汽车电工电子技术基础.docx

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汽车电工电子技术基础

陇南师范高等专科学校

《汽车电工电子技术基础

（二）》

教案

（2014-2015学年第二学期）

授课班级：

14级汽车检测与维修技术

（1）班

授课教师：

万瑞斌

日期：

2015年3月1日

《汽车电工电子技术基础

（二）》课程教学计划及进度表

2014至2015学年度第2学期

机电工程学院汽车检测与维修专业2014级1班

任课教师

万瑞斌

职称

助教

教材名称

汽车电工电子技术基础

出版社

高等教育出版社

出版年限、版次

第一版

作者

张军

教育教学目的

本课程的教学目是：

使学生通过本课程的学习，获得汽车电工电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解汽车电工电子技术的应用和我国电工电子技术发展的概况，为今后学习后续课程以及从事与本专业有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。

本课程理论严谨，系统性、逻辑性强，对培养学生的辨证思维能力，树立理论联系实际的科学观点和提高学生分析问题、解决问题的能力有着重要的作用，是培养复合型人才的重要组成部分。

教学参考书

1、《电路与电子技术》（电工学Ⅰ），朱伟兴主编，高等教育出版社，2008年六月第一版

2、《电工学》（第六版）上册电工技术、《电工学》（第六版）下册电子技术，秦曾煌主编，高等教育出版社，2003年12月第六版

提高教育教学质量的主要措施

（一）教学方法：

1. 实物教学法

2. 启发式教学法

3. 激发兴趣法

4. 突破一点，以点带面

（二）教学手段：

1. 多媒体教学

2. 充分利用网络资源，促进学生自主学习

（此栏填写应包括：

育人、课程改革与创新设想等方面的内容）

说明：

1.此表为教务处和各系检查、指导学科教育教学过程的依据，填写必须真实科学。

2.此表开学第一周填写完毕。

一式三份，教务处、院办、教师本人各一份，系办负责装订、存档。

3.教学参考书须填写书名、作者、出版年限和出版社。

4.任课教师必须在开学初向学生公布课程进度安排，并严格按照计划进度完成教学任务。

时间

周次

周学时数

教学内容（章节和标题名称）

教学形式

与手段

执行

记录

月日--月日

注：

教学形式主要指讲授、讨论、调研、辩论等，教学手段主要指采用多媒体授课等。

教师签字：

教研室主任签字：

院长任签字：

教务处教学管理科制表

项目四　发电机和电动机

第一节交流发电机

一、发电机的基本工作原理

利用电磁感应现象，就可以制成发电机。

图5-1-1说明了发电机的基本工作原理。

●工作原理如下：

　　当磁场与导线平行时，导线没有切割磁感线，如图5-1-1（a），导线内不产生电流。

　　磁场顺时针旋转90°，磁场与导线呈直角，如图5-1-1（b），磁场转到这一点，在N、S极处导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为正的最大值。

电流方向是从上部导线流出，下部导线流入。

　　磁场再继续旋转90°，磁场反方向再次与导线平行，如图5-1-1（c），导线不切割磁感线，导线内不产生电流。

　　磁场再继续旋转90°，磁场方向上下颠倒，如图5-1-1（d），在N、S极处导线切割的磁感线最多，导线产生的电流为负的最大值。

电流方向是从上部导线流入，下部导线流出。

　　磁场转完一圈，返回到与导线平行的位置，导线内电流为零。

上述讨论的是几个极限位置，在这几个位置之间过渡时，导线中的电流数值是随着导线与磁场的相对角度连续变化的。

这样磁场旋转一圈，导线内就产生了一个连续变化、具有几个特征值的正弦波形（如图5-1-2所示）。

二、汽车交流发电机的基本构造

目前国内外生产的汽车交流发电机，其结构基本相同，多是由三相同步交流发电机和六只硅二极管

构成的三相桥式全波整流器所组成。

现在汽车上的交流发电机多以有刷交流发电机为主。

如图5-1-3所示JF系统交流发电机结构图，

它主要由转子、定子、前后端盖、风扇、整流器、元件板等组成。

1．交流发电机各部件结构

（1）转子

（2）定子

（3）整流器

（4）盖和电刷总成

定子由定子铁心和定子绕组组成。

定子铁心由相互绝缘的内圆带嵌线槽的圆环状硅钢片叠成。

嵌线槽内嵌入三相对称的定子绕组。

绕组的接法有星形（即Y形）、三角形两种方式，一般采用星形连接，即每相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相接，每相绕组的尾端接在一起，形成中性点N，如图5-1-5所示为定子绕组结构和星形（即Y形）联接图。

