又要轉(zhuǎn)到B相繞組軸線處，使轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)了60°，接著C相單獨(dú)通入脈沖直流電，轉(zhuǎn)子又在空間轉(zhuǎn)了60°。上一頁(yè)下一頁(yè)返回如果定子繞組按A-B-C-A順序分別通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)沿著順時(shí)針60°一次轉(zhuǎn)一個(gè)角度，持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。通常將轉(zhuǎn)子在空間每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，稱(chēng)為前進(jìn)了一步。這個(gè)角度稱(chēng)為步進(jìn)角θ。而將從一相通入脈沖信號(hào)換接到另一相通電稱(chēng)為一拍。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每經(jīng)一拍，轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。上述的通電方式稱(chēng)為“單三拍”。所謂“單”指的是每次只有1個(gè)繞組單獨(dú)通電。2.六拍如果A相不斷電的情況下又接通B相，此時(shí)定子A相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)和B相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用，使轉(zhuǎn)子不能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，只能旋轉(zhuǎn)30°，故步進(jìn)角將減小一半。此后如果按A-AB-B-BC-C-CA-A方式順序通電斷電，上一頁(yè)下一頁(yè)返回（5）步進(jìn)電機(jī)式

損壞后將造成無(wú)怠速，怠速不穩(wěn)，怠速過(guò)高等故障。一般與節(jié)氣門(mén)體并聯(lián)安裝，如下圖所示。①四線制的步進(jìn)電機(jī)式怠速閥

主要應(yīng)用在金杯、五菱、松花江、日產(chǎn)等車(chē)上。它具有一個(gè)永久磁鐵的轉(zhuǎn)子和兩個(gè)相互獨(dú)立的線圈。如下圖所示。②六線制步進(jìn)攻性電機(jī)式怠速閥工作原理：

ECU根據(jù)節(jié)氣門(mén)位置傳感器和車(chē)速傳感器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速工況時(shí)，按一定的順序?qū)SC1-ISC4依次通電，驅(qū)動(dòng)步時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)旁氣通的開(kāi)度，從而調(diào)節(jié)旁通空氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到所要求的目標(biāo)值。四、汽車(chē)電器中幾種典型直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)除了轉(zhuǎn)子、定子雙線圈結(jié)構(gòu)外，還有由永磁鐵構(gòu)成定子的永磁直流電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)為永磁電動(dòng)機(jī)。如圖5-2-9所示為刮水器永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。永磁電動(dòng)機(jī)在汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。刮水器可以清除擋風(fēng)玻璃上的雨水、雪或灰塵。目前汽車(chē)上廣泛采用電動(dòng)刮水器，電動(dòng)刮水器的主要?jiǎng)恿Σ考褪枪嗡妱?dòng)機(jī)，刮水電動(dòng)機(jī)大多是永磁式電動(dòng)機(jī)。圖5-2-10所示為美國(guó)福特公司采用的永磁式刮水電動(dòng)機(jī)。1．刮水電動(dòng)機(jī)刮水電動(dòng)機(jī)為了滿(mǎn)足刮水器的要求，要實(shí)現(xiàn)高、低速擋位工作，采用三刷式電動(dòng)機(jī)。其工作原理如圖5-2-11所示。直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在電樞內(nèi)的所有線圈中同時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，每個(gè)小線圈都產(chǎn)生相等的反向電動(dòng)勢(shì)ER=cnФ，電動(dòng)勢(shì)的方向如圖中所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到低速擋L時(shí)，在兩個(gè)電刷B1、B3之間有兩條并聯(lián)支路，各有3個(gè)線圈，電動(dòng)勢(shì)方向如圖中所示，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電壓平衡式

U=ISR∑+ER=ISR∑=3cnФ

n=（U-ISR∑）/3cФ

當(dāng)開(kāi)關(guān)S撥到高速擋H時(shí)，在兩個(gè)電刷B2、B3之間也有兩條并聯(lián)支路，一個(gè)支路有2個(gè)線圈串聯(lián)，另一支路有4個(gè)線圈串聯(lián)，但其中一個(gè)線圈的電動(dòng)勢(shì)與另外3個(gè)線圈的電動(dòng)勢(shì)方向相反，故在電動(dòng)機(jī)電樞繞組上的得到總的反向電動(dòng)勢(shì)為2cnΦ，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電壓平衡式

