汽車電工電子課件 模塊5 直流電動機及其應用

模塊5直流電動機及其應用項目5.1直流電動機的運行分析

項目5.2直流電動機在汽車中的應用項目5.1直流電動機的運行分析5.1.1直流電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理5.1.2直流電動機的機械特性5.1.3直流電動機的運行知識學習一、直流電動機的結(jié)構(gòu)二、直流電動機的工作原理5.1.1直流電動機結(jié)構(gòu)和工作原理

直流電動機主要由定子（固定部分）和電樞（旋轉(zhuǎn)部分）兩大部分組成。圖5-1所示為直流電動機的結(jié)構(gòu)圖。一、直流電動機的結(jié)構(gòu)圖5-1直流電動機的結(jié)構(gòu)圖

定子主要由主磁極、換向磁極、機座、端蓋、電刷裝置等部件組成。

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生主磁場。1．定子（2）換向磁極

在相鄰的主磁極之間裝有換向磁極，它也是由鐵芯和繞組構(gòu)成。其作用是消除或減小換向時的火花，保護換向器，使電動機可靠安全的運行。（3）機座（4）電刷裝置

電刷裝置一般由電刷、刷握、引線、電刷彈簧等構(gòu)成。

直流電動機的轉(zhuǎn)子是電動機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以常稱之為電樞。電樞部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、軸承、風扇等。2．電樞（1）電樞鐵芯一般由涂有絕緣漆的0.5mm厚的硅鋼片沖壓后疊壓而成。圖5-4小型直流電動機電樞沖片和電樞鐵芯示意圖（2）電樞繞組是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件。圖5-4小型直流電動機電樞沖片和電樞鐵芯示意圖（3）換向器作用：在直流電動機中，換向器將外部的直流電流轉(zhuǎn)換為線圈中的交變電流，以獲得方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩。

勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式，勵磁方式與電動機的性能有密切關(guān)系。直流電動機有他勵、并勵、串勵和復勵４種勵磁方式。3．勵磁方式串勵直流電動機他勵直流電動機復勵直流電動機并勵直流電動機額定功率PN:電機軸上輸出的機械功率。額定電壓UN

:額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）額定電流IN:

額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）

三者關(guān)系：PN=UNIN

（

：效率）4、直流電動機的額定值

直流電動機也是由磁路和電路兩個基本部分組成的。它的工作原理仍以電磁力定律和電磁感應定律為基礎(chǔ)。二、直流電動機的工作原理圖5-6直流電動機的工作原理圖電刷和換向片的作用，在轉(zhuǎn)子線圈中流過的電流是交變電流，所以其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向是不變的。圖示位置ab邊電流cd邊電流(a)圖a→bc→d(b)圖b→ad→c

直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（Tem）與每極磁通（Φ）和電樞電流（Ia）成正比。Tem=

KTΦIa

式中，KT

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電動機的結(jié)構(gòu)。2．電磁轉(zhuǎn)矩Ea＝KeΦn

式中，Ke

—電動勢常數(shù)，由電動機本身的結(jié)構(gòu)所決定。1．反電勢直流電動機運轉(zhuǎn)時，電樞中的電流為

式中，U

—電樞外加電壓；

Ra

—電樞繞組的電阻。U

=

Ea+RaIa

三、直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和反電動勢CT:與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)2.電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（Tem）與每極磁通（Φ）和電樞電流（Ia）成正比轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡。（

T0：

根據(jù)實際情況，有時可忽略）Tem=CT

IaT2:機械負載轉(zhuǎn)矩T0:空載轉(zhuǎn)矩

當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應負載的變化，保持新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=T2

(平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為達到新的平衡點(Ia

)

。T2

n

Ia

Tem

E

Ea=Cen直流電動機的穩(wěn)定運行狀況取決于負載的大??；當負載發(fā)生變化時，電動機的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩都將自動地作相應的變化來達到新的平衡。直流電動機的自適應能力任務(wù)5.1.1分析直流電動機運行的自適應能力一、任務(wù)目的1．熟悉并勵電動機的機械特性。2．熟悉直流電動機電壓平衡式和轉(zhuǎn)矩平衡式。3．學會分析并勵電動機的自動適應負載變化的能力。二、任務(wù)內(nèi)容某并勵電動機帶負載TL運行，穩(wěn)定工作在額定工作點A，現(xiàn)在由于某些外在的擾動，負載稍變大，變?yōu)?/p>

（

>TL

）。

試分析電動機將如何運行，如果外在的擾動消失，能否回到原來的工作點繼續(xù)運行（忽略空載轉(zhuǎn)矩）。項目實施三、分析過程一、并勵電動機5.1.2直流電動機的機械特性IaUM+_If+_IE當電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時,勵磁電流If和磁通

不變，即

=常數(shù)。則IaUM+_If+_IE若：n=f(Tem)

