汽车电工电子技术基础(第2版) - 第4章 电动机与发电机
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4.1 直流电动机
4.1.1 直流电动机的结构
主要由磁极、电枢和换向器部分构成。 1. 磁极
用来在电机中产生磁场。 分成铁心和励磁绕组。 励磁式： 铁心缠上绕组构成 永磁式： 由永久磁铁组成
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2. 电枢 是电机中产生感应电动势的部分。 也包括铁心和绕组（线圈）两大部分。
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（2）串励电动机的机械特性 串励电动机的机械特性具有以下特点：
①
电磁转矩与电枢电流的平方成正比，T
K
c
I
2 a
；
② 起动转矩、起动电流数值较大；
③ 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。
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。
电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 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 载损耗转矩相平衡，即
T TL T0
TL: 机械负载转矩 T0: 空载转矩
上式称为转矩平衡方程
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转矩平衡过程
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 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
以锁车为例说明控制 过程。
当门锁主开关转到锁 止位置时，触点1闭 合，门锁继电器的锁 止线圈通电，触点5 闭合。各门锁电动机 通电，方向如图，电 动机旋转将车门锁上。
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4.2 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 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 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 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。
励磁绕组和电枢绕组并联，
由一个直流电源供电。因此励 磁电流If不仅与励磁回路的电 If 阻有关，而且还受电枢电压U 的影响。
I
+ +
E M_ Ia U
_
（3）串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联接
Ia
If
到同一电源上。由于通过励磁 +
绕组的电流就是电枢电流，其 U M 值大，为了减小电枢电压降和
铜损，励磁绕组应具有较小的 _
铁心呈圆柱状，用硅钢片叠成，表面冲有槽，放电 枢绕组（线圈）。
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3. 换向器 换向器是直流电机的特殊装置，用来改变电流的 方向。 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。
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转 轴
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 的。 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。
（1） 他励电动机
在电路图中，线圈 代表励磁绕组，圆圈 表示电枢（绕组）。
+
Uf If
_
+
M Ia Ua
_
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If仅取决于励磁电源的电 压Uf和励磁回路的总电阻，而不受电枢端电压Ua的 影响。
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（2）并励电动机
第4章 电动机与发电机
4.1 直流电动机 4.2 汽车交流发电机 4.3 伺服电动机 4.4 步进电动机 4.5 三相异步电动机
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第4章 电动机与发电机
本章要求: 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 的方法； 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； 了解永磁电动机、步进电动机在汽车上的典型应 用。 了解三相异步电动机的构造、原理及汽车上应用。
U E Ia Ra C EΦn Ia Ra +
+
式中：U — 外加电压
U
M–E
Ra — 绕组电阻
–
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（2）电磁转矩
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T与电枢电流Ia以 及每极磁通Φ有关，常用以下公式表示：
T=CT Ia
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（2）改变电枢电压调速 ① 电能损耗小，效率高；
② 调速范围宽，最高转速与最低转速比为10：1 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、 龙门刨床、造Φ纸机等。 （3）改变磁通Φ调速
① 控制方便，易于从低速往高速方向调节； ② 调速效率高，经济性好； ③ 电动机运行较平稳； ④ 调速范围窄，一般调速比在1.5或2：1。 在某些大型车床、镗床、刨床上都采用这种方法。
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3．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 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。
以左后门窗为例说 明其控制过程。
设点火开关已接通。 当主控开关的左后 窗开关拨到Up时， 电动机通电，方向 如图，电动机旋转， 带动左后窗玻璃上 升。
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4.1.2 直流电动机的工作原理
1. 转动原理
电流和磁场相互作用的原理。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
下转动。
在直流电机转动 时，换向器起着 非常重要作用，
电刷
b
N a
I F
Fn
dT
通过它可以改变 电枢线圈电流方
c
I
向，保证了电枢
S 换向片
a
I
向，保证了电枢
S Biblioteka Baidu向片
能一直旋转下去。 – U +
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2. 反电动势和电磁转矩
（1）反电动势 电刷
b
N
a
I F
E
F
d
n T
E
cI
S 换向片 – 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，故称反电动势。
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（1）开关置低速档 电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以低速 运转。
