汽车电工技术基础(上册)课件第5章 直流电动机和步进电动机

（c）串励 （d）复励
5.2.1 他励直流电动机
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个 独立电源供电，这样励磁电流的调节与电枢电压、 电流的调节都可以单独进行而互不影响。这种电动 机常用于重型机床和采用调压调速的控制系统中。
励磁电流:
If
Uf Rf
Uf :励磁电压
Rf :励磁电组（包括励磁
绕组电阻云母套筒和V形金属压圈压
紧，以使其成为一个整体并
保存其绝缘性能，这样就构
成了一个换向器。
换向器结构示意图
5.1.2 直流电机的工作原理
直流电机作发电机运行时，电枢由原动机驱动而在磁场中旋 转，在电枢线圈的两根有效边（切割磁通的部分导体）中便 感应出电动势。显然，每一有效边中的电动势是交变的，即 在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。 但是，由于电刷A总是同与N极 下的一边相连的换向片接触，而 电刷B总是同与S极下的一边相 连的换向片接触，因此在电刷间 就出现一个极性不变的电动势或 电压。所以换向器的作用在于将 发电机电枢绕组内的交变电动势 换成电刷之间的极性不变的电动 势。当电刷之间接有负载时，在 电动势的作用下就在电路中产生 直流发电机的工作原理 一定方向的电流。
磁绕组中不致引起大的损耗和电
压降，励磁绕组的电阻越小越好，
所以串励直流电动机的励磁绕组
通常用较粗的导线绕成。
串励电动机机械特性曲线
5.2.3 串励直流电动机
串励直流电动机的机械特性：
n U Ra Rf T Ke KeKT2
当负载不大时，磁路未饱和，随着负载转矩的 增加，电枢电流也随之增加，从而使磁通增加， 由上式可知，会引起转速急剧下降。当负载比较 大时由于磁路饱和，随着负载转矩的增加，磁通 的增加减慢，以致几乎不增加，因而转速随转矩 的增加而下降的速率减慢，由此可以得出串励电 动机随负载的变化转速呈急剧的变化，这种特性 称为软特性。
5.1.1 直流电动机的结构
直流电动机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转 部分）两大部分组成。
直流电动机的结构
5.1.1 直流电动机的结构
1.定子 定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖
和电刷装置等部件组成。
(1)主磁极 主磁极的作用是产
生主磁场。绝大多数直 流电动机的主磁极不是 用永久磁铁而是由励磁 绕组通以直流电流来产 生磁场的。
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
5.1.2 直流电机的工作原理
T T2 T0
转矩平衡过程
T2: 机械负载转矩 T0: 空载损耗转矩
当电机轴上的机械负载发生变化时，通过电机
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。
例：设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，
目录
5.1直流电动机的结构和工作原理 5.2直流电动机的励磁方式 5.3直流电动机的起动、反转和调速 5.4直流电动机在汽车控制电路中应用
5.5步进电动机
5.3 直流电动机的起动、反转与调速
5.3.1 直流电动机的起动
直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。 起动问题
起动时,n = 0 Ea KeΦn 0
常数
5.2.2 并励直流电动机
并励电动机机械特性曲线：
由于电枢电阻Ra很小，这 样使的β值也很小，所以在T增 时，转速n下降不多，一般从 空载到满转速的降低只有 3%~8% 。 当 负 载 变 化 时 ， 转 速变化不大的特性称为并励电 动机的硬特性。并励电动机适 合于负载变化大、但要求转速 基本不变的场合。
若T2突然增加，则调整过程为
T2
n E K EΦn E
T T K TΦI a Ia
Ia
UE Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
目录
5.1直流电动机的结构和工作原理 5.2直流电动机的励磁方式 5.3直流电动机的起动、反转和调速 5.4直流电动机在汽车控制电路中应用
5.5步进电动机
5.2 直流电动机的励磁方式
5.2.2 并励直流电动机
机械特性：指在电压U和励磁电流 If 一定的况下 电动机转速n与电磁转矩T之间的关系。
n Ea Ke
Ea U Ia Ra
n U Ia Ra Ke
