第 4 章电动机与发电机

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第第 44 章电动机与发电机章电动机与发电机

4.14.1 直流电动机直流电动机

4.24.2 汽车交流发电机汽车交流发电机

4.34.3 伺服电动机伺服电动机

4.44.4 步进电动机步进电动机


第第 44 章电动机与发电机章电动机与发电机

理解并掌握各种电机的结构和工作原理；理解并掌握各种电机的结构和工作原理；了解直流电动机的分类、机械特性和反转、调速了解直流电动机的分类、机械特性和反转、调速的方法；的方法；了解汽车交流发电机的励磁方式；了解汽车交流发电机的励磁方式；掌握汽车交流发电机的型号命名方法；掌握汽车交流发电机的型号命名方法；了解永磁电动机、步进电动机在汽车上的典型应了解永磁电动机、步进电动机在汽车上的典型应用。用。

本章要求本章要求 ::


4.1 4.1 直流电动机直流电动机

4.1.1 4.1.1 直流电动机的结构直流电动机的结构主要由磁极、电枢和换向器部分构成。1. 1. 磁极磁极

用来在电机中产生磁场。用来在电机中产生磁场。分成铁心和励磁绕组。

励磁式：励磁式：铁心缠上绕组构成铁心缠上绕组构成永磁式：永磁式：由永久磁铁组成由永久磁铁组成


2. 2. 电枢电枢

也包括铁心和绕组（线圈）两大部分。是电机中产生感应电动势的部分是电机中产生感应电动势的部分。

铁心呈圆柱状，用硅钢片叠成，表面冲有槽，放电枢绕组（线圈）。


3. 3. 换向器换向器换向器是直流电机的特殊装置，换向器是直流电机的特殊装置，用来改变电流的用来改变电流的方向。方向。换向器由换向片组成，各片之间用云母绝缘。换向器由换向片组成，各片之间用云母绝缘。

换向片在套筒外表面围成一圈，用压圈固定。换向片在套筒外表面围成一圈，用压圈固定。


换向器装在转轴上。电枢绕组的导线按一定规则与换向器装在转轴上。电枢绕组的导线按一定规则与换向片相连接。换向器的凸起部分是焊接电枢绕组换向片相连接。换向器的凸起部分是焊接电枢绕组的。的。

转转轴轴

换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来。枢绕组得以同外电路连接起来。


4.1.2 4.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1. 1. 转动原理转动原理电流和磁场相互作用的原理。电流和磁场相互作用的原理。电枢线圈通入直流电电枢线圈通入直流电以后，在磁极的磁场中受力，形成转矩，在其推动以后，在磁极的磁场中受力，形成转矩，在其推动下转动。下转动。

S

b

Na

c

d

电刷

换向片U– +

I

I

Tn

F

F在直流电机转动在直流电机转动时，换向器起着时，换向器起着非常重要作用，非常重要作用，通过它可以改变通过它可以改变电枢线圈电流方电枢线圈电流方向，保证了电枢向，保证了电枢能一直旋转下去。能一直旋转下去。


4.1.2 4.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1. 1. 转动原理转动原理电流和磁场相互作用的原理。电流和磁场相互作用的原理。电枢线圈通入直流电电枢线圈通入直流电以后，在磁极的磁场中受力，形成转矩，在其推动以后，在磁极的磁场中受力，形成转矩，在其推动下转动。下转动。

S

d

Nc

a

b

电刷

换向片U– +

I

I

Tn

F

F在直流电机转动在直流电机转动时，换向器起着时，换向器起着非常重要作用，非常重要作用，通过它可以改变通过它可以改变电枢线圈电流方电枢线圈电流方向，保证了电枢向，保证了电枢能一直旋转下去。能一直旋转下去。


U– +

E

ET

n

S

bN

dF

Fa

c I

I

换向片

电刷2. 2. 反电动势和电磁转矩反电动势和电磁转矩

（（ 11 ）反电动势）反电动势

线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方感应电动势的方向与电流的方向相反，故称反电动势向相反，故称反电动势。。


CE: 与电机结构有关的常数n: 电动机转速：磁通

E=CE n

电枢线圈的电枢线圈的总的反电动势总的反电动势 EE 与电枢与电枢转速转速 nn 及每极及每极磁通磁通 ΦΦ 成正比：成正比：

aaaa RInCRIEU E Φ

式中：式中： U — — 外加电压外加电压 Ra — 绕组电阻绕组电阻 –

RaIa

E+

–

+

U M

反电动势因方向与电流相反，具有阻碍电流通过反电动势因方向与电流相反，具有阻碍电流通过的性质，电枢中的电阻也具有同样的性质。因此，的性质，电枢中的电阻也具有同样的性质。因此，为了维持电流的不变，外加电压要对他们加以平衡，为了维持电流的不变，外加电压要对他们加以平衡，于是得到于是得到电枢回路电压平衡方程：电枢回路电压平衡方程：


