脉流牵引电动机的换向及脉流牵引电动机的出厂试验_毕业设计.doc

湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书 毕业设计说明书课题名称：脉流牵引电动机的换向及脉流牵 引电动机的出厂试验专 业 系 铁道牵引与动力学院班 级 神华铁路订单班 毕业设计任务书一、课题名称脉流牵引电动机的換向及脉流牵引电动机的出厂试验（主要针对使用ss型电力机车的学习者）二、指导老师赵承荻三、设计内容与要求1课题概述牵引电动机被称为电力机车的心臓，牵引电动机的运行性能及运行状态直接关系到整台机车的运行性能。由于牵引电动机工作的特殊性（如因安放在机车车体下部两个机车动轮之间，因而使毎台牵引电动机的体积尺寸受到严格的限制，散热条件极差，工作环境恶劣，加上机车上各台牵引电动机共同运行时，各台牵引电动机负荷分配的不均匀，机车运行时负载变化大等诸多因素），使牵引电动机成为机车上最为薄弱的环节，在机车运行中牵引电动机的故障出现率总体较高，在机车检修工作中，对牵引电动机的检修是一项十分重要的项目。本课题重点研究脉流牵引电动机的工作原理、基本结构、脉流牵引电动机的换向理论及改善换向的措施。同时学习与研究脉流牵引电动机检修后的出厂试验项目、内容、试验设备、线路、试验方法及试验结果的分析判断。2、设计内容与要求1）毕业设计论文部分（1）脉流牵引电动机的工作条件（2）脉流牵引电动机的基本工作原理（3）ss4型机车用zd105型脉流牵引电动机的基本结构（4）脉流牵引电动机的换向特点及改善换向的措施（5）脉流牵引电动机的维护保养与检修2）毕业设计部分（1）脉流牵引电动机的试验项目（2）脉流牵引电动机的试验内容（3）脉流牵引电动机的试验设备、试验线路及试验方法（4）脉流牵引电动机的试验结果分析与判断四、设计参考书1韶山4型电力机车 张有松 朱龙驹主编 中国铁道出版社2电力机车电机 周立主编 中国铁道出版社3电力机车电机 张龙主编 中国铁道出版社4电力机车检修 莫坚主编 中国铁道出版社5韶山4改型电力机车乘务员 杨兆昆主编 中国铁道出版社6韶山8型电力机车 赵叔东主编 中国铁道出版社7实用电工手册 赵承荻 李乃夫主编 高等教育出版社8电工实用手册 刘光源主编 中国电力出版社9电气技師手册 张友汉 赵承荻主编 福建科学技术出版社五、设计说明书要求 1封面 2目录 3内容摘要（200400字左右，中英文） 4引言5正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）6结束语7附录（参考文献、图纸、材料清单等）六、毕业设计进程安排第1周（本阶段末）： 毕业设计开题 老師讲解。第2-5周（暑假）：学生收集资料、上网查询、整体构思。第6-8周（下阶段1-3教学周）： 老師讲解辅导，学生在老師讲解辅导的基础上通过参阅相关资料、上网查询初步完成脉流牵引电动机的工作原理、基本结构、脉流牵引电动机的换向理论及改善换向的措施等内容毕业设计论文工作。第911周（下阶段46教学周）： 老師讲解辅导，学生在老師讲解辅导的基础上通过参阅相关资料、上网查询初步完成脉流牵引电动机检修后的出厂试验项目、内容、试验设备、线路、试验方法及试验结果的分析判断等内容毕业设计工作。第12周（下阶段7教学周）：答辩准备。第13-14周（下阶段8-9教学周）：答辩七、毕业设计答辩与论文要求1毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。学生答辩对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题、质询与课题密切相关的基础理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法、鉴别学生独立工作能力、创新能力。2毕业设计论文要求文字要求：说明书要求打印（除图纸外），不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图。程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 摘 要 abstract 目录 引言 第一章 直流电动机的基本知识1.1 直流电动机的工作原理1.1.1 直流电动机的工作原理 直流电动机是依据载流导体在磁场中受力而旋转的原理制造的。通常将磁场固定不动（该磁场可以由永久磁铁产生，也可由带铁心的通电线圈产生），而导体做成可以在磁场内绕中心轴旋转，如图4-1中的线圈abcd（称为电枢绕组）所示。为了能把直流电源引入到旋转的线圈中去，采用了电刷与换向器的结构，即线圈的ab边和cd边分别与两个互相绝缘的半圆形铜环相连，而电刷和用弹簧压在铜环上。电刷、固定不动，并分别与外电源的正极和负极相接。