直流牵引电动机

直流牵引电动机

中国北车集团永济电机厂目录1.概述2.牵引电动机的工作特点3.直流电机的基本结构4、电机故障分析、5、维护保养6.电机的运输与存放

1.概述

各种电力传动车辆上所用的牵引发电机、牵引电动机、辅助电机一起统称为牵引电机。牵引电动机是驱动内燃机车、电力机车、电动车辆、地铁车辆、城市电车及公路车辆运行的主电机。它的运行性能直接影响机车车辆的牵引性能及经济技术指标，是电传动机车上的关键设备。1.1牵引电动机的分类直流牵引电动机、脉流牵引电动机、单相整流子电动机、交流变频异步电动机、可控硅同步牵引电动机等。目前电传动机车广泛的采用直流、脉流牵引电动机。但用交流变频异步电动机做牵引已成为电传动机车的发展方向。1.2电力系统与牵引电动机

现代铁道运输用的电传动机车车辆按照所采用的电流制不同可分为：直-直传动系统；交-直传动系统；交-直-交传动系统；交-交传动系统.1.2.1直-直传动系统是最早的机车牵引传动的一种方式柴油机→直流发电机(ZQFR)→直流牵引电动机(ZD)

这种方式采用可控硅斩波对电动机电压平滑调节，改善起动性能和减少能耗，仍是现有工矿电力机车和城市电车的发展方向之一。

1.2.2交–直流传动系统柴油机→同步主发电机(TQFR-3000)→整流柜→直流牵引电动机(ZQDR-410)接触网→变压器→整流柜→直流牵引电动机交—直流传动内燃机车的主电路

1.2.3交-直-交传动系统

交直交传统系统有许多突出优点A良好的调节性能和功率利用指标；B较大的起动牵引力和较宽的恒功运行范围；C自然的防空转性能；D牵引和制动转换简便；E四象限变流器系统在较宽的负载范围使机车的功率因数接近1；F电机单机功率可提到1500kW；（直流由于受换向、电位条件机械强度及空间尺寸等因素限制，很难达1000kW）1.2.4交-交传动系统

2.牵引电动机的工作特点A.

牵引电动机悬挂在转向架上。B.

牵引电动机受轨距限制，结构紧凑，采用较高等级的绝缘材料和性能较好的导磁材料。C.

电机各零、部件要具备较高的机械强度。

D.牵引电动机换向条件比普通直流电动机更困难（经常起动、过载，制动、磁场削弱等。

E.

牵引电动机绝缘材料和绝缘结构，应具有防尘、防潮功能，有良好的散热条件（在车体下，易受风尘、温度、湿度变化的影响）。

F.电力机车脉流电机由于在脉动电压影响下，其发热和换向比直流电下更加困难。2.1直流牵引电动机分类及特点按励磁方式不同分为串励、并励、他励和复励四种。他励和并励特性相似（励磁供电电源不同），复励电动机不过是串励和他励（并励）的组合而已。目前，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、动车的牵引电动机。（为什么）这主要是由串励电动机特性决定的。原因A.串激牵引电动机的自调节性能较好，也就是它的牵引力和速度能按照机车运行条件自动的调节。在上坡或者负载过重时，串激牵引电动机能发挥较大的牵引力，在轻载或平道运行时，它又有较高的速度，以便提高机车的通过能力

B.串激牵引电动机的功率利用较好，因为串激牵引电动机的转速随着牵引力的增大而降低，轮缘功率PK=FK*VK在同样牵引力变化下，串激牵引电动机功率变化最小。因而可以合理的利用机车上各种电器设备的容量。C.串激牵引电动机有较大的起动牵引力，因而在相同的牵引条件下，所需要的电动机的容量可以减小，电动机的重量可以减轻。

C.在并联工作时，各台牵引电动机负载分配较均匀。D.电压波动所产生的电流和牵引力冲击显著小于并励电动机。综述以上各点，由于串励电动机牵引特性好，有很多技术和经济上的优点，因而被广泛用在电传动机车上。缺点串励电动机特性软，易打滑，形成空转，造成轮轨磨损，并降低了牵引电动机的牵引力。多台电动机串励运行，如果其中一台电机发生空转，它的端电压将随转速的增加而增加，这就使该台电动机的空转情况更为严重。会引起其他电机空转。制动时将牵引电动机改为他励发电机，使线路复杂。

