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1、第五章 直流电动机及其应用,5.1 直流电动机的结构和工作原理,5.1.1 直流电动机的结构5.1.2 直流电动机的工作原理5.1.3 直流电动机的反电动势和电磁转矩5.1.4 直流电动机的转矩平衡5.1.5 直流电动机的铭牌,直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成。图5-1所示为直流电动机的结构图。,5.1.1 直流电动机的结构,图5-1 直流电动机的结构图,定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。（1）主磁极 主磁极的作用是产生主磁场。,1定子,图5-2 主磁极结构图,（2）换向磁极 在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由铁芯和绕组构成。其作用
2、是消除或减小换向时的火花，保护换向器，使电动机可靠安全的运行。,（3）机座,图5-3 机座结构图,（4）电刷装置,电刷装置一般由电刷、刷握、引线、电刷弹簧等构成。,直流电动机的转子是电动机实现能量转换的枢纽，所以常称之为电枢。电枢部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。,2电枢,（1）电枢铁芯（2）电枢绕组,图5-4 小型直流电动机电枢冲片和电枢铁芯示意图,（3）换向器,图5-5 换向器结构示意图,流电动机也是由磁路和电路两个基本部分组成的。它的工作原理仍以电磁力定律和电磁感应定律为基础。,5.1.2 直流电动机的工作原理,图5-6 直流电动机的工作原理图,EaKen（5-1）
3、式中，Ke电动势常数，由电动机本身的结构所决定。直流电动机运转时，电枢中的电流为（5-2）式中，U外加电压；Ra电枢绕组的电阻。,5.1.3 直流电动机的反电动势和电磁转矩,于是得U=Ea+RaIa（5-3）这是直流电动机的电压平衡方程式，显然EaU。上式两边乘以电流（Ia），即得功率平衡方程：UIa=EaIa+RaIa2（5-4）式中，EaIa电磁功率，它转化为电动机的机械功率，如果不计摩擦损耗，它也就是电动机的输出功率；RaIa2电枢绕组的铜耗；UIa电源供给的电功率（不计铁耗）。,直流电动机的电磁转矩（T）与每极磁通（）和电枢电流（Ia）成正比：T=KTIa（5-5）式中，KT转矩常数，
4、取决于电动机的结构。,直流电动机的稳定运行状况取决于负载的大小；当负载发生变化时，电动机的转速、电流、转矩都将自动地作相应的变化来达到新的平衡。转速公式可由式（5-1）和式（5-3）得出（5-6）,5.1.4 直流电动机的转矩平衡,直流电动机的铭牌上标明其型号、额定数据和励磁方式等。型号主要说明产品代号和规格代号。例如，型号为Z-132L-TH的直流电动机，说明此直流电动机是中心高为132mm，长机座，适用于湿热带地区使用的普通直流电动机。,5.1.5 直流电动机的铭牌,直流电动机在标准环境温度下，带额定负载、按规定励磁方式励磁且使励磁电流为额定值、电枢绕组加额定电压时的运行方式，称为额定运行
5、。额定数据主要有如下几个。,额定电压（UN）指直流电动机额定运行时，电枢绕组外接电源的电压，也是电动机安全工作的最高电压。,1额定电压,额定电流（IN）指直流电动机额定运行时，电枢绕组流过的直流电流，也是电动机按规定长期额定运行时电枢绕组可以通过的最大电流。,2额定电流,额定功率（PN）指电动机额定运行时，轴上输出的机械功率。即PN=UNINN（5-7）式中，N额定效率。,3额定功率,额定转速（nN）指电动机额定运行时的转速。根据铭牌上一些物理量的额定值，可以计算另一些物理量的额定值，则额定转矩为（5-8）,4额定转速,励磁方式是指励磁绕组的供电方式，励磁方式与电动机的性能有密切关系。直流电动
6、机有他励、并励、串励和复励种励磁方式。,5励磁方式,5.2 直流电动机的励磁方式,5.2.1 他励直流电动机5.2.2 并励直流电动机5.2.3 串励直流电动机5.2.4 复励直流电动机,励磁电流为式中，Uf励磁电压；Rf励磁电阻（包括励磁绕组电阻和励磁调节电阻）。为了能用较小的电流产生足够的磁场，励磁绕组匝数很多，导线截面很细，所以Rf比较大，一般的关系是RfRa。,5.2.1 他励直流电动机,图5-7 他励直流电动机的等效电路图,并励直流电动机的励磁绕组与其电枢电路并联后，共同由一个直流电源供电，其等效电路如图5-8所示，这时电源输出的电流等于电枢电流与励磁电流之和，即I=Ia+If（5-
7、9）,5.2.2 并励直流电动,图5-8 并励直流电动机的等效电路图,图5-9 并励直流电动机的机械特性曲线,串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联后，由一个电源供电，其等效电路如图5-10所示。可见串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流，其数值为（5-11）,5.2.3 串励直流电动机,图5-10 串励直流电动机的等效电路图,复励直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组。一个励磁绕组与电枢电路并联，称为并励绕组；另一个励磁绕组与电动机电枢串联，称为串励绕组；两绕组共同由一个直流电源供电。,5.2.4 复励直流电动机,图5-12 复励直流电动机的等效电路图,5.3 直流电动机的启动、反转和调速,5.