对应于图4-1（a），导体cd通过铜环与电刷（）接触，而导体ab则通过铜环与电刷（）接触。导体中的电流方向如图中的箭头所示，根据左手定则，可以判断出导体将受力的作用，而使整个线圈abcd绕轴以逆时针方向旋转。当到达图4-1（b）位置时，电刷与两个换向片之间的绝缘垫片相接。在这个中性线位置上，线圈中没有电流流过，也没有力的作用，但是前1/4转动周期的惯性使线圈继续转动，越过中性线位置。当到达图4-1（c）位置时，导体ab处于s极下，而导体cd处于n极下（正好与4-1（a）相反），与导体ab相接的铜环与电刷（）接触，与导体cd相连的铜环与电刷（）接触。对照4-1（a）及4-1（c）可以看出，位于相同磁极下的导体虽然发生了变化，但由于电刷及铜环（通称换向器）的作用使磁极下导体中的电流方向保持不变，即作用力的方向不变，因此线圈将继续沿逆时针方向旋转，故电动机能连续运转。由此可以归纳出直流电动机的工作原理：直流电动机在外加直流电源的作用下，在可绕轴转动的导体中形成电流，载流导体在磁场中将受到电磁力的作用而旋转，借助于电刷和换向器的作用，使电动机能连续运转，从而将直流电能转换为机械能。由上分析可见，当线圈在水平位置时，转动力最大；在垂直位置时，转动力最小。单线圈电枢在一个周期内的转矩曲线如图4-2所示，单线圈电枢的电动机实用价值很小，双线圈电枢的转矩曲线如图4-3所示，虽然该转矩仍是脉动的，但在最大值与最小值之间的波动已明显削弱。直流电动机典型的电枢结构可参看图4-5所示，它有许多个线圈及换向片组成。 4-1 4-2 4-3 1.1.2 直流电机工作的可逆性 根据物理学中的电磁感应原理，若用外力使图4-1中的导体abcd绕轴oo旋转，则导 体 abcd将切割磁感线而产生感应电动势，可通过电刷a、b向外电路提供直流电能，这就是直 流发电机的工作原理。由以上分析可见，直流电机的运行是可逆的，即一台直流电机既可作直流发电机运行，又可作直流电动机运行。当输入机械转矩，使电机旋转而产生感应电动势时，即是将机械能转变为直流电能输出，作直流发电机运行。反之，当输入直流电能，产生电磁转矩而使电机旋转时，则是将电能转变为机械能输出，此时即作直流电动机运行。1.2 直流电动机的结构图4-4分别为z2及z4系列直流电动机外形图，其中z4系列直流电动机上部为给电动机进行冷却用的骑式鼓风机。就直流电动机而言，它也是由定子和转子两大部分组成。直流电机各主要部件的结构与作用如下：1.2.1 定子电动机中静止不动的部分称为定子。包括有机座、前端盖、后端盖、主磁极、换向磁极和电刷装置等部分，如图4-5所示。 4-41、 机座 机座是作为电动机的磁路，另外用来安装主磁极、换向磁极和前、后端盖等部件。机座一般为铸钢件，小功率的直流电动机机座也可用无缝钢管加工而成。2. 主磁极 其作用是产生主磁场。永磁电动机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成。励磁电动机的主磁极则由主磁极铁心和主磁极绕组两部分组成。（1） 主磁极铁心 作为电动机磁路的一部分。由于电枢在旋转时，电枢铁心上的槽与齿相对于主磁极铁心在不断地变化，即磁路的磁阻在不断变化，从而在主磁极铁心中将引起涡流损耗，为减小此损耗，主磁极铁心一般用11.5mm薄钢板冲制成型后，再用铆钉铆紧成一个整体，最后用螺钉固定在机座上（参看图3-6）。（2） 主磁极绕组 用来通入直流电流，产生励磁磁动势。小型电动机用绝缘铜线绕制而成；大、中型电动机则用扁铜线制造。绕组在专用设备上绕好后，经绝缘处理，安装于主磁极铁心上。4-53 换向极 用来产生换向磁场以改善直流电动机的换向。换向是一个相当复杂的过程，在换向时，将在电刷与换向器的接触面上产生火花，不利于电动机的运行，因此在功率稍大的直流电动机上都装有换向极来减小火花，改善电动机的换向。换向极也由换向极铁心和换向极绕组所组成，且换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组套在换向极铁外面，再用螺钉固定在极座上，换向极与主磁极一个隔一个间隔排列均布在机座内部。4 前、后端盖 用来安装轴承和支承整个转子重量，一般为铸钢件。前后端盖利用螺钉固定在机座两侧。5 电刷装置 通过电刷与换向器表面之间的滑动接触，把电枢绕组中的电流引入或引出。 电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成，如图4-5所示。对电刷的要求是既要有良好的导电性能，又要有好的耐磨性，因此电刷一般用石墨粉压制而成。 1.2.2 转子转子通称为电枢，是电动机的旋转部分。由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部分组成。1电枢铁心 作为磁通通路的一部分，并在铁心槽内嵌放电枢绕组。