直流電動機(jī)及其應(yīng)用

1、.,第五章 直流電動機(jī)及其應(yīng)用,.,5.1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,5.1.1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 5.1.2 直流電動機(jī)的工作原理 5.1.3 直流電動機(jī)的反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 5.1.4 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡 5.1.5 直流電動機(jī)的銘牌,.,直流電動機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)圖。,5.1.1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu),圖5-1 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖,.,定子主要由主磁極、換向磁極、機(jī)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,.,圖5-2 主磁極結(jié)構(gòu)圖,.,（2）換向磁極 在相鄰的主磁極之間裝有換向

2、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(shí)的火花，保護(hù)換向器，使電動機(jī)可靠安全的運(yùn)行。,.,（3）機(jī)座,圖5-3 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖,.,（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(jī)的轉(zhuǎn)子是電動機(jī)實(shí)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(fēng)扇等。,2電樞,.,（1）電樞鐵芯 （2）電樞繞組,圖5-4 小型直流電動機(jī)電樞沖片和電樞鐵芯示意圖,.,（3）換向器,圖5-5 換向器結(jié)構(gòu)示意圖,.,流電動機(jī)也是由磁路和電路兩個(gè)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(yīng)定律為基礎(chǔ)。,5.1.2 直流電動

3、機(jī)的工作原理,圖5-6 直流電動機(jī)的工作原理圖,.,EaKen （5-1） 式中，Ke 電動勢常數(shù)，由電動機(jī)本身的結(jié)構(gòu)所決定。 直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電樞中的電流為 （5-2） 式中，U 外加電壓； Ra 電樞繞組的電阻。,5.1.3 直流電動機(jī)的反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,.,于是得 U = Ea+RaIa （5-3） 這是直流電動機(jī)的電壓平衡方程式，顯然EaU。上式兩邊乘以電流（Ia），即得功率平衡方程： UIa = EaIa+RaIa2 （5-4） 式中，EaIa 電磁功率，它轉(zhuǎn)化為電動機(jī)的機(jī)械功率，如果不計(jì)摩擦損耗，它也就是電動機(jī)的輸出功率； RaIa2電樞繞組的銅耗； UIa 電源供給的電功率（

4、不計(jì)鐵耗）。,.,直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（T）與每極磁通（）和電樞電流（Ia）成正比： T = KTIa （5-5） 式中，KT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)，取決于電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。,.,直流電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行狀況取決于負(fù)載的大??；當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩都將自動地作相應(yīng)的變化來達(dá)到新的平衡。 轉(zhuǎn)速公式可由式（5-1）和式（5-3）得出 （5-6）,5.1.4 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡,.,直流電動機(jī)的銘牌上標(biāo)明其型號、額定數(shù)據(jù)和勵(lì)磁方式等。 型號主要說明產(chǎn)品代號和規(guī)格代號。 例如，型號為Z-132L-TH的直流電動機(jī)，說明此直流電動機(jī)是中心高為132mm，長機(jī)座，適用于濕熱帶地區(qū)使用的普通直流電動機(jī)。,

5、5.1.5 直流電動機(jī)的銘牌,.,直流電動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，帶額定負(fù)載、按規(guī)定勵(lì)磁方式勵(lì)磁且使勵(lì)磁電流為額定值、電樞繞組加額定電壓時(shí)的運(yùn)行方式，稱為額定運(yùn)行。 額定數(shù)據(jù)主要有如下幾個(gè)。,.,額定電壓（UN）指直流電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，電樞繞組外接電源的電壓，也是電動機(jī)安全工作的最高電壓。,1額定電壓,額定電流（IN）指直流電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，電樞繞組流過的直流電流，也是電動機(jī)按規(guī)定長期額定運(yùn)行時(shí)電樞繞組可以通過的最大電流。,2額定電流,.,額定功率（PN）指電動機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，軸上輸出的機(jī)械功率。即 PN = UNIN N （5-7） 式中，N 額定效率。,3額定功率,.,額定轉(zhuǎn)速（nN）指電動機(jī)額

6、定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。 根據(jù)銘牌上一些物理量的額定值，可以計(jì)算另一些物理量的額定值，則額定轉(zhuǎn)矩為 （5-8）,4額定轉(zhuǎn)速,.,勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組的供電方式，勵(lì)磁方式與電動機(jī)的性能有密切關(guān)系。 直流電動機(jī)有他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)種勵(lì)磁方式。,5勵(lì)磁方式,.,5.2 直流電動機(jī)的勵(lì)磁方式,5.2.1 他勵(lì)直流電動機(jī) 5.2.2 并勵(lì)直流電動機(jī) 5.2.3 串勵(lì)直流電動機(jī) 5.2.4 復(fù)勵(lì)直流電動機(jī),.,勵(lì)磁電流為 式中，Uf 勵(lì)磁電壓； Rf 勵(lì)磁電阻（包括勵(lì)磁繞組電阻和勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻）。 為了能用較小的電流產(chǎn)生足夠的磁場，勵(lì)磁繞組匝數(shù)很多，導(dǎo)線截面很細(xì)，所以Rf比較大，一般的關(guān)系是RfRa。,5.2.