因为 T KTIa
n
U Ke
-
Ra Ke KT 2
T =n0
T
Ra
Ke KT2
U n0 Ke
T=0时转速，空载转速
5.1.1 直流电动机的结构
(2)换向磁极 在相邻的主磁极之间装有换向磁极，它也是由
铁心和绕组构成。其作用是消除或减小换向时的火 花，保护换向器，使电动机可靠安全地运行。
(3)机座 机座是直流电动机的骨
架，它有两个作用：一是构 成主磁路的一部分，使得在 相同的电流下磁场增强；二 是支撑和保护电动机，起到 固定定子各部件和支持转子 旋转的作用。
5.1.2 直流电机的工作原理
电刷
b
N a
I F
E
F d
n T
E
c
I
S 换向片
直流电动机的工作原理
– U+
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，感应电动势的方向与电流的方向相反。
1. 电枢感应电动势
E = KE n
KE: 与电机结构有关的常数 n: 电枢转速
：一个磁极的磁通
5.1.2 直流电机的工作原理
Ist
U Ra
(10 ~
20) I N
Ist太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；
并励电动机的转矩正比于电枢电流，即 T Ist ，
所以，起动转矩也太大。它会产生机械冲击，使传
动机构遭受损坏。
一般 Ist 限制在 (1.5~2.5) IN。
5.3.1 直流电动机的起动
1.降压起动 降压起动的方法只适用于他励直流电动机。这
电刷
N
a
I F
b F
n dT
c
I
S 换向片
– U+ 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加
电压方向总是相反，所以称反电动势。
2. 电枢回路电压平衡式
U E IaRa KEΦn IaRa
Ia Ra +
U
+
ME
式中：U — 外加电压
–
Ra — 绕组电阻
–
5.1.2 直流电机的工作原理
3. 电磁转矩
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂,维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转 矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要 较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。 直流电动机的优点：
(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。
直流电机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通
相互作用，产生电磁力和电磁转矩, 直流电机的电磁
转矩公式为
T = KT Ia
KT : 与电动机结构有关的常数
: 一个磁极的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
单位: (Wb)，Ia (A) ，T (N•M)
4. 转矩平衡关系 电机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。
电阻）
他励直流电动机的等效电路图
Rf Ra
5.2.2 并励直流电动机
并励直流电动机的励磁绕组与其电枢电路并联 后，共同由一个直流电源供电，这时电源输出的电 流等于电枢电流与励磁电流之和，即
I Ia If 并励电动机励磁绕组两端 的电压就是电枢绕组两端的电 压，但励磁电流一般仅为电枢 电 流 的 1% （ 小 型 ） ~5% （ 大 型）。励磁绕组匝数多、导线 细及电阻大，励磁电流也小， 且与电枢电流无关而由励磁电 并励直流电动机的等效电路图 路条件决定。
5.1.1 直流电动机的结构
(4)电刷装置 电刷装置一般由电刷、刷握、引线和电刷弹簧等
构成，其作用是将外加电源的电流输入到转动的电枢 中去，使静止部分与转动部分实现导电的功能。
电刷是由石墨做成的导电
块，放在刷握中，由弹簧机 构施以一定的压力将其压在 换向器表面上，电动机运行 时与换向器表面形成滑动接 触，电刷上焊的铜丝辫引入 电流。
励磁方式是指励磁绕组的供电方式，直流电动机 中主磁极的磁通是由励磁电流产生的，励磁方式与电 动机的性能有密切关系。
直流电动机励磁方式
他励 并励 串励 复励
5.2 直流电动机的励磁方式
他励:励磁绕组与电枢绕 组分别由两个无关的直流 电源供电。
并励:励磁绕组与电枢绕 组并联，其机械特性为硬 特性。
（a）他励 （b）并励
片边缘冲有槽口，叠成圆柱体
