第六章直流电动机和交流发电机一、学习目标1、能力目标•能绘制出直流电动机工作原理图；•能写出直流电动机大致结构组成及作用；•能解释并励直流电动机的启动、运行、制动及正反转控制方法及原理；•能说明电动机和发电机工作原理的本质不同；•能写出交流发电机的主要特性指标；•能进行直流并励电动机的相关实验。2、知识目标•了解直流电动机的型号所含意义；•理解直流电动机的工作原理；•掌握直流电动机的具体结构组成及运行控制方法；•了解交流发电机的型号所含意义；•理解交流发电机的工作原理；•掌握交流发电机的具体结构组成；•掌握交流发电机的工作特性。二、前言
电动机把作用力施加在物体上时，使物体获得机械能而产生运动。而电动机的动能又源于电能。我们可以理解，这是一种电能与机械能的能量转换。它的工作原理本质上是“电生磁”和“磁生电”。电与磁有着密切的关系。导线通电，它的周围就产生磁场。在没有磁性的铁棒上绕上导线，然后给导线通电，铁棒就变成了磁铁。电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防科技及日常生活中有广泛的用途。第一节直流电动机
电可分为“直流电（DC）”和“交流电（AC）”。通常以固定方向流动的电流称为“直流电”。我们把使用直流电源的称为直流电动机，使用交流电源的称为交流电动机，这是电动机的两大基本分类。直流电机是实现直流电能和机械能相互转换的一种旋转电机。由直流电源供电，拖动机械负载旋转，输出机械能的电机称为直流电动机。直流电动机具有优良的性能，即能在宽广的范围内平滑而又方便地调节转速，可实现频繁的快速启动、制动和反转，有较强的过载能力，能承受频繁的冲击负载，可以满足生产过程自动化控制系统的各种特殊要求。同时直流电动机还具有使用方便可靠、波形好、对电源干扰小等优点。当然，直流电动机也有其不足之处，其结构复杂，成本高，具有易磨损的电刷和易损坏的换向器，因此运行维护比较麻烦。针对其自身特点和所使用场合的要求，在汽车行业中很多采用直流电动机。一、直流电机的工作原理1、电磁学原理
从物理学中可知，在一个均匀磁场中，当放置一根有效长度为的导体，作垂直切割磁力线运动时，则在导体上产生感应电动势。这种由于导体切割磁力线而在导体上感应电动势的现象称为电磁感应。其电动势的大小取决于单位时间切割磁力线的多少，按法拉第电磁感应定律来计算，有（6-1）式中e--电磁感应所产生的电动势，V；
B--所通过的磁场密度，；
l--导体的有效长度，m；
v--导体运动的速度。而电动势的方向按右手定则确定，即将右手掌伸开，让磁力线垂直指向掌心，大拇指指向导体运动方向，则与大拇指成90
的其余四指方向便是导体中感应电动势的方向，如图6-1（a）所示。物理学上与此定律相对应的是电磁力定律，若磁场与导体互相垂直，且导体中通以电流，则作用于载流导体上的电磁力为（6-2）式中--电磁力的大小，N；
--每极磁通下的瞬时值，；
i--导体中流过的电流，A；
l--导体的有效长度，m；这里由于判断力的方向使用人体的左手，物理学上按左手定则来确定，如图6-1（b）所示。直流电动机的工作原理是基于电磁力定律，所要实现的技术问题是，欲使电动机连续旋转，必须使载流导体在磁场中所受到的电磁力形成一种方向不变的转矩。2、直流电动机的工作原理
一般直流电动机均系电枢旋转、磁极固定的结构形式。可以用一个最简单的直流电机模型来阐述其基本原理。在图6-2中，定子主要由固定的两个磁极组成，由它们建立一个恒定磁场；转动部分由铁心和线圈构成，简称为转子，又叫电枢；电枢线圈abcd的两端分别接到两个半圆形铜片上，这两个铜片叫做换向片。一个换向片与电刷A相接，另一个换向片与电刷B相接；电刷A、B分别接至直流电源的负、正极。
图6-2直流电动机工作原理图3、直流电动机的结构
直流电动机由静止部分（定子）和转动部分（转子）这两大部分组成。定子和转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和做电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。转子上用来感应电势而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁心和电枢绕组。此外转子上还有换向器、转轴、风扇等。如下图6-3所示为直流电动机结构示意图。4、直流电机的电枢电势与电磁转矩
电机的基本控制就是转矩和转速的控制。对于直流电机，改变电压或电流，就可以控制转速和转矩。根据电工学原理，永磁式直流电机的转矩与流过电枢回路的电流强度成正比。（6-3）式中--直流电机的转矩常数，；
--流过电枢回路的电流，A；
T--直流电机输出的转矩，。在正常状态下，电枢回路的电压是平衡的。