7、1 他勵(lì)直流電動機(jī),.,圖5-7 他勵(lì)直流電動機(jī)的等效電路圖,.,并勵(lì)直流電動機(jī)的勵(lì)磁繞組與其電樞電路并聯(lián)后，共同由一個(gè)直流電源供電，其等效電路如圖5-8所示，這時(shí)電源輸出的電流等于電樞電流與勵(lì)磁電流之和，即 I = Ia+If （5-9）,5.2.2 并勵(lì)直流電動,.,圖5-8 并勵(lì)直流電動機(jī)的等效電路圖,.,圖5-9 并勵(lì)直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線,.,串勵(lì)直流電動機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)后，由一個(gè)電源供電，其等效電路如圖5-10所示。 可見串勵(lì)直流電動機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流，其數(shù)值為 （5-11）,5.2.3 串勵(lì)直流電動機(jī),.,圖5-10 串勵(lì)直流電動機(jī)的等效電路圖,.,復(fù)勵(lì)直流電動

8、機(jī)的主磁極上裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組。 一個(gè)勵(lì)磁繞組與電樞電路并聯(lián)，稱為并勵(lì)繞組；另一個(gè)勵(lì)磁繞組與電動機(jī)電樞串聯(lián)，稱為串勵(lì)繞組；兩繞組共同由一個(gè)直流電源供電。,5.2.4 復(fù)勵(lì)直流電動機(jī),.,圖5-12 復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)的等效電路圖,.,5.3 直流電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速,5.3.1 啟動 5.3.2 反轉(zhuǎn) 5.3.3 調(diào)速,.,電動機(jī)在啟動的瞬間轉(zhuǎn)速n=0，所以此時(shí)Ea=0，此時(shí)電樞電流稱為啟動電流（Ist），根據(jù)式（5-2）可知 （5-16） 根據(jù)式（5-16）可知為了減小啟動電流，對于容量稍大的直流電動機(jī)，啟動時(shí)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。,5.3.1 啟動,.,降

9、壓啟動的方法只適用于他勵(lì)直流電動機(jī)。這種方法要求有一個(gè)電壓可變的直流電源（如可控硅電源）專供電樞使用。 啟動時(shí)，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(dá)到額定值。,1降壓啟動,.,2串聯(lián)啟動變阻器,圖5-13 并勵(lì)直流電動機(jī)串 變阻器啟動原理電路,.,改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向叫反轉(zhuǎn)。 改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就是改變電動機(jī)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。 因此，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。 實(shí)現(xiàn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)的具體方法有改變電樞電壓極性和改變勵(lì)磁電壓極性。,5.3.2 反轉(zhuǎn),.,1改變電樞電壓極性,圖5-14 并勵(lì)直流

10、電動機(jī)改變電樞電壓極性電路圖,圖5-1 分時(shí)四輪驅(qū)動系統(tǒng)的組成,.,將勵(lì)磁繞組兩極接線調(diào)換，即可改變勵(lì)磁電壓的極性，使勵(lì)磁電流方向改變，從而使主磁通的方向改變。 這種實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法在實(shí)際中一般很少采用。 因?yàn)楦慕觿?lì)磁繞組接線時(shí)，勵(lì)磁電流有可能出現(xiàn)中斷，從而引起“飛車”事故。,2改變勵(lì)磁電壓極性,.,由直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程式（5-19）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩（T）不變（負(fù)載不變）時(shí)，影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速高低的主要是電樞回路電阻（Ra）、主磁通（）、電源電壓（U）3個(gè)因素。 因此電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下述3種方法調(diào)節(jié)。,5.3.3 調(diào)速,.,1改變電樞電路的電阻調(diào)速,圖5-15 電樞電路串聯(lián)電阻調(diào)速原理圖,.,圖5

11、-16 調(diào)速物理過程圖,.,這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下。 只能在額定轉(zhuǎn)速（nN）以下進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡稱下調(diào)。 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(jì)。 使電動機(jī)的機(jī)械特性變軟。當(dāng)負(fù)載變動時(shí)，電動機(jī)的速度變化較大，這對于要求穩(wěn)速的負(fù)載來說是不利的。 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。 調(diào)控方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)。,.,2改變勵(lì)磁電流調(diào)速,圖5-17 勵(lì)磁電路串聯(lián)電阻調(diào)速原理圖,.,圖5-18 調(diào)速物理過程圖,.,這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下。 調(diào)速平滑，可做到無級調(diào)速。 流經(jīng)調(diào)速電阻（Re）的勵(lì)磁電流較小，故功率損耗小，比較經(jīng)濟(jì)。 調(diào)速后機(jī)械特