由于电枢铁心不断地在n极和s极下旋转，使通过电枢铁心中的磁通大小及方向都在不断地变化，因此将产生磁滞及涡流损耗，为了减小磁滞及涡流损耗，电枢铁心一般均用0.350.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片叠压而成，在硅钢片的外圆冲有均匀分布的铁心槽，用以嵌放电枢绕组。如图4-6(a)所示。4-62电枢绕组 用来产生感应电动势和通过电流，实现机电能量的相互转换。电枢绕组通常都用圆形（用于小容量电动机）或矩形（用于大、中容量电动机）截面的导线绕制而成，再按一定的规律嵌放在电枢铁心槽内，如图4-6(b)所示，绕组端头则按一定规则嵌放在换向器铜片的升高片槽内，并焊牢，成为一个完整的电枢，如图4-5所示。3换向器换向器是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电动机旋转。 换向器是由换向铜片和云母片一片隔一片排成圆形组合装配而成，是直流电动机的关键部件，也是最薄弱的部分。1.2.3、铭牌与额定值与三相异步电动机一样，每台直流电动机的机座上都有一块铭牌，铭牌上标明的数据称为额定值，是正确使用直流电动机的依据。其主要参数有： 1额定功率pn 表示电机按规定方式额定工作时所能输出的功率。对电动机而言是指其轴上输出的机械功率（w或kw）。 2额定电压un 指在正常工作时电机出线端的电压值。对电动机而言是指加在电动机上的电源电压（v）。 3额定电流in 对应额定电压、额定功率时的电流值。对电动机而言是指轴上在额定负载时的输入电流（a）。 4额定转速nn 指电压、电流和输出功率为额定值时的转速（r/min）。5励磁方式 励磁方式是指直流电动机主磁场产生的方式。直流电动机主磁场的获得通常有两类。一类是由永久磁铁产生；另一类是利用给主磁极绕组通入直流电产生，根据主磁极绕组与电枢绕组连接方式的不同，可分为它励、并励、串励、复励电动机。分别简介如下：（1）永磁电动机 开始永磁电动机仅在功率很小的电动机上采用，20世纪80年代起由于钕铁硼永磁材料的发现，使目前永磁电动机的功率已从毫瓦级发展到100kw以上。目前制作永磁电动机的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体及稀土（如钕铁硼）等三类。用永磁材料制作的直流电动机又分有刷（有电刷）和无刷两类。永磁电动机由于其具有体积小、结构简单、重量轻；损耗低、效率高、节约能源；温升低、可靠性高、使用寿命长；适应性强等突出优点而使用越来越广泛。它在军事上的应用占绝对优势，几乎取代了绝大部分电磁电动机；其他方面的应用如汽车用永磁电动机、电动自行车用永磁电动机、直流变频空调用永磁电动机等。 （2）他励电动机 它的特点是励磁绕组（主磁极绕组）由单独的直流电源供电，如图4-7(a)。 （3）并励电动机 励磁绕组与电枢绕组并联，因此加在这两个绕组上的电压相等，而流过电枢绕组的电流a和流过励磁绕组的电流f则不同，总电流=a+f，如图4-7（b）所示。 （4）串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联，因此流过两个绕组中的电流相等，如图4-7（c）。（5）复励电动机 励磁绕组有两组，一组与电枢绕组串联，另一组与电枢绕组并联，如图4-7 (d)。若复励电动机的两组励磁绕组产生的磁通方向一致时，则称为积复励电动机，若产生的磁通方向相反时，则称为差复励电动机。关于绝缘等级、定额的含义可参看三相异步电动机铭牌中的说明。 4-71.3 直流电机的电动势、转矩和功率1.3.1直流电机的电动势 直流电机电枢在旋转时，电枢上的每个绕组元件都要切割主磁场，从而产生感应电动势。 通过数学推导可得电枢回路的感应电动势为 (4-1)式中， ce为直流电机电动势常数，对于已制成的电机有确定值； 为气隙中每极磁通（wb）； 为极距；n 为电机转速（r/min）。 当直流电机作发电机运行时，产生感应电动势向外电路供电，此时电流方向与感应电动势方向一致。其电压平衡方程为 (4-2)式中， ea 为 发电机感应电势（v）；u 为 发电机端电压（v）；ia 为 电枢电流（a）；ra 为 电枢绕组电阻（）。直流电机作为电动机运行时，电源供给直流电流，导体ab、cd中的电流方向如图4-8小圆圈内的符号所示。载流导体在磁场内受力的作用而形成电磁转矩，使电动机旋转，并拖动机械负载。电动机转动后，导体ab、cd又切割磁场而产生感应电动势，方向（用右手定则）如图4-8小圆圈外的符号所示。可见感应电动势的方向与外加电源电压（电流）的方向正好相反，因此称为反电动势，起到与外加电源电压平衡的作用。由图4-7（b）所示并励（或他励）电动机的电路图可得 （4-3）式中， u 为电枢电动势（v）；ea为电枢电动势（v）；ra 为电枢绕组电阻（）；ia为电枢支路电流（a）。