特性曲線

并勵電動機在負載變化時，轉(zhuǎn)速n

的變化不大—硬機械特性（自然特性）。改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線n0nNTNn0Tem

n二、串勵直流電動機（1）當負載不大時，磁路未飽和，主磁通和電樞電流成正比，故電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流的平方成正比。隨著負載轉(zhuǎn)矩增加，電樞電流也隨之增加，從而使磁通增加，由上式可知，會引起轉(zhuǎn)速急劇下降。（2）當負載比較大時，由于磁路飽和，隨著負載轉(zhuǎn)矩增加，磁通增加減慢，直至磁通基本不變，因此轉(zhuǎn)速隨負載轉(zhuǎn)矩增加而下降的速率減慢。串勵電動機隨負載轉(zhuǎn)矩變化，其轉(zhuǎn)速呈急劇變化的特性稱為軟特性。安全起見，不能讓電動機在空載或低于25%額定負載的情況下運行。串勵電動機不應采用皮帶傳動，以防皮帶滑脫或斷裂時造成電動機空載而產(chǎn)生飛車現(xiàn)象。一、直流電動機啟動和反轉(zhuǎn)二、直流電動機調(diào)速三、直流電動機制動5.1.3直流電動機的運行

電動機在啟動的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，所以此時Ea=0，此時電樞電流稱為啟動電流（Ist），

為了減小啟動電流，對于容量稍大的直流電動機，啟動時可降低加在電樞繞組上的電壓，或在電樞電路中串聯(lián)啟動變阻器。一、直流電動機啟動和反轉(zhuǎn)1.直流電動機啟動啟動電流可達額定值的10～20倍

降壓啟動的方法只適用于他勵直流電動機。這種方法要求有一個電壓可變的直流電源（如可控硅電源）專供電樞使用。啟動時，降低電樞電壓，待啟動后，隨著轉(zhuǎn)速的升高逐步升高電樞電壓，直到轉(zhuǎn)速達到額定值。1）降壓啟動2）串聯(lián)啟動變阻器啟動電阻通常限制啟動電流為額定電流的1.5～2.5倍。改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向就是改變電動機電磁轉(zhuǎn)矩方向。電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由主磁通方向和電樞電流的方向共同決定的。改變電樞電流或主磁通的方向都能使電磁轉(zhuǎn)矩方向改變。2.直流電動機反轉(zhuǎn)（1）改變電樞繞組電壓極性，即改變電樞電流方向；（2）改變勵磁繞組電壓極性，即改變勵磁電流方向。反轉(zhuǎn)方法1)改變電樞電壓極性

將勵磁繞組兩極接線調(diào)換，即可改變勵磁電壓的極性，使勵磁電流方向改變，從而使主磁通的方向改變。這種實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法在實際中一般很少采用。因為改接勵磁繞組接線時，勵磁電流有可能出現(xiàn)中斷，從而引起“飛車”事故。2)改變勵磁電壓極性

由直流電動機的機械特性方程式可知，當轉(zhuǎn)矩（Tem）不變（負載不變）時，影響電動機轉(zhuǎn)速高低的主要是電樞回路電阻（Ra）、主磁通（Φ）、電源電壓（U）3個因素。因此電動機的轉(zhuǎn)速可由下述3種方法調(diào)節(jié)。二、

直流電動機調(diào)速1．改變電樞電路的電阻調(diào)速

這種調(diào)速方法的特點如下。①只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下進行調(diào)節(jié)，簡稱下調(diào)。②由于流過調(diào)速電阻（Re）上的電流為電樞電流，其數(shù)值較大，故Re上的能量損耗大，不經(jīng)濟。③使電動機的機械特性變軟。當負載變動時，電動機的速度變化較大，這對于要求穩(wěn)速的負載來說是不利的。④電樞電流不受影響，數(shù)值保持不變，故這種調(diào)速叫作恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。⑤調(diào)控方法簡單，容易實現(xiàn)。

2．改變勵磁電流調(diào)速(弱磁調(diào)速)

這種調(diào)速方法的特點如下。①調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速。②流經(jīng)調(diào)速電阻（Re）的勵磁電流較小，故功率損耗小，比較經(jīng)濟。③調(diào)速后機械特性變軟，運行的穩(wěn)定性差。④調(diào)速范圍比較小。⑤只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以上調(diào)速，簡稱上調(diào)，也稱為弱磁調(diào)速。

直流電動機常由單獨的可調(diào)整流裝置供電。調(diào)節(jié)電源電壓就可均勻調(diào)速。因為加在電樞上的電壓不能超過額定值（UN），所以這種調(diào)速方法只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下作均勻調(diào)速。這種調(diào)速方法具有調(diào)速范圍廣、平滑性好等優(yōu)點，但需要專用的直流調(diào)壓電源。3．降低電源電壓n0"n0'電壓降低TLn0nT0直流電動機制動包括能耗制動、反接制動和回饋制動。反接制動就是將電樞繞組的電壓極性反接，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的制動方法。三、

直流電動機制動一、任務(wù)目的1．學會分析與計算電動機直接啟動時的參數(shù)。2．學會分析與計算電動機電樞電路串聯(lián)電阻啟動時的參數(shù)。3．學會分析與計算電動機降壓啟動時的參數(shù)。

