内燃机车电力传动2第二章-牵引电机课件

第一节

直流牵引电动机一、直流牵引电动机的工作原理

在交—直流电力传动装置中，广泛采用直流串励电动机作为驱动机车车辆的牵引电动机，它的工作原理与一般直流串励电动机相同。

图2—1直流电动机横向剖面

图2—2直流电动纵向剖面1—主极线圈；2—主磁极；3—换向极线圈；1—吊环；2—机座，3—端盖；4—风扇；5—电枢绕组；4—换向极；5—电枢绕组；6—底脚；6—后压圈；7—轴承；8—轴；9—电枢铁芯；10—前压圈；7—电枢槽；8—机座（磁轭）；9—电枢铁芯；11—换向器压圈；12—换向器；13—

电刷；14—刷握装置；10—极靴。15—前端盖；16—主极线圈；17—主极铁芯。8/4/20231第一节直流牵引电动机一、直流牵引电动机的工作原理直流电动机的基本工作原理主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方向：NS静止的电刷（A和B）与换向器滑动接触，将直流电引入电枢线圈abcd电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用电磁力大小：fx=Bxlis电磁力的方向：由左手定则决定一对电磁力形成电磁转矩Mx电磁感应定律：运动导体切割磁力线必感应出电势（电动机中为反电势）感应电势大小：e=Bxlv

感应电势的方向：按右手定则决定换向器：其作用是使旋转中的电枢线圈中电流换向，从而保证每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，使电磁转矩的方向不变，电机按一定方向连续旋转。换向器改变电源正负极，或改变磁场方向时，电枢线圈所受的电磁力都将反向，电枢反向旋转。fxfxexex8/4/20232直流电动机的基本工作原理主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方具有八个线圈的直流电动机在实际的直流电机中，电枢上都不只有一个线圈，而是有许多线圈均匀且牢固地嵌放在电枢铁芯槽中。换向器由八个互相绝缘的换向片组成。八个线圈通过换向片联接，构成了一个闭合的绕组。位于磁极中性线上两个电刷将闭合的绕组分成了两个并联的支路。所有的线圈都被利用来产生电磁转矩和感应电势，其合成感应电势和电磁转矩的大小取决于并联支路线圈和总线圈数量的多少。

8/4/20233具有八个线圈的直流电动机在实际的直流电机中，二、直流电动机的电磁转矩和感应电势

电磁转矩和感应电势是直流电动机实现机电能量变换所不可缺少的两个要素。

电磁转矩的计算公式

Cm—转矩常数，决定于电机的结构；φ—磁通（Wb）；Is—电枢电流（A）；M—电磁转矩（N·m）。感应电势的计算公式Ce—电动势常数决定于电机的结构；φ—磁通（Wb）；

n—电机转速（r/min）；Es—感应电势（V）。

8/4/20234二、直流电动机的电磁转矩和感应电势电磁转矩直流电机的可逆性在一定的条件下，直流电机既可作为电动机运行又可作为发电机运行，由此应用于机车上的牵引工况和电阻制动工况。电动机工况：克服反电势，输入电能，产生电磁转矩，驱动电机负载旋转，将电能转变为机械能。发电机工况：由原动机拖动电机旋转，在电枢绕组中产生感应电势，输出电能，即将机械能转变为电能；而电磁转矩的方向与拖动转矩的方向相反，称为制动转矩。8/4/20235直流电机的可逆性在一定的条件下，直流电机既可作三、直流电机的基本方程式直流电机是传动系统中进行机电能量变换的元件。直流电机的基本方程式是指直流电机电系统中的电压平衡方程式、机械系统中的转矩平衡方程式以及功率平衡方程式。这些方程式综合了电机内部的电磁过程，同时也表达了电机外部的运行特性及功率平衡关系。

8/4/20236三、直流电机的基本方程式直流电机是传动系统中（一）电压平衡方程式对于串励电动机

U=Us+UL=Cenφ+Is（Rs+RL)=Es+IsRD对于他励电动机U=Us=Cenφ+IsRs=Es+IsRs

由于RD值很小，电压降IsRD不大，故U≈ES。

U——电源电压（V）；Us——电枢绕组的端电压（V）；UL——（UL=ILRL）励磁绕组的端电压（V）；ES——电枢反电势（V）；Is——电枢电流（A）；IL——励磁电流（A）；Rs——电枢绕组电阻（Ω）；RL——励磁绕组电阻（Ω）；RD——（RD=RS+RL）电枢回路的电阻（Ω）。