（2）开关置中速1或中速2档 电机串入的电阻数减少，电枢电压升高，以中速运 转。
（3）当开关置于高速档 蓄电池电压全部加在 电机上，所以电动机 以高速进行运转。 可见，通过开关控制 电机串入的电阻数即 可达到调速的目的。
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4.1.4 直流电动机的反转和调速
1. 反转
电磁转矩： T=KT Ia
改变直流电机转向的方法有两种：
（1）改变励磁电流方向：保持电枢电压极性不变， 将励磁绕组反接。
（2）改变电枢电流方向：保持励磁绕组电流方 向不变，把电枢绕组反接。
注意：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。
能一直旋转下去。 – U +
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4.1.2 直流电动机的工作原理
1. 转动原理
电流和磁场相互作用的原理。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
下转动。
在直流电机转动 时，换向器起着 非常重要作用，
电刷
d
N c
I F
Fn
bT
通过它可以改变 电枢线圈电流方
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2. 调速 用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不 同的转速
由转速公式: n U Ia Ra CEΦ
可见直流电机调速方法有三种。 （1）电枢回路串联电阻调速
① 电能损耗大，效率低；
② 调速范围窄，最高转速与最低转速比为1.5：1。 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。
福特公司的车窗控制电路
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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。
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3．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 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。
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
TL
n E C EΦn E
UE
T T CT ΦIa Ia Ia Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
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4.1.3 直流电动机的分类与机械特性
1. 分类
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
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4.2.1 交流发电机的结构
由转子、定子、整流器和整流板（或称元件板、散 热板）、前后端盖、电刷装置、风扇等组成。
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1. 转子 是磁极部分，用来在电机中产生磁场，由爪极、 励磁绕组（磁场绕组）、转轴、滑环等组成。
爪极：有两块，每块有6个鸟嘴形磁极，装在转轴上， 爪极间的空腔内装有铁心线圈。 励磁绕组：绕在铁心上，铁心压装在两块爪极之间 的转轴上。
CT: 与电机结构有关的常数，称为转矩常数；
: 电机每极的磁通；
Ia：电枢绕组中的电流。
单位: (Wb)，Ia (A) ，T (N•m)
由式可知，电磁转矩T与每极磁通Φ和电枢电流Ia成 正比。
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电磁转矩 T=CT Ia
电磁转矩的方向由Φ和Ia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，从 而电动机的转向也就改变。
U Ea UR
R 电枢总电阻。
3CEΦn Ia R
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n U Ia R 3CEΦ
电枢
电刷
电动机低速运行
（2）开关拨到H
Ea 2CEΦn,UR Ia R
电枢电压平衡方程
U Ea UR
永久磁极
2CEΦn Ia R
n U Ia R 2CEΦ
电动机高速运行
电阻，因此励磁绕组匝少导粗。
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（4） 复励电动机
励磁绕组分成两部分，与
I
电枢绕组并联的部分，称为
并励绕组；与电枢绕组的串 +
Ia
联的部分，称为串励绕组。 U
M
当两部分励磁绕组产生的磁 _
通相同时，称为积复励电动
机；方向相反时，则称为差
复励电动机。
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4.1.5 永磁式电动机在汽车上的典型应用
1．刮水电动机
电枢
电刷
每个线圈的反电动势 大小相等、方向不变。
ER CEΦn, 方向如图
（1）开关拨到L
Ea 3CEΦn,UR Ia R
永久磁极
Ea 电枢反电动势；
UR 电枢电阻上的总压降； 电枢电压平衡方程
Ia 电枢电路总电流；
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滑环：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 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N极， 另一块为S极，形成6对相互交错的磁极，如右图。
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 同的转速。
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2．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 进空调内外气体的交换，达到制冷、供暖、除霜和 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 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 开关安装在仪表板 上，开关通过控制 调速电阻来控制电 机的转速。
电枢线圈的总的反电动势 E与电枢转速n及每极磁
通Φ成正比：
E=CE n
CE: 与电机结构有关的常数 n: 电动机转速
：磁通
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，
为了维持电流的不变，外加电压要对他们加以平衡，
于是得到电枢回路电压平衡方程： Ia Ra
2. 机械特性 转速n与转矩T的关系 并励、串励电动机的机械特性是最基本的特性,
重点讨论 （1）并励电动机的机械特性
① 电磁转矩与电枢电流成正比，T Kb Ia
② 起动转矩、起动电流数值小；
③ 转速基本不受负载变化的影响，是一种恒定转 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 车上的风扇、泵等小型设备。
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4.1 直流电动机
4.1.1 直流电动机的结构
主要由磁极、电枢和换向器部分构成。 1. 磁极