任務(wù)5.1.2

分析與計算直流電動電動機啟動參數(shù)項目實施二、任務(wù)內(nèi)容一臺他勵電動機，額定功率PN＝29kW，額定電壓UN＝440V，額定電流IN＝76A，電樞電阻Ra=0.38，

nN=1000r/min，拖動額定大小的恒轉(zhuǎn)矩負載運行，忽略空載轉(zhuǎn)矩。試求：（1）直接啟動時的電流及其與額定電流的比值；（2）額定轉(zhuǎn)矩TN；（3）若限制啟動電流為2倍額定電流，試計算應在電樞電路中串聯(lián)的電阻值及啟動轉(zhuǎn)矩；（4）若限制啟動電流為2倍額定電流，電樞電壓應降至多少，啟動轉(zhuǎn)矩是多少。三、分析過程項目5.2直流電動機在汽車中

的應用5.2.1汽車用電動機5.2.2汽車電氣控制電路分析知識學習一、電動刮水器5.2.1汽車用電動機刮雨器是專門用來清除汽車擋風玻璃上的雨水、雪或灰塵來確保駕駛員良好能見度的裝置。采用三刷式永磁電動機。電動刮水器由電動機和一套傳動機構(gòu)組成電刷B3為高低速公用電刷。B1用于低速，B2用于高速，B2與B1相差60°。工作原理1—電樞繞組2—永久磁鐵3—整流子4—反電動勢永磁式三刷電動機是利用3個電刷來改變正負電刷之間串聯(lián)的繞組數(shù)實現(xiàn)變速的。“L”：一條線圈①⑥⑤串聯(lián)支路；另一條線圈②③④串聯(lián)支路，即在B1和B3之間有兩條支路，各3個線圈，感應電勢方向相同?！癏”：一條4個線圈②①⑥⑤串聯(lián)，另一條兩個線圈③④串聯(lián)。其中線圈②的反電動勢與線圈①⑥⑤的反電動勢方向相反，互相抵消后，變?yōu)橹挥袃蓚€線圈的反電動勢與電源電壓平衡。

二、電動汽車用電動機簡介電動汽車對電機的要求（1）有很好的轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)性能（2）在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行應滿足啟動和爬坡的要求，在恒功率區(qū)運行應滿足高速行駛的要求；

（3）能夠在大范圍內(nèi)保持高效率運行，并盡可能地提高其功率密度，實現(xiàn)小型輕量化；

（4）具有較高的可靠性；（5）有4～5倍的過載能力，以滿足加速和爬坡需求（6）低噪聲，低成本新能源汽車的核心是三電系統(tǒng)—電池、電機、電控。高功率密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。。電動汽車電機最早采用的是控制性能優(yōu)良的有刷電機，隨著電機、電力電子、自動控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁同步電機、三相感應電機、無刷電機和開關(guān)磁阻電機等得到廣泛應用，在汽車的動力系統(tǒng)中逐步取代了有刷電機1）低壓2）直流額定電壓6V、12V、24V，汽油機普遍采用12V電源，柴油機多采用24V。汽車運行中的電壓，一般12V系統(tǒng)為14V，24V系統(tǒng)的為28V。蓄電池、交流發(fā)電機+整流電路蓄電池靜止電動勢常在11.5V-13.5V，發(fā)電機輸出電壓常限定在13.8V-15V之間（24V電系28V-30V）。5.2.2汽車電氣控制電路分析一、汽車電路特點蓄電池正極線直接與各用電設(shè)備連接，蓄電池負極線直接搭在車架金屬機件上，用電設(shè)備的負極線也就近搭在車架金屬機件上，利用發(fā)動機和汽車底盤（粱架）的金屬體作公共通道。3）負極搭鐵4）單線并聯(lián)（單線搭鐵+并聯(lián)連接）電源到用電設(shè)備只用一根導線連接，而用金屬機件作為另一根公共回路線的連接方式稱為單線制。絕大部分用電設(shè)備都是并聯(lián)在電源上。故當一條支路發(fā)生故障時，并不影響其他支路設(shè)備的正常工作。舉例：常用照明系統(tǒng)電路低壓直流負極搭鐵單線并聯(lián)二、繼電器結(jié)構(gòu)繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件。它可以用較小的電流來控制較大的電流，從而實現(xiàn)對電路的控制。繼電器的輸入信號可以是電壓、電流等電量，也可以是熱、速度、油壓等非電量，而輸出則都是觸點動作，使輸出量發(fā)生預定的變化。汽車控制電路繼電器常用的有電磁式繼電器和干簧式繼電器，其中，電磁式繼電器又可分為接柱式繼電器和插接式繼電器。1．電磁式繼電器作用：用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用來控制電氣執(zhí)行元件。組成：鐵芯線圈（電磁鐵）和可與電磁鐵聯(lián)動的觸點。幾種常見插接式繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及插座插腳布置繼電器控制顯示與報警電路2．干簧式繼電器干簧管又稱為干式舌簧管，是一種在玻