（6-4）反电势又与转子的转速成正比，即(6-5)将式（6-3）、式（6-4）、式（6-5）联立求解得
(6-6)5、并励直流电动机的运行
按励磁方式的不同，直流电动机可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机以及复励电动机。并励电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一个直流电源供电。励磁绕组匝数较多，导线截面较细，电阻较大，励磁电流只为电枢电流的一小部分。相对于并励的方式是串励电动机，它的励磁绕组与电枢绕组串联，用同一个直流电源供电。励磁电流与电枢电流相等。电枢电流较大，所以励磁绕组的导线截面较大，匝数较少，如图6-4所示，a)为并励形式，b)为串励形式。
(1)并励直流电动机的启动控制
并励直流电动机启动控制线路如图6-5所示。图中KA1为过电流继电器，作直流电动机的短路和过载保护。KA2为欠电流继电器，作励磁绕组的失磁保护。(2)并励直流电动机的正反转控制
如图6-6所示。这种方法是保持磁场方向不变而改变电枢电流的方向，使电动机反转。此方法常用于并励直流电动机。因为并励直流电动机励磁绕组中的电感很大，若要使励磁电流改变方向，需要较长时间。(3)并励直流电动机的调速控制及其控制线路对于直流电机的电枢电势，就是指电刷间的电势，可用下式来表示：（6-7）
式中E--电枢电势，V；
--电势常数，取决于电机结构；
--每个磁极的磁通，；
n--电枢转速，。
当电动机带动生产机械进行工作时，随着机械负载的变化，电动机的转速要发生变化，又电枢电势为：(6-8)由式（6-7）、（6-8）得电动机的转速为
(6-9)直流电机的电磁转矩可用下式表示：（6-10）将式（6-10）代入式（6-9）得：
(6-11)式（6-11）为并励电动机的机械特性表达式，可用图形表达为如下图6-7所示。图6-7并励电动机的机械特性
由上图可以知道，当负载增加时，转速略有下降，但变化不大，这是因为电枢电阻甚小，并励电动机从空载到额定负载之间的转速变化只有额定转速的（5~10）%，这样的机械特性称为硬特性，对于许多要求负载转矩变化时而电动机转速基本上不变的生产机械来说，是很适用的。因此并励电动机在各种直流电动机中应用最为广泛。
根据直流电动机的转速公式（6-9），可以得出有三种方法来调节转速：（1）改变每极的磁通量；（2）改变串联于电枢电路的电阻；（3）改变电源电压。
针对并励直流电动机的特点，主要使用在并励直流电动机的电枢回路中串接调速变阻器Rs进行调速，如图6-8所示。也可以改变并励电动机励磁进行调速，为此在励磁电路中串接调速变阻器Rs，如图6-9所示。(4)并励直流电动机能耗制动控制线路
当要求电动机迅速停止转动时，可以把电动机的电枢从电源切断，而把它立刻接于一电阻上，但此时电动机的励磁回路仍然接在电源上。此种制动方法将电动机轴上的旋转变为电能消耗于电阻中，故称为能耗制动。能耗制动简单准确，安全可靠，消耗能量小，而且不需要从电源吸取能量。并励直流电动机能耗制动控制线路如图6-10所示。6、直流电动机的型号
电机的产品型号表示了电机的结构和使用特点，国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分字符用大写的汉语拼音表示产品代号，第二部分字符用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分字符是机座代号，用阿拉伯数字表示，第四部分字符表示电枢铁心长度代号，用阿拉伯数字表示。例如Z3—86：整理第一部分部分字符含义如下（了解比较全面的话，需要查阅相关电动机手册）：Z系列：一般用于直流电动机；ZJ系列：精密机床用直流电动机ZT系列：广调速直流电动机；ZQ系列：直流牵引电动机ZH系列：船用直流电动机；ZA系列：防爆安全型直流电动机ZKJ系列：挖掘机用直流电动机ZZJ系列：冶金起重直流电动机第二节交流发电机
发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。
汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机利用蓄电池电流进行励磁，所以即使在低速运行时也能可靠发电，而且实现了发电机的小型化、轻量化；交流发电机相对直流发电机而言，有以下优点：
1）发动机低速时，充电性能好。如图6-11所示。2）配用调节器结构简单。3）体积小、重量轻、功率大、结构简单、维修方便、使用寿命长。4）由于交流发电机充电性能好，相对于使用直流发电机来说，蓄电池容量可减小。5）因为交流发电机无整流子，没有换向火花，所以对无线电干扰比直流发电机小得多。