8、3.1 启动5.3.2 反转5.3.3 调速,电动机在启动的瞬间转速n=0，所以此时Ea=0，此时电枢电流称为启动电流（Ist），根据式（5-2）可知（5-16）根据式（5-16）可知为了减小启动电流，对于容量稍大的直流电动机，启动时可降低加在电枢绕组上的电压，或在电枢电路中串联启动变阻器。,5.3.1 启动,降压启动的方法只适用于他励直流电动机。这种方法要求有一个电压可变的直流电源（如可控硅电源）专供电枢使用。启动时，降低电枢电压，待启动后，随着转速的升高逐步升高电枢电压，直到转速达到额定值。,1降压启动,2串联启动变阻器,图5-13 并励直流电动机串变阻器启动原理电路,改变电动机的旋转方向
9、叫反转。改变电动机的旋转方向就是改变电动机电磁转矩方向。电磁转矩的方向是由主磁通方向和电枢电流的方向共同决定的。因此，改变电枢电流或主磁通的方向都能使电磁转矩方向改变。实现电动机反转的具体方法有改变电枢电压极性和改变励磁电压极性。,5.3.2 反转,1改变电枢电压极性,图5-14 并励直流电动机改变电枢电压极性电路图,图5-1 分时四轮驱动系统的组成,将励磁绕组两极接线调换，即可改变励磁电压的极性，使励磁电流方向改变，从而使主磁通的方向改变。这种实现反转的方法在实际中一般很少采用。因为改接励磁绕组接线时，励磁电流有可能出现中断，从而引起“飞车”事故。,2改变励磁电压极性,由直流电动机的机械特性
10、方程式（5-19）可知，当转矩（T）不变（负载不变）时，影响电动机转速高低的主要是电枢回路电阻（Ra）、主磁通（）、电源电压（U）3个因素。因此电动机的转速可由下述3种方法调节。,5.3.3 调速,1改变电枢电路的电阻调速,图5-15 电枢电路串联电阻调速原理图,图5-16 调速物理过程图,这种调速方法的特点如下。只能在额定转速（nN）以下进行调节，简称下调。由于流过调速电阻（Re）上的电流为电枢电流，其数值较大，故Re上的能量损耗大，不经济。使电动机的机械特性变软。当负载变动时，电动机的速度变化较大，这对于要求稳速的负载来说是不利的。电枢电流不受影响，数值保持不变，故这种调速叫作恒转矩调速。
11、调控方法简单，容易实现。,2改变励磁电流调速,图5-17 励磁电路串联电阻调速原理图,图5-18 调速物理过程图,这种调速方法的特点如下。调速平滑，可做到无级调速。流经调速电阻（Re）的励磁电流较小，故功率损耗小，比较经济。调速后机械特性变软，运行的稳定性差。调速范围比较小。只能在额定转速（nN）以上调速，简称上调，也称为弱磁调速。,直流电动机常由单独的可调整流装置供电。目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流（SCR）装置。调节电源电压就可均匀调速。因为加在电枢上的电压不能超过额定值（UN），所以这种调速方法只能在额定转速（nN）以下作均匀调速。这种调速方法具有调速范围广、平滑性好等优点，但需
12、要专用的直流调压电源。,3降低电源电压,5.4 无刷直流电机,5.4.1 无刷直流电动机的结构5.4.2 无刷直流电动机的工作原理,无刷直流电动机按照其工作特性，基本上可以分为两大类。（1）具有直流电动机特性的无刷直流电动机（2）具有交流电动机特性的无刷直流电动机,无刷直流电动机的组成：电动机本体、位置传感器和电子换向线路。,5.4.1 无刷直流电动机的结构,1电动机本体,图5-19 曲型无刷直流电动机本体基本结构,位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁铁磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，目前在