12、性變軟，運(yùn)行的穩(wěn)定性差。 調(diào)速范圍比較小。 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(jī)常由單獨(dú)的可調(diào)整流裝置供電。 目前用得最多的可調(diào)直流電源是晶閘管整流（SCR）裝置。 調(diào)節(jié)電源電壓就可均勻調(diào)速。因?yàn)榧釉陔姌猩系碾妷翰荒艹^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(diǎn)，但需要專用的直流調(diào)壓電源。,3降低電源電壓,.,5.4 無刷直流電機(jī),5.4.1 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 5.4.2 無刷直流電動機(jī)的工作原理,.,無刷直流電動機(jī)按照其工作特性，基本上可以分為兩大類。 （1）具有直流電動機(jī)特性的

13、無刷直流電動機(jī) （2）具有交流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī),.,無刷直流電動機(jī)的組成：電動機(jī)本體、位置傳感器和電子換向線路。,5.4.1 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu),.,1電動機(jī)本體,圖5-19 曲型無刷直流電動機(jī)本體基本結(jié)構(gòu),.,位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鐵磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。 位置傳感器種類較多，目前在無刷直流電動機(jī)中常用的位置傳感器有電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器和磁敏式位置傳感器。,2位置傳感器,.,無刷直流電動機(jī)電子換向線路是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間，主要由功率邏

14、輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。 功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組，以便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。,3電子換向線路,.,而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號。 但位置傳感器所產(chǎn)生的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元，往往需要經(jīng)過一定邏輯處理后才能去控制功率邏輯開關(guān)單元。,.,圖5-20 無刷直流電動機(jī)工作原理的方框圖,.,5.4.2 無刷直流電動機(jī)的工作原理,圖5-21 三相繞組無刷直流電動機(jī)半控橋電路原理圖,.,在圖5-21中3只光電器件（VP1、VP2、VP

15、3）的安裝位置各相差120，均勻分布在電動機(jī)一端。 借助安裝在電動機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板（也稱截光器）的作用，使得從光源射來的光線依次照射在各個(gè)光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。 圖5-21中所示位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置和如圖5-22（a）所示的位置相對應(yīng)。,.,圖5-22 各相繞組電流與電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)示意圖,.,5.5車用直流起動機(jī),5.5.1 車用直流起動機(jī)的構(gòu)造 5.5.2 車用直流起動機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)和電控原理,.,車用起動機(jī)，都是用串勵(lì)直流電動機(jī)。 它由磁極、電樞和換向器等主要部分組成。 其結(jié)構(gòu)如圖5-23所示，電樞繞組與磁場繞組的連接為串聯(lián)方式。,5.5

16、.1 車用直流起動機(jī)的構(gòu)造,.,圖5-23 車用直流起動機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1磁場繞組 2磁極鐵芯 3起動機(jī)外殼 4磁極固定螺釘 5換向器 6轉(zhuǎn)子鐵芯 7電樞繞組 8電樞軸,.,機(jī)殼的作用是固定機(jī)件和構(gòu)成導(dǎo)磁回路。殼體用鑄鐵澆鑄或鋼板卷焊而成。 殼體上設(shè)有一個(gè)接線端子并在內(nèi)部與磁場繞組的一端相接。,1磁極 2機(jī)殼,.,圖5-24 磁場繞組的連接方式圖,.,3電樞 4換向器,圖5-25 換向器剖面圖 1銅片 2軸套 3壓環(huán) 4云母,.,換向器的作用是連接磁場繞組、電樞繞組和電源，并保證電樞產(chǎn)生的電磁力矩方向不變，使電動機(jī)軸能輸出固定方向的轉(zhuǎn)矩。 其結(jié)構(gòu)如圖5-25所示，它由許多截面呈燕尾形的銅片圍合而成，

17、銅片嵌在換向器軸套2和壓環(huán)3組成的槽中，銅片之間以及銅片與軸套、壓環(huán)之間均用云母絕緣，銅片一端有焊接電樞繞組線頭的突緣。,.,電刷的作用是將電流引入電動機(jī)。一般有4個(gè)電刷架，固定在前端蓋上，其中兩個(gè)電刷架與端蓋絕緣，稱為絕緣電刷架；另外兩個(gè)電刷架與端蓋直接鉚合成搭鐵，稱為搭鐵電刷架。 電刷由銅和石墨粉壓制而成，加入銅是為了減少電阻并增加耐磨性。 電刷裝在電刷架中，借彈簧壓力將它緊壓在換向器上。,5電刷,.,端蓋有前后兩個(gè)，前端蓋一般用鋼板壓制而成，其上裝有4個(gè)電刷架，后端蓋為灰鑄鐵澆鑄而成。 它們分別裝在機(jī)殼的兩端，靠兩個(gè)長螺栓與起動機(jī)機(jī)殼緊固在一起。 兩端蓋內(nèi)均裝有軸承套，以支撐電樞軸。,6

