3.2 直流电动机的基本参数与数学建模

电动机是将电能转换为机械能的装置。电动机有交流电动机和直流电动机之分，这里简要介绍直流电动机的有关情况。

1.汽车中主要电动机的分布

现在汽车中一般用到了30多个电动机，在国外的豪华汽车上，甚至用到了70个电动机，汽车上的主要电动机分布如图3-12所示。

2.汽车中常用电动机的外形（见图3-13）

3.汽车专用电动机的选择

（1）混合电动汽车对专用电动机的驱动要求

● 低速时电动机能输出恒定转矩，以适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求；高速时电动机能输出恒定功率，能有较大的调速范围，适应高速行驶、超车等要求。

● 在整个调速范围内，驱动系统效率最优，以降低驱动系统损耗，提高续驶里程。

● 电动机及其控制系统结构牢固，体积小、重量轻、省维护、抗振动。

● 单位功率的系统设备造价低。

（2）各主要驱动电动机及其驱动系统的性能（见表3-2）

从驱动系统和电动机性能看，直流电动机驱动系统由于其控制简单、动态性能好，20世纪70年代就已经实用化。70年代后，随着磁场方向控制和电动机矢量控制理论的完善，以及微处理器、电力电子器件技术的发展和成本的降低，交流电动机驱动系统开始实用化。由于采用了新的控制理论和新型元器件，交流驱动系统能够达到直流驱动系统的控制性能，同时克服了直流驱动系统的缺点，因此在各个领域都有取代直流驱动系统的趋势。

3.2.1 直流电动机的主要用途、构成及特性参数

直流电动机是在汽车电子控制装置中应用最广泛的执行器。按用途可分为两类：一类是作为动力源的执行器，另一类是作为伺服机构的执行器。作为动力源的直流电动机又可以分为四种：①风扇驱动（散热器、空调用冷凝器、空调用鼓风机）；②压力泵驱动（燃油、动力转向器用油压泵、空压机泵）；③机械直接驱动（刮水器、电动窗、电动座椅调节器等车身有关附件）；④大电力、高功率输出（起动机、滑动门驱动等）。作为伺服执行机构的伺服电动机，它具有一种依据控制信号的要求而动作的功能。在信号到来之前，转子静止不动；信号到来之后，转子立即转动；信号消失时，转子能及时自行停转。在汽车电子控制装置中，它可以把电信号转换为轴上的转角或转速。根据自动控制系统对它的要求，伺服电动机必须具备可控性好、稳定性高和适应性强等特点。可控性好是指信号消失后，能自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降；适应性好是指响应快、灵敏。这种伺服电动机主要用于开启或关闭控制阀。

图3-14为一台最简单的两极直流电动机模型。定子上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，转子上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B ₁ 和B ₂ ，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

其中，固定部分有磁铁（这里称作主磁极）和电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组（其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的）。

旋转电动机都是由定子和转子两大部分组成，每一部分也都由电磁部分和机械部分组成，以便满足电磁作用的条件，换向极用来改善换向性能。

（1）定子的主要部件

由主磁极（励磁绕组和主极铁心）、机座、换向极（换向极绕组和铁心）、端盖和电刷装置等部件组成。

1）主磁极：主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电动机的主磁极不是永久磁铁，而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使相邻主磁极的极性按N、S极交替出现。

2）机座：机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分；二是作为电动机的结构框架。机座一般用厚钢板弯成筒形后焊接而成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成，机座的两端装有端盖。

3）换向极：换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电动机的换向情况，使电动机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电动机中，也有不装换向极的情况。换向极绕组在使用时是与电枢绕组串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面积。

4）端盖：端盖装在机座两端，并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电动机内部还起防护作用。

5）电刷装置：电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷、刷握、刷杆和连线等部分组成。电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力安放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

（2）转子（又称电枢）部分

包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

1）电枢铁心：电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽为DR530或DR510型硅钢片叠压夹紧而成。小型电动机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电动机的电枢铁心冲片首先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