　交流发电机整流器的作用是将发电机定子绕组产生的三相交流电变换为直流电，一般由6只硅整流二极管及其散热板所组成，如图5-1-6所示。

整流二极管的工作电流大、反向电压高。

交流发电机整流二极管有正极管和负极管之分，引出线为二极管正极的称为正极管，引出线为二极管负极的称为负极管。

电刷总成由两只电刷、电刷弹簧和电刷架组成，如图5-1-7所示。

2．交流发电机的型号

根据JB1546-83《汽车电气产品型号编制方法》规定，国产汽车交流发电机型号主要由下列五大部

分组成，即

第一部分为产品名称代号。

交流发电机产品名称代号为JF；整体式交流发电机产品名称代号为JFZ；

带泵交流发电机产品名称代号为JFB；无刷交流发电机产品名称代号为JFW。

J表示“交”，F表示“发”，

Z表示“整”，B表示“泵”，W表示“无”。

第二部分为分类代号，即电压等级代号，用1位阿拉伯数字表

示，见表5-1-1。

第三部分为分组代号，即功率等级代号，用1位阿拉伯数字表示，见表5-1-2。

第四部分为设计序号，按产品设计先后顺序，以1～2位阿拉伯数字表示。

第五部分为变型代号，以汉语拼音大写字母A、B、C……表示。

三、汽车交流发电机的基本工作原理

1．交流发电机的发电原理

图5-1-8所示是交流发电机的工作原理图。

发电机的三相定子绕组按一定规律分布在发电机的定子槽

中，互相差120°电角度。

交流发电机的磁路是由转子的N极出发，穿过转子与定子之间很小的气隙

进入定子铁心，最后又经过空气隙回到相邻的S极，并通过磁轭构成了磁回路。

转子磁极的形状，

可使定子绕组感应的交流电动势近似于正弦曲线的波形。

当转子旋转时，由于定子绕组与磁感线有相对的切割运动，所以在三相绕组中产生频率相同，幅值相等，相位互差120°电角度的正弦电动势eA、eB和eC。

三相绕组中电动势的瞬时值方程式为

　eA=Emsin（ωt）=2Eφsin（ωt）

　eB=Emsin（ωt-120°）=　2Eφsin（ωt-120°）

　eC=Emsin（ωt-240°）=　2Eφsin（ωt-240°）

交流发电机在星形联结时，任意两个输出端的输出电压（称线电压UL）、输出电流（称为线电流IL）与每相绕组的相电压UP、相电流IP，的关系为：

　　　　　　　UL=3UP

　　式中，UL——定子绕组输出的线电压

　　Up——每相绕组的相电压

　　　　　　　　　ＩL＝Ｉp

　　式中，IL——定子绕组输出的线电流

　　Ip——每相绕组的相电流

　　在交流发电机中，一般通过整流器将交流电整流为直流电，供给汽车电气系统使用。

2．交流发电机的励磁方式

励磁方式就是产生磁场的方式。

当转子通过电流时，转子就会产生磁场，转子产生的磁场的大小与流过的电流有关，流过转子的电流被称为励磁电流。

交流发电机开始发电时，需由蓄电池供给励磁电流，此时为他励。

当发电机达到蓄电池电压时，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。

　　由于交流发电机转子的爪极剩磁较弱，所以发电机在低速运转时，加在硅二极管上的正向电流也很小。

此时二极管上的正向电阻较大，较弱的剩磁产生的很小的电动势很难克服二极管的正向电阻，使发电机正向电压迅速建立起来。

这样，发电机低速充电的要求就不能满足。

因此，汽车上发电机必须与蓄电池并联，开始由蓄电池向励磁绕组供电，使发电机电压很快建立起来并转变为自励状态，蓄电池被充电的机会就多一些，有利于蓄电池的使用维护。

3．交流发电机的特性

　汽车用硅整流交流发电机的工作特点是传动比大，转速变化范围大。

对于一般汽油发动机来说，其转速变化为1:

