汽车直流电动机的结构原理

起动机用直流电动机也是由磁极、电枢、电刷组件和外壳等部件组成的。

1.直流电动机的结构特点

起动机用直流电动机的显著特点是磁极多、磁场绕组和电枢绕组的横截面积大，其目的是增大起动机的电磁转矩。

1）磁极的结构特点

磁极由铁芯和磁场绕组两部分组成。铁芯用低碳钢制成马蹄形，并用螺钉固定在电动机壳体的内壁上，如图4－4所示，磁场绕组套装在铁芯上。

磁极的功能是产生磁场。直流电动机的磁场为电磁场，当磁场绕组接通电流时，在磁极的铁芯中就会产生磁场（即电磁场）。

电动机壳体的功能是构成导磁回路，其一般用铸铁浇铸而成，壳体上设有一个磁场绕组引线端子，该端子与电动机壳体绝缘，代号为“C”，一般都称为起动机磁场端子“C”。磁场绕组的一端与磁场端子“C”连接，另一端则与正电刷引线连接。

【知识链接】

永磁式起动机的电动机壳体一般用低碳钢板卷焊而成，因为永磁式电动机没有磁场绕组，所以，电动机壳体上引出的电缆引线就是正电刷引线，引线的另一端直接连接正电刷。

图4-4　直流电动机磁极的结构

【特别提示】

起动机一般采用4个磁极，功率超过7 kW的起动机一般采用6个磁极。磁场绕组一般用矩形漆包铜线绕制，如QD124型起动机采用1.25 mm×6.0 mm矩形漆包铜线，QD1215型起动机采用1.25 mm×5.5 mm矩形漆包铜线，并与电枢绕组串联，如图4－5所示。

磁场绕组的连接方式有两种：一种是4个磁场绕组串联后再与电枢绕组串联，如图4－5（a）所示；另一种是两个磁场绕组串联后再并联，然后再与电枢绕组串联，如图4－5（b）所示，目的是减小电路总电阻，增大电流和电磁转矩，汽车起动机普遍采用后一种连接方式。无论采用哪一种连接方式，其磁场绕组通电产生的磁极都必须满足N、S极相间排列的要求。

图4-5　磁场绕组连接方式

（a）串联电路；（b）先串联后并联电路

2）电枢的结构特点

电枢的功能是产生电磁转矩，其结构如图4－6（a）所示，主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。

图4-6　起动机电枢的结构

（a）电枢总成；（b）换向器结构
1—电枢轴；2—电枢绕组；3—铁芯；4—换向器；5—换向片；6—轴套；7—压环；8—焊线凸缘

电枢铁芯呈圆柱状，由相互绝缘的硅钢片叠装而成，其圆周上制有安放电枢绕组的线槽，内孔借花键槽压装在电枢轴上。电枢绕组绕制在电枢铁芯的线槽内，绕组两端分别焊接在换向器的铜片上。

【特别提示】

汽车起动机为了获得较大的电磁转矩，流经电枢绕组的电流很大（小功率起动机为300 A左右，大功率起动机在800 A以上）。因此，电枢绕组也采用横截面积较大的矩形或圆形漆包铜线绕制。

图4-7　电刷组件的结构

1—电刷弹簧；2—电刷；3—电刷架；4—电刷端盖

换向器的功能是保证电枢绕组产生的电磁转矩的方向保持不变。换向器由截面呈燕尾形的铜片围合而成，如图4－6（b）所示。燕尾形铜片称为换向片，换向片与换向片之间以及换向片与轴套、压环之间均用云母绝缘。

3）电刷组件的结构特点

电刷组件固定在换向器端盖（即前端盖）上，由电刷、电刷架和电刷弹簧组成，结构如图4－7所示。电刷组件的功能是将直流电引入电枢绕组，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。

电刷安装在电刷架内，借弹簧张力紧压在换向器表面，电刷弹簧的压力一般为12～15 N。

电刷有正电刷和负电刷之分。正电刷安装在正电刷架内，正电刷架与换向器端盖之间安装有绝缘垫片；负电刷安装在负电刷架内，负电刷架直接固定在换向器端盖上。

【特别提示】

一台电动机一般设有4只电刷，其中，正电刷和负电刷各2只。电刷用铜粉与石墨粉模压而成，起动机电刷的铜含量为80%左右，石墨含量为20%左右。加入较多铜粉的目的是减小电阻，提高导电性能。

4）外壳的结构特点(www.xing528.com)

电动机外壳的功能是支撑和固定机件。外壳主要由换向器端盖（即前端盖）、驱动端盖（即后端盖）和电动机壳体组成，电枢的换向器一端支撑在换向器端盖的铜套内，另一端支撑在驱动端盖的铜套内。电动机壳体上固定有磁极，驱动端盖上固定有电磁开关总成。