CCTT: : 与电机结构有关的常数，称为转矩常数；与电机结构有关的常数，称为转矩常数； : : 电机每极的磁通；电机每极的磁通；IIaa ：电枢绕组中的电流。：电枢绕组中的电流。

直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组中的电流在直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组中的电流在磁场中受力形成的，因此电磁转矩磁场中受力形成的，因此电磁转矩 TT 与电枢电流与电枢电流 IIaa

以及每极磁通以及每极磁通 ΦΦ 有关，常用以下公式表示：有关，常用以下公式表示：TT==CCTT I Iaa

单位单位 : : (Wb)(Wb) ，， IIaa (A) (A) ，， T T (N•m)(N•m)

（（ 22 ）电磁转矩）电磁转矩

由式可知，电磁转矩由式可知，电磁转矩 TT 与每极磁通与每极磁通 ΦΦ 和电枢电流和电枢电流 IIaa

成正比。成正比。


TT==CCTT I Iaa电磁转矩电磁转矩电磁转矩的方向由电磁转矩的方向由 ΦΦ 和和 IIaa 的方向决定，只要改变的方向决定，只要改变其中一个量的方向，电磁转矩的方向也随之改变，其中一个量的方向，电磁转矩的方向也随之改变，从而电动机的转向也就改变。从而电动机的转向也就改变。

电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩 TT 为驱动转矩为驱动转矩 , , 它使电枢转动。它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即载损耗转矩相平衡，即

0TTT LTTLL: : 机械负载转矩机械负载转矩TT00: : 空载转矩空载转矩

上式称为转矩平衡方程上式称为转矩平衡方程


当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。

转矩平衡过程转矩平衡过程

例：例：设外加电枢电压 U 一定， T=TL( 平衡 ) ，此时，若 TL 突然增加，则调整过程为

达到新的平衡点 (Ia 、 P 入 ) 。

TL n

Ia T

EΦnCE E

aa R

EUI

aΦICT T


4.1.3 4.1.3 直流电动机的分类与机械特性直流电动机的分类与机械特性1. 1. 分类分类

（（ 11 ）他励电动机）他励电动机

直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机

UaUfIaM

+

_

+

_

If

励磁绕组和电枢绕组相互独立，分别由两个直流励磁绕组和电枢绕组相互独立，分别由两个直流电源供电，因此励磁电流电源供电，因此励磁电流 IIff 仅取决于励磁电源的电压 UUff 和励磁回路的总电阻，而不受电枢端电压 UUaa

的影响。

在电路图中，在电路图中，线圈代表励磁绕组，代表励磁绕组，圆圈表表示电枢（绕组）。示电枢（绕组）。


（（ 22 ）并励电动机）并励电动机

Ia UM

+

_

If+

_

I

E

励磁绕组和电枢绕组并联，励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。因此励由一个直流电源供电。因此励磁电流磁电流 If不仅与励磁回路的电阻有关，而且还受电枢电压 U的影响。

U

If

+

_

Ia

M

（（ 33 ）串励电动机）串励电动机励磁绕组与电枢绕组串联接励磁绕组与电枢绕组串联接到同一电源上。由于通过励磁到同一电源上。由于通过励磁绕组的电流就是电枢电流，其绕组的电流就是电枢电流，其值大，为了减小电枢电压降和值大，为了减小电枢电压降和铜损，励磁绕组应具有较小的铜损，励磁绕组应具有较小的电阻，因此励磁绕组匝少导粗。电阻，因此励磁绕组匝少导粗。


（（ 44 ）复励电动机）复励电动机

U

+

_

I

M

Ia

励磁绕组分成两部分，与励磁绕组分成两部分，与电枢绕组并联的部分，称为电枢绕组并联的部分，称为并励绕组并励绕组；与电枢绕组的串；与电枢绕组的串联的部分，称为联的部分，称为串励绕组串励绕组。。当两部分励磁绕组产生的磁当两部分励磁绕组产生的磁通相同时，称为积复励电动通相同时，称为积复励电动机；方向相反时，则称为差机；方向相反时，则称为差复励电动机。复励电动机。


