a凉夜
1959
通大学电
工程师 (教授级 ) , 国家 有出的中青年 科技专家 , 长期从事牵 引电动机设计 、 试验
回 顾 与 展 望
脉 流 牵 引 电 动 机 的 发 展
株洲电力机车研究所 (株洲 412001)
摘 要 :介绍了我国电力机车脉流牵引电动机 40年来发展 , 从电机的材料 、 结构 、 工艺 、 设计方法等方面总结了其技术进步的过程 , 并探讨了今后
关键词 :牵引
D evelopm en t of pulsa ti ng curren t traction m otor
Zhuzhou E lectric L ocom o tive R esearch In stitu te (Zhuzhou 412001) Ke Y i nuo
Abstract :It is described the 40years developm en t of pu lsating cu rren t tracti on mo to r of Ch inese locomo tives . T he techn ical p rogress is concluded from aspects of m aterial , structu re , . tu re p ro spects are dis 2
cu ssed .
Key words :tracti on mo to r , pu lsating cu rren t , 1 引言
牵引电动机素有机车 “心脏” 之称 , 是动机车 最关键的部件 。 机车的性能和可靠性与牵引电动机有 着最直接
直流串牵引电动机的动性能好 、 调速范围宽 、 过载能力强 、 率利用充分 、 控制简单 , 能最大限度地 满足机车车辆的用要求 。 直牵引机用于牵引 动力有 120年历史 , 是一种很成熟的电工产品 。 国产 力机车一直采用直 (脉 ) 流牵引电机 , 已走过了 40年的路程 , 虽然不象电工技术的某些新领域那样经常 有突破性新技术出现 , 但通过不断的改进 , 所得的 步仍然令人
本文将介绍我国脉流牵引电动机的发情
2 发展概况
随着我国国民经济的日益增长 , 铁路运输正向重 、 速的方向迈进 , 这就对电机车的牵引电动机提 出了越来越高的要求 。 首先是电动机的
加 (见图 1) 。 目前货运电力机车的轴功率
动力车设计电动机 , 其轴功率已 1000k W 。 其次 , 电机的调速范
K PV 的提高 , 表明机车在较高速度下仍保持满
出 , 能更好满足多拉快跑的运输要
图 1 脉流
电机设计功率逐年增长 , 但电机体相应的 质量并没有增加 , 反而稍有降低 。 这意味着
平的一个技术经济指标 (g ) — —电机单位质量发挥的 设计功率在逐年增长 (见图 2) 。
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91— 1998年第 5-6期 机 车 电 传 动
№ 5-6, 1998
图 2 脉流牵引动机单位质量功率指标增
与此同时 , 机的可靠性也在不断提
早期电
3. 5台次 10万 km ~4台次 10万 km , 最近 已下降 0. 6
3 技术进步
, 主要得益于以下 方面的技术进步 。 3. 1 材
绝缘材料的耐热等级从的 B 级发展到 F 级 、 H
最近研的脉流牵引电动已采用 C 级绝缘 , 定子允许温升可达 200K 、 电枢可达 180K 。 电枢圈的 导线绝缘和对地绝缘厚度减薄 。 早期用云母带时总 度 1. 4mm ~1. 5mm , 槽满率只有 40%, 后来采用聚 酰亚胺薄膜 , 厚是原来的一半 , 槽满率提高到 55%以 。 最近 , 采粉云母纸跟聚酰亚薄膜结合的复合 材料作为对地绝缘 , 性能进一步提高 。 浸渍漆过为有 溶剂漆 , 70年代后期采用溶剂漆 , 改善了浸渍
导磁材料由热轧硅钢板发展为普遍采用冷轧硅钢 板 , 使电枢铁心的叠压系数由 0. 93提高到 0. 97以上 , 并 且减少了电
采取以上措施后电枢发热因数 A S J a 由早期的 2000~2500提高到现在的 3700~3800,
位表面积能发挥的切向力 Ρ由早期的 0. 019M Pa ~0. 02M Pa 提
图 4分别表 A S J a 和 Ρ值逐年增长的情况 , 这些数 均已接近进水平 。 其中 Ρ值反映电枢的利用 度 , 直接影响电机
图 3 电
图 4 电枢单
3. 2 结构方面
虽然电机主要部件为传统的结构 , 但近
下几方面
(1) 机 以往采用铸造机座 , 存在气孔 、 砂眼等 缺陷 , 且尺寸不易控 , 电机特性偏差大 。 特别电动 机需在脉流供电及经常的流冲击下工作 (由于受 电弓离线及磁削弱时的转换 ) , 整块铁中的涡流将 使电电势中流成分不补偿 , 致使换向花比 直流况显著恶化 , 严重时还会引发电机环火 。 为避免 环火的产生 , 运用部门限制了最深磁场削级使用 , 果使电机在高速工况的功率不能充分发挥 。 在 SS 5、 SS 6机 车的脉牵引电动机上采用了部分片的焊接 机座 , 这在善脉流换向方面前进了一步 ; 但叠片部分 截面仅占磁轭总截面的 20%~25%, 改善的效果毕竟 还有限 。 近期 , 在 SS 7、 SS 8机 车的牵引电机
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02— 机 车 电 传 动
1998年
全叠片机座 , 使电机在脉流供电和暂态过程中换向 得到了显著的改善 。 试验表明 , 电机在流和直流下的 换火花差别已明显缩小 , 即使在脉流因数增的情 况下仍有满意的换向 。 除了因叠片中涡流之整 块心已显著削弱的因素外 , 由于子的精度由冲 模保证 , 定装质量大大提 。 由此带来的另一个好是 电机速率特性偏明减小 , 有利于电机在机车 并联工作时负电流不均匀度的减小 。 以往的电机 , 为 了加工方便 , 多采用圆形座 , 定子空间利用较差 , 线 圈需要压弧 , 线圈工复 , 且弧的圈难以跟机 座密 , 影响散热及线圈的牢靠固定 。 全叠片机座定 子是由 1mm 厚的冷轧钢片整冲后叠而成 , 两有 压圈铸件 , 过筋板焊接及穿芯螺杆构成整体 。 座的 形状也由圆形为多边形 , 并导致了一系列跟传统结 构相比明显变化 。 如 :主极铁心与磁连成一体 , 主极铁心没有极部分 , 主极线圈不用压弧 , 被放 一个大的线槽用楔固定等等 , 如图 5所
避免了圆机座许多缺点 , 而且没有多形机座的加 工困难 , 其加工精是传统机法比拟的 。 新结构 还有利于电机的派生 , 只要改变叠片的数 , 就能增加 或减小铁心长度 , 派生出新的电机 。 , 图 5
(2) 抱轴轴承 统的方式是滑动轴承 。
前在线路上运用的牵电动机中绝大部分采用这种方 式 。 轴瓦磨将引起齿轮中心距变化 , 影响齿轮啮合状 态 , 易导致动 ; 另外 , 轴承的稀油易窜齿轮箱 , 影响齿轮润滑条件 , 甚至造成向电机内油 。 新研制 的牵引电动机已改滚动抱轴承 , 不仅可以避免上 问题 , 而且维护工作量大为减少 , 可靠性也大为提 。 (3) 补偿绕组 力机车牵引电动
大 , 换向器电位条件紧张 , 均采补偿 。 过去为了 方便检修 , 采用平行槽式补偿绕组 , 槽口开口
会引起气隙磁场脉动 , 增加铁损并恶化换向器位 条件 。 新研制的牵引电动机采用向心 、 半口式 的偿组 , 可以改善上述问题 ; 但这种偿绕组无论 嵌线或拆修均比方式困难 。 为了减少补偿绕组拆修 , 并全面提高定子部分的靠性 , 定子部分还
1) 加强主极线圈的绝水 , 因该部位的故障必 殃及补偿绕组的
2) 切实实现定子绝一化的各项措施 , 保证线 圈牢固固
3) 连线接头由螺栓改为钎焊连接 , 所有连线 加强固
(4) 刷系统 这是目前脉流引电动机的薄弱 环节 。 多换正是由于刷架圈的松动 , 中性位 移 , 压指弹簧断 , 压指压力不均匀等等引起的 。 对刷架 系统作
) , 已使
) 更换刷架圈材料 , 并采热处理工艺 , 充 分消除内应力 , 减少刷架圈
4) 刷架圈撑紧螺栓改用牙纹 , 增加自锁能力 ; 5) 改进定位
(5) 挂方式和传动式 传统的方式是抱轴半 悬挂 , 刚性齿轮传动 。 SS 4及以前的机车均采用双侧斜 齿轮传动 , 自 SS 5以后 , 这情况已有了很大变 : 货运机车方面改为单直齿传动 , 相应采用了滚动 抱轴承 ; 在客运机车方面采用了挂 、 性传动方 式 。 这样 , 客运车高速运行时 , 机承受的振动和 击显著减小 , 改善了电机的工作条件 ; 与此同时 , 由于 簧下量的减小 , 也减少了机车对线路的力作用 。 3. 3
牵引电机的运用可性与电机制造工艺有着特别 重要的关系 , 但这一点往往被人们忽视 。 电机在运行中 出现故障常常是由小艺疏忽所起 , 例如铁 心毛刺没清除干净 , 线圈与铁心间对运动等导致 绝缘的早期故障 。 近年来在总结以往经验教训及消化 吸收国外先进技术的基础上 , 牵引电机的造工艺也 有了显著的进步 , 有以下方
(1) 绝系统采用真空压力浸漆艺 , 一些工厂 引进了国先进的压力浸渍设备 , 提高了浸渍质 量 ; 一些工厂已率先采用旋转烘焙工艺 , 防止了无溶剂 漆在烘焙过程中因高
(2) 换向器升片与电枢导线已普遍采用
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12— 第 5-6期 柯以诺 :脉流牵引电动机的发展
气保护焊 , 避免甩锡 、 虚焊所引起的故
(3) 电枢绕组端部采用钢丝预及网状玻璃 丝无纬带提高了绑紧力 , 保证了绕组端部的
(4) 强化换向器片装 、 及动成型工艺 , 确保换 向器在高速时的稳
(5) 定子连线与线引头之间采用低温银焊片 钎焊代替螺栓
(6) 改善电机制作场地的清洁度 , 圈制作及 轴承组装工地 , 因要求更高 , 均建立了隔离的
(7) 随着机座结构的改变 , 以剪冲代部分 加工 , 以焊接代替大部分的铸造 , 提高了制造精度 。 3. 4
以往是经式设计 , 按已的成熟产品稍作内推 或外延 , 设计保守 , 变化不大 。 现在已普遍采用 CAD 设计 , 大了优选范围 , 加快了设计度 。 与同时 , 开 始利有限元方法对电磁场进精确计和分 析 。 在 1000k W 脉流牵引电动机设计过程中利用换向 磁场元分析结电抗电势的补偿程度 , 对换向极 极形状作了优化设计 , 通过试验验证 , 扩大了原电机 的换向无火花区 。 因此 , 利用计算机这一强有力的手 段 , 有可能进入分析设计的阶段 , 确 、 更合理 , , 3. 5 其