8，柴油机为1:

5。

因此汽车用硅整流交流发电机的特性必须以转速的变化为基础进而分析各有关量的变化。

　　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。

　　交流发电机的输出特性，又叫负载特性或输出电流特性。

它是指发电机向负载供电时，保持发电机输出电压恒定（对12V的发电机规定为14V，对24V的发电机规定为28V），即μ=常数的情况下，发电机的输出电流与转速之间的关系，即，I=f（n）的函数关系。

（1）输出特性

（2）空载特性

　发电机空载时，发电机端电压与转速的关系，称为空载特性。

即I=0时，U=f（n）的函数关系，如图5-1-11所示。

　　从曲线可以看出，随着转速的升高，端电压上升较快，由他励转入自励时，即能向蓄电池进行补充充电，进一步证实了低速充电性能好的优点。

空载特性是判断硅整流发电机性能是否良好的重要依据。

（3）外特性

外特性是指转速一定时，发电机的端电压与输出电流的关系。

即n=常数时，U=f（I）的曲线，如图5-1-12所示。

　图5-1-9所示的实验电路可用来测量交流发电机的输出特性。

当开关S1、S2闭合时，电动机拖动发

电机运转，随着转速的升高，发电机达到充电电压。

这时，断开他励电源开关S2，发电机开始自励。

调节电动机转速，使发电机电压达到额定值，并记录该转速n1，n1即为空载转速。

闭合开关S3，接

通负载电路。

逐渐调小负载R，使电流增大，直到达到最大值。

同时不断提高转速，保持发电机的额

定电压不变。

以适当的电流间隔作测点，记录对应的转速，一般不小于7点。

据此绘制出交流发电机

的输出特性曲线，如图5-1-10所示。

课后记：

第二节　直流发电机

一、直流电动机的基本工作原理

直流电动机是将电能转换为机械能的设备，是以通电导体在磁场中受电场力作用的原理而制成的。

其工作原理如图5-2-1所示。

二、直流电动机转矩自动调节过程

当电动机接入直流电源时，载流导体产生电磁转矩使电枢旋转。

而电枢旋转时，线圈又会切割磁感线产生感应电动势，其方向可用右手定则来判断。

因其电动势的方向恰与电枢线圈电流方向相反，故称反电动势ER。

其大小与电机结构常数Cm，电枢转速n及磁极磁通Ф成正比，即

　　　　　　　　　　　　ER=Cm·Ф·n

　　因为反电动势方向与电源电压方向相反，因而在电动机工作时，其电压平衡方程式是

　　　　　　　　　　　　U=ER+Ia·Ra

　　式中，U为电源电压，Ra是电枢电路的电阻，由此可得电枢电流为

　　　　　　　　　　　　Ia=（U－ER）/Ra

三、汽车起动机用直流电动机的基本构造

汽车起动机用直流电动机由磁极、电枢、换向器等组成，如图5-2-2所示，电枢绕组与励磁绕组串联的直流电动机又称为串励式直流电动机。

1．机壳

2．励磁绕组

3．电枢

4．换向器及电刷

起动机机壳的一端有4个检查窗口，中部只有一个电流输入接线柱，并在内部与励磁绕组的一端相连。

端盖分前、后两个，前端盖由钢板压制而成，后端盖由灰铸铁浇制而成，呈缺口杯状。

它们的中心均压装着青铜石墨轴承套或铁基含油轴承套，外围有2个或4个组装螺孔。

电刷装在前端盖内，后端盖上有拨叉座，盖口有凸缘和安装螺孔，还有拧紧中间轴承板的螺钉孔。

励磁绕组是由绕在极靴上的线圈构成的电磁铁（图5-2-3）。

励磁绕组固定到起动机外壳里面（图5-2-4）

用铸钢制造的极靴和起动机外壳连接在一起，可增加励磁绕组的磁场强度（图5-2-5）。

当电流流过励磁绕组时，便建立强大的、静止的电磁场，磁场根据绕组围绕在极靴的方向，分为S极和N极。

励磁绕组的极性对调，便产生相反的磁场。

　　励磁绕组与电枢绕组的接法有两种：

串联和既有串联也有并联的复式接法（如图5-2-6所示），复式接法可以在绕组铜条截面尺寸相同的情况下增大起动电流，从而增大转矩。

　　大多数起动机采用4个励磁绕组。

功率大于7.35kW的起动机有采用6个励磁绕组的。

换向器由许多换向片组成，换向片的内侧制成燕尾形，嵌装在轴套上，其外圆车成圆形。

换向片与换向片之间均用云母绝缘。

电刷架一般为框式结构，其中正极刷架与端盖绝缘安装，负极刷架直接搭铁。

刷架上装有弹性较好的盘形弹簧。

电刷由铜粉与石墨粉压制而成，呈棕红色，装在端盖上的电刷架中，通过电刷弹簧保持与换向片之间具有适当的压力。

电刷与刷架的组合如图5-2-8所示。

四、汽车电器中几种典型直流电动机

直流电动机除了转子、定子双线圈结构外，还有由永磁铁构成定子的永磁直流电动机，简称为永磁电动机。

如图5-2-9所示为刮水器永磁电动机的结构示意简图。

永磁电动机在汽车上得到了广泛的应用。

1．刮水电动机

刮水器可以清除挡风玻璃上的雨水、雪或灰尘。

目前汽车上广泛采用电动刮水器，电动刮水器的主要动力部件就是刮水电动机，刮水电动机大多是永磁式电动机。

图5-2-10所示为美国福特公司采用的永磁式刮水电动机。

刮水电动机为了满足刮水器的要求，要实现高、低速挡位工作，采用三刷式电动机。

其工作原理如图5-2-11所示。

直流电动机工作时，在电枢内的所有线圈中同时产生反向电动势，每个小线圈都产生相等的反向电动势ER=cnФ，电动势的方向如图中所示。

　　当开关S拨到低速挡L时，在两个电刷B1、B3之间有两条并联支路，各有3个线圈，电动势方向如图中所示，根据电动机的电压平衡式

　　　　　　　　　　　　U=ISR∑+ER=ISR∑=3cnФ

　　　　　　　　　　　　n=（U-ISR∑）/3cФ

　　当开关S拨到高速挡H时，在两个电刷B2、B3之间也有两条并联支路，一个支路有2个线圈串联，另一支路有4个线圈串联，但其中一个线圈的电动势与另外3个线圈的电动势方向相反，故在电动机电枢绕组上的得到总的反向电动势为2cnΦ，根据电动机的电压平衡式