2. 2. 机械特性机械特性转速转速 nn与转矩与转矩 TT的关系的关系

并励、串励电动机的机械特性是最基本的特性并励、串励电动机的机械特性是最基本的特性 ,,重点讨论重点讨论

（（ 11 ）并励电动机的机械特性）并励电动机的机械特性

① ① 电磁转矩与电枢电流成正比，电磁转矩与电枢电流成正比， ab IKT ② ② 起动转矩、起动电流数值小；起动转矩、起动电流数值小；③ ③ 转速基本不受负载变化的影响，是一种恒定转转速基本不受负载变化的影响，是一种恒定转速的电动机。速的电动机。

它适用于拖动负荷轻、转速变化不大的设备，如汽它适用于拖动负荷轻、转速变化不大的设备，如汽车上的风扇、泵等小型设备。车上的风扇、泵等小型设备。


（（ 22）串励电动机的机械特）串励电动机的机械特性性

；

② ② 起动转矩、起动电流数值较大起动转矩、起动电流数值较大；；

串励电动机的机械特性具有以下特点：串励电动机的机械特性具有以下特点：2ac IKT ① ① 电磁转矩与电枢电流的平方成正比，电磁转矩与电枢电流的平方成正比，

它适用于拖动负荷重、转速变化较大的设备，如它适用于拖动负荷重、转速变化较大的设备，如汽车上的发动机，手电钻等。汽车上的发动机，手电钻等。

③ ③ 转速受负载变化的影响大，负载变化时，电转速受负载变化的影响大，负载变化时，电动机转速会快速下降。动机转速会快速下降。


　　电磁转矩：　　 T=KT=KTT I Iaa 　　

改变直流电机转向的方法有两种：改变直流电机转向的方法有两种：

4.1.4 4.1.4 直流电动机的反转和调速直流电动机的反转和调速1. 1. 反转反转

（（ 22 ）改变电枢电流方向）改变电枢电流方向：保持励磁绕组电流方：保持励磁绕组电流方向不变，把电枢绕组反接。向不变，把电枢绕组反接。

（（ 11 ）改变励磁电流方向）改变励磁电流方向：保持电枢电压极性不变，：保持电枢电压极性不变，将励磁绕组反接。将励磁绕组反接。

注意：注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。者的方向不能同时变。


由转速公式 :ΦC

RIUn

E

aa

可见直流电机调速方法有三种。

这种方法多用于对调速性能要求不高的设备上，这种方法多用于对调速性能要求不高的设备上，如汽车上的鼓风机、电车等行走机械。如汽车上的鼓风机、电车等行走机械。

（（ 11 ）电枢回路串联电阻调速）电枢回路串联电阻调速① ① 电能损耗大，效率低；电能损耗大，效率低；② ② 调速范围窄，最高转速与最低转速比为调速范围窄，最高转速与最低转速比为 1.51.5 ：： 11 。。

2. 2. 调速调速用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不同的转速同的转速


改变电枢电压调速多用于对调速性能要求较高的改变电枢电压调速多用于对调速性能要求较高的设备上，如汽车上伺服直流电机，工业上的轧钢机、设备上，如汽车上伺服直流电机，工业上的轧钢机、龙门刨床、造纸机等龙门刨床、造纸机等。

（（ 22 ）改变电枢电压调速）改变电枢电压调速① ① 电能损耗小，效率高；电能损耗小，效率高；② ② 调速范围宽，最高转速与最低转速比为调速范围宽，最高转速与最低转速比为 1010 ：：11

（（ 33）改变磁通）改变磁通 ΦΦ调速调速Φ

① ① 控制方便，易于从低速往高速方向调节；控制方便，易于从低速往高速方向调节； ② ② 调速效率高，经济性好；调速效率高，经济性好； ③ ③ 电动机运行较平稳；电动机运行较平稳； ④ ④ 调速范围窄，一般调速比在调速范围窄，一般调速比在 1.51.5或或 22：： 11。。在某些大型车床、镗床、刨床上都采用这种方法在某些大型车床、镗床、刨床上都采用这种方法。


