汽车电工电子基础-项目四

汽车电工电子基础项目四电动机与发电机学习目标•1.掌握直流电动机的结构、类别和工作原理•2.理解直流电动机的启动、调整、转向与制动的方法•3.能对常见直流电动机进行检测•4.掌握交流发电机的结构、类别和工作原理；•5.了解交流发电机的工作特性•6.能对交流发电机的整机和零部件进行检测任务1直流电动机的原理分析与检测•直流电动机优点：一是扭矩大；二是工作时间短。直流电动机与交流电动机相比，它具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。•直流电动机的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，且维护比较困难。•直流电动机在汽车上的应用：如风扇电动机、启动机、风窗玻璃刮水器电动机、风窗玻璃冲洗器电动机、新鲜空气鼓风机电动机、用于车窗、滑动天窗、座椅等伺服电动机等等。•一、直流电机的结构：•直流电动机由固定不动的定子(主磁极)和旋转的转子(电枢)两部分组成，在这两部分之间有一个极小的空隙。如图4.1a)和b)所示。•1.定子•定子包括主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成，如图4.1所示。•2.转子•直流电动机的转子与其连接部件统称电枢，如图4.1所示。它主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器转轴和风扇等部件组成。电枢绕组电枢磁扼定子磁扼换向极绕组换向极底脚激磁绕组极身极掌电枢槽电枢齿轴承换向片电刷电枢绕组主磁极机座激磁绕组风扇端盖转轴a）直流电机结构图b）直流电机剖面图图4.1直流电机的结构二、直流电动机的分类•直流电动机分永磁式和励磁式两种。其中，永磁式是由永久磁铁做成；而励磁式是指磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁式电机根据励磁绕组的接法不同可分为四类。即串励式电动机、并励式电动机、复励式电动机和他励式电动机四种类型，如表4-1所示这四种励磁电动机比较。三、直流电动机的工作原理•1.直流电动机的工作原理•图4-2是直流电动机的工作原理图。电动机工作时，电流通过电刷和换向器流入电枢绕组。如图4.2a）所示，换向片A与正电刷接触，换向片B与负电刷接触，绕组中的电流方向为a→b→c→d，根据通电导体在磁场中受电磁力的原理(左手定则)，绕组ab边、cd边均受到电磁力F的作用，由此产生逆时针方向的电磁转矩M使电枢转动；当电枢转动至换向片A与负电刷接触，换向片B与正电刷接触时，电流改由d→c→b→a(换向器适时地改变了电枢绕组中的电流方向)，如图4.2b）所示，但电磁转矩的方向仍保持不变，使电枢按逆时针方向继续转动。图4.2直流电动机的工作原理图2.直流电动机转矩自动调节原理直流电动机的电枢在电磁力矩M作用下产生转动的同时，由于绕组在转动时切割磁力线而产生感生电动势，且其方向与电枢电流Is的方向相反，故称反电动势Ef。反电动势Ef与磁极的磁通量Φ和电枢的转速n成正比，即（4-1）式中Ce为电动机的电机常数。由此可推出电枢回路的电压平衡方程式，即（4-2）式中：U为加在启动机上的电压。Rs为电枢回路电阻，其中包括电枢绕组的电阻和电剧与换向器的接触电阻。Rj为励磁绕组等效电阻。在直流电动机刚接通电源的瞬间，电枢转速n为零，电枢反电动势也为零。此时，电枢绕组中的电流达到最大值，即，将相应产生最大电磁转矩Mmax，若此时的电磁转矩大于电动机的阻力短Ms，电枢开始加速转动。随着电枢转速的上升，Ef增大，Is下降，电磁转矩M也就随之下降。当M下降至与Ms相平衡（M＝Ms）时，电枢就以此转速运转。•如果直流电动机在工作过程中负载发生变化，就会出现如下的变化。•工作负载增大时，M＜Ms→n↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Ms，达到新的平衡；•工作负载减小时，M＞Ms→n↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Ms，达到新的平衡。