汽車直流電機(jī)第4章4.1汽車直流電機(jī)的原理直流電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)。1.直流發(fā)電機(jī)工作原理在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，在外力作用下，線圈abcd切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)線圈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°時(shí)，導(dǎo)體cd從S極切換到N極，導(dǎo)體ab從N極切換到S極，兩導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)在此時(shí)都改變了方向。2.直流電動(dòng)機(jī)工作原理導(dǎo)體ab的受力方向是從右向左，導(dǎo)體cd的受力方向是從左向右，兩者合成產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，導(dǎo)體cd從S極切換到N極，導(dǎo)體ab從N極切換到S極。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，導(dǎo)體cd正好在N極下，導(dǎo)體ab也正好位于S極上。3.電機(jī)的可逆原理作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，機(jī)械能從電機(jī)軸上輸入，從電刷端輸出直流電壓，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電刷端加直流電壓，將電能輸入電機(jī)，從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載工作，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。4.2汽車直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)可以分成兩大部分：靜止部分(稱為定子)和旋轉(zhuǎn)部分(稱為轉(zhuǎn)子)。定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙(稱為空氣隙)。4.2.1定子定子由主磁極、換向極、機(jī)殼、端蓋和電刷裝置等組成。

1.主磁極2.換向極磁極大中型的直流電機(jī)，通常要在相鄰兩主磁極之間裝設(shè)換向極，又稱附加極或間極，其作用是改善換向。直流電機(jī)的換向極也由鐵心和繞組構(gòu)成。3.機(jī)座直流電機(jī)的機(jī)座有兩方面的作用：一是作機(jī)械支撐；二是用于散熱（鋁制）或者導(dǎo)磁（鐵制）。4.電刷裝置電刷裝置包括電刷和刷握座。電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置。電刷放在刷握里，用彈簧壓緊在換向器上，電刷上有銅絲辮，可以引入電流。4.2.2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等組成。1.電樞鐵心

電樞鐵心有兩方面作用：一是作為主磁路的一部分，即導(dǎo)磁；二是用于嵌放電樞繞組，即放置繞組。2.換向器換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流發(fā)電機(jī)中，換向器將繞組內(nèi)的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為電刷兩端的直流電動(dòng)勢(shì)；在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器將電刷上所通過(guò)的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交變電流。3.電樞繞組轉(zhuǎn)子上的繞組是直流電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換的樞紐繞組，稱之為電樞繞組。電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律排列和連接而成，是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用絕緣圓形線或扁銅線繞制而成，稱為元件。4.2.3電樞繞組形狀完全相同的多匝或單匝漆包線繞制在一起稱為元件或線圈，電樞繞組由許多元件(或線圈)按一定規(guī)律排列和連接而成。元件既可以是單匝，也可以是多匝。每個(gè)元件有兩個(gè)出線端，一個(gè)稱為首端，另一個(gè)稱為末端。同一個(gè)元件的首端和末端分別接到兩個(gè)不同的換向片上。電樞繞組的元件數(shù)等于換向片數(shù)，即S=K，其中K為換向片數(shù)，S為元件數(shù)或槽數(shù)。直流電機(jī)的繞組一般都是雙層繞組，即每個(gè)槽內(nèi)有上下兩層。Qu=uQ=S=K1.的電樞繞組的節(jié)距節(jié)距是兩個(gè)元件邊跨過(guò)的距離，由于實(shí)際距離與電機(jī)尺寸有關(guān)，因此通常用跨過(guò)虛槽的個(gè)數(shù)表示。（1）第一節(jié)距y1（2）第二節(jié)距y2利用同一換向片串聯(lián)起來(lái)的兩個(gè)元件中，第一元件的下元件邊與第二元件的上元件邊之間在電樞表面上的距離稱為第二節(jié)距，也用槽數(shù)表示。（3）換向器節(jié)距yk