2.直流电动机的工作原理

电磁式起动机的磁场是由磁场绕组通电产生的电磁场，如图4－8（a）所示。如果将通电线圈放入磁场中，并使电流从B边流入，从A边流出，如图4－8（b）所示，那么根据左手定则可以判定线圈的A边将向上运动，B边将向下运动。直流电动机就是根据载流导体在磁场中就会受到电磁力作用的原理而工作的，如图4－9所示。

图4-8　通电导体在磁场中的受力方向

（a）电磁场的产生；（b）受力方向

图4-9　直流电动机的工作原理

（a）静止状态；（b）顺时针转动；（c）惯性转过；（d）顺时针转动

当电枢绕组处于图4－9（a）所示的垂直位置时，由于电刷5、6没有接触换向片3、4，因此线圈中没有电流流过，线圈不受力的作用而静止不动。

如将线圈稍微向顺时针方向转动，电刷5、6便分别与换向片3、4接触，如图4－9（b）所示，此时电枢绕组中便有电流流过，电流路径由蓄电池正极，经电刷5、换向片3、电枢绕组、换向片4、电刷6回到蓄电池负极。根据左手定则可以判定，线圈Ⅰ边将向下运动，线圈Ⅱ边将向上运动，整个线圈将沿顺时针方向转动。

当线圈旋转到图4－9（c）所示的垂直位置时，电刷5、6又不能接触换向片3、4，线圈中没有电流流过，线圈将在惯性力矩的作用下转过此位置。

当线圈转过垂直位置时，电刷5、6便分别与换向片4、3接触，如图4－9（d）所示，线圈中又有电流流过，电流路径由蓄电池正极，经电刷5、换向片4、线圈、换向片3、电刷6回到蓄电池负极。由左手定则可知，此时线圈Ⅰ边向上运动，线圈Ⅱ边向下运动，整个线圈仍沿顺时针方向转动。

【知识链接】

在换向片的作用下，S极下面导线中的电流始终由电池正极经电刷流入，N极下面导线中的电流始终由导线经电刷流回电池负极。由于磁场方向和每个磁极下面导线中的电流方向都保持不变，因此由左手定则可知电枢绕组受力而形成的电磁力矩方向不变。如果电流不断通入电枢绕组，电枢就会不停地旋转。当电动机有负载时，就可将电源的电能转换为机械能。

图4－9所示的电枢绕组虽然能按一定的方向转动，但是每当转到垂直位置时，都是依靠惯性转过，转动很不平稳，电磁力产生的电磁转矩也很小。为了增大电磁转矩和提高电动机的平顺性，实际使用的电动机采用了多组电枢绕组和多对磁极。

对于结构一定的电动机，其电磁转矩T与磁极磁通Φ和电枢电流Ia成正比，其数学表达式为

式中：KT——电动机的结构常数。

图4-10　直流电动机的反电势

—→电流方向；……→反电势方向

3.直流电动机转矩自动调节原理

直流电动机具有随负载变化而自动调节转矩和转速的特性。

1）电压平衡方程式

当直流电动机接通电流时，电枢绕组（载流导体）就会产生电磁转矩使电枢旋转。在电枢旋转的同时，电枢绕组又会切割磁力线而产生感应电动势，电动势的方向可用右手定则判定，如图4－10中虚线方向所示。由于感应电动势的方向与线圈电流的方向相反，因此称为反电势。反电势E的大小与磁极磁通Φ和电枢转速n成正比，即

式中：KE——电动机的结构常数。

由此可见，外加在电枢上的电源电压U，一部分消耗在电枢绕组的电阻Ra上，另一部分则用来平衡电动机的反电势E，即

上式为直流电动机运转时必须满足的基本条件，称为电压平衡方程式。

2）转矩自动调节过程

由电压平衡方程式（4－3）可知，电枢电流Ia为

当电动机负载增大时，电枢轴上的阻力转矩增大，电枢转速降低，反电势随之减小，电枢电流增大，因此，电磁转矩将随之增大，直至电动机的电磁转矩增加到与阻力转矩相等为止，此时电动机将在较大的负载下以比原转速低的转速平稳运转。反之，当电动机负载减小时，电枢轴的阻力矩减小，电枢转速升高，反电势增大，电枢电流减小，电磁转矩随之减小，直至电动机的电磁转矩减小到与阻力转矩相等为止，这时电动机将在较小的负载下以比原转速高的转速平稳运转。

【特别提示】

当负载发生变化时，电动机的转速、电流和转矩将自动发生相应的变化，以满足负载变化的需要，这就是直流电动机的转矩自动调节过程。