4.1.5 4.1.5 永磁式电动机在汽车上的典型应用永磁式电动机在汽车上的典型应用11．刮水电动机．刮水电动机

方向如图,ER nCE Φ

（（ 11 ））开关拨到开关拨到 LL永久磁极永久磁极

电刷电刷电枢电枢

每个线圈的反电动势每个线圈的反电动势大小相等、方向不变大小相等、方向不变。

RIUnΦCE aREa ,3

电枢电压平衡方程电枢电压平衡方程

RInΦC

UEU

aE

Ra

3电枢总电阻。电枢电路总电流；电枢电阻上的总压降；电枢反电动势；

R

I

U

E

a

R

a


永久磁极永久磁极

电刷电刷电枢电枢

电动机低速运行电动机低速运行ΦC

RIUn

E

a

3

（（ 22 ））开关拨到开关拨到 HH

RIUnΦCE aREa ,2

电枢电压平衡方程电枢电压平衡方程

RInΦC

UEU

aE

Ra

2

电动机高速运行电动机高速运行ΦC

RIUn

E

a

2

可见，通过改变电枢的电动势可见，通过改变电枢的电动势就可以使电机输出高低两种不就可以使电机输出高低两种不同的转速。同的转速。


22．鼓风电动机．鼓风电动机鼓风电动机是汽车空调专用的电动机，其作用是促鼓风电动机是汽车空调专用的电动机，其作用是促进空调内外气体的交换，达到制冷、供暖、除霜和进空调内外气体的交换，达到制冷、供暖、除霜和通风的目的。通风的目的。采用永磁式三速电机，多数安装在暖风机总成内，与采用永磁式三速电机，多数安装在暖风机总成内，与其安装在一起的还有调速电阻总成，如图所示。其安装在一起的还有调速电阻总成，如图所示。鼓风电动机的控制鼓风电动机的控制开关安装在仪表板开关安装在仪表板上，开关通过控制上，开关通过控制调速电阻来控制电调速电阻来控制电机的转速。机的转速。


电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以低速电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以低速运转。运转。

（（ 11 ）开关置低速档）开关置低速档

（（ 22 ）开关置中速）开关置中速 11或中速或中速 22档档电机串入的电阻数减少，电枢电压升高，以中速运电机串入的电阻数减少，电枢电压升高，以中速运转。转。

蓄电池电压全部加在蓄电池电压全部加在电机上，所以电动机电机上，所以电动机以高速进行运转。以高速进行运转。

（（ 33 ）当开关置于高速档）当开关置于高速档

可见，可见，通过开关控制通过开关控制电机串入的电阻数即电机串入的电阻数即可达到调速的目的可达到调速的目的。。


33．电动车窗电动机．电动车窗电动机电动车窗电机通常采用永磁式双向电机，用于车窗电动车窗电机通常采用永磁式双向电机，用于车窗玻璃的控制。利用开关改变电机电枢电流的方向即玻璃的控制。利用开关改变电机电枢电流的方向即可改变其旋转方向使车窗玻璃上升或下降。可改变其旋转方向使车窗玻璃上升或下降。

设点火开关已接通。设点火开关已接通。当主控开关的左后当主控开关的左后窗开关拨到窗开关拨到 UpUp 时，时，电动机通电，方向电动机通电，方向如图，电动机旋转，如图，电动机旋转，带动左后窗玻璃上带动左后窗玻璃上升。升。福特公司的车窗控制电路福特公司的车窗控制电路

以左后门窗为例说以左后门窗为例说明其控制过程。明其控制过程。


当主控开关的左后窗开关拨到 Down 时，电流反向，如图所示，此时电动机反向旋转，带动左后门窗玻璃下降。


33．电动门锁电动机．电动门锁电动机门锁电机是永磁式双向电机，用于车门的控制。通门锁电机是永磁式双向电机，用于车门的控制。通过改变电机的电流方向，使其旋转方向改变，控制过改变电机的电流方向，使其旋转方向改变，控制车门打开或关闭。车门打开或关闭。以锁车为例说明控制以锁车为例说明控制过程。过程。当门锁主开关转到锁当门锁主开关转到锁止位置时，触点止位置时，触点 11闭闭合，门锁继电器的锁合，门锁继电器的锁止线圈通电，触点止线圈通电，触点 55闭合。各门锁电动机闭合。各门锁电动机通电，方向如图，电通电，方向如图，电动机旋转将车门锁上。动机旋转将车门锁上。


4.2 4.2 汽车交流发电机汽车交流发电机

交流发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动交流发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机的转速高于怠速转速时，向起动机以外的用电机的转速高于怠速转速时，向起动机以外的用电设备供电，同时还向蓄电池充电。按总体结构不设备供电，同时还向蓄电池充电。按总体结构不同，交流发电机可分为普通式和整体式两种。普同，交流发电机可分为普通式和整体式两种。普通式是指交流发电机和整流器集成在一起组成的通式是指交流发电机和整流器集成在一起组成的发电机系统，而整体式交流发电机是由交流发电发电机系统，而整体式交流发电机是由交流发电机、整流器和电压调节器集成在一起组成的发电机、整流器和电压调节器集成在一起组成的发电机系统。因为二者的基本组成是相同的，因此为机系统。因为二者的基本组成是相同的，因此为简单起见，以普通式交流发电机为例进行讨论。简单起见，以普通式交流发电机为例进行讨论。