1.3.2 直流电机的电磁转矩不论是直流发电机或直流电动机在负载状态下工作时，电枢绕组中都有电流通过，因此在磁场中都将受到电磁力的作用，电磁力在电枢上产生的转矩称为电磁转矩。 （4-4）式中 ，为每极磁通（wb）；ia为电枢总电流（a）；ct为电机转矩常数；t为电磁转矩（nm）。对电动机来说电磁转矩是拖动转矩，是由电源供给电动机的电能转换而来的，用来拖动负载运动。对发电机来讲电磁转矩则为制动转矩，原动机必须克服电磁转矩才能使电枢旋转而发出电能。其原因可用图4-9加以说明，当原动机拖动发电机以转速n顺时针旋转时，导体ab及cd切割磁场产生感应电动势和电流（在小圆圈中用及表示电流方向），同时载流导体在磁场中又将受到力的作用而形成电磁转矩，方向（用左手定则判定）与发电机的旋转方向正好相反，故电磁转矩是一个制动转矩，与原动机的拖动转矩相平衡。发电机输出的负载电流越大，电磁转矩也越大，于是原动机拖动发电机的机械转矩也必须增大，以克服电磁转矩，使发电机继续稳定运行。4-8 4-91.3.2直流电动机的功率对他励直流电动机而言，将式（4-3）两边各乘ia，并移项可得： 即 (4-5) 式中, p1为电动机输入电功率；p为电动机的电磁功率；pcu为电动机的铜损耗。对并励或串励电动机而言，铜损耗除电枢绕组电阻ra上的损耗外，还应包括电流在励磁绕组电阻上产生的损耗。 电磁功率在转换成电动机轴上的输出功率p2的过程中，有一小部分消耗于克服电动机的机械损耗和铁损耗（总称空载损耗），用p0表示。则则 p1p2p0pcup2p （4-6）式中 ，p2为电动机输出功率；p为电动机功率损耗。 直流电动机效率为 （4-7）1.4 直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性主要是指转速特性和转矩特性。所谓转速特性是指当加在直流电动机两端的电压不变时，电枢电流与转速之间的相互关系。而转矩特性则是指当加在直流电动机两端电压不变时，电枢电流与电磁转矩之间的相互关系。当直流电动机工作时，输出的是电动机的转速和转矩，因此电动机的转速随电磁转矩的变化关系是很重要的特性，这种特性称为机械特性。 当电动机的励磁方式不同时，主磁通随负载电流ia的变化而变动的情况不同，导致不同励磁方式的直流电动机特性有很大差别，下面分别加以讨论。1.4.1并励电动机（他励电动机）工作特性1 转矩特性tf（ia）当电源电压u不变，励磁电流if也不变时，电磁转矩t与电枢电流ia之间的相互关系即为转矩特性。由公式tcmia可知，由于磁通基本不变，因此t与ia近似为正比关系，如图4-10曲线tf（ia）所示。 2 转速特性nf（ia）当电源电压u不变，励磁电流if也不变时，转速n与电枢电流ia之间的相互关系即为转速特性。由式（4-1）及（4-3）可得 （4-8）由于电枢绕组电阻ra一般很小，因此压降raia很小，即并励电动机转速随电枢电流的增加稍有下降，如图4-10曲线nf（ia）所示。这种特性称硬特性。 3 机械特性nf（t）直流电动机转速n和电磁转矩（可近似看作输出转矩）t之间的关系即为机械特性。对并励电动机而言，电磁转矩t正比于ia，故只要将图4-10中nf（ia）曲线的横坐标由ia改为t，该曲线即代表机械特性曲线nf（t）。4-10 4-111.4.2 串励电动机的工作特性1 转矩特性tf（ia）当电源电压u不变时，电磁转矩t与电枢电流ia之间的关系即为转距特性。当电枢电流ia比较小时，磁通正比于电枢电流ia，故有 （4-9）即电磁转矩正比于电枢电流的平方；当电枢电流较大，电动机磁路饱和时，为常数，则电磁转矩与电枢电流成正比。其转矩特性曲线如图4-11曲线tf（ia）所示。 2 转速特性nf（ia）当电源电压u不变时，电动机转速n与电枢电流ia之间的关系即为转速特性。当电动机轻载时，则对应的电枢电流ia比较小，也比较小，由公式（4-8）可见，电动机转速n与电枢电流ia成反比，曲线为双曲线。当电动机空载时，空载电流ia很小，电动机转速将相当高，可能造成机损事故，因此串励电动机不允许空载运行。当电动机负载较重时，即ia较大时，由于磁路饱和，基本不变，串励电动机转速特性就与并励电动机相似，即略向下倾斜，如图4-11曲线nf（ia）所示。该曲线的特征是从空载到满载，电动机转速变化很大，这种特性称为软特性。3 机械特性nf（t） 电动机转速和转矩之间的关系即为机械特性。对串励电动机而言，当电枢电流ia很小时，也很小，此时电磁转矩t也很小，而对应的转速n由式（4-8）可知应为很大。当电枢电流ia较大时，也较大，此时电磁转矩t也较大，而转速n则小，由数学分析及实践运行证明，其形状也相似于双曲线，因此，如同并励电动机一样，将图4-11中的转速特性曲线nf（ia）的横坐标由ia改为t，就可以代表机械特性nf（t）。