ZD106电机用于东风11型准高速内燃机车上，为了满足机车的运行要求，具有较高的可靠性和可维护性。在结构设计上具有以下特点：A.电机的安装方式采用架悬式悬挂结构（独立悬挂或全悬挂），使牵引电动机的全部重量都成为簧上重量，从而避免了抱轴式悬挂的缺点，特别是改善了承受线路的动力作用，减少电机故障发生。

B.机座采用钢板压型焊接结构，磁体的导磁性能好，消除了因铸造机座的内部缺陷引起的磁路截面积的差异而导致的速率特性不一致的现象即速率特性分散性小。C.主极采用螺旋曲线极靴形状，使最高片间电压远离换向区。D.主极线圈采用少胶带、分层包绝缘结构，定装后整体浸漆。这种结构便于线圈散热。

E.电枢制造中采用了嵌线后予绑扎，真空压力浸漆等工艺，大大提高了电枢的整体性、密封性和可靠性。

F.刷架系统取消了刷架圈结构，由四个刷握代替，每个刷握通过螺栓固定在电机的机座上，刷杆与直刷盒通过方头螺栓连接，并进行有级调节。刷握弹簧采用圆柱形螺旋压簧。这就避免了采用拉伸弹簧时因弹簧钩折断而酿成的烧伤换向器，甚至导致环火的恶性事故

G.轴承采用进口轴承，油脂为铁路机车电机轴承脂L-XEGEB2。

H.采用双分裂式电刷，由于每片电刷质量小，惯性小，使电刷和换向器接触良好，同时，橡胶垫可以吸收一些电刷的振动，改善了电机的换向性能。此外，在两片电刷的接触面上增加了换向回路的横向电阻。抑制了换向元件的附加电流，改善了电机的换向条件，采用这种电刷结构可以降低电刷下的火花。3、直流电机的基本结构

直流电机由定子和转子两大部分构成。定子的作用是产生磁场，提供磁路和作为机械支撑。转子（电枢）是产生感应电势和电磁力矩实现能量转化的主要部件。3.1.定子：包括机座、主磁极、换向极、补偿绕组、端盖及轴承等部件组成。3.1.1机座机座分为圆形机座和方形机座；圆形机座又分为铸钢机座和叠片机座；抱轴室悬挂的机座上带有油箱、油箱集油器；机座主要功能为导磁和机械支撑。

DF11、DF11G、DF4D型电传动机车所用牵引电动机为ZD106、ZD106E、ZD109B型直流牵引电动机，为不带补偿绕组的四极、串励、强迫通风电动机。牵引电动机都是是采用钢板压型焊接机座。机座导磁部分为钢板。ZD106、ZD106E全悬挂接口，ZD109B机座为滚抱结构。此种机座的特点：

A.磁体的导磁性能好。B.消除了因铸造机座的内部缺陷引起的磁路截面积的差异而导致的速率特性差异大。C.加工容易，降低加工成本。D.磁路均匀，减少电机的速率特性差异。

E.机座与主极线圈的配合面为大平面，散热好

DF4D所用牵引电机为ZD109B牵引电动机，机座采用钢板压型焊接结构，为滚抱结构。另一侧有小吊挂和安全托。DF11所用牵引电机为ZD106型牵引电动机，机座采用钢板压型焊接结构，全悬挂结构接口，机座顶面有温度传感器线固定座。另一侧有两个小吊挂和安全托DF11G所用电力机车牵引电机为ZD106E型牵引电动机机座采用钢板压型焊接结构，全悬挂结构接口，另一侧有两个小吊挂和安全托3.1.2.主磁极主磁极由主极铁心和主极线圈组成，它是用来产生磁场的，主极铁心通常用1~1.5mm厚的钢板叠成。（降低电枢旋转时，齿和槽相对磁场脉动在极靴表面的涡流损耗）主极铁心较窄部分称为极心，扩大部分称极靴。没有补偿绕组。采用偏心气隙（减小横轴电枢反应对主磁场的畸变作用）。主极采用螺旋曲线极靴形状，使最高片间电压远离换向区，改善了换向器电位的分布，