统方面的改进 。
(1) 防转保护措施的完善 。 实践已多次表明 , 在 线路度大 、 弯道多 , 即容易产生空转的区段 , 电机环 火的几率也高 。 我国铁路强调重载 , 粘着利用偏高 , 防 空转
(2) 控制方式的改进 。 电及的平滑调节对 减少电机电流冲击 , 减少空转几率有重
新型电力机车采用相控调压及磁场平滑调节 , 较完 善的转保护 , 无疑已为电机提了较好的工作条 件 , 电机即使在最深磁场削弱工况下运行也
(3) 主电路连方式的改进 。 电机绕组在主电路 中的接线位置对保护电机免受环火的危害有着重要 义 。 主组应位电枢组之后 , 避免一旦发生环 火 , 由于障电流使磁通增加而导致更严的故障 。 其 次 , 补偿绕组和换向极绕组也应接在电枢之后 , 以全 部故障电流通过这绕组致绕组变
(4) 悬挂及传动方式改 , 使电机承受的振动 和冲击大幅度地
总之 , 国的脉流牵引电动机过 40年的发展 , 从 性能满足铁路运输的要求 , 在技术经
4 展望
国外自 70年代后以来 , 由于电力电子技
电子技术迅速发展 , 交流动向直流传动发起猛烈 挑战 。 国内自 80年代也开展了交流传动的研工作 , 并 于 1996年研制出第一采用鼠笼型异步牵引电动机的 电力车 , 迈出交流传动的第一 。 流传了 结构相对简的异步 (交流 ) 牵引电动机 , 但取代直流 电机换器的 , 却是技术更复杂 、 价格更的逆 器 , 这无疑给交流传动的推广应用增添了阻力 。 预计只 有在国内功率器件真正过关 , 逆器价格大幅度降 低时 , 我国的交流传动机车才有可能批量生产 。 因此 , 可以肯定地 , 在相当一段时期内 , 直流传动电力机 仍将是铁路电气牵引的主
另外在中 、 小功率的领域内 , 由于价格的优势和技 术上的熟 , (脉 ) 流牵引电动机仍有较强的争能 力和广泛的市场 。 基于以上两点 , 对脉流牵引电动机我 们还面临
1) 。 可靠性一是国 , , 不仅有设计 、 , 还有境 、 管理 、 运用方面的问题 , 需 要综合治 。 其中很键条是提高机的振能 力和减少电机所承受的振动和冲击 。 另外 , 在改进工艺 方面也有大量工作要做 。 与此同时 , 应重视对已在运 行的数万台直 (脉 ) 流牵引电动机的护和修理 , 通过 改造提高其靠性和耐
(2) 根据市场需要开发产 , 重视产品的系列 化 、 通用化和标
为满足我国铁路输重载 、 高速的发展需要 , 牵引 电动机将向更大功率发展 。 例 , 为应重增加 , 运电力机车的轴功率增至 900k W ~950k W ;
为实现这些标 , 需要深入开展以下作 :(1) 加强电子计算机电机设应用 。 用有 限元法对电机磁场 、 温度场 、 零部件应力和振动及换向 进行分析 ; 开发自动化设计系统 , 对设计方
(2) 开发 C 级绝缘系统及配套材料的国产化 。 (3) 加强换向器制造工艺 , 提高其高时的动态 定 , 一步善电刷及刷握装置的性能 。 我国的脉流引电动机经过 40年的发展程 , 进 步是巨大的 , 成绩是喜人的 。 然而今后的任务仍然 巨 , 需要我们不地付
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22— 机 车 电 传 动
1998年
牵引电动机能耗的比较
设计?研究
牵引电
川村淳也
等
（日）
【摘要】铁路运营门正尽力改善新干线和窄轨列车的运行耗。列车传动系统最近大多采用感应电动机（ＩＭ），但预计永同动机（ＰＭＳＭ）用作牵引电动机，可以降低能耗，因为ＰＭＳＭ子损耗比ＩＭ少。即使效率提不多，也可明显节能，因为大量的能量消耗在列车运行中。文章通过数字仿真比ＰＭＳＭ与ＩＭ的能耗，实ＰＭＳＭ的能
关键词：牵引电动机；
中图分类
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１－８４１０（２００４）０５－００１３－０５
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｒａｉｌｗａｙ ｏｐｅｒａｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｍａｋｉｎｇ ｅｆｆｏｒｔｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｉｎｋａｎｓｅｎ ａｎｄ ｎａｒｒｏｗ－ｇａｕｇｅｔｒａｉｎｓ． Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｓ （ＰＭＳＭｓ） ｕｓｅｄ ａｓ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈａｔ ｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ （ＩＭｓ） ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ｔｒａｉｎ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ， ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｌｏｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔｏｆ ＩＭ． Ｅｖｅｎ ａ ｓｍａｌｌ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ， ｓｉｎｃｅ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓｃｏｎｓｕｍｅｄ ｉｎ ｔｒａｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｐａｒｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭｓ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ＩＭｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙｔｈｅ ｅｆｆｃｅｔ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭＳＭｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ； ｃｏｏｌｉｎｇ ； ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ； ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ
０引言
在新干线既有线电动车组，通过车体轻量化和采用再生制动与ＶＶＶＦ逆变器，正在不断使降低能耗的“节能车”。这些车辆牵引电动机采用高效率的感应电机。另一方，近年来，由于以Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系为代表的性能稀土磁铁的出现，有可能利用这种材料设计出高效率的永磁同步电动机，作为继感动机之后下一代牵引电动机正受到关注。为降低声，减少维修等，日本铁综研为既有线电动组开发的全封闭式牵引电动机就采用永磁同步电动机。为此，随着损耗降低，效率提（感应电动机效率为９２％，而永磁同电动机为９７％），可望能也
现在，既有线上大使用自通风感应电动机，运行时通过风来冷却产生的热量。风扇采用与转子直接连接的结。风扇在旋时生与转速３次方正比的损耗，这成为一种运行阻力。这种损耗电动机机械损耗的大部分。近年，为提高运能，正在进行高速化和车体轻量化。高速运行时，机械损耗占牵引动机损耗的比例很高。这机械耗随着有
和电动机类
铁道机车车辆在运中消耗大量的电能。虽然感应电动机效率高，但与其他主电路设备和齿轮传动装置相比还是低的。所以，通过低电动机耗，使牵引电动机效率提高几个百分点，降低能耗的效是很大的。这样，牵引电动机的型和冷却方式对能耗的影响是不小的。因此，对不同类型和冷却方式的牵引电动机损耗和能耗进行了计算和比研。现报导其
１
１．１
牵引电动机的类型
牵引电动机类型
我们计算的牵引电动机是感应电动机和永磁步机。假定感应电动机与铁道综研开发的永磁同步电动机有相同的外形尺寸和
１．２冷却方式
现在，一般异步电动机的冷却方式是自通风式和强迫通式。风式是通过与转子直接连接风扇，把外界空气引入电机内的一种冷却方式。这种方式广泛用于
强迫通风式是由通风机把冷却空引入电机内的冷却方式。种方式要自通风的风扇，机械损耗比自风式的减少了，但需要驱动风机的电力。这种冷却方式用于新干线和一部
此外，永磁步电动机使用全封闭自式，能获得与自通风式感应电动相同的功率。这方式的结构是风扇在机内与轴接连接，通过安装在牵引电动机上部的循环管路能使机内空气循环，产生的热量从机
我们对表１所示的４种牵引电了计算。表１ 作为计算对象的牵引电动机类型和
感应电动机永磁同电动机自通风式全封闭
冷却方式
强迫式 迫通风式小时额定功
驱动方式 平行万向轴齿轮式挠性联轴器牵引
比于转速的次方。图１表示各种冷方式的损耗，是参考实测结设定的。通风和全封闭自冷式的机械损耗大约自通风式的一半。此外，强迫通风和全封闭自冷式中，在高速区域强迫通风式的机
２．２空载损耗
如上所述，永同步电动机在惰行时即空载，不仅有机械损耗，还有永久磁铁磁引起的。因此，与应电动机相比，惰行时的损耗有可增加。不能说额定点效率高，总的能耗就比异步电动机小。在评价能耗时，还需要掌握包括惰行
因此，对永磁同电动机的空载损耗，根据惰行法空载损耗测定法进行了测定。然后用从空损耗中区机耗和铁耗的法，在磁铁未埋入转子的状态下测定空损耗（即机械损耗），以此为机械损耗。铁耗则由空载损耗和机械损耗之差求得。根据惰行法定空载损耗和机械
２牵引电动机损耗
２．１损耗
铜耗是由运行时的电流通过定子组的电阻产生的损耗。感电动子铜耗是在端环和导条上流过电时的损耗。永磁同步电动机的转子是将永久磁铁埋入铁心的结构，原理
２．１．２铁耗
铁耗是穿过定子心的交变磁场变化时产生的涡流耗和磁滞损耗。涡流损耗正比于转速二次，磁滞损正于转速。永同步电动机是永久磁铁埋入转子的结构，以，虽然不从外部供给电，但永久磁铁会产生穿过定子铁心的磁通。因此，惰行时，永久磁的磁通也产生铁耗。２．１．３机械