用来在电机中产生磁场。 分成铁心和励磁绕组。 励磁式： 铁心缠上绕组构成 永磁式： 由永久磁铁组成
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2. 电枢 是电机中产生感应电动势的部分。 也包括铁心和绕组（线圈）两大部分。
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（2）串励电动机的机械特性 串励电动机的机械特性具有以下特点：
①
电磁转矩与电枢电流的平方成正比，T
K
c
I
2 a
；
② 起动转矩、起动电流数值较大；
③ 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。
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。
电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 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 载损耗转矩相平衡，即
T TL T0
TL: 机械负载转矩 T0: 空载转矩
上式称为转矩平衡方程
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转矩平衡过程
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 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
以锁车为例说明控制 过程。
当门锁主开关转到锁 止位置时，触点1闭 合，门锁继电器的锁 止线圈通电，触点5 闭合。各门锁电动机 通电，方向如图，电 动机旋转将车门锁上。
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4.2 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 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 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 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。
励磁绕组和电枢绕组并联，
由一个直流电源供电。因此励 磁电流If不仅与励磁回路的电 If 阻有关，而且还受电枢电压U 的影响。
I
+ +
E M_ Ia U
_
（3）串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联接
Ia
If
到同一电源上。由于通过励磁 +
绕组的电流就是电枢电流，其 U M 值大，为了减小电枢电压降和
铜损，励磁绕组应具有较小的 _
铁心呈圆柱状，用硅钢片叠成，表面冲有槽，放电 枢绕组（线圈）。
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3. 换向器 换向器是直流电机的特殊装置，用来改变电流的 方向。 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。
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转 轴
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 的。 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。
（1） 他励电动机
在电路图中，线圈 代表励磁绕组，圆圈 表示电枢（绕组）。
+
Uf If
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+
M Ia Ua
_
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If仅取决于励磁电源的电 压Uf和励磁回路的总电阻，而不受电枢端电压Ua的 影响。
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（2）并励电动机
第4章 电动机与发电机
4.1 直流电动机 4.2 汽车交流发电机 4.3 伺服电动机 4.4 步进电动机 4.5 三相异步电动机
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第4章 电动机与发电机
本章要求: 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 的方法； 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； 了解永磁电动机、步进电动机在汽车上的典型应 用。 了解三相异步电动机的构造、原理及汽车上应用。
U E Ia Ra C EΦn Ia Ra +
+
式中：U — 外加电压
U
M–E
Ra — 绕组电阻
–
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（2）电磁转矩
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T与电枢电流Ia以 及每极磁通Φ有关，常用以下公式表示：
T=CT Ia
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（2）改变电枢电压调速 ① 电能损耗小，效率高；
② 调速范围宽，最高转速与最低转速比为10：1 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、 龙门刨床、造Φ纸机等。 （3）改变磁通Φ调速
① 控制方便，易于从低速往高速方向调节； ② 调速效率高，经济性好； ③ 电动机运行较平稳； ④ 调速范围窄，一般调速比在1.5或2：1。 在某些大型车床、镗床、刨床上都采用这种方法。
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3．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 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。
以左后门窗为例说 明其控制过程。
设点火开关已接通。 当主控开关的左后 窗开关拨到Up时， 电动机通电，方向 如图，电动机旋转， 带动左后窗玻璃上 升。
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4.1.2 直流电动机的工作原理
1. 转动原理
电流和磁场相互作用的原理。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
下转动。
在直流电机转动 时，换向器起着 非常重要作用，
电刷
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N a
I F
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通过它可以改变 电枢线圈电流方
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向，保证了电枢
S 换向片
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向，保证了电枢
S Biblioteka Baidu向片
能一直旋转下去。 – U +
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2. 反电动势和电磁转矩
（1）反电动势 电刷
b
N
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I F