2）电枢绕组：直流电动机电磁感应的关键部件称为导电绕组，即电枢绕组。电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，它是直流电动机的电路部分，也是感应电动势、产生电磁转矩进行机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定的电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。大型电动机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

从大的方面来讲，电枢绕组可分为环形和鼓形。环形绕组曾在原始电动机用过，由于容易理解，因此讲述原理时常用此类绕组；现代直流电动机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组（单叠、复叠）、波绕组（单波、复波）和蛙形绕组（又叫混合绕组）。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。

3）换向器：在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电动机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成。小型电动机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。

3.2.2 直流电动机的起动及稳定运行条件

1.直流电动机的起动

（1）定义

电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动，即 n =0， E _a =0之瞬间。起动问题是评价电动机性能的重要方面。但这里只介绍在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转这一瞬间的状态。

（2）对电动机起动的要求

1）起动电流要小；

2）起动转矩要大；

3）起动设备要简便可靠。

（3）起动方法

1）直接起动（即全压起动）：操作方法简便，不需任何起动设备，只需两个开关（励磁开关和电枢开关）。但起动时冲击电流很大，可达（10～20） I _N ，从而冲击电源电压，影响同一电源的其他设备正常运行。因此全压起动仅用于微小型电动机。

2）在电枢回路外串电阻 R _st 起动：起动电流公式如式（3-7）所示。

式（3-7）可以说明，电枢回路的外串电阻 R _st 增大，起动电流 I _st 必然减小。一般 R _st 的大小为能使起动电流等于额定电流的1.5～2倍即可。使用起动器时，起动过程中外串电阻 R _st 逐段切除。

3）减压起动

减压起动电流公式如下：

从式（3-8）看出，电枢电压降低， I _st 减小。这种起动方式的优点是没有起动电阻，起动过程平滑，起动过程中能量损耗少。但也有缺点：需使用专用降压设备，成本较高。

另外需要注意的是：

1）并励（或他励）电动机起动时，为了限制起动电流，电枢回路的外串电阻 R _st 应置于最大阻值位置；而励磁回路的外串电阻 R _f 应置于最小阻值位置。

2）对串励直流电动机，不允许空载（或轻载）起动，否则起动后将造成“飞车”事故。

2.电动机稳定运行的条件

影响稳定运行的因素有两个：

（1）负载的机械特性

1）恒转矩负载；

2）变转矩负载。

（2）电动机的机械特性

1）下降曲线；

2）上升曲线。

直流电动机是电动汽车的关键部件，要使电动汽车具有良好的实用性能，驱动电动机应具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、重量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。

3.2.3 直流电动机的工作原理

简单地说，直流电动机的工作原理是：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过，电机内部有磁场存在。电枢导体将受到电磁力 f 的作用，所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以速度 n （r/min）旋转，以便拖动机械负载。

对直流电动机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如图3-15a所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出。根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到力的作用形成了转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图3-15b所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

实际中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动。

直流电动机的工作过程可以总结如下：

1）所有的直流电动机的电枢绕组总是自成回路。

2）电枢绕组的支路数永远成对出现，这是由于磁极数（2 p ）是一个偶数。

3）为了得到最大的直流电动势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。

3.2.4 直流电动机的基本模型

通过前面的介绍，我们已经了解了直流电动机的组成、结构以及工作原理。在汽车中，直流电动机作为执行机构以及被控对象，其数学模型可以简化如图3-16所示。

3.2.5 汽车上直流电动机应用简介

1.汽车ABS控制器用直流电动机的主要参数和特性曲线

图3-17是汽车ABS控制器用HM-53MGH20型直流电动机，其参数见表3-3，其特性曲线如图3-18所示。

2.汽车风机直流电动机的主要参数和特性曲线

汽车HM-54 VT1型风机直流电动机的主要参数见表3-4，其外形如图3-19所示，特性曲线如图3-20所示。