18、端蓋,.,圖5-26所示為車用直流起動機(jī)電路控制圖，當(dāng)把鑰匙接通到“START”上時(shí)，點(diǎn)火開關(guān)7閉合，這樣從蓄電池10流出的電流分別經(jīng)過保持線圈5和吸拉線圈6形成并聯(lián)回路。,5.5.2 車用直流起動機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)和電控原理,.,圖5-26 車用直流起動機(jī)電路控制圖 1小齒輪 2回位彈簧 3撥叉 4活動鐵芯 5保持線圈 6吸拉線圈 7點(diǎn)火開關(guān) 8保險(xiǎn)絲 9電流表 10蓄電池 11起動機(jī) 12擋鐵 13接觸盤 14、15接線柱,.,5.6 典型汽車電動機(jī)控制電路,5.6.1 電動刮水器 5.6.2 風(fēng)窗玻璃洗滌器 5.6.3 電動車窗 5.6.4 電動座椅,.,5.6.1 電動刮水器,1構(gòu)造和工作原

19、理,圖5-27 電動刮水器結(jié)構(gòu)圖,.,電動機(jī)常采用改變兩刷間串聯(lián)的電阻數(shù)的方法對其進(jìn)行調(diào)速，如圖5-28所示。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。電樞采用對稱疊繞式。,.,圖5-28 雙速刮水器的工作原理圖 1電樞繞組 2永久磁鐵 3整流子 4反電動勢,.,當(dāng)切斷電源時(shí)為了不影響駕駛員的視線，要求刮水器片自動復(fù)位,2自動復(fù)位和間歇式刮水功能,.,5.6.2 風(fēng)窗玻璃洗滌器,圖5-29 風(fēng)窗玻璃洗滌器結(jié)構(gòu)圖 1洗滌液罐 2洗滌液泵 3三通 4、5噴嘴 6刮水器開關(guān) 7軟管,.,5.6.3 電動車窗,1基本結(jié)構(gòu),圖5-30 電動車窗控制開關(guān)布置示意圖,.,2電

20、路控制,圖5-31 電動車窗控制電路圖,.,5.6.4 電動座椅,1電動座椅的基本結(jié)構(gòu),圖5-32 電動座椅調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖,.,圖5-33 電動座椅的調(diào)節(jié)裝置及其位置圖,.,2電動座椅控制電路,圖5-34 電動座椅的調(diào)節(jié)裝置及其位置圖,.,習(xí) 題,1直流電動機(jī)和交流電動機(jī)相比有什么優(yōu)點(diǎn)？ 2容量較大的直流電動機(jī)能否直接啟動？為什么？ 3為什么直流電動機(jī)在通電后最終轉(zhuǎn)速會趨于平衡而不會越來越快？ 4為什么起動機(jī)采用串勵(lì)直流電動機(jī)？ 5直流電動機(jī)中換向器的作用是什么？ 6為什么串勵(lì)直流電動機(jī)不能空載或輕載運(yùn)行？,.,7車用起動機(jī)的工作原理是什么？ 8單向離合器和撥叉的作用是什么？ 9電動刮水器如何實(shí)現(xiàn)

21、高速和低速運(yùn)行？ 10對圖5-31，如何實(shí)現(xiàn)窗鎖開關(guān)閉合，乘客對后座右側(cè)車窗進(jìn)行上升控制？ 11對圖5-34，如何實(shí)現(xiàn)駕駛員想使座椅的后端向下移動？ 12在直流電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載突然增大一點(diǎn)會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？,.,13如果沒有電刷和換向器，直流電動機(jī)會出現(xiàn)什么情況？ 14復(fù)勵(lì)電動機(jī)的主磁通隨電樞電流的增加會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ 15什么是直流電動機(jī)的軟特性？什么是硬特性？ 16簡述車用直流起動機(jī)的啟動控制過程？ 17直流電動機(jī)的勵(lì)磁方式有哪些？畫圖進(jìn)行說明。,.,自測題,一、填空題 1直流電動機(jī)由 和 兩大部分組成。它的工作原理以 和 為基礎(chǔ)。 2直流電動機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 ，產(chǎn)生的反電動勢與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向 。 3直流電動機(jī)按照勵(lì)磁方式的不同可分為 、 、 和 4種。,.,4改變直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的方法有 和 兩種。 5對于容量