1.5 直流电动机的起动、调速、反转与制动1.5.1直流电动机的起动 直流电动机由静止状态达到正常运转的过程称为起动过程，直流电动机在起动过程中不但转速发生变化，而且转矩、电流等也在变化。对直流电动机起动的要求是应有足够大的起动转矩以缩短起动时间，提高生产率，同时电动机的起动电流又不能过大。 1 全压起动全压起动又称直接起动，即直流电动机在起动时，给电动机加额定电压u直接起动电动机，如图4-12所示，起动时先合上开关s1，建立主磁场，同时在电枢绕组上加额定电压，使电动机起动。在起动开始瞬间，虽然给电动机加上电源电压u，但由于转子的惯性，一开始转速n0，故反电动势eacen0，由式（3-3）可知，此时电枢电流ia为 （4-10）将此时的电流为称起动电流，用ist表示。由于电枢绕组的电阻ra一般很小，故起动电流很大，中、小型直流电动机约为额定电流的10倍左右，较大容量的电动机甚至可高达20倍。这样大的起动电流将带来以下不良影响：（1） 电动机的电刷与换向器之间产生强烈的火花而导致电刷与换向器表面的烧损；（2） 产生很大的转矩使传动机构和生产机械受到强烈的冲击而损坏；（3） 使电网电压波动，影响供电的稳定性。由于上述原因，除小容量的电动机以外，一般不允许全电压直接起动。通常采用的起动方法有两种，即降低电源电压起动和在电枢回路中串电阻起动。直接起动优点是所需设备简单，操作方便。缺点是起动电流大。 2 降低电源电压起动（降压起动） 可以采用晶闸管构成的可控整流电路作为直流电动机的可调电压电源。有关该电路的工作原理及调压过程将在电子技术课程中介绍。 在直流电动机起动瞬间，为其供给较低的直流电压，以后，随着电动机转速的升高，逐步增加直流电压的数值，直到电动机起动完毕正常运行时，加在电动机上的电压即是电动机的额定电压。用降低电源电压的方法起动并励电动机时必须注意：起动时并励电动机上必须加额定的励磁电压，使磁通保持额定值，否则电动机起动电流虽然比较大，但起动转矩却很小，电动机可能无法起动。 例4-1 有一台并励直流电动机，电枢绕组电阻ra0. 4，额定电压u110v，设磁通恒定不变，当nnn时，ea100v，求：（1）额定电流in；（2）直接起动时的起动电流ist；（3）要使电动机起动瞬时的电流i1限制在2倍额定电流之内，求起动时的电压u1。解 （1） a25a （2） a275a（3） v20v3 电枢回路中串电阻起动并励电动机及串励电动机的串电阻起动电路分别如图4-13及图4-14所示。通常可按把起动电流限制在（1.52.5）in的范围内来选择起动电阻的大小。在起动过程中，随着电动机转速n的升高，ea也随着升高，电枢电流就相应地减小，为了保持一定的加速转矩，应将起动电阻逐渐切除。图4-15为用于10kw以下的直流电动机起动用的起动变阻器外形图，起动时起动手轮置于图中所示的位置，开始起动时，全部起动电阻rst均串入电枢回路，起动电流被限制在允许的范围内，随着电动机转速的升高，将手轮逐步向右旋转，起动电阻被逐渐切除（电阻值逐步减小），电动机转速不断升高，直到手轮右旋到底，被失压线圈的磁力吸住，此时rst0，电动机起动完毕。电枢回路串电阻的起动方法所需设备较简单，但在起动过程中起动电阻上有能量损耗。而降低电源电压起动则所需设备较复杂，价格较贵，但在起动过程中基本上不损耗能量。对于小功率直流电动机一般用串电阻起动；容量稍大但不需经常起动的电动机也可用串电阻起动，而需经常起动的电动机，如起重、运输机械上的电动机则宜用降低电源电压的办法起动。4-13 4-14 4-151.5.2直流电动机的调速直流电动机的调速是指用人为的办法来调节电动机的转速。由公式 = 可以看出，直流电动机的转速调节有以下几种方法：（1） 改变电源电压；（2） 减小主磁通；（3） 改变电枢回路的电压降aia，通常在电枢回路中串入调速电阻av，则电枢回路中的电压降为（a+av）a。 1. 改变电源电压调速 目前广泛采用晶闸管整流装置作为一个输出电压可调的直流电源，给直流电动机供电。对于并励电动机而言，可调直流电源只能加在电枢回路中，励磁回路用另外一个电压恒定的直流电源供电。这种调速方法的主要特点是： （1） 调速范围宽广，可以从低速一直调到额定转速，速度变化平滑，通常称为无级调速。 （2） 调速过程中没有能量损耗，且调速的稳定性较好。 （3） 转速只能由额定转速往低调，不能超过额定转速（因端电压不能超过额定电压）。（4） 所需设备较复杂，成本较高。随着电子技术的飞速发展，这种调速方法已被越来越广泛地采用。在晶闸管变流技术采用以前，直流电动机的调压调速一般采用直流他励发电机直流电动机组来实现，通称fd系统，许多大型的龙门刨床、重型镗床、轧钢机中即采用此系统。它由三相异步电动机去拖动直流他励发电机，由发电机发出可调的直流电压，供电给直流电动机。