而且使最高片间电压离换向区远些，增加了电机抗环火能力。ZD109B、ZD106、ZD106E三种电机铁心形状一样。

主极线圈除线规不同外、分交叉、开口两种形式，均为双层平绕结构。作用是用以通过电流建立主磁场。线圈的绕法分平绕和扁绕两种，平绕是宽边绕，扁绕是窄边绕。3.1.3换向极（附加极）

换向极主要由换向极铁心和换向极线圈组成，电力机车脉流电机换向极铁心采用叠片结构（改善脉流电机换向性能，内燃机车一般用整体锻钢制成，因为磁通密度较低），换向极线圈一般用铜母线扁绕而成。为改善换向，尤其是过渡过程换向，换向极铁心和机座之间设有第二气隙，脉流电机第二气隙一般由绝缘板构成，内燃机车电机的第二气隙由黄铜板构成。3.1.4补偿绕组补偿绕组设置在主极极靴部分的补偿槽内，与换向极线圈及电枢绕组串联，用来消除电枢反应对主极气隙磁通畸变的影响，使换向器片间电压分布均匀，从而减少发生环火的可能性。作用是改善换向防止环火。但ZD106E、ZD109B、ZD106电机未设补偿绕组。3.1.5端盖和油封结构前、后端盖将电机两端封闭，并通过轴承支撑转子。端盖上开有出风口，轴承两侧为迷宫式油封。轴承室的加油量一般为占轴承室总容量的1/3~1/2，由于有负压作用使电机漏油，一般端盖设有通大气孔。3.2电枢

电枢（又称转子）是感应电势产生电磁力矩而实现能量转换的主要部件。电枢由电枢铁心、电枢绕组、换向器和转轴等部件构成。3.2.1转轴转轴上装有电枢所有其他部件（电枢铁心、电枢绕组、均压线、换向器），转轴要求机械性能较高（承载力矩大）。

ZD109B转轴单侧传动（DF4D）。ZD106单轴伸，单侧传动（DF11）。ZD106E单侧传动（DF11G）。3.2.2电枢铁心

电枢铁心由电枢冲片叠压而成，是电机磁路的一部分。也是承受电磁力作用的部件，铁心圆周上均匀分布有嵌电枢绕组的槽。转子转矩由载流的电枢绕组和主磁场相互作用而产生。电枢铁心通常由0.5mm后的硅钢片叠成，（减小涡流磁滞损耗）冲片一般由DW465（470）冷轧硅钢片冲制。冲片上有三排的、两排的通风孔。为防止铁心齿部松动，两端用电枢端板夹紧，端板一般用1mm厚的钢板点焊而成。装在铁心两端的压圈，一边称做电枢支架，一边称为换向器套筒。3.2.3换向器换向器作用为将电枢绕组中产生的交流电势转换为电刷间的直流电势，它是电机中重要的和复杂的部件，换向器即要通过很大的电流，又要承受着各种机械应力。因此换向器的工作情况好坏，直接影响电机的工作性能。换向器是由很多的相互绝缘的换向片组合而成，牵引电机一般采用拱形换向器，主要由换向片、云母片、V型云母环、绝缘套筒、换向器套筒、压圈、螺杆组成。3.2.4电枢绕组电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中；电枢线圈按一定规律和换向器连接起来，就构成电枢绕组。电枢绕组是由许多绕组元件组成，绕组元件上从一个换向片开始到另一个换向片为止的那一部分导线。它是电枢绕组最基本结构单元，故称绕组元件。它有单匝、多匝之分。在牵引电机中（包括脉流）通常均采用单匝式绕组元件。(为什么)Er=8iaUsωλLaVk/βk(Us+Y+ε-1)*1000000