4.2.1 4.2.1 交流发电机的结构交流发电机的结构由由转子、定子、整流器和整流板转子、定子、整流器和整流板（或称元件板、散（或称元件板、散热板）热板）、前后端盖、电刷装置、风扇、前后端盖、电刷装置、风扇等组成。等组成。


1. 1. 转子转子是磁极部分，用来在电机中产生磁场，是磁极部分，用来在电机中产生磁场，由爪极爪极、励磁绕组（磁场绕组）励磁绕组（磁场绕组）、转轴转轴、滑环滑环等等组成。

爪极：爪极：有两块，每块有有两块，每块有 66 个鸟嘴形磁极，装在转轴上，个鸟嘴形磁极，装在转轴上，爪极间的空腔内装有铁心线圈。爪极间的空腔内装有铁心线圈。励磁绕组：励磁绕组：绕在铁心上，铁心压装在两块爪极之间绕在铁心上，铁心压装在两块爪极之间的转轴上。的转轴上。


滑环：滑环：由相互绝缘的两个铜环组成，压装在转轴一端由相互绝缘的两个铜环组成，压装在转轴一端并与转轴绝缘。励磁绕组的两端分别从内侧爪极的两并与转轴绝缘。励磁绕组的两端分别从内侧爪极的两个小孔中引出，其中一端焊在内侧滑环上，另一端焊个小孔中引出，其中一端焊在内侧滑环上，另一端焊接在外侧滑环上，两个铜环分别与发电机的两个电刷接在外侧滑环上，两个铜环分别与发电机的两个电刷接触。当两个电刷与直流电源接通时，励磁绕组便有接触。当两个电刷与直流电源接通时，励磁绕组便有电流通过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为电流通过，并产生轴向磁通，使一块爪极磁化为 NN 极，极，另一块为另一块为 SS 极，形成极，形成 66对相互交错的磁极，如对相互交错的磁极，如右图。右图。


是发电机的电枢部分，用来产生感应电动势，由是发电机的电枢部分，用来产生感应电动势，由铁心铁心和和三相电枢绕组三相电枢绕组组成。组成。

2. 2. 定子定子

铁心铁心：环状硅钢片叠成，内圆开槽，放置三相绕组。：环状硅钢片叠成，内圆开槽，放置三相绕组。三相电枢绕组三相电枢绕组：对称绕组，连成星形并引出：对称绕组，连成星形并引出 44 个端个端子，三相绕组各引一个，中性点引出一个。子，三相绕组各引一个，中性点引出一个。


整流器的作用是将电枢绕组产生的三相交流电变换整流器的作用是将电枢绕组产生的三相交流电变换为直流电，为直流电，一般一般由由 33 只正极管和只正极管和 33 只负极管只负极管组成。组成。

3. 3. 整流器整流器

正极管：正极管：引出极是正极，管壳为负极，管壳底部一引出极是正极，管壳为负极，管壳底部一般涂有红色标记。般涂有红色标记。


在负极搭铁的交流发电机中，在负极搭铁的交流发电机中， 33 只正极管的负极压只正极管的负极压装在整流板的座孔内，组成发电机的正极，正极接装在整流板的座孔内，组成发电机的正极，正极接线柱用线柱用 ““ B”B” （（ ““ +”+” 、“电枢”等字样）标记。、“电枢”等字样）标记。

负极管：负极管：引出极是负极，管壳为正极，管壳底部涂引出极是负极，管壳为正极，管壳底部涂有黑色标记。有黑色标记。 33 只负极管的正极压装在后端盖的座只负极管的正极压装在后端盖的座孔内组成发电机的负极，标记为“孔内组成发电机的负极，标记为“ E”E” （ “（ “ -”-” ））。。


将三只正极管的正极与三只负极管的负极一一对将三只正极管的正极与三只负极管的负极一一对应连接，就组成了三相桥式整流电路，如图所示，应连接，就组成了三相桥式整流电路，如图所示，它将三相绕组的交流电变换为它将三相绕组的交流电变换为 1212伏的直流电。整伏的直流电。整流器的工作原理将在第流器的工作原理将在第 55 章介绍。章介绍。


4. 4. 端盖与电刷装置端盖与电刷装置

前后端盖：前后端盖：一般由铝合金铸成，因为铝合金为非导一般由铝合金铸成，因为铝合金为非导磁材料，可减少漏磁，并具有重量轻、散热性好的磁材料，可减少漏磁，并具有重量轻、散热性好的优点。在前后端盖的轴承孔内嵌有钢套，以提高轴优点。在前后端盖的轴承孔内嵌有钢套，以提高轴承孔的机械强度和耐磨性。承孔的机械强度和耐磨性。