　　　　　　　　　　　　U=ISR∑+ER=ISR∑+2cnФ

　　　　　　　　　　　　n=（U-ISR∑）/2cФ

　　由上式可知，由于反向电动势的减小，使电枢的转速上升，重新达到电压平衡。

这样永磁刮水电动机就得到了高、低不同的转速，使得刮水器具有高、低两种工作挡位。

2．汽车空调用鼓风电动机

鼓风电动机用于促使车内冷气、暖气、除霜和通风的气流流动。

采用的电动机通常为永磁式单速电动机，大多数均安装在暖风机总成内，如图5-2-12所示。

鼓风机开关位于仪表板上，开关通过控制调速电阻来控制电动机转速，其电路如图5-2-13所示。

　　鼓风电动机的工作原理：

当鼓风电动机开关置于低速（Low）、中速1（Medl）、中速2（Med2）或高速挡（High）时，电路中所串联的电阻值越来越小。

电阻值的变化，改变了鼓风电动机的工作电压。

由于鼓风电动机是单速电动机，工作电压越高，转速越高。

所以随着串联的电阻越小，鼓风电动机的工作电压越高，转速越高。

2．电动车窗电动机

现在轿车的车窗基本上都采用了电动车窗。

电动车窗升降系统的电动机，广泛采用的是永磁电动机。

永磁电动机是通过改变电枢电流的方向来改变电动机的旋转方向使车窗玻璃上升或下降，电动机本身不搭铁，而是通过控制开关搭铁。

图5-2-14所示为美国福特公司采用的永磁式电动机的电动升降门窗电路图。

当主控开关中的左后门窗开关拨到Down时，电流方向为：

蓄电池正极→点火开关→电路断电器→主控开关中左后门窗Down触点→左后门窗分控开关Down触点→电动机→左后门窗分控开关Up触点→主控开关中左后门窗Up触点→搭铁。

电动机旋转，带动左后门窗玻璃下降。

　　上述过程中，流过电动机电枢的电流方向相反，所以电动机旋转方向相反，带动玻璃上升或下降。

　　与此类似的双向永磁电动机也被利用到电动后视镜、电动座椅、电动天窗等系统的触动电路中，在开关控制下，带动部件实现两个方向的运动。

　　●操作：

分析图5-2-14所示电动升降门窗电路用左后门窗开关控制左后门窗玻璃升降的工作原理。

　　现以左后门窗为例说明其工作原理。

3．　　当主控开关中的左后门窗开关拨到Up时，电流方向为：

蓄电池正极→点火开关→电路断电器→主控开关中左后门窗Up触点→左后门窗分控开关Up触点→电动机→左后门窗分控开关Down触点→主控开关中左后门窗Down触点→搭铁。