每一元件的兩端所接的兩片換向片之間在換向器表面上所跨的距離稱為換向器節(jié)距yk，用換向片數(shù)表示。2.單疊繞組單疊繞組的連接規(guī)律是，所有相鄰元件依次串聯(lián)，后一個(gè)元件的首端與前一個(gè)元件的末端連在一起并接到同一個(gè)換向片上，最后一個(gè)元件的末端與第一個(gè)元件的首端連在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。例：以2p=4，S=K=Qu=12，u=1為例，說(shuō)明單疊繞組的連接規(guī)律和特點(diǎn)。計(jì)算各節(jié)距。第一節(jié)距y1繞組展開圖繪制步驟是：第一步，先畫12根等長(zhǎng)等距的實(shí)線，代表各槽上層元件邊；再畫16根等長(zhǎng)等距的虛線，代表各槽下層元件邊，虛線與實(shí)線靠近，表示位于一個(gè)槽內(nèi)。第二步，放置主磁極。第三步，將1號(hào)元件的上層邊放在1號(hào)槽(實(shí)線)并與1號(hào)換向片相連，其下層邊放在4號(hào)槽(y1=3)的下層(虛線)。第四步，放置電刷。1）位于同一個(gè)極下的各元件串聯(lián)起來(lái)組成了一條支路，即并聯(lián)支路對(duì)數(shù)等于極對(duì)數(shù)。2）當(dāng)元件幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷應(yīng)放在主磁極中心線上，此時(shí)正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，被電刷所短路的元件內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。3）電刷組數(shù)等于磁極數(shù)。3.單波繞組單波繞組的繞制是呈波浪線一直向前的，其連接規(guī)律是從某一換向片出發(fā)，把相隔約為一對(duì)極距的同極性磁極下對(duì)應(yīng)位置的所有元件串聯(lián)起來(lái)，沿電樞和換向器繞一周之后，恰好回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，然后從該換向片出發(fā)，繼續(xù)繞連，直到全部元件串聯(lián)完，最后回到開始的換向片，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。例：已知電機(jī)極數(shù)2p=4，槽數(shù)和換向片均為15，繞制一個(gè)單波左行繞組。節(jié)距計(jì)算：可以總結(jié)出，單波繞組具有以下特點(diǎn):1）同極性下各元件串聯(lián)起來(lái)組成一條支路，并聯(lián)支路對(duì)數(shù)a=1，與極對(duì)數(shù)p無(wú)關(guān)。2）當(dāng)元件的幾何形狀對(duì)稱時(shí)，電刷放在主磁極中心線上，正、負(fù)電刷間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。3）電刷組數(shù)也應(yīng)等于磁極數(shù)。4.2.4直流電機(jī)的勵(lì)磁根據(jù)直流電機(jī)電樞繞組繞制方法不同可以分為單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組和復(fù)波繞組。按照勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為永磁電機(jī)、電勵(lì)磁電機(jī)和混合勵(lì)磁電機(jī)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：1）輸出的電磁轉(zhuǎn)矩M=KIs2。2）輕載時(shí)，電樞電流與勵(lì)磁電流小，轉(zhuǎn)速高；而重載時(shí)，電樞電流與勵(lì)磁電流大，轉(zhuǎn)速低。4.3汽車直流電機(jī)的電磁特性4.3.1直流電機(jī)的磁場(chǎng)1.空載時(shí)的電機(jī)氣隙磁場(chǎng)直流電機(jī)的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計(jì)其對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)影響的一種運(yùn)行狀態(tài)。將勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，那么直流電機(jī)空載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)可以認(rèn)為是主磁場(chǎng)，即勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立的磁場(chǎng)。不考慮齒槽影響時(shí)，直流電機(jī)一個(gè)極下的空載磁通密度分布。如果不計(jì)鐵磁材料中的磁壓降，則勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)全部加在氣隙中，因此，在極下方氣隙小處，氣隙中沿電樞表面上各點(diǎn)磁通密度較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁力線顯著減小，至兩極間的幾何中性線磁通密度幾乎為零。2.負(fù)載時(shí)的電機(jī)電樞磁場(chǎng)當(dāng)直流電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流通過(guò)，該電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，稱之為電樞磁場(chǎng)。它與主磁場(chǎng)相互作用，會(huì)使空載磁場(chǎng)波形扭曲。電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。3.負(fù)載時(shí)的電機(jī)氣隙合成磁場(chǎng)電樞反應(yīng)的存在對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生了以下影響：1）使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。2）使物理中心線線發(fā)生偏移。3）當(dāng)磁路飽和總體上有去磁作用。4）使鐵心損耗增加和反電勢(shì)波形發(fā)生畸變。4.3.2直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩

作以下假設(shè):1）電樞表面光滑無(wú)槽2）電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續(xù)分布3）線圈為整距繞組4）電刷位于幾何中性線上1.多個(gè)元件的電刷電勢(shì)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)體切割磁通產(chǎn)生的電勢(shì)為對(duì)已制成的電機(jī)，l為定值，若電樞轉(zhuǎn)速n恒定，則v亦為常值，所以

。經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢(shì)雖然方向不變，但卻有很大的脈動(dòng)，稱其為脈動(dòng)電勢(shì)。2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一個(gè)極距內(nèi)氣隙磁通密度沿電樞表面的分布曲線。eav=Bavlv