由于交流发电机具有上述优点，直流发电机在汽车上的应用逐渐被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机。它的功用原理图如下图6-12所示。图6-12汽车用交流发电机功用原理图一、三相交流同步发电机的工作原理
汽车用交流发电机结构形式较多，大体上有下列几组分法：有电刷式与无电刷式；内装调节器式与外装调节器式；三相式与单相式；电磁式与永磁式。但是，现代汽车上用得最广泛的是有电刷的电磁式三相同步交流发电机。同步电机是相对于异步电机而言的，同步电机的特点是转子的转速与频率之间具有固定不变的关系，即,或，转速称为同步转速，为磁极对数。同步电机主要作为发电机。下图6-13所示为同步发电机的工作原理图。二、三相交流同步发电机的结构
同步发电机由直流励磁磁极和电枢组成，电枢固定、磁极旋转的同步发电机称为旋转磁极型同步发电机。磁极固定、磁极内电枢旋转的同步发电机称为旋转电枢同步发电机。交流发电机一般由转子、定子、整流器、端盖四部分组成。下图6-14所示为某型（JF132型）交流发电机组件图。下面将具体介绍发电机的此四个部分的功用与组成。1、转子
转子的功用是产生旋转磁场；它是由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成。转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组(转子线圈)和磁轭。集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。具体结构见下图6-15所示。2、定子
定子的功用是产生交流电；定子由定子铁心和定子绕组组成。见下图6-17所示。
图6-17交流发电机定子形图定子铁心由内圈带槽的硅钢片叠成，定子绕组的导线就嵌放在铁心的槽中。定子绕组有三相，三相绕组采用星形接法或三角形（大功率）接法，都能产生三相交流电。三相绕组必须按一定要求绕制,才能使之获得频率相同、幅值相等、相位互差120°的三相电动势。具体要求是：1）每个线圈的两个有效边之间的距离应和一个磁极占据的空间距离相等；
2）每相绕组相邻线圈始边之间的距离应和一对磁极占据的距离相等或成倍数；
3）三相绕组的始边应相互间隔2π+120
电角度（一对磁极占有的空间为360
电角度）3、整流器
交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电。三相交流同步发电机整流器一般由6只硅整流二极管组成全波桥式整流电路，6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。汽车用硅整流二极管具有以下特点：
1）工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；
2）反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；
3）只有一根引线，并且有的二极管引线是正极，有的二极管引线是负极，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。4、端盖
端盖一般分两部分（前端盖和后端盖），起固定转子、定子、整流器和电刷组件的作用。端盖一般用铝合金铸造，一是可有效的防止漏磁，二是铝合金散热性能好。后端盖上装有电刷组件，有电刷、电刷架和电刷弹簧组成。电刷的作用是将电源通过集电环引入磁场绕组。电刷组件图如下图6-19所示。磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分为内搭铁型和外搭铁型两种。1）内搭铁型发电机：磁场绕组的负电刷直接搭铁的发电机（和壳体直接相连）。2）外搭铁型发电机：磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。外搭铁型发电机的磁场绕组负极（负电刷）接调节器，通过后再搭铁；此种方式维修方便。具体接线示意图如下图6-20所示。三、交流发电机的工作原理及特性1）三相交流电动势的产生
当外加直流电压作用在励磁绕组两端点的接线柱之间时，励磁绕组中便有电流通过，产生轴向磁场，其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内感应出三相交流电势。固定不动的三相定子绕组在旋转磁场的作用下，产生三个频率相同、幅值相等、相位互差120
电角度的正弦电动势、、和，其瞬时值分别为（6-12）（6-13）（6-14）每相绕组电动势的有效值为（6-15）对于已知发电机，上式中的K、N都已确定，以电机常数C代替。于是，（6-15）也可定成（6-16）