电动机旋转，带动左后门窗玻璃上升。

4．电动门锁电动机

中央控制门锁系统具有钥匙联动锁门和开门功能，通过右前或左前门上的钥匙可以同时关闭或打开所有车锁。

电动车锁一般采用永磁电动机（图5-2-15），由门锁开关控制组合继电器，通过组合继电器改变电动机的电流方向，使电动机的连接杆上下运动，控制锁块的关闭或打开。

图5-2-16为美国福特公司采用的继电器控制门锁的电路。

以锁车为例，说明其工作过程：

当门锁主开关转到锁止位置时，触点l闭合，门锁继电器中的锁止线圈有电流通过，触点5闭合。

这时，全车门锁电动机的电流方向为：

蓄电池正极→门锁继电器触点5→全车门锁电动机→门锁继电器触点7→搭铁，电动机旋转拉动连接杆，将车门锁上。

　　●操作：

分析图5-2-16所示继电器控制门锁的电路和开锁的工作原理。

课后记：

第三节　课题实验

实验一　汽车交流发电机的测量与拆解

一、实验目的

1．掌握对汽车交流发电机进行测量的方法。

2．学习拆解及装配发电机的基本方法。

二、实验器材

汽车交流发电机，万用表，维修工具。

三、操作步骤及工作要点

1．发电机拆解前的检测

使用万用表对发电机外接线柱进行测量，可以初步判定发电机的状态。

对于普通发电机拆解前的测量，建议使用指针式万用表，其测量结果依使用万用表型号不同，略有差异。

常用发电机各接线柱间电阻值见表5-3-1所示。

将测量发电机结果填入表5-3-2中，并据此判断发电机状态。

2．发电机拆解作业

发电机的拆解按照以下操作步骤进行（以大众汽车发电机为例）：

●大众发电机的拆解

●发电机的装配

1．用扭力扳手拧出发电机皮带轮的紧固螺母，取出螺母垫圈，如图5-3-1所示。

2．用拉器拉出发电机皮带轮，如图5-3-2所示。

　　3．拧下发电机后端盖的整流器罩盖螺栓，如图5-3-3所示。

　　4．取下后端盖，如图5-3-4所示。

　　5．拧下各颗发电机电前后端后端壳体紧固螺栓，如图5-3-5所示。

　　6．用橡胶锤敲击转子转轴，如图5-3-6所示。

　　7．取出前端盖，如图5-3-7所示。

　　8．取出止推垫圈，如图5-3-8所示。

　　9．取出风扇叶轮，如图5-3-9所示。

　　10．取出转子绕组总成，如图5-3-10所示。

11．定子绕组总成，如图5-3-11所示。

装配前，用细砂纸对发电机转子滑环接触面进行打磨，并将轴承外圈及座上涂上适量润滑油，如图5-3-12所示。

2．将转子装入定子轴承座上，并用橡胶锤敲击到位，然后将碳刷压下并装入，注意碳刷与滑环的工作面对位，如图5-3-13所示。

　　3．拧紧调节器紧固螺钉，然后装上后端盖，并拧紧螺钉，如图5-3-14所示。

4．装上风扇叶轮与止推垫圈，如图5-3-15所示。

实验二　起动用直流电动机的测量与拆解

一、实验目的

1、掌握起动机的拆装顺序。

2、了解起动机用直流电动机各零件名称和作用。