机械损耗分轴承部分摩擦损耗和随冷却风扇旋转产生的风损。牵动机的轴承使用球轴承和滚子轴承，风损耗相比，摩擦损耗很小，所以机械损耗主要是冷却风扇引起的风损耗。
图２
空载损耗和
２．３损耗计算
为计算能耗量，在进行各工作点（由牵引动速和转矩确定的工作点）的损耗计算时，将牵引电动机用等效电路来表
于是，根据感电动机和永磁同步电动机实试验结果计算等效电路常数，再算运行时工点的损耗。永磁同步电动机使用铁道综研开发机的试验结果；感应动机使用与试制的永磁同步电动机有同样外形尺寸和输出功率的典型感应
计算等效电路常数的等效电路模型，感电按ＪＥＣ，永磁同步电动机使用基于ＳＶ法导出的电路方程描述的
此外，本文的目的是比较不同类型的牵引动耗，所以在计算各种牵引电动机的能耗时，也求出了能耗最少的电流和
２．４牵引电
图１
机械损耗
图３是牵引电动
１５
（１）求出。
Ｒ＝（１．６５＋０．０２４７Ｖ）ｍＭ＋（０．７８＋０．００２８Ｖ）ｍＴ＋
２
９．８１［０．０２８＋０．００７８（ｎ－１）］Ｖ ………………（１）式中：Ｒ——运行
Ｖ——电动
ｍＭ——一编组中动车总质量产生
ｎ——编组车
坡道阻力
Ｒｓ＝ＳｍＲ …………………………………………（２）式中：Ｒｓ——坡道阻
Ｓ——坡度，‰；
ｍＲ——编组中动车总质量产生的负载，ｋＮ。此外，动方平行万向轴方式，所以，减速齿装置会产生动力传递损失。传动效率按ＪＩＳ规定计算。３．２能
表２
参数编组
乘坐率／（％）
启动加速度／ｍ?ｓ－２制动速
运行时间／ｈ
（１）按
感应电动机和永磁同步电动机损对列车速度的变化有不的结果。感应电动机中，铁耗和铜耗随速提高而下降；在永磁同步电动机中，定子铜耗随速度提高而下降，但
（２）
在各种电动机中，按却方式进行了比较。自通风式感应电动机，在高区是机械损耗为主。所以，从７０ｋｍ／ｈ附近开始，铜耗和耗下降，但与机损加量相比，其降量还是小，所以总损耗（各损耗之和）随着速度提高而增加。另一方面，强迫通风时，与铜耗和铁耗下降量相比，机械损耗的增加量，故总损耗增加量很少。在永磁同步电动机中，全封闭自冷式强迫通风式的机械损耗变化不大，总损耗的
３仿真
３．１仿真条
仿真对象为既有典型直流电动车组。计算对象的运行件如表２所示。运行条件设为通勤运输和近郊输。这是为最高速的不和停车站数多少对能耗有什么样的影响。如所述，冷却方式有自通风式强迫通风式的感应电动机和全封闭式及强迫通风式的永磁同步电动机，但强迫通风假定在运行常常开启冷却用风
列车必须在曲线、下坡道、区段确定的限速以的速行。因此，在坡道区段和曲线区段考虑了对各速度的限值。此外，因为运行在坡道
运行条件
近郊运输３Ｍ５Ｔ１００３２７６．５３（９８：１５）８２０（计
０．６９７０．８３ １３０ 约２００ ２１ ２．１０
通勤运输３Ｍ４Ｔ１００２７０７．０７（９９：１４）８２０（计
０．６９７０．８３１１０约１００４５１．５４
１６
牵引电动机能耗的比较变流技术与电力牵引６／２００４
变流技术与电力牵引６／２００４ 牵引电动机
１７
同，平均度也不同。牵引动机损耗如前述与速度有关，所以运行速度范围不同，各损的大小与比例也不同。这次仿真中勤运输的平均速度约７０ｋｍ／ｈ，近郊运的平均速度约１００ｋｍ／ｈ。各种用途中牵引电机损耗与图３中各种用途平均速度下各损耗的比例几乎为同样的趋势。此外，比较各种途下的损耗，自通风式感应电动机损无论哪一种用途时都最；强迫通风式感电动机通勤运输损耗在其次，而近郊运输时损耗最小。所以，不同类型的牵引电机如用于不同场合，即运行速度范围同，损耗的牵引电动也
表３表示自通式感应电动机的牵引电动机损耗１００％时，各种用途下不同牵引电动损耗的比。对于自通式感应电动机，强迫通风式感应电动机约减少１０％￣３０％，全封闭自冷式永磁同步电动机约减少２８％￣３０％，强迫通风式永磁同步电动机减
降低了能耗。
表４表示各种途中把自通风感应电动机的总能量设定为１００％时，各牵引电动机的总耗量对此比。相对于自风感应电动机，强迫通风式感应电动机能耗减少约２％￣５．５％，全封闭自冷式同步电动机的能耗减少约５％￣６．５％，强迫风式永磁同步电动
现在，既有上一般使用自通风式感应电机，但同样是异步电动机，如果却方式风式改为迫通风式，则也能节能约２％￣５．５％。此外，永磁同步电动机采用全封闭自冷式能节能约５％￣６．５％，采用强迫通风
比较自通风式和强迫通风式感电动机的总能耗时，强迫风式动机总能耗减少了，但强迫通式还需另外使用冷却风机。这时要考虑通风机成本和安装位置、工作
５结语
在不同类型和冷却式的牵引电动机中，通过仿真算出了牵电动机损耗和能耗量。此外，对不同用途方式下的化情况作了较，结果下。（１）在各种用途中，假定自通风异步电动机的损为１００％，则算出强迫通风异步电动机为７０％￣９０％；全封闭、自冷式永磁同步电动机为７０％￣７２％；强迫通风式永磁同步电机
（２）因为牵引电动机损耗随列车速度变，所于车辆的运用方法不同造成运转速度范围的不同，牵引电动机损耗和能耗
（３）在各用途中，假定自通风式应电动机的总能耗量为１００％，则出迫通风式感应电动机为９４．５％￣９８％；全封闭自冷式永磁同步电动机为９３．５％￣９５％；强迫通风式永磁同步电
（４）既有线常用自通风式感应电动机改
图６
４．２
能耗计算结果
总能耗
却方式，或改用永磁同电机时，牵引电动机损耗和总能耗量都将
仿真时假定使用逆器驱动交流电动机，再生制动时将机械变成电能，返回接触网，供其他电动车组使用。所，由牵引能量再生能就是际消耗的电能，这个电能称为总能耗量。图６表各种用途中各牵引电动机总能的计算结果。图６上算出了每公里电能。可以证实全封闭永磁同步电动机的效率自通风感应电动机提高了５％；由于损耗
（参考文献８篇略）
译自《铁道综研报告》２００４，№５译者：姚永康校者：
脉流牵引电动机的换向及脉流牵引电动机的出厂试验
湖南铁道职业
课题名称:脉流牵引电动机的向
引电动
专 业 系 铁道牵引与动力学院
班 级 神华铁路订单班
学生姓名
指导老师
完成日期
湖南铁道职业
2013
一、课题名称
脉流牵引电动机的換向及脉流引动机的出厂试验(主要针对使用SS型电力机车的学
二、指导老师
赵承荻
三、设
1(课题概述
牵引电机被称为电力机的心臓，牵引电动机的运行性能及运行状态直接关系到整台机的运行性能。由于牵引电动机工的特殊性(如因安放在机车车体下部两个车动轮之间，因而毎台电动机的体积寸受到格的限制，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行时，各台牵引电动机负荷分配的不均匀，机运行时负载变化大等多因素)，使牵引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较高，在机车检修工作中，对牵引电动的检修项十分重要的
本课题重点究脉流牵引电动机的工原理、基本结构、脉流牵引电机的换论及改善换向的措施。同时学习与研究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
2、设
1)毕业
(1)脉流牵
(2)脉流牵
(3)SS4型机车用ZD105型脉流牵引电动机的基本
(4)脉流牵引电机的换向特点及改善换向的
(5)脉流牵引
2)毕业设计部分
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(1)脉流牵
(2)脉流牵
(3)脉流牵引电动的试验设备、试验线路及试验
(4)脉流牵引动机的试验结果分析与
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
2(电力机车电机 周立主编 中国铁道出
3(电力机车电机 张龙主编 中国铁道出
4(电力机车检修 莫坚主编 中国铁道出
5(韶山4改型电力机车员 杨兆昆主编 中国铁道
6(韶山8型电力机 赵叔东主编 中国铁道出
7(实用电工手册 承荻 李乃夫主编 高等教育出
8(电工实用手册 刘光源主编 中国电力出
9(电气技師手册 张友 赵承荻主编 福建科学技术出版社 五、设计说明
1(封面
2(目录
3(内容摘要(200,400字左右，中英
4(引言
5(正文(设计方案比较与选、计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及
6(结束语
7(附录(参考献、图纸、材料清单
六、毕业
第1周(本阶段末): 毕业设计开题 老師讲
第2-5周(暑假):生收集资料、上网查询、整体构
第6-8周(下阶段1-3教学周): 老師讲辅，生在老師讲解辅导的基础通过参阅相关资料、上网查询初步完成脉流牵引电动机的工
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结构、脉流牵引电动机的向论及改善换向的措施等内容毕业设计论文
,11周(下阶段4,6周): 老師讲解辅导，学生在老師讲解
的基础上通过参阅相关资料、上网查询初步完成脉流引电检修后的出厂试验项目、内、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
第12周(下阶7教学周):答辩准
第13-14周(阶段8-9教学周):
七、毕业设
1(毕业
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设说明或毕业论文、专题报告等必要资料交指导老师审阅，由指导老师写出审
学生答辩对自述部分应写出书面提纲，内容包括题务、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
答辩小组质询课题的关键问题、质询与课题密相关础理论、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、
(毕业设
文字要求:说明书要求打印(除图纸)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允
图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布理，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
曲线图表要求:所有曲线、图表、线图。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
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摘 要
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Abstract