•可见，当负载变化时，电动机能通过转速、电流和转矩的自动变化来满足负载的需要，使之能在新的转速下稳定工作。因此直流电动机具有自动调节转矩功能。四、直流电动机的启动、调整、转向与制动1.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，即启动电流（4-3）例如，一台直流电动机的额定电压为220V，电枢电阻为0.4Ω，其额定电流为50A，则直接启动时的电流为550A这样大的启动电流（为额定电流的11倍），会使直流电动机的换向器形成火花而烧坏。因此启动时，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不因启动电流减小太多而影响启动能力，一般限制在1.5～2.5倍额定电流。如图4.3所示为并励式直流电动机的启动线路图。启动时将启动变阻器Rst放到最大位置，随着电动机转速的逐渐升高，逐步减小启动变阻器Rst，最后使它短接，而此时磁场变阻Rf调到最小，增加磁通Φ，使电动机的电磁转矩增大，增加启动能力。SSRUIt•汽车启动机采用串励式直流电动机，即励磁绕组与电枢绕组串联，如图4.4所示。启动时，可使电流达到最大（约100多安培），此时电枢的输出转矩也最大，使汽车很容易启动。而汽车启动机允许短时间超载工作。串励式比并励式直流电动机的启动转矩要大得多。图4.3并励式电动机启动线路图4.4串励式电动机的线路2.直流电动机的调速一般有以下三种方法。以并励式直流电动机为例，根据式（4-1）和（4-2）可得到电动机转速为（4-4）我们可以通过改变Φ、Rs和U来进行调速。（1）改变磁极磁通Φ改变磁通Φ值的大小，可以改变转速n。为此在励磁电路中串接一只磁场变阻Rf，如图4.5所示。如把磁场变阻器阻值增加，则激磁电流减小，磁通也随之减小，电动机的转速升高；反之，磁场变阻器阻值减小，则电动机的转速降低。由于并励式电动机的励磁电流较小，而在调速过程中能量耗损也较小，故而实际使用中应用较广。串励式直流电动机也可采用改变磁通Φ来调速，不过此时磁场变阻Rf必须与激磁绕组并联，如图4.6所示。磁场变阻器阻值减小，通过变阻器的电流增大，而激磁绕组的电流减小，磁通Φ减小，电动机转速升高；反之，则转速降低。以改变磁极磁通Φ来调速，电动机的转速能在其额定转速以上平滑调节。但转速增高受到电枢机械强度的制动，一般不超过额定转速的20％。ΦCRIUnTSS图4.5并励式电动机改变Φ的调速线路图4.6串励式电动机改变Φ的调速线路（2）改变电枢电路中的电阻在电枢电路中串联一个可调变阻器Rsc，如图4.7所示。当阻值Rsc增大时，电枢电流Isc减小，则转速降低，反之，Rsc（3）改变电源电压U由公式（4-4）可知，若保持激磁电路中磁通Φ不变，则改变电动机的直流电源电压U，可以实现平滑调节。但应注意U不能超过额定电压。图4.7电枢电路中串接电阻调速3.改变直流电动机的转向，由直流电动机的工作原理可知，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，故而反接时会产生很高的感应电动势而击穿励磁绕组。4.直流电动机的制动（1）能耗制动a）接线图b）机械特性图4.9自励式能耗制动a）接线图b）机械特性图4.8他励式能耗制动（2）反接制动串励电动机的反接制动也有电压反接制动和倒拉反接制动两种。a）接线图b）机械特性图4.10串励电动机电压反接制动a）接线图b）机械特性图4.11串励电动机倒拉反接制动五、直流电动机的检测方法及种类•1.励磁绕组的检查•(1)断路故障最常见的断路点是在机壳接线柱与绕组抽头之间的连接导线焊接处、各励磁绕组之间的接线处，在拆检的同时应注意观察。•(2)搭铁故障励磁绕组的搭铁故障多因绝缘层击穿或被碰伤所致，可用220V试灯检查，也可用万用表的电阻挡检查，如图4.12所示。•(3)短路故障当励磁绕组存在匝间短路时，绕组表面有烧焦痕迹。对于无烧焦痕迹的绕组，可将其放在电枢感应仪上检查，如图4.13所示。