由于fd系统所需电机数量多、效率低、噪声及干扰也较大，故已被逐步淘汰。 2. 减小主磁通调速图4-16当直流电动机的电源电压不变时，如使主磁通减小，则电动机的转速就相应地升高，故通称为削弱磁场调速。对并励电动机而言，可在励磁回路中串联磁场调节电阻pf，如图4-16（a）所示；对串励电动机而言，可在励磁回路两端并联磁场分路电阻pf 如图4-16（b）所示，以减小流过励磁回路中的电流，使降低，从而达到调速目的。这种调速方法的特点是：（1） 由于调速在励磁回路中进行，功率小，故能量损耗小，控制方便。（2） 转速只能从额定转速向上调，且调速范围一般来讲比较窄，只能作辅助调速之用。（3） 所需设备较简单。 3. 在电枢回路中串入调速电阻调速调速方法接线与图4-13及图4-14相同，但必须注意，调速变阻器可作起动变阻器用，而起动变阻器不能用于调速，因为起动变阻器是按短时工作设计的，如将它用于调速，则很容易损坏。该调速方法的特点是：（1） 所需设备较简单、成本较低，因此在小功率直流电动机中用得较多。在20世纪70年代前，由于晶闸管调压技术尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流电动机中也采用电枢回路串电阻调速，如城市电车、矿用电力机车、蓄电池运输车等。（2） 电动机转速只能调低，而且为有级调速。特性曲线较软，即负载变动时，电动机转速变化较大。（3） 在调速电阻上有较大的能量损耗，即经济性能较差。目前此种调速方法已基本被晶闸管可调直流电源调速代替。1.5.3 直流电动机的反转直流电动机的旋转方向取决于磁场方向和电枢绕组中的电流方向。只要改变磁场方向或电枢绕组中的电流方向，电动机的转向也随之改变。因此改变直流电动机转向的方法有两种：一种是改变主磁场的方向，即将励磁绕组与直流电源的接线对调，称励磁绕组反接法；另一种是改变电枢绕组中的电流方向，称电枢反接法。分别如图4-17所示。必须注意：如果同时改变主磁场的方向和电枢绕组中的电流方向，则电动机转向不变。4-171.5.4直流电动机的制动 在实际应用中有时需使机械迅速停转，有时需限制机械的转速（如起重机械下放重物、电车、电传动机车下坡等），以免发生危险，为此就需对电动机实施制动。所谓制动就是加上一个与电动机转向相反的转矩，用来使电动机迅速停转或限制电动机的转速。如果制动转矩是用机械制动闸的摩擦转矩来产生，则称为机械制动；如果是电动机本身产生的电磁转矩，则称电气制动。电气制动按其产生电磁制动转矩的方法不同又可分为再生制动、电阻制动和反接制动等几种。 1再生制动（又称回馈制动、发电制动）所谓再生制动是电机此时处于发电机状态下运行，将发出的电能反送回电网。 由式可看出，当电机作电动机状态运行时，则电源电压u大于反电动势ea，即u ea，故ia与u同方向。如电机在运行时由于某种原因使ea u（例如起重机下放重物，运输机械下坡等），则电枢电流ia方向就改变了，即ia与u方向相反，电机向电网输送电能，这时电机的电磁转矩tcmia，也因ia的反向而改变方向，即与电机转动方向相反，故起制动转矩的作用。 怎样才能使电机的反电动势ea大于电源电压u呢？由式eacen可知，如果电机的磁通不变，则只要使电机的转速n高于理想空载转速n0即可使ea u。因此当电传动机车、电车等下坡时，或起重设备下放重物时，只要当电机转速大于n0时，即作发电机状态运行，产生制动转矩以限制电机转速的继续上升，并同时向电网输送电能。对于串励电动机而言，由于磁通随ia的变化而变化，不能保持不变。为此串励电动机如要进行再生制动，必须先将串励电动机改为他励，由专门的低压直流电源给励磁绕组供电，以保证磁通有一定的数值（不随ia而变化）。 2电阻制动（又称能耗制动）将电机的电枢绕组从电源上切除（磁极绕组仍接在电源上），电机靠惯性将继续转动，此时电机已处于发电机状态运行，但并不是将电能反送回电网，而是消耗在专用电阻r（称制动电阻）的发热上。如图4-18所示，转动时只需将开关s合向下方，此时励磁电流仍由直流电源供电，产生恒定的磁通，电枢靠惯性继续旋转切割磁通而产生感应电动势ea给制动电阻r供电， 将电能消耗在电阻的发热上，而电枢电流ia则与电动机运行时的方向相反，故产生的电磁转矩为制动转矩，对电机实行制动。电阻制动与再生制动相比所需设备简单，成本低。但能量无法利用，白白的损耗在电阻的发热上。这种制动方法在运输、起重设备上应用较广。电阻制动的另一不足之处是不易对机械迅速制停，因为当电机转速越慢时，则ea越小，ia也越小，使制动转矩（电磁转矩）相应减小。 3反接制动反接制动利用改变加在电枢绕组上的电压方向（使ia反向）或改变励磁电流的方向（使反向），从而使电磁转矩t反向成为制动转矩。