13、无刷直流电动机中常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。,2位置传感器,无刷直流电动机电子换向线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便产生旋转的磁场，从而使电动机产生持续不断的转矩。,3电子换向线路,而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制功率逻辑开关单元。,图5-20
14、无刷直流电动机工作原理的方框图,5.4.2 无刷直流电动机的工作原理,图5-21 三相绕组无刷直流电动机半控桥电路原理图,在图5-21中3只光电器件（VP1、VP2、VP3）的安装位置各相差120，均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板（也称截光器）的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图5-21中所示位置传感器的转子位置和如图5-22（a）所示的位置相对应。,图5-22 各相绕组电流与电动机转子磁场的旋转示意图,5.5车用直流起动机,5.5.1 车用直流起动机的构造5.5.2 车用直流起动机的传动机构和电
15、控原理,车用起动机，都是用串励直流电动机。它由磁极、电枢和换向器等主要部分组成。其结构如图5-23所示，电枢绕组与磁场绕组的连接为串联方式。,5.5.1 车用直流起动机的构造,图5-23 车用直流起动机结构图1磁场绕组 2磁极铁芯 3起动机外壳 4磁极固定螺钉5换向器 6转子铁芯 7电枢绕组 8电枢轴,机壳的作用是固定机件和构成导磁回路。壳体用铸铁浇铸或钢板卷焊而成。壳体上设有一个接线端子并在内部与磁场绕组的一端相接。,1磁极2机壳,图5-24 磁场绕组的连接方式图,3电枢4换向器,图5-25 换向器剖面图1铜片 2轴套 3压环 4云母,换向器的作用是连接磁场绕组、电枢绕组和电源，并保证电枢产
16、生的电磁力矩方向不变，使电动机轴能输出固定方向的转矩。其结构如图5-25所示，它由许多截面呈燕尾形的铜片围合而成，铜片嵌在换向器轴套2和压环3组成的槽中，铜片之间以及铜片与轴套、压环之间均用云母绝缘，铜片一端有焊接电枢绕组线头的突缘。,电刷的作用是将电流引入电动机。一般有4个电刷架，固定在前端盖上，其中两个电刷架与端盖绝缘，称为绝缘电刷架；另外两个电刷架与端盖直接铆合成搭铁，称为搭铁电刷架。电刷由铜和石墨粉压制而成，加入铜是为了减少电阻并增加耐磨性。电刷装在电刷架中，借弹簧压力将它紧压在换向器上。,5电刷,端盖有前后两个，前端盖一般用钢板压制而成，其上装有4个电刷架，后端盖为灰铸铁浇铸而成。它
17、们分别装在机壳的两端，靠两个长螺栓与起动机机壳紧固在一起。两端盖内均装有轴承套，以支撑电枢轴。,6端盖,图5-26所示为车用直流起动机电路控制图，当把钥匙接通到“START”上时，点火开关7闭合，这样从蓄电池10流出的电流分别经过保持线圈5和吸拉线圈6形成并联回路。,5.5.2 车用直流起动机的传动机构和电控原理,图5-26 车用直流起动机电路控制图1小齿轮 2回位弹簧 3拨叉 4活动铁芯 5保持线圈 6吸拉线圈 7点火开关 8保险丝 9电流表 10蓄电池11起动机 12挡铁 13接触盘 14、15接线柱,5.6 典型汽车电动机控制电路,5.6.1 电动刮水器5.6.2 风窗玻璃洗涤器5.6.