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目录
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引言
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第一章 直
1.1 直
1.1.1
直流电动机是依据流体在磁场中受力而旋转的原理制造的。通常将磁场定不动(该磁场可以由久磁铁产生，也可由带心的通电线圈产生)，而导体做成以在磁场内绕心轴,,′转，如图4-1中的线圈abcd(称为电绕组)所示。为了能把电源引入到旋转的线圈中去，采用了电刷与换向器结构，线的ab边cd边分与两个互相绝缘半圆形铜环相连，而电刷,和,用弹簧压在铜。电刷,、,固定不动，并分别与外电源的极和负极相接。对应于图4-1(a)，导体cd通过铜环与电刷,(,)接，而导体ab则过铜环与电刷,(，)接。导体中的电流方向如图中的箭头所示，根据手定则，可以判断出体受力的作用，而使整个线圈abcd绕轴,,′以逆针方向旋转。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转动期惯性使线圈继续动，越中线位置。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相接的环与电刷,(,)接触，与导体cd相连与电刷,(，)接触。照4-1(a)及4-1(c)可以看出，位于相磁极下的导体然发生了变化，但由于刷及铜环(通称换向器)的作用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旋转，故电动机能续运转。由此可以归纳出直流电动的工作原理:直流电动机在外加直流电源的作用，在可绕轴转动的体中形成电流，载流导体在磁场中到电磁的作用而旋转，借助于电刷换向的作用，使电动机能连续运转，从而将直流能换
由上分析可见，当线圈在水平位置时，转动力大;在垂直位置时，转动力最小。单线圈枢在一周内的转矩曲如图4-2所示，单线圈电枢的电动实用价值很小，双线圈电的转矩曲线如图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
直流电动机典型的电枢结可看图4-5所示，它有许多个线圈及换向片
4-1
4-2 4-3
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1.1.2 直流电机工作的可逆性
根据理学中的电磁感应原理，用外力使图4-1中的导体abcd绕OO’旋转，则导 体 abcd将切割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
由以上分析可见，直流电机的运行是可逆的，即一台直电机既可作直流发电机运行，又可作直流电动机行。当输机矩，使机转而产生感应电动势时，即是将机械能转变为流电能输出，作直流发电机行。反之，当输入直流电能，产生电磁转矩而使电机旋转时，则是将电能转为机械能输出，此时
1.2
图4-4分为Z2及Z4系列直流动机外形图，其中Z4系列直电动上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
1.2.1 定子
电动机中静止不动的部分称为定子。包有
4-4
1、机座
机座是作为电动机的磁路，另外用来安装主极、磁极和前、后端盖等部件。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
2. 主磁极
其作用是产生主磁场。永磁电动机的主磁极接由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
(1) 主磁极心 作为电动机磁路的一部分。由于枢在旋转时，电枢铁心上的槽与齿相对于主磁铁心在不断变，即磁路磁在不断变化，从而在主磁极铁心中将引起涡损耗，为减小此损耗，主磁极心一般用1,1.5mm薄钢板冲制成型后，再用铆钉铆紧成一个整体，后用螺钉固定在机座
(2) 主磁极绕组 用来通入直流电流，产生磁磁。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
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经绝缘处理，
4-5
3( 换向极
用来产生换向磁场以善直流电动机的换向。换向是一个相当复杂的程，在换向时，将在电刷与换向器的接触面上产生火花，不于电动机的运，在功率稍的直电动机上都装有换向极来减小火花，改善电动机的换向。向极也由换向极铁心和换向极绕组组成，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隔排布在机座
4( 前、后端盖
用来安装轴承和支承整个转重，一般为铸钢件。前后端盖利用螺钉固定在机座
5(
通过电刷与换向器表面间滑动接触，把电枢绕组中的电流引入或
电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部组成，图4-5所示。对电刷的要求是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
1.2.2 转子
转子通称为电枢，是电动机的旋。由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部分
1(电枢铁心
作为磁通通路的一分，并在铁心槽内嵌放电枢绕组。由于电铁心不断地在N极和S极下旋转，使通过电枢铁心中磁通大小及向不断地变，此将产生磁滞及涡流损耗，为了减小磁滞及涡流损，电枢铁心一般均用0.35~0.5mm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槽，用以嵌放电枢绕组。图4-6(a)所
4-6
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2(电枢绕组
用来产生感应电势和通过电流，实现机电能量的相互换。电枢绕组通常都用圆形(用于小容量电动)或矩形(于、中容量动)截面的导线绕制而成，再按一定的规律嵌在电枢铁心槽内，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，成为一个完整的电
3(换向器
换向器是把外界供给的直流电流变为绕组中的交变电流以电动。 换向器是由换向铜片和云母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
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上一块铭牌，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
1(
表示电机按规定方式额定工时
2(额定电压U N
指在正常工作时电机出
3(额定电流I N
对应额定电压、额定功时
4(额定转速n N
指电压、电流
5
励磁方式是指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。一类由久磁铁产;另一类是利用给主磁极绕组通入流电产生，根据主磁
(1)永电动机 开始永磁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材料的发现，使目前永磁动机的功率已毫瓦级发展到100kW以上。目前作永磁电动的永磁材料主要有铝镍、铁氧稀土(如钕铁硼)等三类。永磁材料制作的直流电动机又分有刷(有电刷)无刷两类。永磁电动机由于其具有体、结简、重量轻;损耗低、效率高、节约能源;温升、可靠性高、使用寿命长;适应性强等突出优点使用越来越广泛。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;其他方面应用如汽车用永磁电动机、电动自行车用永磁动机、直频空调用永磁电机
(2)他励电动机 它的特点励磁绕组(主磁极绕组)由单独的流电源电，如图4-7(a) (3)并励电动机 励磁绕组与电枢绕组联，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，和流过
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，则不同，总电流，=，+，，如图4-7(b)所示。 faf
(4)串励电动机 励磁组
(5)复励电动机 励磁绕组有组，
若复励电动机的两组励磁绕组产生的磁方向致时，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
关于绝缘等级、定额含可参看三相异步电动机铭牌中的说
4-7
1.3 直流电
1.3.1
直流电机电枢在旋转，上的每个绕组元件都要切割主磁场，从而产生感应电
通过数学导可得电枢回路的感应电动
E,C,nae
(4-1)
式中， C为直流电机电势数，对于已制成的电机有确定值;φ 为气
极磁通(wb);τ 为
当直流电机作发电机运行时，生感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
E,U，RIaaa
(4-2)
式中， E 为 发电机感应电势(V);U 为
直流电作为电动机运时，电源供给直流电流，导体ab、cd中的电流方如图4-8小圆圈内的符号所。载流导体在磁场内受力的作用而形电磁转矩，使电机旋，并拖动机械载。动机转动后，导体ab、cd又切割磁场而产生感应电动势，方(用右手定则)如图4-8小圆圈外的符号示。可见感应电动势的方向与外加源电压(电流)的方向正好相反，因此称为反电动势，起到与外加电电压平衡的作用。由图4-7(b)所示(或他励)
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电路图可得
U,E,RIaaa
(4-3)
式中， U 为电枢电动势(V);E为电枢电动势(V);R 为电枢绕组电阻(Ω);aa
I为电枢支
1.3.2
不论是直流发电机或直流电动机在负载状态下工作，电组中都有电流通过，因此在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
T,CΦITa
(4-4)
Φ，为每极磁通(Wb);电
磁转矩(N?m)。