因此反接制动的原理实际上与反转原理是一样的，只是要注意以下两点：（1）电枢绕组反接时，一定要在电枢回路中串接电阻以限制电枢电流ia的数值，如图4-19所示，否则在反接的瞬间，反电动势ea数值未变，而外加电压方向相反，变为与ea同方向，故在该瞬间加在电枢绕组上的电压接近两倍的外加电压，如不串接电阻，将因电枢电流过大而使电刷与换向器表面产生强烈火花而损坏。 （2）当电动机转速降低至接近零时就应立即切断电源，否则电动机将反转。反接制动一般用于要求强烈制动或要求迅速反转的场合，通常只在小功率直流电动机上采用。 4-18 4-19 第2章 直流牵引电动机的换向 2.1 直流电机磁场 2.1.1主磁场 直流电机的空载是指电枢电流为零，只有励磁绕组中存在电流。因此，空载时电机的气隙磁场完全有励磁绕组的电流所产生。且可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。当励磁绕组通入励磁电流，各主磁极极性依次呈现为 极和 极，由于电机磁路结构对称，不论极数多少，每对极的磁路是相同的，因此只要分析一对极的磁路情况就可以了。图是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图（一对极的情形）。从图中看出，由 极出来的磁通，大部分经过气隙进入电枢齿部，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入 极，再经过定子磁轭回到原来出发的 极，成为闭合回路。这部分磁通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电枢旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者产生电磁转矩，把这部分磁通称为主磁通，用0表示。此外还有一小部分磁通不进入电枢而直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路，这部分磁通仅与励磁绕组相匝链，称为漏磁通，用 表示。由于主磁通磁路的气隙较小，磁导较大，漏磁通磁路的气隙较大，磁导较小，而作用在这两条磁路的磁通势是相同的，所以漏磁通在数量上比主磁通要小得多，大约是主磁通的15-20%左右。图1.16 直流电机空载时的磁场分布示意图1 极靴；2极身；3元子磁轭；4励磁绕组；5气隙；6电枢齿；7电枢磁轭由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所以主磁通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小；接近极尖处的磁回路中气隙较大。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通势均为励磁磁通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。不考虑齿槽影响时，直流电机空载磁场的磁密分布如图1.17所示。图1.17 直流电机空载磁场的磁密分布在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙里要有一定数量的主磁通0，也就是需要有一定的励磁磁通势 ，或者当励磁绕组匝数一定时，需要有一定的励磁电流 。把空载时主磁通0与空载励磁磁通势 或空载励磁电流 的关系，即0= 或0= ，称为直流电机的磁化曲线，它表明了电机磁路的特性。图1.18 电机的磁化曲线2.2.2电枢磁场 直流电机带有负载时.电枢绕组中有电流通过电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场 电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电流的分布情况有关。在直流电机中，电枢电流的分界线是电刷，在电刷轴线两侧对称分布，所以电枢磁场的分布情况与电刷的位t有关。 电刷的正常位里，应在主极轴线下的换向片上，这时与电刷相连接的电枢线圈单元位于几何中心线上或附近。在分析电枢磁场的示意图上常常省去换向器，把电剧画成与线圈的导体育接相诈所以在正常情况下.电剧百坟画在儿何中心线 下面就电刷在几何中心线上和偏离几何中心线两种倩况进行分析。 1.电刷在几何中心线上此时，电枢电流以电刷为分界线，相邻两电刷间的电枢圆周上的导体电流方向都相同，而每一电刷的两侧的导体电流方向相反。因此，只要电刷不动，不论电枢是静止或者旋转，电枢表面电流分布的情况总是不变的，所以电枢电流产生的电枢磁场在空间总是静止的。图128所示为两极电机的电枢电流的方向和电枢磁场分布情况。两极电机的电枢电流和磁场电枢磁场磁通的方向与导体电流方向间符合右手螺旋定则，这时电枢可以看成是一个电磁铁，白的n极和s极位于电刷轴线上.因此电枢磁场的轴线为电刷轴线。