18、3 电动车窗5.6.4 电动座椅,5.6.1 电动刮水器,1构造和工作原理,图5-27 电动刮水器结构图,电动机常采用改变两刷间串联的电阻数的方法对其进行调速，如图5-28所示。电刷B3为高低速公用电刷。B1用于低速，B2用于高速，B2与B1相差60。电枢采用对称叠绕式。,图5-28 双速刮水器的工作原理图1电枢绕组 2永久磁铁 3整流子 4反电动势,当切断电源时为了不影响驾驶员的视线，要求刮水器片自动复位,2自动复位和间歇式刮水功能,5.6.2 风窗玻璃洗涤器,图5-29 风窗玻璃洗涤器结构图1洗涤液罐 2洗涤液泵 3三通 4、5喷嘴6刮水器开关 7软管,5.6.3 电动车窗,1基本结构,图
19、5-30 电动车窗控制开关布置示意图,2电路控制,图5-31 电动车窗控制电路图,5.6.4 电动座椅,1电动座椅的基本结构,图5-32 电动座椅调节结构图,图5-33 电动座椅的调节装置及其位置图,2电动座椅控制电路,图5-34 电动座椅的调节装置及其位置图,习 题,1直流电动机和交流电动机相比有什么优点？2容量较大的直流电动机能否直接启动？为什么？3为什么直流电动机在通电后最终转速会趋于平衡而不会越来越快？4为什么起动机采用串励直流电动机？5直流电动机中换向器的作用是什么？6为什么串励直流电动机不能空载或轻载运行？,7车用起动机的工作原理是什么？8单向离合器和拨叉的作用是什么？9电动刮水器
20、如何实现高速和低速运行？10对图5-31，如何实现窗锁开关闭合，乘客对后座右侧车窗进行上升控制？11对图5-34，如何实现驾驶员想使座椅的后端向下移动？12在直流电动机正常运行时，如果负载突然增大一点会出现什么现象？,13如果没有电刷和换向器，直流电动机会出现什么情况？14复励电动机的主磁通随电枢电流的增加会出现什么现象？15什么是直流电动机的软特性？什么是硬特性？16简述车用直流起动机的启动控制过程？17直流电动机的励磁方式有哪些？画图进行说明。,自测题,一、填空题 1直流电动机由 和 两大部分组成。它的工作原理以 和 为基础。2直流电动机中的电磁转矩方向与转子的旋转方向，产生的反电动势与转
21、子的旋转方向。3直流电动机按照励磁方式的不同可分为、和 4种。,4改变直流电动机旋转方向的方法有 和 两种。5对于容量较大的直流电动机采取的启动方法有 和 两种。6直流电动机的调速方法有、和 3种。7无刷直流电动机由、和 3部分组成。8位置传感器在无刷直流电动机中起着测定 磁极位置的作用，为 提供正确的换相信息。,9电磁式位置传感器是利用 来实现其位置测量作用的，光电式位置传感器是利用 制成的。10无刷直流电动机电子换向线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的 和，主要由 单元和 单元两个部分组成。11车用起动机电枢绕组与磁场绕组的连接为 方式。12起动机的传动机构包括 和 两部分。13单向离
22、合器的作用是，拨叉的作用是使离合器作。,1改变电源的极性不能改变串励直流电动机的转向。（）2串励直流电动机在使用时必须采用齿轮连接，以防出现“飞车”现象。（）3起动机在启动过程中，吸拉线圈始终得电产生磁场。（）4只要调节得当，直流电动机在运行中不一定产生反感应电动势。（）,二、判断题,5直流电动机一定要进行降压启动。（）6当车窗的窗锁开关断开时乘客无法对车窗进行升降操作。（）7换向磁极的作用是消除或减小换向时的火花，保护换向器。（）8复励电动机的主磁通随电枢电流的增大而增大。（）9对于直流电动机进行降压启动时，启动电流越小越好。（）,1画图说明串励和并励直流电动机的机械特性曲线，并说明在使用时应注意的问题。2为什么当齿轮啮合好后，吸拉线圈中没有电流流过？3对图5-31，如何实现窗锁开关闭合，驾驶员对后座右侧车窗进行上升控制？4对图5-34，如何实现驾驶员想使坐椅的后端向上移动？5简述无刷直流电动机的工作原理。,三、简答题,