对电动机说电磁转矩是拖动转，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。对发电机来电磁转矩则为制动转矩，动机必须克服磁转矩才能使电枢旋转而发出电能。原因可用图4-9加以说明，当原动机动发电转速n顺时针旋转，导体ab及cd切割磁场产生感应电动势和电流(在小圆中用×及?表示电流方向)，同时载流在磁中又受到力的作用而形成电磁转矩，方向(用左定则判定)与发电机的旋转向正好相反，故电磁转是一个制动转矩，与原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，是原动机拖动发电机的机械转矩也必须增大，克服电磁矩，使发电机继续稳运
4-8 4-9
1.3.2
对他励直流电动机而言，
2UI,EI，RI aaaaa
即 P,P，,P 1Cu(4-5)
式中, P为电动机输入电
对并励或串励电动机而，损耗除电枢绕组电阻R上的损耗外，还
括电流在励磁
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电磁功率在转换电机轴上的输出功率P的过程中，有一小部分
克服电动机的机械损耗损耗(总称空载损耗)，用ΔP表示。
则 ,，Δ，Δ,，Δ PPPPPP120Cu2(4-6)
式中 ，P为电动机输
直
PP22 ,，100%,，100%,PP，,P，,P12Cu0
(4-7)
1.4 直
直流电动的工作特性主要是指转速特性和转矩特性。谓转速特性是指当加在直流电动机两端的电压不变时，电枢电流与转之相互关系。而矩特性则是指当加在直流电动机两端电压不变时，电电流与电磁转矩之间的相互关系。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化关系是很重要的特性，种特为机械特
当电动机的励磁式同时，主磁通φ随负载电流I的变化而变动
不同，导致不同励磁方式的直流电动机性有大差别，下面分别加以讨论。 1.4.1并励电动机(他励电动机)
1( 转矩
当电源电压U不变，励磁电流I也不变时，电磁转T与电流I之间的fa相互关系
与I近似为正比关系，如
2(
当电源电压U不变，励磁电流I也不变时，转速n
U,RIaan, C,e
(4-8)
由于电枢绕组电阻R一般小，因此压降RI很小，即并励电动机转速随
枢电流的增加稍有下降，如4-10曲线n,f(I)所示。这种特性称硬特
3( 机械特性n,f(T)
直流电动机速n和电磁转矩(可近似作输出转矩)T之间的关系即为机特性。电动机言，电磁转矩正比于，故只要将
4-10 4-11
湖南铁道职业
1.4.2
1( 转矩
当电源电压U不变时，磁矩T与电枢电流I之间的关系即为转距
当电枢电流I比较小时，磁通φ正比于电枢电流I，故有 aa
2T,CΦI,KI Taa
(4-9)
即电磁转矩正比于电枢电流的平方;当电枢电流较大，动机饱和时，Φ为常数，则电磁转
2(
当电源电压U不变时，电转速n与电枢电流I之间的关系即为转速
Φ当电动机轻载时，则对的
见，电动机转速n与电枢I成反比，曲线为双曲线。当电动机空载
载电流I很小，电动机转相当高，可能造成机损事故，因此串励电
允许空载运行。当电动机较重时，即I较大时，由于磁路饱和，φ
变，串励电动机转速特性就与并励电动机相似，即向下，如图4-11曲线n,f(I)所示。该曲线的特征是从空载到满载，电动机转速变化很
性称为软特性。
3( 机械
电动机转速和转之的关系即为机械特性。对串励电动机而言，
Φ流I很小时，也很小，时
可知应为很大。当电枢电I较大时，φ也较大，此时电磁转矩T也较
转速n则小，由数学分析及实践运证明，其形状也相似于双曲，因此，同并励电动机一样，将图4-11中
1.5 直流电动的起动、调速、反转与
1.5.1
直流动机由静止状态达到正常运的过程称为起动过程，直流电动机在动过程转速发生化，而且转矩、电流等也在变化。直流电动机起动的要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
1( 全压起动
全压起动又称直接动，即直流电动机在起动时，给电动机额定电压U直接起动电动机，如图4-12所示，起时先合上开S1，建立主场，时在电枢绕组上加额定电压，使电动机起动。在动开始瞬间，虽然给电动机加上源电压U，但由于转子的惯性，一开始转速n,0，故反电动势E,Cφn,0，由ae式(3-3)可，此电枢电流I
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U,EUa I,,,IastRRaa
(4-10)
将此时的电为称起动电流，用表示。于电枢绕组的电阻一般很小，IRsta动电流大，中、小型直流电动机约为定电流的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
(1) 电动机的电刷换器之间产生强烈的火花而导致电刷与换
的烧损;
(2) 产生很大的转使动机构和生产机械受到强烈的冲击而损
(3) 使电网电波动，影响供电的稳定
由于上述原因，除小容量的电动机以外，一般允许压直接起动。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
直接起动优点是所需设简单，操作方便。缺点是起动电流
2( 降电源电压起动(降压起
可以采用晶闸管构成的可控整流电作为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
在直流电机起动瞬间，为其供给较低的直流电压，以，随着电动机转速的升高，逐步增加直流电压的数值，直电动机起动毕运行时，在电机上的电压即是电动机的额定电压。用降低电源电压法起动并励电动机时必须注意: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比较大，但起动转矩却很小，电动能无法起
例4-1 有一台流电动机，电枢绕组电阻R,0. 4Ω，额定电
110V，设磁通恒定不变，n,n时，E,100V，求:(1)额定电流I;(2)直NaN起动时的起动电流I;(3)要使电动机起动瞬时的电流I限制在2
流之内，求
U,E110,100na
U110n (2) A,275A I,,stR0.4a
U1(3) I,,2I 1Ra
V,20V U,2RI,2，0.4，251an
3( 电枢
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图4-14所示。通常可按起动电流限制在(1.5,2.5)I的范围内来选择起动电阻
起动过程中，随着电动机速n的升高，E也随着升高，电枢电流就相应地
为了保持一定的加速转矩，将
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直流电动机起动用的起动变阻器外形图，起动时起手图中所示的位置，开始起时，全部起动电阻R均串入电枢回路，起动电流被限制在允
内，随着电动机转速的升高，将轮逐步向右旋转，起动电阻逐渐切(电阻值逐步减小)，电动机转速不升高，直到手轮右旋到底，被失压线圈的磁力吸住，此时R,0，电动机起
电枢回路串电阻的动方法所需设备较简单，但在起动过程起动电阻上有能量损耗。而降低电源电压起动则所设备较复杂，价贵，但起动程中基本上不损耗能量。对于小功率直流电动机般用串电阻起动;容量稍大但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、运输械上的电动机则宜用降低源压的办法起
4-13 4-14 4-15
1.5.2
n直流电动机的调速是指用人为的办法来调节动机速。由公式 = URI,aa可以看出，直流电动机的转速调节有以下几种方
(1)
(2)
(3) 改变电枢回路的电压降,I，通在
1. 改变电源电压,
目前广泛采用晶闸管整流装置作为一个输电压的直流电源，给直流电动机电。对于并励电动机而言，可调直流电源只能加在电枢回路
(1) 调速范围宽广，可从低速一直调到额定转速，速度变化平滑，通常称为无级
(2)
(3) 转速只能由额往低调，不能超过额定转速(因端电压不能超过额定电
(4)
随着电子技的飞速发展，这种调速方已被越来越广泛地采用。在晶闸变流术用以前，流电动机的调压调速一般采用流他励发电机―直流电动机组来实现，通称F,D系统，许多大型的龙门刨床、重型镗
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用此系统。它由三相异步电动机拖动直流他励发电机，由电机调的直流电压，供电给直流电动。由于F,D系统所需电机数量多、效率低、噪声及干扰也较大，故已
2. 减小主磁通Φ
当直流
变时，如
动机的转
称为削弱
机而言，可在励磁回路中联
所示;对串
励磁回路两
,如图4-16(b)所示，以减pf
小流过励磁
降低，从而达到调目的。这种调速方法的特点
(1) 由于调速在励回中进行，功率小，故能量损耗小，控制
(2) 转速只能从额转向上调，且调速范围一般来讲比较窄，
助调速之用。
(3)
3. 电枢回路中串入调速电阻
调速方法接线与图4-13及图4-14相同，但必须注意，速变可作起动变阻器用，而起动变阻器能用于调速，因为起动变阻器是按短时工作设计的，如将它用于调速，则
该调速方
(1) 所需备较简单、成本较低，因在小功率直流电动机中用得较多。20世纪70年代前，于晶闸管调压技术尚未大量采用，而在某些功率稍大的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
(2) 电动机转速只能调低，且级调速。特性曲线较软，即负载变动时，电动机转速变化
(3) 在调速电阻上较大的能量损耗，即经济性能较
目前此种调速方法已基被晶闸管可调直流电源调速代
1.5.3 直流电动机的反转
直流电动机的旋转方取决于磁场方向和电枢绕组中的电流方向。只要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变。因此改变直电转向的方有两:一种是改变主磁场的方向，即将励磁绕组与直流电源的对调，称励磁绕组反接法;另一种是变电枢绕组中的电流方向，称枢反接法。分别如图4-17所示。必须注意:如果同时改变磁场的方向和电枢绕组中的电方向，电动机转
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4-17
1.5.4