图4.13励磁绕组短路检查图4.12励磁绕组搭铁故障检查2.电枢的检查•（1）断路故障首先应查看绕组端头与换向片的焊接点，若有脱焊及焊料熔化流失的痕迹，即可断定此处断路；若发现某换向片烧蚀严重，应注意检查此换向片嵌线槽处是否有焊料熔化痕迹。也可用万用表测量换向器上相邻两个铜条之间的电阻是否为0，如果不是，则表示换向器铜条之间断路，应更换电枢。•（2）搭铁故障电枢绕组的搭铁故障可用220V试灯检查。用试灯的一支表笔接电枢铁芯，另一支表笔接换向片，如图4.14所示，若试灯亮说明存在搭铁故障。若接触另一些换向片时灯不亮，则说明同时存在搭铁和断路故障。也可用万用表测量换向器的每个铜条与电枢轴之间的电阻是否为∞，如果不是则表示换向器铜条有短路，应更换电枢。图4.14转子搭铁故障检查•（3）匝间短路故障首先应检查各线圈在铁芯两端的槽外部分有无变形及相互接触现象。在校正变形并确认无接触故障后，可将电枢放在电枢感应仪上检验，如图4.15所示。•（4）电枢轴弯曲与换向器偏心检查当启动机出现“扫膛”或换向器处出现冒火花等现象时，应按图4.16所示方法检查电枢外圆表面和换向器表面的径向跳动。通常，电枢铁芯外圆表面跳动量不大于0.15mm，换向器表面跳动量不大于0.05mm图4.15电枢绕组短路检查图4.16电枢轴弯曲检查任务2汽车交流发电机的拆解与检测•发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时（怠速以上），向所有用电设备（启动机除外）供电，同时向蓄电池充电，如图4.17所示。图4.17汽车电源系统电路图一、发电机的分类•汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：1.按结总体结构分五类（1）普通交流发电机（2）整体式交流发电机（3）带泵交流发电机（4）无刷交流发电机（5）永磁交流发电机2.按整流器结构分四类（1）六管交流发电机（2）八管交流发电机（3）九管交流发电机（4）十一管交流发电机3.按磁场绕组搭铁形式两分类（1）内搭铁型交流发电机（2）外搭铁型交流发电机二、交流发电机的结构•车用交流发电机多采用三相同步交流发电机，其结构按其类型的不同而异，普通式与整体式的车用交流发电机在结构上大同小异，而与无刷式、永磁式在结构上有较大的差异。•1.整体式交流发电机的结构•整体式的车用交流发电机的结构如图4.18所示，它主要由定子、转子、电刷、整流器、前后端盖、风扇及带轮等组成。图4.18JF132型交流发电机的解体图1-后端盖2-电刷架3-电刷4-电刷弹簧压盖5-硅二极管6-元件板7-转子8-定子9-前端盖10-风扇11-V带（1）定子总成•定子总成是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，由定子铁心和定子绕组组成。定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组大多数采用“Y”形（星形）连结，也有用“△”形连结的，如图4.19所示。a）星形连接b）三角形联接图4.19定子绕组的联接方式为使三相绕组中产生大小相等、相位差120°（电角度）的对称电动势，三相绕组及其在定子槽内的嵌镶必须遵循一定的原则：①每相绕组的线圈个数、每个线圈的匝数和每个线圈的节距都必须完全相等。②三相绕组的起端A、B、C（或末端X、Y、Z）在定子槽内的排列，必须相隔120°电角度。•以国产JF13系列交流发电机为例，其三相绕组绕制见图4.20。一对磁极占6个槽的空间位置（每槽60°电角度），一个磁极占3个槽的空间位置，所以每个线圈两条有效边的位置间隔是3个槽，每相绕组相邻线圈始边之间的距离6个槽，三相绕组的始边的相互间隔可以是2个槽，8个槽，14个槽等。图4.20国产JF13系列交流发电机定子绕组的展开图（2）转子总成•转子总成是发电机的励磁部分，它主要由两块爪极、磁场绕组、集电环及轴等组成，如图4.21所示。•图4.21交流发电机转子图4.22转子磁场的磁力线分布与磁场电路原