8/4/20237（一）电压平衡方程式对于串励电动机U——电源电压（V）；7/（二）转矩平衡方程式电动机瞬态的转矩平衡方程式：M—电磁转矩，Mz—负载阻力转矩，M0—空载阻力转矩，—惯性转矩。电动机稳定运行条件下的转矩平衡方程式：则M=MZ+M0

一般M0（由摩擦损耗和铁磁损耗等引起）较小，故M≈MZ。8/4/20238（二）转矩平衡方程式电动机瞬态的转矩平衡方程式：7/25/（三）功率平衡方程式和电机效率电磁功率：无论是电动机还是发电机，在电功率EsIs与机械功率Mω能量变换过程中，能量守恒。在能量转换过程中，不可避免地会伴随着各种各样的损耗：机械损耗

ΔP机

电机轴承，电刷与换向器之间，旋转部分与空气之间存在的摩擦损耗。铁损耗ΔP铁

电枢铁芯中由磁滞和涡流所引起的能量损耗一旦电机旋转，不管它是否带负载，机械损耗和铁损耗就会存在，因此通常把这两项损耗合起来叫做空载损耗ΔP空，即ΔP空=ΔP机+ΔP铁铜损耗ΔP铜因为电枢绕组、励磁绕组、电刷、电刷和换向器接触处都存在电阻，合为RD，近似为铜导体电阻，当有电流流过时，就会产生铜损耗ΔP铜=I2RD。8/4/20239（三）功率平衡方程式和电机效率电磁功率：7/25/20239直流电机功率平衡关系根据能量守恒定律，电机的输入、输出和损耗之间存在一定的平衡关系。

对于直流电动机：电源输入的功率P1=P+ΔP铜

P—电机吸收的电磁功率输出给负载的机械功率P2=P-ΔP空功率平衡方程式

P1=P2+ΔP空+ΔP铜

电机效率η：衡量电机内部损耗的大小

8/4/202310直流电机功率平衡关系根据能量守恒定律，电机的输入、输出和损耗四、直流牵引电动机的工作特性和速度调节

电传动机车是由牵引电动机驱动的，因此牵引电动机的工作特性必须满足机车牵引性能提出的要求。电动机输出的机械转矩和转速是说明电动机工作特性的两个重要的物理量，分别与机车牵引力和机车速度相对应，因此，转矩特性和转速特性是电动机的两个主要特性，是选用牵引电动机的重要依据。（一）直流牵引电动机的转速特性和转矩特性

直流电动机的工作特性表示当不对电源电压及励磁电流进行人为调节时，电动机的转速n、转矩M随电枢电流Is的变化关系。电机的工作特性因励磁方式不同差别很大，所以讨论时，既要应用综合电磁过程的有关方程式，又要注意到不同励磁方式的特点。8/4/202311四、直流牵引电动机的工作特性和速度调节电传动转速特性电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：n=f(Is)

根据电压平衡方程式得：

他励（或并励）电动机：不对励磁电流进行人为调节时，φ=常数，则

n=n0–KIs

式中—空载转速，（很小）串励电动机：IL=Is，φ随Is而变化，若忽略电机磁路的饱和，可近似用φ=KfIL=KfIS，则

8/4/202312转速特性电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：n转矩特性

电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：M=f(Is)

忽略空载转矩M0，电动机输出转矩近似等于电磁转矩，即M=CmφIs

他励（或并励）电动机：不对励磁电流进行人为调节时，φ=常数，则M=CmφIs=C'mIs

串励电动机：同样可设φ=KfIL=KfIS，则M=CmφIs=CmKfIS2

显然，串励电动机与他励电机的转速特性、转矩特性截然不同，由特性曲线形状来看，串励电动机具有较大得转速和转矩调节范围。8/4/202313转矩特性电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：机械特性

M=f（n）将转速公式和转矩公式联立消去IS，便得到转矩与转速的方程式：

他励（或并励）电动机：在电压U不变时，主极磁通φ也不变，其机械特性M=f(n)近似为一较陡负斜率的直线，随着负载转矩的较大变化，转速仅有很小变化，这种特性称为“硬特性”。串励电动机：φ随电枢电流IS而变化，根据转矩特性、转速特性及磁化曲线之间的对应关系可求出其机械特性，随输出力矩M的增加，转速n迅速下降，这种特性称为“软特性”。

8/4/202314机械特性M=f（n）将转速公式和转矩公式联（二）牵引电动机特性分析对串励和他励两种型式得电机进行比较，分析它们各自的优缺点，并确立选用牵引电动机时应考虑的因素及基本原则。

牵引调速性能：在内燃机车上，牵引电动机由恒功率电源供电，输出电压变化范围有限，串励电动机的“软特性”特点能使牵引电动机在电源电压较小变化时具有较大的转速和转矩变化，因而调速容易，调速范围较宽。