在际应用中有时使机械迅速停转，有时需限制机械的转速(如起重机下放重物、电车、电传动机车坡等)，以免发生危险，为此就需电动机实施制动。所谓就是加上一与电机转向相反的转矩，用来使电动机迅速停转或限制电动机的转速。果制动转矩是用机械制动闸的摩擦转矩产生，则称为机械制动;如果是电动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矩的方法不同又可分为再生制动、电阻制反接制动等
1(再生动(又称回馈制动、发电制
所谓再生制动是电机此时发电机状态下运行，将发出的电能反送回
U,Ea 由式I,看，当电机作电动机状态运行时，则电源电压U大
反电动势E，即U >E，故I与U同方向。如电机在行时某种原因使E > aaaa(例如起重机下放重物，运输机械下坡等)，则电枢电流I方向就改
I与U方向相反，电机向电网输送电能，这时电机电T,CφI，也因aMaI的反向而改变方向，即与电机转动方向相反，故起制动转矩
怎样才使电机的反电动势E大于电源电压U,由式E,Cφn可知，如aae果电机的磁通φ不变，则只使机的转n高理想空载转速n即可使E > U。0a因当电传动机车、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n时，即作发电机状态运行，产生制动转矩以限制电转速继续上升，
同时向电网输送电能。对励电动机而言，由于磁通随I的变化而变
能保持不变。为此串励电动机如要进行再生制动，必先将电动机改为他励，由专门的低
2(电
将电机的电枢绕组电源上切除(磁极绕组仍接在电源上)，电靠惯性将继续转动，此时电机已处于发电机状态运行，但不是将电能送网，而是耗在用电阻R(称制动电阻)的发热上。如图4-18所，转动时只需将开关S合向下方，时励磁电流仍由直流电源供电，产生恒定的磁通φ，电枢靠惯性继续旋转切割磁通φ而生感应电动势给制动电阻供，
电阻的发热上，而电枢电I则与电动机运行时的方向相反，故产生的
矩为制动转矩，对电机实行制动。
电阻制动与再制动相比所需设备简单，成本。但能量无法利用，白白的损耗在电阻发热上。动方法在输、起重设备上应用较广。电阻制动另一不足之处是不易对械迅速制停，因为当电机转速越慢时，则E越小，Iaa也越小，使制动转矩(电转矩)相应减
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3(反接制动
反接制动利用改变加在枢组上的电压方向(使I反向)或改变励
的方向(使φ反向)，从电磁转矩反向成为制动转矩。因此反接制
理实际上与反转原理一样的，只是要注意以下两
(1)电枢绕组反接时，一定要在电枢回路中串接阻电枢电流I的a数值，如4-19所示，否则在反接的瞬间，反电动势E数值未变，
同方向，故在该瞬间加在绕组上的电压接近两倍的外方向相反，变
加电压，如不串接电阻，将因
(2)当电动机转速降低近零时就应立即切断电源，否则电动机将
反接制动一般用于要求强烈制求迅速反转的场合，通常只在小功率直流电动机上
4-18 4-19
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第二章 直
2.1 直流电机磁场
2.1.1主磁场
直流电机的载是指电枢电流为零，只有励磁绕组中存在流。因此，空载时电机的气隙磁场完全有励磁绕组的电流产生。且可不影响的一运行态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机时的气隙磁场可以看作就是主磁，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极和极，由于电机磁路结构称，
每对极的磁路是同的，因此只要分析一对极的磁情况就可以了。图是一台四极直流电机空载的磁场分布(一对极的形)。从图中看出，由极 出来的磁通，部分经过气隙进入电枢齿，再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿，又通过气隙进入极，再经过子磁轭回到原来出发
路。这部分磁通时匝链着励磁绕组和电枢绕组，电旋转时，能在电枢绕组中感应电动势，或者生电磁转，这部分磁通为主磁通，用φ表示。此外0还有一小部磁通不进入电枢而直接经过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，称为漏磁通，用φ示。由于主磁通
路的气隙较小，磁导较大，漏磁磁路的气隙较大，磁导小，而
图1.16 直电机空载时的磁场分布
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极靴;2—极身;3—元子轭;4—励磁绕组;5—气隙;6—电枢齿;7—电枢磁
由于主极极靴宽度总是一个极距要小，在极靴下的气隙又往往是不均匀的，所主磁通的每条磁力线所通过的磁路不尽相同，在磁极轴线附近的磁回中气隙较小;接近尖处回路中气隙大。如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通势。因此，在极靴下，气隙小，气隙中沿枢表面上各点磁密大;在极靴范围，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。不虑齿槽影响时，直流电机空载磁场磁密分图1.17
图1.17 流电机空载磁场的磁密
在直流电机中，为了感应电动势或产生电磁转矩，气隙有一定数量的主磁通φ，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
有一定的励磁电流。把载主磁通φ与空载励磁磁通势或空载励磁
流的关系，即φ=或φ=，称为直流电机的磁化曲线，它表明 0 0
了电机磁路的特性。
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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.组中有电流通过电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电
电枢磁场沿电枢表面的布情况，与电枢电流的分情况。在直流电机中，电枢电流的分线是电刷，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
电刷的常位里，应在主极轴线下的换向片，这时与电刷相连接的电枢线圈单元位于几中心线上附。在分析枢场的示意图上常常省去换向器，把电剧画与线圈的导体育接相诈所以正常情况下.电剧百坟画在儿何中心线 下面就电刷在几何中心上和偏离几何中心线
1.
此时，电枢电流电刷为分界线，相邻两电刷间的电圆周上的导体电流方向都相同，而每一电刷两侧的导电方向相反。此，只要电刷不动，不论电枢是静止或者转，电枢表面电流分布的情总是不变的，所以电枢电流产生的电枢磁场在空间总是静止的。图1—28所示为两极电机电枢电流的方向
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枢磁场分布情况。
两极电机的电电流和磁场电枢磁场磁通的方向导体电流方向间符合右手螺旋定则，这时枢可以成个电磁铁，白的N极和S极位于电刷轴线上.因此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
可应用全电流定律进行分。将图1-38展开成电枢磁势在空间的分
图1-39,图(a)表示电枢电流和磁通的分布，由图可见电枢支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称分布。以支中点准，任取磁通，通过磁通管所形成的回路的磁势Fa等于此回路中所的全电流。因此，对应主极中心点，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，则电磁势的分布曲线为一三角形，图1-39(h)
三角形分布的电磁势将产生怎样的磁密分布呢?图1-39(e)可以看到，每一电枢磁都经过电铁、气隙和主极心形成闭合回路，由于铁磁物质的磁阻对空气磁阻数值很小，可以为，上述闭合磁路中的盛势全部降在两个气晾上。因此，电枢磁势生盛场的磁通密度
a轴
图t-3a
阳les39
刀一，。Fo0s
(1-22
式中s'为有效气隙长度
在磁极下面，气隙的长不变，可以认为B.随Fe的增加而增加;但在极间区
于空气隙变得很大，虽然续增加，但磁密B。反而减少所以B。的
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为马鞍形.如1-39(b)所示
综上所述，当在几何中心线上时，电枢磁场有如下特
(1)在空间静止不动;
(2)电枢磁线与主极磁场轴线垂直，为交轴电枢磁
(3)电枢场磁密B。在空间的分布为马
2.2.3 电枢反应
电机在负载运行时，电枢电流产生电枢磁，电场的出现必然会对空载时的极磁场产生影响，称为电枢反应。交轴电枢磁势对主极磁场
直轴电枢磁势对主极磁的影响称为直轴电枢反应 轴电枢
1交轴电枢反应
在一般情况，电刷总是位于几何中线上，电枢磁势全部为交轴电枢势，有轴电枢应，因而这种电枢反应是常见，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
图1-41(b)B.表示空载时由主极磁势单独建立的主磁场沿电枢
梯 布曲线(
形)。图1-41(c)中Ba
形)。当电机磁不饱和时，磁路的磁阻为常值，把B。和B。相加得负载后合成破场沿电表面的分Ba}如图1-41(c)中实线。实际上电机的进往往是饱和的，由于合成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，密减少，如图1-41(c)中虚线
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交轴电枢磁场使电气磁密分布情况发生了变化交轴电枢反应的影
(1)气隙磁场发生畸变。每个极磁场，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
(2)气隙磁场琦变后
1-42所示，在极尖处的磁密大大增加，线圈处在这部位，感应电势很大使所接两个换向间电压很大，可能超过换向片间的安全电压，产生火花或电弧.使
(3)每极磁通减少气隙平均磁密下降。在磁路不饱和时，因主场被消弱的数量等于被加强的数#.所以气隙磁通#和平气隙磁密没变化。实际上，于磁饱和的影响，一半极面下磁通增加的#小于另一半极面磁通减少的#因此负暇时的每极磁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的作用这种去磁作用是通磁路饱作用而产生
2.