U=ISR∑+ER=ISR∑+2cnФ

n=（U-ISR∑）/2cФ

由上式可知，由于反向電動(dòng)勢(shì)的減小，使電樞的轉(zhuǎn)速上升，重新達(dá)到電壓平衡。這樣永磁刮水電動(dòng)機(jī)就得到了高、低不同的轉(zhuǎn)速，使得刮水器具有高、低兩種工作擋位。鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)用于促使車(chē)內(nèi)冷氣、暖氣、除霜和通風(fēng)的氣流流動(dòng)。采用的電動(dòng)機(jī)通常為永磁式單速電動(dòng)機(jī)，大多數(shù)均安裝在暖風(fēng)機(jī)總成內(nèi)，如圖5-2-12所示。鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)位于儀表板上，開(kāi)關(guān)通過(guò)控制調(diào)速電阻來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其電路如圖5-2-13所示。鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)的工作原理：當(dāng)鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)置于低速（Low）、中速1（Medl）、中速2（Med2）或高速擋（High）時(shí)，電路中所串聯(lián)的電阻值越來(lái)越小。電阻值的變化，改變了鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)的工作電壓。由于鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)是單速電動(dòng)機(jī)，工作電壓越高，轉(zhuǎn)速越高。所以隨著串聯(lián)的電阻越小，鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)的工作電壓越高，轉(zhuǎn)速越高。2．汽車(chē)空調(diào)用鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在轎車(chē)的車(chē)窗基本上都采用了電動(dòng)車(chē)窗。電動(dòng)車(chē)窗升降系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，廣泛采用的是永磁電動(dòng)機(jī)。永磁電動(dòng)機(jī)是通過(guò)改變電樞電流的方向來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向使車(chē)窗玻璃上升或下降，電動(dòng)機(jī)本身不搭鐵，而是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)搭鐵。圖5-2-14所示為美國(guó)福特公司采用的永磁式電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)升降門(mén)窗電路圖?，F(xiàn)以左后門(mén)窗為例說(shuō)明其工作原理。 當(dāng)主控開(kāi)關(guān)中的左后門(mén)窗開(kāi)關(guān)撥到Up時(shí)，電流方向?yàn)椋盒铍姵卣龢O→點(diǎn)火開(kāi)關(guān)→電路斷電器→主控開(kāi)關(guān)中左后門(mén)窗Up觸點(diǎn)→左后門(mén)窗分控開(kāi)關(guān)Up觸點(diǎn)→電動(dòng)機(jī)→左后門(mén)窗分控開(kāi)關(guān)Down觸點(diǎn)→主控開(kāi)關(guān)中左后門(mén)窗Down觸點(diǎn)→搭鐵。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)左后門(mén)窗玻璃上升。3．電動(dòng)車(chē)窗電動(dòng)機(jī)當(dāng)主控開(kāi)關(guān)中的左后門(mén)窗開(kāi)關(guān)撥到Down時(shí)，電流方向?yàn)椋盒铍姵卣龢O→點(diǎn)火開(kāi)關(guān)→電路斷電器→主控開(kāi)關(guān)中左后門(mén)窗Down觸點(diǎn)→左后門(mén)窗分控開(kāi)關(guān)Down觸點(diǎn)→電動(dòng)機(jī)→左后門(mén)窗分控開(kāi)關(guān)Up觸點(diǎn)→主控開(kāi)關(guān)中左后門(mén)窗Up觸點(diǎn)→搭鐵。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)左后門(mén)窗玻璃下降。上述過(guò)程中，流過(guò)電動(dòng)機(jī)電樞的電流方向相反，所以電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，帶動(dòng)玻璃上升或下降。與此類(lèi)似的雙向永磁電動(dòng)機(jī)也被利用到電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)座椅、電動(dòng)天窗等系統(tǒng)的觸動(dòng)電路中，在開(kāi)關(guān)控制下，帶動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)?！癫僮鳎悍治鰣D5-2-14所示電動(dòng)升降門(mén)窗電路用左后門(mén)窗開(kāi)關(guān)控制左后門(mén)窗玻璃升降的工作原理。中央控制門(mén)鎖系統(tǒng)具有鑰匙聯(lián)動(dòng)鎖門(mén)和開(kāi)門(mén)功能，通過(guò)右前或左前門(mén)上的鑰匙可以同時(shí)關(guān)閉或打開(kāi)所有車(chē)鎖。電動(dòng)車(chē)鎖一般采用永磁電動(dòng)機(jī)（圖5-2-15），由門(mén)鎖開(kāi)關(guān)控制組合繼電器，通過(guò)組合繼電器改變電動(dòng)機(jī)的電流方向，使電動(dòng)機(jī)的連接桿上下運(yùn)