Ea=N'eav=N'BavlvN'=Za/(2a)Ea=CeΦnEa=Ken3.電磁轉(zhuǎn)矩4.3.3直流電機(jī)的基本方程1.直流發(fā)電機(jī)的電壓平衡方程

2.直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程

1）機(jī)械損耗

，包括軸承、電刷摩擦損耗，空氣摩擦損耗以及通風(fēng)損耗等。2）鐵耗

，電樞鐵心中磁場(chǎng)交變產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。3）雜散損耗

，又稱附加損耗，包括主磁場(chǎng)脈動(dòng)和畸變引起的鐵耗、漏磁場(chǎng)在金屬緊固件中產(chǎn)生的鐵耗和換向元件內(nèi)的附加損耗等。

發(fā)電機(jī)的功率平衡方程為3.直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程4.直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程

5.直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程6.直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程

為由機(jī)械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。7.直流電機(jī)可逆性分析電動(dòng)汽車電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電動(dòng)勢(shì)

，電樞將向蓄電池輸出電流，這就是發(fā)電機(jī)狀態(tài)。此時(shí)電樞電流

與

的方向一致，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)向相反，是制動(dòng)性質(zhì)，汽車的慣量作為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩克服了制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能就轉(zhuǎn)換為電能并向蓄電池充電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速引起的電樞電動(dòng)勢(shì)

，此時(shí)電機(jī)將從蓄電池輸入電流。相應(yīng)地，電磁轉(zhuǎn)矩將成為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，于是電機(jī)就進(jìn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。4.3.4直流電機(jī)的運(yùn)行特性1.直流發(fā)電機(jī)的空載特性空載特性是指轉(zhuǎn)速

常值，輸出電流

時(shí)，電樞的空載端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系

。電機(jī)空載時(shí)，電樞電流為零或很小，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)的空載端電壓

就是空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

，因此

正比于主磁通，所以空載特性

與磁化曲線的縱坐標(biāo)之間僅相差一個(gè)比例常數(shù)，空載特性實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)的磁化曲線?？蛰d特性常用來(lái)確定磁路的飽和程度。2.直流發(fā)電機(jī)的外特性外特性是一條隨負(fù)載電流增大而下降的曲線。發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載電流變化而變化的程度可用額定電壓調(diào)整率

來(lái)衡量，定義為：當(dāng)、時(shí)，發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載過(guò)渡到空載時(shí)的電壓變化率，即

3.直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指

常值時(shí)，隨著負(fù)載電流I的變化，保持

常值時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)規(guī)律4.直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要包括轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、機(jī)械特性(即轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性)、效率特性等，它們與勵(lì)磁方式直接相關(guān)。如果直流電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中負(fù)載增大(M<Mz)，就會(huì)出現(xiàn)如下的變化：N↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Mz于是，電動(dòng)機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如果直流電動(dòng)機(jī)的工作負(fù)載減小(M>Mz)，則出現(xiàn)如下的變化：N↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Mz電動(dòng)機(jī)又在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如果他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁回路斷開的話，將會(huì)使氣隙磁通驟然下降到剩磁磁通，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小。由于機(jī)械慣性的作用，轉(zhuǎn)速不能突然改變，電樞電流急劇增大，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：1）若電動(dòng)機(jī)重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)機(jī)減速直至停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時(shí)，電樞電流為起動(dòng)電流，引起繞組過(guò)熱將電機(jī)燒毀；2）電機(jī)輕載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速加速，造成“飛車”。這兩種情況都是非常危險(xiǎn)的。5.直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指外加電壓和勵(lì)磁電流為額定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系

。6.直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)加上一定的電壓U和一定的勵(lì)磁電流

時(shí)，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即

，是電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性。7．直流電機(jī)的效率特性效率是指輸出功率與輸入功率之比。直流電機(jī)的效率特性定義是：在n=nN、U=UN時(shí)發(fā)電機(jī)的效率與負(fù)載的關(guān)系曲線（實(shí)際上電壓U將隨負(fù)載變化而變化，因變化不大，可近似認(rèn)為U=UN）。附加損耗pad

又稱做雜散損耗包括：1）結(jié)構(gòu)部件在磁場(chǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗；2）因電樞齒槽影響，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁通發(fā)生脈動(dòng)而在主極鐵心和電樞鐵心中產(chǎn)生的脈動(dòng)損耗;3）因電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)畸變而在電樞鐵心中產(chǎn)生的損耗；4）由于電