因电抗电势与ω成正比，换向恶化。对于脉流电机er＜3V，内燃直流电机高速工况下er＜4~4.5V；几个元件在一起构成线圈，绕组元件在槽中有竖放和平放两种，竖放工艺简单，平放对改善换向有利，可使绕组中附加损耗降低，缺点与换向器连接时，需将元件扭90度、打扁工艺复杂。3.2.5均压线均压线连接换向片的等电位点。用来平衡由磁路不平衡而在电枢绕组内部引起的环流。均压线分为甲种均压线和乙种均压线。有全额均压、1/2均压，1/4均压，均压线截面积一般为电枢导体截面积的20%-30%。3.2.6电刷装置电刷装置作用是转动的电枢绕组与电路连接起来，直流电机电刷装置由联线、电刷、刷握装置、刷握架和刷杆件组成。刷握包括刷盒、弹簧、压指等零件。电刷装置的结构和性能对牵引电动机的换向性能影响很大。电刷装置须满足以下要求：A.刷握在换向器轴向、径向和切线方向位置都能调节。（轴向为了保证电刷处在换向器中央，径向为了保证刷盒底与换向器表面距离，切线调整是为了电刷处在主极的中性线上）B.电刷压力保持恒定。C.刷架装置要有较高的机械强度。D.刷杆等绝缘件有较高的电气绝缘强度。

E.合适牌号的电刷。现代内燃机车牵引电动机大都取消刷架圈，刷架装置固定在机座上。减小了刷架圈松动带来的环火及换向故障。

3.2.7、几种直流电机结构上的特点4.电机故障分析

由于牵引电动机的运用环境及特点决定了它在运行中更易出现故障。4.1定子绕组常出现的故障及处理方法A.

励磁绕组匝间短路（主极）（电机中电位不同的带电部件之间绝缘发生破坏）特征：1.主极绕组局部发热。2.局部刷架换向火花加大，出现单边磁拉力严重时引起电机振动。3.电压保持不变时，电流增大。检查方法1.电阻法用电桥或有条件作伏安法测量电阻值，电阻值小偏差超过10%以上。2.交流压降法：将工频交流电通过调压器加到主极两端上，然后用交流电压表测量每个绕组的交流压降。若交流电压相等，则无短路现象，若某一个主极存在匝间短路，通电时间较长时，则明显发热处理找到短路点，垫绝缘处理。严重的线圈重新制造。B.换向极绕组匝间短路特征：1.换向火花增大，2.短路处发热检查方法：1.由于换向极补偿绕组电阻较小，一般用压降法测量。2.外观检查，有无线圈绝缘变色和放电痕迹来判断。C.定子绕组接地（带电部件与机壳、铁心等不带电部件之间的绝缘发生破坏）现象：引起机车接地保护。检查方法：1.电机未落车时，断开刷架系统，将电刷抽出，分开与之相连的转子及刷架系统。2.用兆欧表（摇表）对定子出头进行绝缘电阻测量。3.若绝缘电阻为零，则证明接地。也可用万用表测量定子绕组对机壳的电阻值来断定：若电阻为零，则证明接地。

4.接地确认后，电机落车，解体；打开主极、换向极及补偿绕组的连线，确认具体哪一种线圈接地。最后逐一检查，确认接地线圈。5.当查到故障线圈后，电机接地处理一般的是观察到的接地点进行绝缘的修复，铁心与线圈里的接地点须解体修复。一般对主极来讲，接地发生的接地点有主极线圈平面对机座；主极线圈对铁心，一般在四角处；换向极线圈对铁心；换向极线圈对机座，换向极线圈出线头处对机座；补偿绕组对主极铁心等等D.定子绕组绝缘电阻过低（虚接地，故障比较难找）（包括主极绕组、附加极、绕组补偿绕组）原因：有线圈绝缘上有碳粉和油污，线圈绝缘受潮、老化等，处理方法：一般为清扫、吹风、干燥、清洁。4.2电枢故障：A.机械部分：甩无纬带、槽楔，电机轴锥部分齿轮打滑。原因：电机转速过高，飞车。处理方法：返厂修理。B.电气部分故障：有电枢匝间短路接地、断路、绝缘电阻低等1.匝间短路现象：电枢绕组鼻部烧损，电枢线圈前端升高片部分烧开，严重时烧断无纬带引起扫膛，电枢过热，槽楔无纬带部分变色。原因：1）.匝间绝缘薄弱，检验不合格。

