起动机工作特性与汽车电气设备检修与技术详解相关

1.电动机的反电动势

为说明电动机的性能特点，需要对电动机与发电机的基本工作原理作一对比分析。

1）电动机：带电的导体在磁场中受到电磁力（力的方向符合左手定则），导体就会运动，电能转化为机械能，可以用来起动发动机或带动其他机械做功。

2）发电机：导体置于磁场中，靠外力使导体运动时，导体内部就会产生电动势（电动势方向符合右手定则），机械能转变成电能。

3）反电动势的产生：电动机一旦运动起来，就同时符合了发电机的条件，也产生电动势，从右手定则分析可知，此电动势方向和加在其上的电源方向相反，起到削弱电源的作用，称为反电动势。反电动势E的大小与电动机电枢的转速n、磁极磁通Φ成正比，即

E=K_eΦn

式中，K_e为常数，与电动机结构有关。

只要电动机在运动，这个反电动势就时刻存在，因此，它对电动机的工作特性有重要的影响。

2.直流电动机的转矩及转矩自动调节原理

当直流电动机接上直流电源时，由于载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩使电枢旋转。电动机产生的电磁转矩M的大小与电枢电流I_a及磁极的磁通Φ的大小成正比。

M=K_mI_aΦ （1）

式中，K_m为常数，与电动机结构有关。

当直流电动机接入直流电源时，产生电磁转矩，使电枢旋转。但当电枢旋转时，由于电枢绕组又切割磁力线，则其中又产生反电动势，其大小为

E=K_eΦn （2）

这样外加于电枢上的电压，一部分消耗在电枢电阻上，一部分则用来平衡电动机的反电动势。即

U=E+I_aR_a （3）

上述公式是电动机运转时，必须满足的一个基本条件，称为电压平衡方程式。

由式（3）可知电枢电流I_a为

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当电动机的负载增加时，由于轴上的阻力转矩增大，电枢转速降低，而使反电动势E随之减小，电枢电流I_a增大，因此电磁转矩也将随之增大，并直至电动机的电磁转矩增加到与阻力矩相等时为止。这时电动机将在新的负载下以新的较低的转速平稳运转。反之，当电动机的负载减小时，电枢转速升高，反电动势增大，电枢电流减小，电磁转矩则随之减小，直至电动机的电磁转矩减小到与阻力矩相等时为止，电动机将在较高的转速下平稳运转。

可见，当负载发生变化时，电动机的转速、电流和转矩将会自动地作相应的变化，以满足负载的需要，这就是直流电动机转矩自动调节的原理。

3.串励电动机的工作特性

在直流电动机中，按磁场绕组与电枢绕组的连接方式的不同，又可分为串励式、并励式（见图3-10）和复励式三种。汽车用的起动机大多为串励式起动机，电枢绕组和励磁绕组是串联的，即电枢电流与励磁电流相等，如图3-11所示。串励式电动机的工作特性有以下两点。

图3-10 并励式直流电动机的电路图

图3-11 串励式直流电动机的电路图

（1）起动转矩大 并励式直流电动机磁通Φ为一常数，所以电磁转矩只与电枢电流成正比。串励电动机的电磁转矩M，在磁路未饱和时，与电枢电流I_a的平方成正比，只有在磁路饱和后，Φ几乎不变，电磁转矩才与电枢电流成直线关系，如图3-12所示，这是串励式电动机适宜作为起动机的原因之一。因为供给同样的电枢电流，串励电动机可获得比并励电动机大得多的转矩。特别是在起动的瞬间，由于发动机的阻力矩很大，起动机处于完全制动的情况下，n=0，故反电动势E=0。此时电枢电流将达到最大值（称为制动电流），产生最大力矩（称为制动力矩）从而使发动机易于起动。这是起动机采用串励式直流电动机的主要原因。

（2）软机械特性 任一时刻，电枢电流的大小由蓄电池电压和电动机的反电动势共同决定。蓄电池最终供给电动机的电枢电流是以上两种电力电流之差。经理论分析和推导，得出串励电动机的转速n应等于

在串励式直流电动机中，其电压平衡方程式为

在磁路未饱和时，由于Φ不是常数，所以当I_a增大，即转矩增大时，由于Φ和I_a（R_a+R_f）的增大，其转速将显著下降，具有软的机械特性。

由于串励直流电动机具有软的机械特性，即轻载时转速高、重载时转速低，故对起动发动机十分有利。因为重载时转速低，可使起动安全可靠，这是起动机采用串励式的又一原因。

图3-12 直流电动机的转矩特性

串励直流电动机在轻载时转速很高，易造成“飞车”事故。因此对于功率较大的串励直流电动机不允许在轻载或空载下运行。