汽车交流发电机和直流电动机

目录：3.1磁路的基本物理量3.2磁性材料的磁性质3.3磁路基本定律3.4铁心线圈电路3.5变压器3.6电磁铁与继电器3.7汽车交流发电机3.8汽车用直流电动机第3章磁路与电机应知：磁路、磁感应强度、磁通、磁导率和磁场强度概念。铁磁性材料的性质。铁心线圈电路的分析方法及其规律，铁心线圈的结构和物理意义，交流交流铁心线圈的功率损耗问题。变压器的结构和工作原理。电磁铁和继电器的结构、工作原理。交流发电机的结构、工作原理及工作特性。串励式直流电动机的结构、工作原理、机械特性，直流电机的起动、调速、反转的原理，步进电动机的工作原理。第3章磁路与电机应会：安培环路定律、磁路欧姆定律，电磁感应定律及其应用，霍尔元件的应用。电压变换、电流变换和阻抗变换的计算，变压器在汽车电路中的应用。电磁铁和继电器在汽车电路中的应用。第3章磁路与电机汽车电工电子第3章磁路与电机3.1.1磁感应强度3.1磁路的基本物理量汽车上有变压器、交流发电机、直流电动机、电磁铁、继电器等含有感性元件的电器设备。这些设备中存在电感线圈，当电感线圈通电后在电路中就产生了磁场，磁场的磁感线在铁心的限定范围内形成了闭合的路径，即形成了磁路。(a)变压器磁路(b)直流电动机磁路(c)磁电式仪表磁路(d)继电器磁路汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.1汽车交流发电机结构3.7汽车交流发电机汽车用电均为直流电，当汽车电源系统的交流发电机工作时，发电机所产生的是正弦交流电，经过整流装置、电压调节器等设备或器件将正弦交流电转变成直流电。三相同步交流发电机由风扇、V形带轮、转子总成、定子总成、端盖、电刷与刷架等部件组成。1-端盖2-电刷架3-电刷4-元件板5-定子总成6-转子总成7-前端盖8-风扇9-皮带轮汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.1汽车交流发电机结构3.7汽车交流发电机1.风扇与V形带轮常见的风扇一般由钢板冲制卷角而成，用半圆键安装在前端盖外侧的转轴上。它将机内的空气通过前端盖上的通风孔吸出来，使空气高速流经发电机内部对发电机制转子线圈和定子线圈进行强制冷却。V形带轮通过V形带将发动机的转矩传给转子。带轮通常用铸铁铸造，有单槽和双槽两种，用半圆键装在转子轴上，再用弹簧垫圈和螺母紧固。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.1汽车交流发电机结构3.7汽车交流发电机2.转子总成转子总成是交流发电机的磁极部分，用来产生磁场。它由转子轴、两块爪形磁极、励磁绕组、集电环等组成。1-集电环2-引线3-爪形磁极4-励磁绕组5-磁轴6-定位圈7-转子轴汽车电工电子第3章磁路与电机3.7汽车交流发电机3.定子总成是三相交流发电机的电枢，用来产生三相交流电。它由定子铁心和三相绕组组成。定子铁心用硅钢片冲制叠压而成。铁心内圆冲有线槽，以便安放三相绕组。三相绕组对称嵌在定子铁心槽内，三相绕组多为星型联结，一般留有中性线。每个绕组的线圈个数、每个线圈的节距和匝数都完全相等。绕组起端在定子槽内的排列相隔。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7汽车交流发电机4.端盖端盖分前端盖和后端盖，用铝合金或翻砂铸成，用于支承转子，封闭内部结构。前端盖铸有安装臂，用于安装与调整V形带松紧度。后端盖内装有电刷和刷架。5.电刷与刷架两只电刷装在刷架的孔内，借弹簧的压力与滑环保持接触，将直流电引入励磁绕组。一个电刷的引线接到发电机后端盖外部的接线柱上，成为发电机的磁场(F)接线柱，另一个电刷接到搭铁位置(分内搭铁和外搭铁)。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.2汽车交流发电机工作原理3.7汽车交流发电机汽车交流发电机是利用电磁感应的原理进行工作的。当励磁线圈通以直流电时，磁极被磁化产生磁场。磁感线在转子的N极、转子与定子间的气隙、定子铁心和S极之间构成闭合磁路。交流发电机发电时，由蓄电池给励磁绕组提供直流电流，即他励；当发电机达到蓄电池电压时，就由发电机供给励磁电流，即自励。当转子旋转时，励磁线圈所产生的磁场也随之转动，形成旋转磁场。