牵引电动机之间的负载分配：机车上几台牵引电动机同时并联运行，由于电动机的特性不可能完全一致，或者动轮直径不完全相等，都将引起电动机之间负载分配的不均匀现象，个别电机在运转时将会发生严重过载情况。串励电动机由于具有“软特性”，这种负载分配的不均匀性远较他励电动机为小。8/4/202315（二）牵引电动机特性分析对串励和他励两种型式防空转性能机车起动或满载爬坡时，常常因轮轨间得粘着破坏而发生个别动轮个别动轮空转的现象。此时若能迅速减小牵引电动机的电流和输出转矩，就能使粘着条件恢复。串励电动机的“软特性”不利于粘着条件的恢复。而他励电动机的“硬特性”却有利于防止动轮空转。

起动性能及过载能力由于串励电动机的转矩特性M=f(Is)近似地按电枢电流平方的比例增长，因而起动转矩大，适合机车起动时较大起动牵引力的要求。最大转矩主要受短时允许的过载电流所引起的发热限制，在相同得过载电流下，串励电动机的最大转矩较他励电动机大。8/4/202316防空转性能机车起动或满载爬坡时，常常因轮轨间得（三）牵引电动机的速度调节

由于机车运行条件比较复杂，经常需要按照线路情况来选择合适的运行速度，这就要求牵引电动机能够在宽广的范围内均匀而经济地调速，而且调速设备应简单，操作方便。根据转速公式可知直流牵引电动机的调速方法有三种：改变牵引电动机的电源电压U；调节牵引电动机的励磁；调节电枢回路的电阻RD。

其中，采用在电枢回路中串联可调电阻的方法调速，方法虽然简单，但往往是有级地改变电阻值，因而调速不平稳，同时附加调节电阻要损耗大量电能，将使牵引效率降低。过去仅在小功率的机车和城市电车中采用。因此，在机车中不采用这种方法，而广泛采用改变牵引电动机的电源电压以及削弱牵引电动机的磁场的调速方法。8/4/202317（三）牵引电动机的速度调节由于机车运行条件比较复杂改变电源电压调速

根据转速公式，如果忽略电枢回路的电压降，可以认为电动机的转速与端电压成正比，即

调速过程：当牵引电动机在电压U1和某一负载转矩M1（其相应的电枢电流为I1）下以转速n1稳定运行于a点时，为了调速，电源电压由U1突然上升为U2，由于机车的机械惯性，机车速度和电动机转速都来不及变化，电枢反电动势Es也因之不变，根据电压平衡方程式可知电枢电流Is必将突增，电动机的工作点由a点平移地跳到b点。此时牵引电动机输出的转矩M增大，引起电动机的转速随之沿着电压为U2的特性曲线上升。若负载转矩M1仍未改变，随着转速的上升，电枢电流和电动机转矩逐渐减小，直到转速升至n2、电枢电流重新等于I1，转矩重新平衡（M=M1）为止，电动机便将稳定运行在c点。8/4/202318改变电源电压调速根据转速公式，如果忽略电枢回路削弱磁场调速

在串励牵引电动机中，比较常用的削弱磁场的方法是在励磁绕组两端并联一级或数级分路电阻。在负载转矩不变的条件下，削弱前、后的电机转矩应相等，即得

磁场削弱前后得转速关系：8/4/202319削弱磁场调速在串励牵引电动机中，比较常用的削弱磁五、直流牵引电动机的电枢反应主磁极上的励磁磁势建立主磁场。当电枢绕组中有电流时，由电枢磁势建立电枢磁场，其轴线与主磁场轴线相互垂直，故又称电枢磁场为交轴磁场。电枢磁场使主磁场受到影响，电机的气隙磁场发生了变化，称之为电枢反应。电枢反应的结果是：（1）电机气隙中的合成磁场发生畸变；

（2）电机气隙中的合成磁场有所削弱。严重的是由于磁场的畸变使电机换向条件恶化，容易产生火花。8/4/202320五、直流牵引电动机的电枢反应主磁极上的励磁磁势建六、直流牵引电动机的结构8/4/202321六、直流牵引电动机的结构7/25/202321第二节同步牵引发动机在交—直流电力传动内燃机车中，牵引发电机采用同步发电机，称为同步牵引发电机。同步牵引发电机是根据电磁感应原理，将机械能转变为电能的旋转电机。同步电机有两种结构形式，一种是旋转电枢式，另一种是旋转磁极式。绝大多数的同步电机，特别是功率较大的电机，都采用旋转磁极式的结构。