电刷不在几何心线时，电枢磁势中包含有交轴和直轴电枢磁势两个量，将同时出现交轴电枢反应直轴电枢反应。交轴电枢反应的影如上所述。直轴枢磁主极轴线重，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，磁作用。去磁作用使电机的每极磁通#降，导致电枢电势显奢降低;增磁作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降，导枢电动势显
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2.2
2.2.1
人们从生产实践中发，直流牵引电动机运行时，其电刷与换向器之间常伴有火花。火花通常出现在电刷的后刷边，发生火花是直电机换向不良的接。如果火在电上的范围很小，亮度微弱，呈浅蓝色，它对电机运行并无，不必要求绝对没有火花。但当火花电刷上的范围较大，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流电向性能的
火花等级
火花等级 电刷下火花程度 换向器及电刷的
1 无火花
换向器上没有黑痕及电刷上没有灼痕 电缘仅小部分(约1/5至1/4刷边11 长)有断续的几点点
电刷边缘大部分(大于1/2刷边长)换向器有但不发展，用汽油即能11 有连续的较稀的颗粒状火花 擦除，同时电刷上有轻
电刷边缘大部或全部有续
2 粒状火花，开始有断舌状火花 电刷上灼痕;如短时出现这级
向器上不出现
电刷整个边缘有强烈的状
有爆裂声 电刷上灼痕;如这火花下短时运3 行，换向器上将出现灼痕，同
被烧焦或损坏
11表中1级、1级、1级均为无害火花，允许机在这些等级火花下长期运22行 。在2级火花用，换向器上出现灰渣和黑色的痕迹，随着运行时间延长，黑色痕迹将逐渐扩，电刷和换向器磨损也显著增加，因此2级火花只允许短时出现。电机运行时绝不允
直流和脉流引电动机由于工作条件恶，如负载急剧变化、电网电压波、强烈振动和击，在脉动电压下工作等，都电机的换向更加困难。为了保证牵引电动机运行可靠，直流牵引电动机在运行时火花等级
1内:在额定场和个削弱磁场级位上正常运时，火花不应超过1级，在其他2情下运行时，不应超过2级。对于脉流牵引电动机，其换向件更为困难，允许在2级花下持续运行。此时，换向器表面将变黑，但只要不损害换向器工作表面，这
直流和脉流牵引电动机在运行的火花情况，除使用专门的仪器侧量外，是很难直接观
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2.2.2 换向的物理过程
为了解每个电枢元件中电流换向过程，以一个叠绕件为例来分析。为了简便起，假设电刷宽度b等于一个换向片片距β，电刷固定不动，
线速度V向
开始向瞬间，电枢转到电刷与向片相接触的位置，如(a)所示。这时换属于电右边的一条电枢绕组支路，元件流过电流i等于电枢绕组支路电流i，设此电流的方向为正;当电枢转到电刷与换向片都接
图(b)所示，向元件被电刷短路，这时随着换向器继续移动，换向元件中的电流i开始减小。当i小到零之，向增加;当枢转到电刷只与换芯片接触，如图(c)所示，换向元件属于电刷左边的一电枢绕组支路，这时元件中的电流仍等于电枢绕组支路电流i，但其方向与来相反，即为-i。
如上所述，当旋转的电枢件从电枢绕组一条支路过电刷电枢绕组另一条支路时，该元件电流从一个方向变换到另一个方向。电枢绕组元件中的电流方向的改
换向元件从换向开始到换向结束所经历的时称为周期，以T表示，如k图所，T也就是换向过程中换向器在空间移动距离b所需的时间。
T是很短的，通常只有千几秒，在这么短的时间内，换向元件中的
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有+i变到-i，因此产较的感应电动势和电势，然很短，但换向过程
复杂。
2.2.3 换元件中的电动势及换向
1、换向
1)电抗电
根据电感应定理，当闭合回路中链变化时，将产生反电动势，力阻止磁的化，即阻电流的变化，这种反电动势电电动势。电抗电动势e的方r向与换向前的电流方向一致，即换向元件中电抗电动势e的作
向的。电抗电动势e的大决于电枢电流和转速，电流越大，转速越
电抗电动势e越
(2) 电枢反应电动势e a
电机负载行时，除了主磁场外，还存在电枢场，如图所示，在几个中心处，主磁场等于零，但存在着强电枢磁。当枢磁场旋转时，处于几何中性线上的换向件，将切割交轴电枢磁场而生电枢反应电动势e，根据右手a定则可以判断e的方向也是与换向电方向相同，即e和e
阻碍电流换向的。
(3)换向电动势e K
上述所讨论的两个动e和e，是没有安装换向极的电机中的换向
中所感应的电动势，它们阻碍电流换向的。换向极极性正确，以使
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与交轴电枢反应磁势相反。这样，当换向元件切割换极，感应产生换向电动势e，
当电机换向时，换向件
=e+e-e ,erKa
当换向电动势e选择的
件中合成电动势=0，此电机能得到满意的换向。如果换向极磁场不合
则合成电动势就不等于零，这时换元件中将产生附加电流。过大的附加电流，会使电机换向
2、换向
如图所换向元件电路，若不计元及引线电阻，换向回路的电阻即电刷与间的接电阻。接触电阻的大小可以认和电刷接触面积成反比，设R为电刷总接触电阻，R、R分别为电刷与换向片1、2的接
Tk R=R 1Tk,t
Tk R=R 2t
3、换向
如图的换向元电，可得换向元件回路的电动势平衡方
( ia+i)R-(i-i)R= ,e12a
换向元
,e(T,t)t2tk i=i(1-)+×=i+i LKa2TRTkk
i 式中 ____直线换向电流 L
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-------附加换向电流 ik
在换向过程中，换向元件中的电流i的情况可根据的不同，可分为电,e阻换向、延迟换向和超越换向三种基
(1)电阻换向
当时为理想换向情况，此，
元件中的电流的变化决换向元件回路电阻，故成为电阻换
2)延迟
ee在一般情况下，换电势并不可能抵消电抗电动势和电枢反应
e势，若换向极磁场较弱，<>
ii附加电流，根据楞次定可
流改变方向的时刻比线换向时推迟，故称为延迟换
ii如图，由于与同方向，应地使后边刷的电流密度增大，前边刷的
密度减小，破坏了电刷下电流布的均匀性，这对换向是不利的，可能后边刷产生
2.3 产
2.3.1 电磁原因
经过不断实践和长期究，现在对电磁原因有一下几种
(1)当电机处于直线向，尽管电流密度可能很大，但电刷下不会产生
i (2)当延迟换向不太严重时，在换向开始结你，附加换向电流都K等于，这时，后刷边电流密度虽然很大，但不产生火花。只有过分
ii当t=T，还未降到零，在向元件和电刷断开的瞬间，换向元件中的以
12Li磁能量的形式释放
i因此，可以认为，加
2.3.2机械原因
由于机械原因，如牵引电动机运行中的强烈振动或刷器装配工艺不符合烧定要求，使电刷和换向器接触不良而产生的火花，称为机械火花。机械原因
1.换向器
(1)换向器表面粗，有毛刺、斑痕及拉伤的沟纹
(2)个别换
(3)换向器装配偏心，换器工作表面变形，如呈椭圆形、腰鼓形
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(4)转子动平
2、电
(1)电刷接触面研的不光滑，接触不良或只是局部接
(2)电刷在刷间隙不合适，造成跳动，倾斜或卡死现
(3)
(4)刷握装置稳固，造成刷握位置偏离几何中心
(5)刷架的定位不准确或安装不牢固
产生机械火花的原因多种多样的，有时可能是几种原因同时起作用。此在电机零部件产生和组装时，必须精心制造和严格工艺要求。机运行时，一出花，应仔细察和体分析，一般来说，机械火花和电磁火花是有区别的。机花呈红色或是黄色，连续而较粗，沿线方向飞出，且在换向器表面产没规律的黑痕。电磁原因引起的火花呈白色或蓝色，连续而细小，基本上都在后刷边燃烧，换器留下律的黑色
2.3.3 化学因——换向器滑动面的
在正常情下，当电机长期运行之后，换向器滑面会覆盖一层很薄的薄膜，电刷在与换向器接时，并不是接换向器铜本接触，而是通过这层薄膜与换向器片接触。获得良好的换向，除保持电磁机械方面的良好条件外，还必须在换向器表面形成均匀而光亮的薄膜层，正常薄膜的出现将预
薄膜的形及其颜色，还与电刷的材质、电的的压力、电流密度，运行时间长短及周围境等许多素关。正常的换器表面薄膜应当是棕褐色，在于电光照下，能反射出光泽，有一种润感。从运用观点来看，只要薄膜是均匀的、光亮的、稳定的和呈褐色的，则标志着电
总之，换器表面状态反映了电机运行是否常。因此，在电机运行时，应当经常注意和查换向器表状态，观察薄的变化情况，许多牵引电动机的故障在未造成破坏前，往往可以根换向器表面的异常状态来进行早期诊断，找出故障发生的原因和部，及时进行处理，以
2.4 改善直
2.4.1 设置换向极
换向极装在电机几何中线，其作用是在元件的换向区域内建立一
F极磁势，与交轴电枢反磁
BB剩下一个换向磁势，在向区建立换向磁势，换向元件切割后，就
eeee换向元件产生一个与电抗电动势方向反向电动势，如果大小与rKKr相等，及合成电动势,e,0吗，从而改善电机
(1) 极性正确