电刷装置：电刷装置：安装在后端盖上，包括电刷、电刷架和安装在后端盖上，包括电刷、电刷架和电刷弹簧。电刷弹簧。

电刷装在刷架内，靠弹簧的压力与转子轴上的滑电刷装在刷架内，靠弹簧的压力与转子轴上的滑环保持接触，为发电机的励磁绕组提供电流。环保持接触，为发电机的励磁绕组提供电流。


4.2.2 4.2.2 交流发电机的工作原理与励磁方式交流发电机的工作原理与励磁方式1. 1. 工作原理工作原理

发电机的发电机的转子为磁极转子为磁极，当磁极绕组接通直流电源时，当磁极绕组接通直流电源时将将产生磁场产生磁场。。发电机的发电机的定子为电枢定子为电枢，三相电枢绕组在铁心上，三相电枢绕组在铁心上彼此彼此相差相差 120120oo 。。


当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，电枢绕组因当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，电枢绕组因切割磁力线而产生感应电动势。切割磁力线而产生感应电动势。

)240sin(2)240sin(

)120sin(2)120sin(

)sin(2)sin(

tEtEe

tEtEe

tEtEe

m

m

m

W

V

U

可见，可见，三相电动势是对称的三相电动势是对称的。。

每极磁通。—

每相绕组的匝数；—

为发电机转速；为磁极对数，电动势频率，—

绕组系数；—

Φ

N

nppnf

K

60/

KfNE 44.4上式中，上式中，（（ VV ））


在忽略电阻压降的情况下，每相的在忽略电阻压降的情况下，每相的感应电压感应电压 : :

nΦCEU E

nΦCE E由上式可推知由上式可推知

6044.4E

pKNC 式中式中，称为结构常数，称为结构常数

在结构常数一定时，在结构常数一定时，每相绕组产生的电压、电动势每相绕组产生的电压、电动势与转速和磁通量乘积成正比与转速和磁通量乘积成正比，转速越高、磁通量越，转速越高、磁通量越大，电压、电动势也越高，相反，电压、电动势越大，电压、电动势也越高，相反，电压、电动势越小。掌握这一特点，有利于理解发电机的励磁方式。小。掌握这一特点，有利于理解发电机的励磁方式。


2. 2. 励磁方式励磁方式是发电机磁场产生的方式是发电机磁场产生的方式

汽车发电机采用从蓄电池汽车发电机采用从蓄电池励磁变换为自励的方式。励磁变换为自励的方式。

发电机开始发电时，电枢的三相电压低于蓄电池电压，发电机开始发电时，电枢的三相电压低于蓄电池电压，整流器的二极管截止，此时励磁电流由蓄电池提供。整流器的二极管截止，此时励磁电流由蓄电池提供。当发电机电压升高到超过蓄电池电压时，二极管导通，当发电机电压升高到超过蓄电池电压时，二极管导通，此时发电机一方面向蓄电池充电，另一方面，向磁场此时发电机一方面向蓄电池充电，另一方面，向磁场绕组提供励磁电流。所以采用这种方式是由发电机开绕组提供励磁电流。所以采用这种方式是由发电机开始发电时电压较低决定的。始发电时电压较低决定的。

发电机励磁回路发电机励磁回路


4.2.3 4.2.3 交流发电机的型号交流发电机的型号根据我国汽车行业推荐标准，交流发电机的根据我国汽车行业推荐标准，交流发电机的型号型号有有五部分组成五部分组成：：

电流等级代号电流等级代号

JJ FF

产品代号：产品代号：2~32~3 位拼音字母位拼音字母

设计序号：设计序号：1~21~2 位数字位数字变形代号：变形代号：

11 位拼音位拼音字母字母

电压等级代号电压等级代号 11 位数字位数字


1. 1. 产品代号产品代号

JFJF ：：交流发电机交流发电机JFZJFZ ：：整体式交流发电机整体式交流发电机JFBJFB ：：带泵交流发电机带泵交流发电机JFWJFW ：：带泵交流发电机带泵交流发电机

2. 2. 电压等级电压等级 (V)(V)11 ：： 12V12V 、、 22 ：： 24V24V 、、 66 ：： 66V V

3. 3. 电流等级电流等级 (A)(A)