8/4/202322第二节同步牵引发动机在交—直流电力传动一、同步牵引发电机的基本原理定子铁芯中嵌有三相对称绕组AX、BY、CZ，称为电枢绕组，对称条件是：这三组绕组的匝数和导线截面相等，在空间位置上互相距离120°电角度。转子上绕有励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环送入励磁绕组时，使转子磁极产生极性不变的N极和S极，在气隙中形成一对磁极的主磁场。当原动机拖动转子旋转时，则定子绕组与转子磁场之间产生相对运动，根据电磁感应原理，在定子上的三相绕组中将产生感应电势波形大小和频率均相同，相位互差120°电角度的三相对称电势。

8/4/202323一、同步牵引发电机的基本原理定子铁芯中嵌有三相对称绕组AX、感应电势同步发电机产生的三相交流感应电势是按正弦波形变化的，其大小一般用有效值表示。一台电机共有2p个磁极，每对磁极下均对应三相电枢绕组，同一相的绕组根据设计要求既可以互相串联起来（增大电势），也可以互相并联起来组成一定数目的支路（增大电流）。设每一相绕组的总串联匝数为W，则每相电势有效值为：

E1=4.44WKrx·fφ1式中—感应电势频率，p—磁极对数，n—转子转速；

φ1—每极磁通量，KrZ—绕组系数（决定于绕组的短距和分布）当采用Y接法时，线电势为；当采用Δ接法时，线电势即等于相电势。为了消除三次谐波电势，现代三相发电机大多采用Y接法。8/4/202324感应电势同步发电机产生的三相交流感应电势是按正弦波形变化的，二、同步牵引发电机的电枢反应转子励磁绕组中通入直流励磁电流，由励磁电流产生的旋转磁场——转子磁场（主磁场），依次切割定子槽中的三相绕组，并在绕组中感应出三相对称交流电势。如果三相绕组不接负载（I=0），则此时的感应电势为空载电势：E0=4.44fWKr2φ0当电枢绕组接通对称的三相负载，便有三相对称电流流过，也会产生一个旋转磁场——定子磁场，或称电枢磁场。电枢电流是由感应电势产生的，故它们的频率相同，电枢绕组的极对数总是与转子磁极对数相等，因此电枢磁场的转速与转子磁场的转速相同，并且以相同的方向同步旋转，两者之间没有相对运动，“同步电机”由此而得名。电枢磁场对转子磁场的影响称做电枢反应。电枢反应与电枢电流的大小有关，此外还与负载的性质（即电阻性、电感性及电容性）有关。电枢反应将会使转子磁场（主磁场）发生畸变和去磁，从而影响同步发电机电枢绕组中感应电势的大小以及发电机的各种运行性能。8/4/202325二、同步牵引发电机的电枢反应转子励磁绕组中通入直流励磁电流，（一）当ψ=0°（纯电阻）的电枢反应负载性质不同，空载电势和电流的相位差也不相同，因此使电枢磁场和转子磁场的相对位置不同。用ψ表示电枢电流I滞后于空载电E0的电角度，称为同步发电机的内功率因数角。ψ角决定于负载阻抗和发电机定子绕组的阻抗之和，则当ψ不同时，就有不同的电枢反应。

交轴电枢反应：使磁场发生畸变，这必将引起定子绕组中的感应电势及端电压发生变化。

FL—励磁磁势，FS—电枢磁势，Fh—气隙中的合成磁势8/4/202326（一）当ψ=0°（纯电阻）的电枢反应负载性质（二）当ψ=90°（纯电感）的电枢反应直轴电枢反应：起去磁作用，它使气隙合成磁通减小，从而降低了发电机的感应电势和端电压。（三）当0＜ψ＜90°（电阻+电感）的电枢反应

电枢反应对励磁磁场的作用可以看作是上述两种电枢反应情况的综合，其结果是既使气隙合成磁场畸变又使励磁场去磁。实际中常属于此种情况。

8/4/202327（二）当ψ=90°（纯电感）的电枢反应直轴电枢反应：起去磁三、同步牵引发电机的特性同步牵引发电机的特性是指：发电机在对称负载及恒定转速运行情况下，各个量之间的变化关系。主要有空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调节特性。

从运行的角度看，外特性和调节特性是主要的运行特性，根据这些特性，可以判断发电机的工作是否正常，以便及时进行调整。空载特性、负载特性和短路特性则是检验发电机基本性能的重要依据。

8/4/202328三、同步牵引发电机的特性同步牵引发电机的特性1、空载特性

空载特性是指发电机在空载运行时，端电压U0（即E0）随着转子励磁电流IL变化的关系，即U0=f(IL)或E0

=f(IL)