3、掌握对起动机用直流电动机进行简单测量的方法。

二、实验器材

汽车用起动机，万用表，维修工具。

三、操作步骤及工作要点

1．起动机拆解

（1）拆下连接片与电磁开关，取下电磁铁心。

（2）拆下防尘箍，用钢丝钩子提起电刷弹簧取出电刷（共4只）。

　　（3）拆下起动机贯穿螺栓，使后端盖、起动机外壳、电枢分离。

　　（4）取下拨叉支承销，取下驱动端盖、拨叉与转子总成。

　　（5）用专用工具拆下止推座圈，取下驱动齿轮、单向离合器。

2．直流电动机的检测

（1）励磁绕组（定子）的检查

（2）电枢绕组（转子）的检查

（3）电枢轴的检查

（4）电刷的检查

　　励磁绕组断路的检查：

首先通过外部验视，看其是否有烧焦或断路处，若外部验视未发现问题，可用万用表电阻R×1挡检测，两表笔分别接触起动机外壳引线（即电流输入接线柱）与励磁绕组绝缘电刷接头看是否导通，如果测得的电阻为无穷大，说明励磁绕组断路，应予以检修或更换，如图5-3-19（a）所示。

　　励磁绕组搭铁的检查：

用万用表电阻R×l0k挡（或数字万用表高阻挡）检测磁场绕组电刷接头与起动机外壳是否相通，如果相通，说明励磁绕组绝缘不良而搭铁；如果阻值较小，说明有绝缘不良处，应检修或更换励磁绕组，如图5-3-19（b）所示。

　　电枢绕组的检查，可在汽车电器实验台上的电枢检验仪上进行。

1搭铁检验：

用附件F6一根，一端插入插座33，一端接电枢轴，另一根附件F6一端插入插座34，一端接至整流子铜片，如有搭铁，指示灯25即亮，可标出搭铁的整流子铜片。

2短路检验：

如图5-3-21，将待试的电枢放在电枢感应仪3上，接通开关60，灯19亮，感应仪配备一钢片，将该钢片放置于电枢铁心线槽上，如该钢片振动发声，则表明绕组有短路故障。

不断慢慢转动电枢一圈，将钢片依次逐个放置于各线槽上，对每一故障处做出标记。

由于起动机电枢绕组采用波绕法，所以当钢片在四个铁心槽出现振动时，说明相邻换向器铜片间短路；当钢片在所有槽上振动时，说明同一个槽中上、下两层导线短路。

　　③断路检验：

如图5-3-22，将待试的电枢放在感应仪上，接通开关60，灯19亮，将感应仪所附试棒两触针放在相邻两整流子片上，若电流表18针不动，移动触针至电流表指出某一电流数值，固定此触针位置，然后转动电枢，使其余两邻片也达到此位置，用触针测其电流，如电枢没有损坏，相邻两整流子片在电流表18上的读数均应不变，若电流表18无读数则表明该绕组断路。

④使用万用表对电枢绕组搭铁的检查：

用电阻R×10k挡检测，如图5-2-23所示，用一根表笔接触电枢，另一根表笔依次接触换向器铜片，万用表指针不应摆动即电阻为无穷大，否则说明电枢绕组与电枢轴之间绝缘不良，有搭铁之处。

　　⑥使用万用

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