固定不动的三相定子绕组在旋转磁场作用下，产生了交流电动势如图所示。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.2汽车交流发电机工作原理3.7汽车交流发电机三相绕组的结构可以产生三个频率相同、幅值相等、相位相差的正弦电动势，其瞬时值可以表示为Vmsin(120)eEtUmsineEtWmsin(120)eEt对于定型的三相同步交流发电机来说，在略去发电机内部压降的情况下，每相绕组相电压为pUCnUp为每相绕组的相电压、C为电机常数、n为转子的转速、为每极的磁通。在结构常数确定的情况下，发电机电压的大小与转速和磁通成正比。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机是指发电机输出电压经整流后的直流输出电压与电流、转速之间的关系。它包括输出特性、空载特性和外特性。其中输出特性尤为重要。因此，发动机工作特性的研究必须基于发动机的转速来进行。1.输出特性输出特性也叫负载特性，是指发电机输出电压U一定时(对12V发电机规定为14V，对24V发电机规定为28V)发电机的输出电流I与转速n的关系，即I=f(n)曲线。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机1.输出特性(1)当发电机的转速很低时，其端电压低于额定电压，此时发电机不能向外供电；当发动机转速达到空载转速n1时，电压达到额定值；当转速高于空载转速n1时，发电机向外供电。空载转速n1为选择发电机与发动机转速比的主要依据。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机1.输出特性(2)当发电机的转速超过n1时，发电机输出电流I随着转速n的升高及负载电阻R的减小而增大；当转速等于n2时，发电机输出额定功率，因此将n2称为满载转速。空载转速和满载转速是发电机的主要性能指标，使用时要经常查看其是否符合规定值，即发电机是否处于良好的工作状态。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机1.输出特性(3)当发电机转速达到一定值时，输出电流不再随转速的升高和负载电阻的减小而增大。此时的电流为发电机的最大输出电流，该性能表明发电机具有自动限制电流的自我保护能力。交流发电机的最大输出电流约为额定电流的1.5倍。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机2.空载特性是指发电机空载时端电压U与转速之间n的关系，即U=f(n)曲线。随着转速的升高，端电压上升较快，由他励变为自励时，除供给用电设备电能外，向蓄电池充电。空载特性反映了交流发电机性能的好坏。汽车电工电子第3章磁路与电机3.7.3汽车交流发电机工作特性3.7汽车交流发电机3.外特性是指发电机转速一定时，发电机端电压与输出电流之间的关系，即U=f(I)曲线，如图为一组不同转速n时的外特性曲线。发电机转速越高，端电压越高，输出电流越大。当保持一定转速时，端电压随输出电流的增大而下降。由于端电压受转速和负载变化的影响，交流发电机必须配用电压调节器才能保持电压的恒定。否则，当发电机高速运转时，若突然失去负载，其电压会突然升高，可能击穿电子元件和烧毁用电设备。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机直流电动机是将直流电能转换为机械能的装置。直流电动机跟交流电动机相比具有较好的调速和起动性能，这对汽车电器设备的工作是重要的。串励式直流电动机起动转矩和过载能力较大，同时转速随负载变化明显，且输出功率变化不大。基于这些优点，串励式直流电动机在汽车上得到广泛应用。主要由磁极、电枢、机壳、端盖、电刷与刷架等组成，如图所示。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机1.磁极(定子)电枢由主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成。主磁极由铁心和励磁绕组组成，励磁绕组通以励磁电流产生主磁场，为了增大起动转矩，磁极数一般为4个或以上。