由空载电势E0=4.44WKrzfφ0可知，在发电机转速等于额定转速时，感应电势的频率f不变，故空载电势E0仅正比于转子励磁磁通φ0，因此空载特性曲线的形状与发电机磁化曲线φ0=f（IL）相似，反映了发电机最基本的电与磁的关系。8/4/2023291、空载特性空载特性是指发电机在空载运行时，2、外特性同步发电机的外特性是指当发电机的转速n、励磁电流IL、负载功率因数cos恒定不变时，发电机的端电压U随负载电流I之间的变化关系，即U=f(I)当I

=0时，端电压U就等于空载电势E0。当有负载后，端电压U由于电枢反应的去磁作用以及电枢绕组的阻抗压降而开始下降。但这时磁路很饱和，所以电枢反应的去磁作用并未使端电压显著下降。随着电枢电流I的进一步增加，电枢反应的去磁作用逐步加强，使电机磁路离开饱和状态，端电压U随着I的增加迅速下降。U下降到零时的电流称为稳态时的短路电流。

随着励磁电流IL和转速n的下降，外特性曲线逐渐下移，与横坐轴的交点也左移。8/4/2023302、外特性同步发电机的外特性是指当发电机的转

3、负载特性当同步发电机转速n、电枢电流I和功率因数cos

都是恒定不变时，发电机的励磁电流IL与端电压U之间的关系，称为同步发电机的负载特性，即U=f(IL）。负载特性与空载特性曲线形状相似，但对应于同一励磁电流IL下，电枢电流I愈大，则电枢反应的去磁作用愈强，因而端电压就愈低。

8/4/2023313、负载特性当同步发电机转速n、电枢电流I和4、短路特性当同步发电机电枢绕组的三相接线端A、B、C全部短路时，端电压U等于零，此时流过电枢绕组的电流称为短路电流IdL。在电机转速为额定值，三相维持短路情况下的短路电流IdL与励磁电流IL之间的关系称为发电机的短路特性即IdL=f(IL)。发电机在短路状态时磁路是不饱和的，因此短路电流IdL=f(IL)呈一条直线，且与转速无关。8/4/2023324、短路特性当同步发电机电枢绕组的三相接线端A四、同步牵引发电机的结构8/4/202333四、同步牵引发电机的结构7/25/202333四、同步牵引发电机的结构8/4/202334四、同步牵引发电机的结构7/25/202334第三节三相异步牵引电动机交流电机主要分为同步电机和异步电机两大类，二者的工作原理和运行性能有较大区别。同步电机主要用作发电机，而异步电机主要用作电动机。在交流电力传动内燃机车中，牵引电动机通常采用异步电机，其结构简单，运行可靠，维护方便，效率较高，在变频器的控制下实现机车牵引性能的调速要求。

8/4/202335第三节三相异步牵引电动机交流电机主要分为一、异步牵引电动机的基本原理

（一）旋转磁场当对称的三相交流电流通入定子铁心上的对称三相绕组时，就在定子内建立起一个在空间连续旋转的磁场，称为旋转磁场。对称三相电流：iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt—120°）iC=Imsin(ωt—240°）8/4/202336一、异步牵引电动机的基本原理

（一）旋转磁场当对旋转磁场产生原理图8-7一对磁极的旋转磁场定子磁场随着电流的交变在空间不断旋转，旋转的转速称为同步转速no8/4/202337旋转磁场产生原理图8-7一对磁极的旋转磁场定子（二）异步电动机的工作原理图8-10异步电动机工作原理示意图当定子三相绕组中通入三相电流，则产生一个转速为no、顺时针方向的旋转磁场。转子导体与旋转磁场之间存在相对运动，必在转子导体中产生感应电势，其方向可用右手定则确定。由于转子绕组是闭合的，则感应电势在转子导体中产生感应电流。转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则确定。电磁力F作用在转子上形成电磁转矩，使转子按旋转磁场的旋转方向转动。为了在转子导体中产生感应电势和电流，转子与旋转磁场之间必须存在相对运动，则异步电机转子转速n总是小于同步转速no，故称“异步电动机”。转差率：8/4/202338（二）异步电动机的工作原理图8-10异步电动机工作原理示二、异步电动机调速的基本方法1、电磁转矩特性电磁转矩T公式

（5-1）式中Cm—电机结构常数；φ—旋转磁场每极磁通（wb）；I2—转子电流（A）；cos—转子电路功率因数；S—转差率；n1—同步转速；（f1—电源频率，p—磁极对数）；n—转子实际转速（r/min）；E2—转子电势，E2=4.44k2w2f2φ=4.44K2W2Sf