由式（6-16）可知，在与电机结构有关的常数不变的前提下，每相绕组的电动势有效值的大小和转子的转速及磁极的磁通成正比。所以，交流电动势的幅值是发电机转速的函数；当转速n变化时，三相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。交流电动势同转速之间的变化关系如下图6-21所示。2）整流原理
交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电，是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性,当给二极管加上正向电压时,二极管导通,当给二极管加上反向电压时,二极管截止,二极管的导通原则如下:当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。
三相桥式整流电路及整流前后电压输出波形如下图6-22所示。3个正二极管的正极引出线分别同3相绕组的首端相连，在某一瞬间，只有与电位最高的一相绕组相连的正二极管导通。同样，3个负二极管的引出线也同三相绕组的首端相连，在同一瞬间，只有与电位最低的一相绕组相连的负二极管导通。但同时导通的管子总是两个，正、负管子各一个，这样反复循环，6只二极管轮流导通，在负载两端便得到一个较平稳的脉动的直流电压。3）交流发电机的励磁
除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们的磁场都是电磁场，也就是说必须给磁场绕组通电才会有磁场产生。将电源引入到磁场绕组使之产生磁场称为励磁，交流发电机励磁方式有自励和他励两种。
他励是在发动机起动期间，需要蓄电池供给发电机磁场电流生磁使发电机发电，这种供给磁场电流的方式称为他励发电。随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并能对外输出，一般在发动机怠速时发电机就能对外供电了，当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给磁场绕组生磁发电，这种供给磁场电流的方式称为自励。由于在发动机转速低时交流发电机不能自励发电，所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电压1～2V以便对蓄电池充电，此时，由发电机自励发电。下图6-24所示为交流发电机用得最广的一种激磁电路。图6-24交流发电机一般激磁电路
上图中，当点火开关S（若是柴油发动机汽车则是电源开关）合上后，蓄电池经过调节器向发电机激磁绕组供电激磁，使发电机在较强磁场下很快建立起较高电压。只有当开关S关断，激磁绕组与蓄电池之间的电路才被切断。若停车后，开关仍未断开，则蓄电池将会向发电机激磁绕组长时间放电，从而导致蓄电池亏电。2、交流发电机的工作特性
交流发电机的工作特点是转速变化范围大，对于一般汽油发动机来说，其转速变化约为1：8，柴油机约为1：5，因此分析汽车用交流发电机的特性必须以转速的变化为基础。交流发电机的工作特性是指发电机经整流后输出的直流电压、电流和转速之间的关系，交流发电机的特性有输出特性、空载特性和外特性，其中以输出特性最为重要。1）输出特性
输出特性是指在发电机端电压不变（对12V系列的交流发电机规定为14V，对24V系列的交流发电机规定为28V），其输出电流与转速之间的关系，即=常数时，的函数关系。图6-25所示为交流发电机的输出特性曲线。由交流发电机的输出特性曲线可以看出：（1）空载转速发电机转速小于一定值时，对外输出电流为零。当发电机达到额定电压并能对外输出电流时的最小转速为，称为空载转速。空载转速常用来作为测试发电机性能的参数之一。（2）最大电流
发电机输出电流能力随转速的升高而增大，但曲率越来越平坦，当转速达到一定值时，无论转速增加多少电流都不再增加，即一定结构的发电机输出最大电流有一定限制。由此可见，交流发电机自身具有限制输出电流防止过载的能力，又称为自我保护能力。（3）额定转速和额定电流转速等于时，发电机输出额定功率。额定功率为额定电压与额定电流之乘积。又称为满载转速，它也是发电机达到额定电流时的转速；额定电流一般定为最大输出电流的2/3。空载转速和满载转速是交流发电机的主要性能指标，发电机出厂时，通过试验，规定了空载转速与额定转速，并列人产品说明书。在使用过程中，可通过检测这两个数据来判断发电机性能的好坏。下表6-1为国产交流发电机的主要性能指标。2）空载特性
空载特性是研究发电机在空载运行时，其端电压随转速变化的关系，即＝0时，的函数关系；如图6-26所示。
从曲线可以看出，随着转速的升高，端电压上升较