电流等级电流等级代号代号 11 22 33 44 55 66 77 88 99

电流范围电流范围 ~19~192020~2~29 9

3030~39 ~39

4040~49 ~49

5050~59 ~59

6060~69 ~69

7070~79 ~79

8080~89 ~89 ≥≥90 90


4. 4. 设计序号设计序号按产品设计顺序编出的号码，用按产品设计顺序编出的号码，用 1~21~2 位数字表示。位数字表示。

5. 5. 变形代号变形代号交流发电机是以调整臂的位置作为变形代号。交流发电机是以调整臂的位置作为变形代号。

无字母：无字母：表示在中间位置表示在中间位置

从驱动端看从驱动端看YY ：：右边右边ZZ ：：左边左边

例如：例如：桑塔纳、奥迪轿车用桑塔纳、奥迪轿车用 JFZ1913ZJFZ1913Z 型交流发电型交流发电机是电压等级为机是电压等级为 12V12V 、电流等级为大于、电流等级为大于 90A90A 、第、第 1133次设计、调整臂在左边的整体式交流发电机。次设计、调整臂在左边的整体式交流发电机。


4.3 4.3 伺服电动机伺服电动机伺服电动机是一种电压控制型电机伺服电动机是一种电压控制型电机。当电压信。当电压信号的大小和极性改变时，电动机的转速和转向也随号的大小和极性改变时，电动机的转速和转向也随之改变。之改变。

伺服电动机具有可控性好，运行平稳，反应敏伺服电动机具有可控性好，运行平稳，反应敏捷、快速等优点，在自动控制系统中获得了广泛使捷、快速等优点，在自动控制系统中获得了广泛使用。用。在汽车上，伺服电动机常用于发动机的节气门在汽车上，伺服电动机常用于发动机的节气门开度控制、自动离合器的离合控制等方面开度控制、自动离合器的离合控制等方面。。伺服电动机按电源的性质分为直流和交流两种。伺服电动机按电源的性质分为直流和交流两种。直流伺服电动机在汽车上经常使用，因此本节重点直流伺服电动机在汽车上经常使用，因此本节重点讨论直流机的结构和工作原理。讨论直流机的结构和工作原理。


4.3.1 4.3.1 传统直流伺服电动机传统直流伺服电动机传统直流伺服电动机的结构、工作原理与一般直流传统直流伺服电动机的结构、工作原理与一般直流电动机基本相同，但也有自身电动机基本相同，但也有自身特点特点。。

①①结构上：结构上：直流伺服电动机的直流伺服电动机的体积较小体积较小，为了减少，为了减少转动惯量，转动惯量，电枢做得细长电枢做得细长一些。一些。

②②工作原理上：工作原理上：直流伺服电动机直流伺服电动机采用电枢控制方式采用电枢控制方式即即把控制电压加在电枢绕组上而励磁电压保持恒定。把控制电压加在电枢绕组上而励磁电压保持恒定。

传统直流伺服机传统直流伺服机永磁式：永磁式：结构决定无法用磁场励磁结构决定无法用磁场励磁他励式：他励式：损耗大，电枢的响应慢损耗大，电枢的响应慢

不足：不足：换向时引起的火花会产生电磁干扰，且电刷与换向时引起的火花会产生电磁干扰，且电刷与换向片要定期清理和维护，影响了电动机的可靠性。换向片要定期清理和维护，影响了电动机的可靠性。


4.3.2 4.3.2 新型无刷直流电动机新型无刷直流电动机电动机电动机

位置传感器位置传感器电子开关电子开关

三相定子绕组的三相定子绕组的首端首端 AA 、、 BB 、、 CC相连相连接接电源的电源的正极正极，末端末端 XX 、、 YY 、、 ZZ通过通过 33 个开关个开关 aa 、、bb 、、 cc 接接电源电源负极负极。。位置传感器位置传感器用于用于检测转子位置检测转子位置并并控控制开关状态制开关状态。。

1. 1. 结构结构


2. 2. 工作原理工作原理

假定转子在假定转子在当前位置上当前位置上开关开关 aa闭合闭合

N

N

S NS

N

AA 相通入电流形成相通入电流形成 NN 极，极，转子逆时针转动转子逆时针转动 120120oo

位置传感器检测到转子位置位置传感器检测到转子位置变化后断开变化后断开 aa 后接通后接通 cc开关开关

CC 相通相通入电流入电流形成形成 NN极，转极，转子逆时子逆时针再转针再转120120oo

在位置传感器的在位置传感器的控制下，三相绕控制下，三相绕组按组按 A—C—BA—C—B顺顺序依次通电而在序依次通电而在定子上产生一个定子上产生一个逆时针磁场，驱逆时针磁场，驱动转子旋转。动转子旋转。