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机换向磁极由换向磁极铁心和绕组组成，位于两主磁极之间，并与电枢串联，通以电枢电流，产生附加磁场，以改善电动机的换向条件。减小换向器上的火花，在小功率直流电动机中不装换向磁极。机座由铸钢或原钢板制成，用以安装主磁极和换向器等部件，并保护电机，它既是电动机的外壳又是电动机磁路的一部分。在机座两端各有一个端盖，端盖以中心处装有轴承，用来支持转子和转轴，端盖上还固定有电刷架，用以安装电刷。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机2.电枢(转子)主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器和电枢轴等组成。电枢铁心由硅钢片叠压而成，其表面有许多均匀分布的槽，用来嵌入电枢绕组，电枢绕组由许多相同的线圈组成，按一定规律嵌入电枢铁心的槽内并与换向器的两片相连。通以电流时在主磁场的作用下产生电磁转矩。换向器是直流电动机的特有装置，它由许多楔形铜片组成，各片间用云母或其他垫片绝缘。外表呈圆柱形，装在转轴上，在换向器表面压着电刷，使旋转的电枢绕组与静止的外电路一直相通，以引入直流电。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机3.机壳机壳构成直流电动机的导磁回路。在机壳的一端留有检视孔，以便对电刷和换向器进行检修。4.端盖端盖有两个，前端盖由铸铁浇铸而成，后端盖一般由钢板压制而成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.1串励式直流电动机的结构3.8汽车用直流电动机5．电刷与刷架电刷与换向器配合，将电流引入电动机的励磁绕组及电枢绕组。电刷由铜粉与石墨粉压制而成，以减少电阻，并增加耐磨性。刷架一般都制成框式，固定在后端盖内，正极刷架与端盖绝缘，负极刷架本身搭铁。刷架上装在弹力较强的盘形弹簧，工作中压在电刷后部，以保证电刷与换向器接触良好。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.2串励式直流电动机的工作原理3.8汽车用直流电动机当直流电压加在电刷两侧时，直流电流经过电刷A换向片1，线圈abcd换向片2和电刷B形成回路，线圈ab边和cd边在磁场中受到电磁力的作用，受力方向可由左手定则确定。电磁力将使线圈电枢按逆时针方向旋转。随着电枢的旋转，线圈的ab边从N极处转到S极处，换向片2脱离电刷B而与电刷接触，这时流经线圈的电流方向相反，但N极下导体中电流方向始终不变，因此电磁转矩的大小和方向保持不变，所以，直流电动机通电后能按一定方向连续旋转。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.2串励式直流电动机的工作原理3.8汽车用直流电动机2.电磁转矩电磁转矩是由电枢绕组通入直流电流后在磁场中受力而形成的，根据电磁力分布，每根导体所受电磁力为F=BIL。对于给定的电动机，磁感应强度B与每极磁通成正比，导体电流I与电枢电流成正比，而导体在磁场中的有效长度L及转子半径等都是固定的，取决于电动机的结构，因此直流电动机的电磁转矩T的大小可表示为TaTCI式中，CT为转矩常数，与电动机的结构有关；为每极磁通；Ia为电枢电流。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8汽车用直流电动机3.电枢反电动势和电流当电枢旋转时，在导体中又要产生感应电动势，其大小为，其方向由右手定则确定，该电动势的方向与电枢电流的方向相反，因此称为反电动势，其大小为。由此可见，直流电动机在旋转时，电枢反电动势Ea的大小与每极磁通及电动机转速n的积成正比，它的方向与电枢电流方向相反，所以反电动势在电路中起限制电流的作用。aEBLVEaECnaaaaUEIRaaaaUEIR电枢电流Ia的大小不仅与Ua、Ra有关，而且还受到反电动势Ea的制约。当Ua和Ra一定时，Ia仅取决于Ea。汽车电工电子第3章磁路与电机3.8.3串励式直流电动机的机械特性3.8汽车用直流电动机电动机拖动机械负载旋转，对于机械负载来说，最重要的是驱动它的转矩和转速，即电动机的电磁转矩T和转速n。当直流电动机外加电压U为额定值，电枢回路电阻Ra和励磁