2）工作场所不清洁，包扎时有灰尘及金属屑浸入。3）碳粉、油污及水分浸入电枢端部，引起绝缘老化。4）升高片部分嵌线时，敲打过猛，伤绝缘。5）电机过电压（超过电机的承受能力）2.接地

现象：电枢绕组接地，大多发生在铁心槽口和槽底。原因：1）电枢槽形不齐，尖角毛刺刺破绝缘。2）碳粉、油污及水分浸入，时间较长使绝缘老化。3）绝缘老化。处理：返厂修。3.电枢绕组及刷架系统绝缘电阻低原因及措施：1）绝缘老化或原损伤逐步恶化；可采用更换修理方法解决。2）齿轮油窜入电动机，引起电枢绕组绝缘电阻低。3）潮气和水浸入电机内部。4）碳粉积累太多。5）电枢受潮等；可采用清理干净，烘干解决。6）风道内进油，吹到电机刷杆或电机内4.电枢绕组断路1）电枢绕组匝间短路，引起烧损。2）铜导线鼻部弯曲引力，受机械冲击后断裂。3）铜导线本身存在缺陷，受机械冲击后断裂。4.3.换向器故障与处理方法

1、换向是一复杂的物理和电化学过程；它和电机本身及外界很多因素有关。而换向不良又表现在很多方面；如换向火花，氧化膜破坏，电刷与换向器磨损，滑动接触定性的破坏等等。而当换向恶化时，各方面因素又相互影响；表现错综复杂，往往一个原因就会造成几种换向不良的征象。有时几种原因，反映了共同的不良象征。换向的研究工作，在实验和理论方面，近100年来都在探索。

但至今对换向现象的很多主要问题仍未充分查明，因为影响的因素很多，而且不可能估计的很准确。并且这些因素时刻都在变化或者纯属偶然性质的。这里我将一些经典的换向理论及实验中得出的一些有效的方法作一介绍。一般来讲，机械和化学造成的火花，原因是外部原因，而电磁原因是电机产生火花的内部原因。我们首先明确什么是换向：

1）换向：当旋转的电枢元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，该元件的电流从一个方向变换为另一个方向，这种电流方向的变换叫换向。首先从理论上来讲，换向元件存在以下电势：电抗电势和电枢反应电势，和换向电势。换向元件中存在的电势换向极Φk=—ek电枢Ia=—erIa=—ea2）改善换向方法：A.装设换向极此方法通常是换向极装在电机几何中性线上。这样才能保证换向极磁场和元件换向区对应。使换向极建立的磁场产生的换向电势恰好抵消电抗电势，要求换向极极性正确。

B.换向极线圈必须和电枢绕组串联。（er正比于Ia，ek正比于Ia）

C换向极磁路处于低饱和状态。（不饱和才能保证BK正比于Ia,ek正比于Ia,）D

选择合适电刷。3、换向故障的原因和处理方法

当出现匝短、环火故障，电机绝缘电阻降低甚至接地时，表现为机车过流、接地，此时应切断故障电机，打开观察孔盖，观察电机情况，切不可再提手柄，以免故障扩大。4.4、整机故障原因及处理办法4.5轴承过热响声大1.加油过多或过少。（油1/3~1/2之间）2.电枢平衡不好。（重新平衡）3.油脂内有异物。（清洗重装）4.轴承游隙过大。（更换）5.轴承游隙过小，发热严重。（更换，游隙在0.15~0.18）6.封环摩擦（更换）7.油质不好。（更换）8.轴承安装不当。（更换）

1.轴承内圈外圈松动。（更换）2.轴承内圈滚道有擦伤，（更换）4.6刷架系统1.绝缘电阻偏低、碳粉油污堆积。（全部清理干净）2.电刷卡死，（调整间隙）3.电刷接触面不够（磨刷）5、维护保养

首先我们维护保养的目的是为了预防电机的故障发生，不是等发生了故障我们再处理，服务人员是将维护保养知识经常讲给运用部门，使电机避免出现故障5．1换向器的维护保养