2. 2. 工作原理工作原理

因为反转变正转非常简因为反转变正转非常简便，故伺服电机常用于便，故伺服电机常用于汽车自动离合器的控制。汽车自动离合器的控制。

S

SS

假设转子逆时针转动为反向，顺时针为正向，假设转子逆时针转动为反向，顺时针为正向，由由反转变正转只要改变电源的极性即可。反转变正转只要改变电源的极性即可。

因为电源反接后，开关按照因为电源反接后，开关按照a—b—ca—b—c顺序闭合后，则定顺序闭合后，则定子从子从 AA 相开始依次出现相开始依次出现 SS极，形成顺时针磁场，在极，形成顺时针磁场，在其其作用下转子顺时针转动作用下转子顺时针转动


4.4 4.4 步进电动机步进电动机步进电动机是一种脉冲控制型电机步进电动机是一种脉冲控制型电机。控制脉冲。控制脉冲频率越高电机转速越快，改变控制脉冲输入顺序则频率越高电机转速越快，改变控制脉冲输入顺序则电机的转向也随之改变。电机的转向也随之改变。

每输入一个电脉冲步进电动机所转过的角度称为每输入一个电脉冲步进电动机所转过的角度称为步进角（步距角）步进角（步距角）。它的大小取决于电机的结构，。它的大小取决于电机的结构，当结构一定时，步进角是一个定值，所以步进电机当结构一定时，步进角是一个定值，所以步进电机的角度移动或直线移动的精确度极高。又因为其调的角度移动或直线移动的精确度极高。又因为其调速范围大，起动、反转及制动控制灵活等优点，从速范围大，起动、反转及制动控制灵活等优点，从而在数字控制系统中，得到了越来越广泛的应用。而在数字控制系统中，得到了越来越广泛的应用。在汽车上步进电动机用于空气阀的开度控制在汽车上步进电动机用于空气阀的开度控制。桑塔。桑塔纳纳 20002000 、、 30003000 型，捷达和切诺基吉普车等。型，捷达和切诺基吉普车等。


分类分类

按运动方式按运动方式旋转式旋转式

直线式直线式按结构按结构

转子永磁式转子永磁式

定子永磁式定子永磁式

按励磁相数：按励磁相数：两相、三相、四相、五相两相、三相、四相、五相

步进电动机的种类虽然步进电动机的种类虽然很多，但工作原理大致很多，但工作原理大致相同，都是利用同性相相同，都是利用同性相斥、异性相吸的原理。斥、异性相吸的原理。


如果依次按 V1→U→V→U1 的顺序向绕组输入 4 个脉冲信号，电动机就会沿逆时针方向转动一圈。同理，如果依次按 V1→U1→V→U 的顺序里输入 4 个脉冲信号，电动机就会沿顺时针方向转动一圈。

4.4.1 4.4.1 转子永磁式步进电动机结构与原理转子永磁式步进电动机结构与原理

永磁转子永磁转子

定子有两定子有两相绕组相绕组


步进角（步距角）步进角（步距角） θθbb 由电机结构决定，结构一定由电机结构决定，结构一定时，步进角的大小不变。可用以下公式计算：时，步进角的大小不变。可用以下公式计算：

步进电动机通电方式每变化一次称为一拍，在一次步进电动机通电方式每变化一次称为一拍，在一次通电循环中若变化通电循环中若变化 mm次称为次称为 mm拍。如上页图中的拍。如上页图中的步进电机步进电机 mm=4=4 。。

pm

360b

转子的极对数—

步进电动机的拍数—

p

m

步进电动机的转速步进电动机的转速 nn 由结构和控制脉冲频率决定，由结构和控制脉冲频率决定，当结构一定时，脉冲频率越高，转速越快。下述公当结构一定时，脉冲频率越高，转速越快。下述公式计算：式计算：

pm

fn

60控制脉冲频率—f 转子的极对数—

步进电动机的拍数—

p

m


4.4.2 4.4.2 永磁式步进电动机应用永磁式步进电动机应用在汽车上常用于控制空气阀的开度，其控制原理以在汽车上常用于控制空气阀的开度，其控制原理以步进电机式怠速控制阀为例说明步进电机式怠速控制阀为例说明

控制阀结构原理图

组成：组成：步进电机和空气阀步进电机和空气阀

工作原理：工作原理：当步进电机的当步进电机的转子转动时，螺母将带动转子转动时，螺母将带动螺杆作直线移动。转子转螺杆作直线移动。转子转动一圈，螺杆移动一个螺动一圈，螺杆移动一个螺距。因为阀芯与螺杆固定距。因为阀芯与螺杆固定连接，所以螺杆将带动阀连接，所以螺杆将带动阀芯开大或关小阀门开度。芯开大或关小阀门开度。


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第 4 章 电动机与发电机

第 4 章电动机与发电机