汽车电工电子 发电机与起动机

图2-19 直流电机装配结构图

1—风扇 2—机座3—电枢铁心 4—主磁极 5—电刷装置

6—换向器 7—接线板 8—出线盒 9—换向磁极 10—端盖 11—转轴

直流电动机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电动机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩使电机转动，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常被称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。装配后的直流电动机如图2-19所示。

3．直流电动机的励磁方式

励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下4类：

图2-20 直流电机的励磁方式

(a) 他励电动机 (b) 并励电动机 (c) 串励电动机 (d) 复励电动机

（1) 他励直流电机

励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图2-20(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。 （2) 并励直流电机

励磁绕组与电枢绕组并联。如图2-20 (b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。 以上两类电机的励磁电流只有电机电枢中额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。 （3) 串励直流电机

励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-20 (c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。在汽车起动中常用串励电机做起动机用，其运行性能与特点参见起动机内容。

（4) 复励直流电机

每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图2-20 (d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。

4. 直流电机的工作特性 （1）气隙��

位于主磁极下与转子之间的小空隙称为气隙，气隙是电机磁路的重要组成部分。由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，对电机性能有很大的影响，因此在组装时应特别注意减小气隙，提高直流电机的磁能利用率。

（2）电枢绕组的电磁转矩

一定强度的磁场是直流电机进行能量转换的媒介。电枢绕组中流过电枢电流Ia 时，元件成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力的方向按左手定则确定。每根导体受电磁力作用形成电磁转矩，所有电枢导体产生的电磁转矩等于：

T?CTΦIa （2-9）

式中CT为转矩常数，与电机的结构参数有关。

（3）电枢绕组中的感应电动势

电磁转矩使电机以转速n旋转，电枢旋转时，电枢导体又切割气隙磁场，产生电枢感应电动势Ea:

Ea?CeΦn （2-10）

式中Ce是感应电动势常数，由电机结构决定。在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。 （4）直流电动机的电压平衡方程��

图2-21 并励直流电动机工作过程示意图

根据图2-21，依据基尔霍夫电压定律，可以列出转子回路的电压平衡方程式：

U?Ea?IaRa （2-11）

式中：Ra为电枢回路电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻；U是外加电压。可分析出直流电机在运转时，电枢中的电流为：Ia?U?EaRa

（5）他励电动机的机械特性方程

电动机的机械特性是指电动机的转速n与其电磁转矩T之间的关系，即 n?f(T)曲线。机械特性是电动机性能的主要表现，在很大程度上决定了拖动系统稳定运行的性质及特点。必须指出，机械特性中的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一个空载转矩T0。只是由于在一般情况下，空载转矩相比较小，可忽略不计。

由直流电机的几个基本公式可推得他励电动机的机械特性方程式：

n?

EaCe??U?IaRCe??UCe??RCe?Ia?UCe??RCeCT?2?n0??T

当直流他励电动机端电压U?UN，磁通???N，电枢回路附加电阻RK （2-12）

?0时的机械

特性称为固有机械特性。当U、R、?为额定值时，他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线，如图2-22所示。由于Ra较小，特性曲线的斜率β小，所以他励直流电动机的固有机械特性是一条稍稍向下倾斜的直线，称为硬特性，从图像上可知，直流电机具有很强的带载能力，转速平稳。

图2-22 他励直流电机的机械特性

（6）直流电动机的启动��

直流电动机刚接入电源启动时，因为电动机转速等于零， 电枢上的反电动势为零，故而外加电压全部加到电枢电阻上， 而电枢电阻一般都较小，此时电动机的电枢电流会很大，会烧坏电动机的绕组和电刷。因此直流电动机启动时，必须在电枢电路中串入电阻或降低电源电压，以限制其启动电流，但又要考虑启动转矩减小太多而影响启动能力。

（7）直流电动机的调速��

根据直流动机的固有机械特性方程，直流电动机的调速一般有以下三种方法：

1）电枢回路串电阻调速

串电阻调速的过程：当电阻串入电枢回路时，电枢中的感应电动势Ea不能突变，据公式Ia?U?EaRa可分析出电枢电流Ia下降,电磁转矩随之下降,引发电机的转速下降,从而

电枢中的感应电动势也随之下降,于是电枢中的电流Ia回升，回升至电磁转矩与负载转矩平衡时达到稳定，此时速度已由n1下降至n2，要注意的是调速前后负载转矩TZ不变。

串电阻调速特点是只能将转速往下调，所以调速范围较小，在电阻上损耗大，设备简单，投资少。

２）降低电源电压调速

降压调速的过程：当加入电枢电路的电压U下降时，电枢中的电流随之下降，电磁转矩也随之下降，由于负载没有改变，因而电机的转速下降，于是电枢中的感应电动势Ea变小，

据公式Ia?U?EaRa可分析出电枢电流Ia回升，电磁转矩 T随之回升，与负载转矩平衡时

恢复稳定运行,但转速n已降低。

降低电源电压调速特点是特性平行下移，调速范围较大，平滑性好，损耗小，需可调直流电源，初次投资要大，适用于对调速性能要求较高的中大容量拖动系统。

３）弱磁调速

保持U=UN，调节励磁电流使之减小，亦即减弱磁通，从而调节转速。弱磁调速时，从机械特性方程可知电机转速上升。 （8）直流电动机的反转��

要改变直流电动机的转向，只要改变其电枢电流方向或者改变励磁电流方向即可。但两者只能取一，通常是采用改变电枢电流方向的方法，因为励磁电路的电感较大，反接时会产生很高的感应电动势而击穿励磁绕组。 （9）直流电机的制动

为了使直流电动机切断电源后能迅速停止转动，需要对电动机采取制动方法。当电动机电枢电路与电源脱离， 而与某一电阻元件Ｒ相连形成回路。由于电动机的电枢具有惯性， 继续旋转，而电动机励磁电路仍在继续工作，因此电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，并且方向也不变。不过此时电动机变为发电机状态向电阻元件Ｒ供电， 其电流方向与感应电动势方向一致，而此方向与原来电动机的工作状态正好相反，此时电流在磁场中产生的一对制动电磁力矩，对转轴产生的制动转矩，这与电动机原电枢转向相反，因而电动机迅速停转。这种方法叫能耗制动，是一种经常采用的制动方法。

5. 汽车起动机

汽车靠发动机工作，要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须用外力转动发动机的曲轴，使汽车发动机的气缸内吸入(或形成)可燃混合气并燃烧膨胀，工作循环才能自动进行。汽车由静止到运动必须靠外力来带动，这个外力就来源于汽车的起动机。目前汽车上的起动机，动力源多来自电能，即起动机主要由直流电动机构成。

如图2-23，汽车起动机一般由三部分组成：

（1）直流串激式电动机：作用是产生转矩，将电能转换为机械能供起动机使用。 （2）传动机构：作用是在发动机起动时，使起动机驱动齿轮啮入飞轮齿环，将电动机的力矩传给飞轮齿圈，从而将起动机转矩传给发动机曲轴；而在发动机起动后．使驱动齿轮打滑与飞轮齿环自动脱开，自动脱离传动力。

（3）控制装置：接通和切断起动机与蓄电池之间的电路。

图2-23 汽车起动机组成