后外表面形成许多均匀分布的 槽，槽内嵌放着电枢绕组。
小型直流电动机的电枢示意图
5.1.1 直流电动机的结构
(2)电枢绕组
电枢绕组是产生电磁转矩和感应电动势，实现 能量转换的主要部件。它由许多完全相同的线圈按 一定的规律连接组成，并连接到换向片上，使绕组 本身连成有两个引出端的串并联电路。线圈分上下 两层放在电枢铁心的槽内，上下层间及线圈与电枢 铁心间都要妥善地绝缘，线圈嵌好后槽口要用竹制 或胶木制的槽楔封好，防止在转动时线圈受离心力 的作用发生径向位移或被甩出来。
5.1.1 直流电动机的结构
(3)换向器
换向器又称为整流子，装在电枢转轴的一端，由
许多互相绝缘的铜质换向片叠成的圆环组成。电枢绕
组每个线圈的两端分别接至两个换向片上。在直流电
动机中换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电，
以获得方向不变的电磁转矩。
换向器由许多梯形铜片
组成，片间用云母片绝缘，
外表呈圆柱形。换向片和云
并励电动机机械特性曲线
5.2.3 串励直流电动机
串励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联后， 由一个电源供电，串励直流电动机的等效电路图 如图所示。可见串励直流电动机的励磁电流就是 电枢电流为
Ia
If
U Ea Ra Rf
由于励磁绕组是和电枢串联的，
所以电动机内磁场随着电枢电流
的改变有显著的变化。为了使励
种方法要求有一个电压可变的直流电源（如晶闸 管电源）专供电枢使用。起动时，降低电枢电压， 待起动后，随着转速的升高逐步升高电枢电压， 直到转速达到额定值。
2.串联起动变阻器
图示为并励直流电动机电 枢电路串变阻器起动原理电 路图，图中R为电动机起动用 的变阻器（称为起动变阻 器），此电阻为一可变电阻。
电刷的结构图
5.1.1 直流电动机的结构
2.电枢
直流电动机的转子是电动机实现能量转换的枢纽，
所以称为电枢。电枢部分主要由电枢铁心、电枢绕组、
换向器、转轴、轴承和风扇等组成。
(1)电枢铁心
电枢铁心既是主磁路的一
部分，又要嵌放电枢绕组。为
了减小铁心损耗，电枢铁心一
般由涂有绝缘漆的0.5mm厚的
硅钢片冲压后叠压而成，硅钢
5.2 直流电动机的励磁方式
串励:励磁绕组与电枢绕组串 联，串励直流电动机的过载 能力大，其机械特性为软特 性。
复励:电动机有两个励磁绕组， 一个励磁绕组与电枢绕组构 成并联电路，另一个励磁绕 组与电枢绕组构成串联电路； 如果两个励磁绕组的磁场方 向相同，那么称为积复励， 积复励直流电动机的机械特 性较硬、过载能力较大。
目录
5.1直流电动机的结构和工作原理 5.2直流电动机的励磁方式 5.3直流电动机的起动、反转和调速 5.4直流电动机在汽车控制电路中应用
5.5步进电动机
5.1 直流电动机的结构和工作原理
直流电机是机械能和直流电能相互转换的旋转机 械装置。直流电机用作发电机时，它将机械能转换为 电能；用作电动机时，将电能转换为机械能。
5.1.2 直流电机的工作原理
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
电刷
–U+
b
N a
I
Fn
dT
F
c
I
S 换向片
直流电动机的工作原理
直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如 图所示。由于换向片和电源固定连接，无论线圈怎样转动， 总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。 电机电枢绕组通电后受力(左手定则)，按顺时针方向旋转。
5.2.4 复励直流电动机
复励直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕 组。一个励磁绕组与电枢电路并联，称为并励绕 组；另一个励磁绕组与电动机电枢串联，称为串 励绕组；两绕组共同由一个直流电源供电。
复励直流电动机的主磁通 是由并励绕组和串励绕组共同 产生的，其工作特性介于并励 和串励直流电动机之间。当并 励绕组的励磁作用大于串励绕 组的励磁作用时，工作特性就 接近于并励直流电动；反之工 复励直流电动机的等效电路图 作特性就接近于串励直流电动 机。
5.3.1 直流电动机的起动
2.串联起动变阻器
起动时，应将串接在电枢电路中的起动变阻器置 于最大的位置，以限制起动电流。只要起动转矩大于 负载转矩，电动机便加速旋转，为了保持一定的加速 净转矩，将可变电阻逐级减小，直到电动机转速上升 至稳定值，这时再把可变电阻全部切除。为保证足够 的起动转矩，且起动时间不致过长，起动电流也不能 限制过小。