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S 换向片 – 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，故称反电动势。
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（1）开关置低速档 电机串入三个电阻，其电枢电压最低，电机以低速 运转。
（2）开关置中速1或中速2档 电机串入的电阻数减少，电枢电压升高，以中速运 转。
（3）当开关置于高速档 蓄电池电压全部加在 电机上，所以电动机 以高速进行运转。 可见，通过开关控制 电机串入的电阻数即 可达到调速的目的。
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4.1.4 直流电动机的反转和调速
1. 反转
电磁转矩： T=KT Ia
改变直流电机转向的方法有两种：
（1）改变励磁电流方向：保持电枢电压极性不变， 将励磁绕组反接。
（2）改变电枢电流方向：保持励磁绕组电流方 向不变，把电枢绕组反接。
注意：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。
能一直旋转下去。 – U +
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4.1.2 直流电动机的工作原理
1. 转动原理
电流和磁场相互作用的原理。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
下转动。
在直流电机转动 时，换向器起着 非常重要作用，
电刷
d
N c
I F
Fn
bT
通过它可以改变 电枢线圈电流方
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2. 调速 用人为的方法使电动机在同样的负载下得到不 同的转速
由转速公式: n U Ia Ra CEΦ
可见直流电机调速方法有三种。 （1）电枢回路串联电阻调速
① 电能损耗大，效率低；
② 调速范围窄，最高转速与最低转速比为1.5：1。 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。
福特公司的车窗控制电路
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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。
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3．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 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。
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
TL
n E C EΦn E
UE
T T CT ΦIa Ia Ia Ra
达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。
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4.1.3 直流电动机的分类与机械特性
1. 分类
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
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4.2.1 交流发电机的结构
由转子、定子、整流器和整流板（或称元件板、散 热板）、前后端盖、电刷装置、风扇等组成。
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1. 转子 是磁极部分，用来在电机中产生磁场，由爪极、 励磁绕组（磁场绕组）、转轴、滑环等组成。
爪极：有两块，每块有6个鸟嘴形磁极，装在转轴上， 爪极间的空腔内装有铁心线圈。 励磁绕组：绕在铁心上，铁心压装在两块爪极之间 的转轴上。
CT: 与电机结构有关的常数，称为转矩常数；
: 电机每极的磁通；
Ia：电枢绕组中的电流。
单位: (Wb)，Ia (A) ，T (N•m)
由式可知，电磁转矩T与每极磁通Φ和电枢电流Ia成 正比。
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电磁转矩 T=CT Ia
电磁转矩的方向由Φ和Ia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，从 而电动机的转向也就改变。
U Ea UR
R 电枢总电阻。
3CEΦn Ia R
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n U Ia R 3CEΦ
电枢
电刷
电动机低速运行
（2）开关拨到H
Ea 2CEΦn,UR Ia R
电枢电压平衡方程
U Ea UR
永久磁极
2CEΦn Ia R
n U Ia R 2CEΦ
电动机高速运行
电阻，因此励磁绕组匝少导粗。
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（4） 复励电动机
励磁绕组分成两部分，与
I
电枢绕组并联的部分，称为
并励绕组；与电枢绕组的串 +
Ia
联的部分，称为串励绕组。 U
M
当两部分励磁绕组产生的磁 _
通相同时，称为积复励电动
机；方向相反时，则称为差
复励电动机。
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4.1.5 永磁式电动机在汽车上的典型应用
1．刮水电动机
电枢
电刷
每个线圈的反电动势 大小相等、方向不变。
ER CEΦn, 方向如图
（1）开关拨到L
Ea 3CEΦn,UR Ia R
永久磁极
Ea 电枢反电动势；
UR 电枢电阻上的总压降； 电枢电压平衡方程
Ia 电枢电路总电流；
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滑环：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 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N极， 另一块为S极，形成6对相互交错的磁极，如右图。
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 同的转速。
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2．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 进空调内外气体的交换，达到制冷、供暖、除霜和 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 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 开关安装在仪表板 上，开关通过控制 调速电阻来控制电 机的转速。
电枢线圈的总的反电动势 E与电枢转速n及每极磁
通Φ成正比：
E=CE n
CE: 与电机结构有关的常数 n: 电动机转速
：磁通
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，
为了维持电流的不变，外加电压要对他们加以平衡，
于是得到电枢回路电压平衡方程： Ia Ra
2. 机械特性 转速n与转矩T的关系 并励、串励电动机的机械特性是最基本的特性,
重点讨论 （1）并励电动机的机械特性
① 电磁转矩与电枢电流成正比，T Kb Ia
② 起动转矩、起动电流数值小；
③ 转速基本不受负载变化的影响，是一种恒定转 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 车上的风扇、泵等小型设备。