与主极磁场的轴线在空间垂直，称为文轴电枢磁场。主极陇场轴线称为d轴，电枢磁场轴线称为q轴。电枢磁势在空间的分布情况.可应用全电流定律进行分析。将图1-38展开成图1-39,图(a)表示电枢电流和磁通的分布，由图可见电枢支路的中点对应在主极的轴线上，电枢磁通环绕支路中点向两边对称分布。以支路中点为基准，任取一磁通管，通过磁通管所形成的回路的磁势fa等于此回路中所包含的全电流。因此，对应主极中心点，回路磁势为零;而通过电刷轴线的回路磁势最大。假定电枢表面导体均匀而又连续分布，则电枢磁势的分布曲线为一三角形，如图1-39(h)所示。三角形分布的电枢磁势将产生怎样的磁密分布呢?从图1-39(e)可以看到，每一电枢磁通都经过电枢铁心、气隙和主极铁心形成闭合回路，由于铁磁物质的磁阻相对空气磁阻数值很小，可以认为，上述闭合磁路中的盛势全部降在两个气晾上。因此，电枢磁势产生盛场的磁通密度为_t.,.,a a轴图t-3a两祖电机的电格扭场阳les39电棍扭势和盆密分布刀一，。fo0s(1-22 式中s为有效气隙长度 在磁极下面，气隙的长度基本不变，可以认为b.随fe的增加而增加;但在极间区域，由于空气隙变得很大，虽然凡继续增加，但磁密b。反而减少所以b。的分布曲线为马鞍形.如1-39(b)所示 综上所述，当电刷在几何中心线上时，电枢磁场有如下特点: (1)在空间静止不动; (2)电枢磁场轴线与主极磁场轴线垂直，为交轴电枢磁场; (3)电枢磁场磁密b。在空间的分布为马鞍形 2.2.3 电枢反应 电机在负载运行时，电枢电流产生电枢磁场，电棍磁场的出现必然会对空载时的主极磁场产生影响，称为电枢反应。交轴电枢磁势对主极磁场的影响称为交轴电枢反应;直轴电枢磁势对主极磁场的影响称为直轴电枢反应1交轴电枢反应在一般情况下，电刷总是位于几何中心线上，电枢磁势全部为交轴电枢磁势，只有交轴电枢反应，因而这种电枢反应是常见的，此时电机中的磁场由两种磁势共同建立，即主极磁势建立的磁场和电枢磁势建立的磁场亚加而成。 图1-41(b)中b.表示空载时由主极磁势单独建立的主磁场沿电枢表面的分布曲线(梯形)。图1-41(c)中ba表示由交轴电枢磁势单独建立的电枢磁场沿电枢表面分布曲线(马鞍形)。当电机磁路不饱和时，磁路的磁阻为常值，可把b。和b。相加得负载后合成破场沿电枢表面的分布曲线ba如图1-41(c)中实线。实际上电机的进路往往是饱和的，由于合成的磁通在增加的那一半极面中饱和程度增加，使该部分的磁阻增大，磁密减少，如图1-41(c)中虚线所示 交轴电枢磁场使电机气隙磁密分布情况发生了变化交轴电枢反应的影响是: (1)气隙磁场发生畸变。每个主极下的磁场，一半被削弱，另一半被加强，便气隙的徽密分布曲线由平顶形变成尖顶形。 (2)气隙磁场琦变以后会使电枢绕组一条支路中各申联线圈间电势分布很不均匀。如图1-42所示，在极尖处的磁密大大增加，线圈处在这个部位时，感应电势很大使所接两个换向片间电压很大，可能超过换向片间的安全电压，产生火花或电弧.使电机损坏。（3)每极磁通减少和气隙平均磁密下降。在磁路不饱和时，因主磁场被消弱的数量等于被加强的数#.所以气隙磁通#和平均气隙磁密没有变化。实际上，由于磁路饱和的影响，一半极面下磁通增加的#小于另一半极面下磁通减少的#因此负暇时的每极磁通t比空载时的每极磁通量有所减少，则平均磁密有所下降。交轴电枢磁场对主极磁场起去磁的作用这种去磁作用是通过磁路饱和作用而产生的。 2.直轴电枢反应 电刷不在几何中心线时，电枢磁势中包含有交轴和直轴电枢磁势两个分量，将同时出现交轴电枢反应和直轴电枢反应。交轴电枢反应的影响如上所述。直轴电枢磁势与主极轴线重合，若f与主极磁势方向相同，起增磁作用;若凡与主极班势方向相反，起去磁作用。去磁作用使电机的每极磁通#下降，导致电枢电势显奢降低;增磁作用将引起电机换向情况恶化。若f与主极磁势方向相反，起去磁作用，去磁作用使电机的每极的磁通量下降，导致电枢电动势显著降低。2.2 换向的基本概念2.2.1 火花的现象和火花的等级人们从生产实践中发现，直流牵引电动机运行时，其电刷与换向器之间常常伴有火花。火花通常出现在电刷的后刷边，发生火花是直流电机换向不良的直接表现。如果火花在电刷上的范围很小，亮度微弱，呈浅蓝色，它对电机运行并无危害，不必要求绝对没有火花。但当火花在电刷上的范围较大，比较明亮，呈白色或红色，就会灼伤换向器及电刷，影响电机的正常运行。因此，火花的大小直接反映了直流电机换向性能的好坏。 火花等级分类火花等级电刷下的火花程度换向器及电刷的状态1无火花换向器上没有黑痕及电刷上没有灼痕1电刷边缘仅小部分（约1/5至1/4刷边长）有断续的几点点状火花1电刷边缘大部分（大于1/2刷边长）有连续的较稀的颗粒状火花换向器上有黑痕但不发展，用汽油即能擦除，同时电刷上有轻微灼痕2电刷边缘大部或全部有连续较密的颗粒状火花，