换向极性要保证其场向与交轴电枢反应磁场方向相反。因此，
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机，换向极极性应与沿转方向前面的主极极性相反如
NSN、S------主极极性; 、---换向极极性 KK
(2) 换向极
ee 电机运行时电抗电势数值不是常数，随着负载电流变化成正比变
eee为了让保证在整个载围内随时抵消，则要求也必须随着负载电流
化而变化。因此，向极绕组必须与电枢绕组串
(3)换向
eB 换向电动势是向件切割换向区磁密产生的，只有磁路不饱和
Be才能保证与电枢电I
为了换向极磁路不饱和，在设电机时，通常采用较大换向极气以使换极密降低。是，如果单纯增大换向极和电表面间的气隙，将使漏磁通增加，而换向极漏磁通也是造成换向极磁路饱和的重要因素。为
,将换向极气隙分成两部，电枢与换向极极靴之间的第一气隙和换向
,机座内壁之间的第二气，如图，第二气隙垫以非磁性垫片，如发现
B动补偿不当，还可以调二气隙的大小来调整的数值，使电机得到
换向。
2.4.2 减小电抗
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浅议直流串励牵引电动机的工作原理
浅议直流串励牵引电动机的工作
李春莲 约2215字
摘要:文章指出，由于直流牵引电动机。尤其是直流串电动机有起动性能好、速范围广、控简单、操作方便等，适
关键词:直流串励牵引电
中图分类号:TM922.71 文献标识码:A 文章
随着国国民经济的大力发展，在国民生产中大力提倡能环保，为了铁路的高速发展，铁路线上大使用节能环保的电力机车，驱动电力机车车行的主动力主要是直流串励引电动机。引电动机有多种类型，流串励牵引动机、交流异步直流串励牵引
直流串励牵引电动机的工作理与般直流牵引电动机同，但有特殊的工作条件:空间尺寸受到轨和动轮直的限制;在机车运行轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动;、轮啮合不良时电枢上产生强烈的转振动;在恶劣环境中用，雨、雪、沙容易侵入等。因此直流串励牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间紧凑，采用较高级的缘材料和导材料，零部需有较高的械强度和刚度，整台电机需有良的通风热条件和防尘防潮能力，要采取殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少下的火花等。引电机过齿轮与轮对相连结，在机车或动车上用于驱动一或几根轮轴，直流串励牵引电动机有两种悬挂式。一种直流串励牵引电动机和动轴连接的悬挂方式，称为抱式悬或半悬挂。采用种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔产生的冲击动会直接传给直流串牵引动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120 km/h机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时直流串励牵引电动机固定悬挂在转向架构上，在直流串励牵电动机轴端和小、大齿轮之间入各种弹性连接件，以减小冲击振动的影响，架承式悬挂适用于结构度高于120 km/h的机车
直流串牵引电动机主要由定子和旋转的电枢(转子)两大部成，定子的用是产生磁场和作为整台电机的机械支撑，它的零件有主磁极、换向级、机坐、端盖及轴承等。转子用来产生感应电动势和转矩以实现能量转的主要部件，它由枢铁芯、电枢绕组、换向器和转轴组成。过两端的承，电枢与定子保相对位置，它们之间有合适的气隙。又要旋自如，电枢除了
在用牵引压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流牵引电动机，加在流串励牵引电动机上的电压为脉动电压，因，这种直流串牵引电动机称为脉流直流串励牵引电机。大功率脉流直流串牵电动机的“换向”条更加困难。此外，动机内部还有一些加损耗，从而引起电动温升。因，流直流串励牵引动机在设计和结构上还要采取加装换向级和
直流串牵引电动机的工作原理是直流串励牵引电动机换向器端有电刷装置，当电刷从晶闸管整流电路获得流后。将流传给电枢绕组与外电路连接来，由于直流串励牵动机是串励电动，主磁极励磁组与电枢绕组串，这时在励磁绕组上产生电流，固定在机坐的6个主磁极分别按N、S级显示磁
瞬时电流流向为+?A?换向片?1?a?-b?c?d?换向片?2?B?-。根电磁力律载流导体ab、cd即电枢绕组都将受到电力的作用，其力大为f,Bil，电枢绕组受力方用左手定则判断，在次瞬ab位于N极下，电流由a流向b，受力方向右向左，而cd位于s极下电流从c到d，其力方向从左向，由于电枢绕组导固定在电枢铁芯上，而电枢铁芯又固定在转轴上，因此绕组导体受到
的作用下，电枢便逆时针
当电枢逆时转过90?时，电刷不与换向片接触，而与换向片之间的绝缘片接触，此时圈没有电流通过，流i=0，电磁转矩T=0。由于机械惯性的作用，电枢仍能转过一个度，这时电刷A与向片2接触，电刷B与换向片1接触，线圈中有电通过，导体db、cd中电流改变方，即为b?a、d?c，且体ab转到原来cd的方且电流方与原来电流方c?d一样，因此原磁极极性变仍为s极，所导ab所受到的电磁力f向左到右，同理cd转到N极下，cd所受的电磁力方向从到左，因此线圈仍受到
在直流串励牵电动机中，电刷两边虽然加的是直流电源，但在电刷和换向器的作用下，线圈内却成了交流，从而生了单方向电磁转矩，驱动电动机持续旋转。同时放置的线圈中也将产生感电动，其方向与线中从刷和换向器流入的电流相反，故称反电动势。反动势的表达式为E=Cen?(v)Ce为电机常数，Ce=pN/60 a，n是电机转转速，φ是电机主通，电动机外电压与反电动势的关系为U=E+IR，再通过变换以出电动机转速表达式N=(u IR)/ceφ，直流串励牵引电动机若要维持继续旋转，加电压必须高于反电动势，
直流串励牵引电动机虽然结构较复杂，但环保性能较好，有宽广的调速范围、较的过载能力和较的启转矩，仍广泛用于
第三章 直流牵引电动机的特性
牵引电动机是驱动机车车辆动轮轴的
构形式上不同于普通电动机，而成为电机的一单独
的需要，必须对机车牵引性能提出一定求，例：能
方便和广泛地调节速度；有较强的过载力；具先进
车牵引性能的要求，在很大程度上就是对引
本章结合机车运行特点，介绍牵引电机的一特殊
动机的工作特性；比较各种励磁方式的流牵引动机
点；简述直流电动机常用的起动、调
牵引电动机的安装和一般常见的电机同，不用地
而是用悬挂的方式安装在机车上，并过齿轮传装置
驶。因此，必须考虑到机车结构特点和行要求，合理
式。同时，传动和悬挂方式也对牵引电动的总体结和外
牵引电动机的传动方式通常可分为个别动
1．个别传动
个别传动是目前国内外应用最广的传方式。谓个
动机只驱动一个轮对，它是借助电机轴的小齿驱动
机车牵引运行的。个别传动有
(1)抱轴式悬挂
抱轴式悬挂是指牵引电动机一侧通过动轴承在机
过弹性缓冲装置悬挂在机车转向架的横梁上，如图3-1所示。这种悬挂的牵电动机，其重约一是直接压在车动
架经轴箱弹簧压在轮轴上，称为簧上重。故这种挂方
抱轴式悬挂结构简单、检修方便、成较低。由于
机约一半重量直接压在机车动轮轴上，刚性联，使
用直接传到牵引电动机，影响牵引电动的正常作。
电机轴和轮轴之间中心距
图3-1 抱轴式悬
1-机车动轮；2-大齿轮；3-牵引动
5-橡胶件；6-安全托板；7-枕梁；8-拉杆；9-
使电机尺寸也不能任意选择，限制了车功率速度
度不超过120km/h的客、
（二）架承式悬挂
对于构造速度较高的客运机车和电动辆，抱式悬
要求，通常要采用架承式悬挂。所谓架式悬挂是将
向架上，这样，牵引电动机全部重量都为转向减振
簧上重量。因此，线路动力作用对牵引动机工的不
了抱轴式悬挂的缺点。但这种悬挂方式于牵引动机
中，牵引电动机的转轴中心线与机车动轴中心会产
必须改变传动结构，在牵引电动机转轴机车动轴之
传动构件。通常不再将小齿轮（主动齿）直接在电
滚柱轴承装在齿轮箱上，并与装在机车轮轴上大齿
动机的转轴和小齿轮之间必须用
?采用球面齿式联轴节的
采用球面齿式联轴节的架承式悬挂，如图3—2所示。这种传动方式应用在国地铁电动辆上。它是在牵引动机
个支承，均用螺钉固定转向架上，呈三半边悬。牵
面齿式联轴节相连，即电机转轴上安装面齿轮，球面
内齿圈又传动小齿轮轴上的球面齿轮，传动小轮（
动大齿轮以动机车行驶。这种传动方式优点不解决
轴相对于机车动轮阿位移而影响传动的题，同由于
上，放小齿轮和它的税由以作成一个整，从血少小
度和减轻电动机的重量。这种传动方式缺点是于联
轴尺寸缩短，故不适用于大功率干线车中
图3—2 球面齿式联轴
1-齿轮箱；2-动轮轴；3-内齿
5－电机轴；6-动轮；7-电
?采用空心轴传动的架
大功率牵引电动机可采用空心轴传动式。空轴传
动轮空心轴类。
采用电枢空心轴传动的架承式悬挂如3—3示。
机的转轴作空心的，该空心轴通过球面式联轴与动
心轴的内脏，将转矩传小齿轮（装在齿箱内）。由于
空间，节省了联轴节所占据的电机向空，故电可充
提高牵引电动机的
电枢空心轴传动方式适用于车速不超160km／h
图3—3 电枢空心轴传动的架承式悬挂 图3—4 轮轴空心轴传动的架承式悬挂 1-传动齿轮箱；2、5-电机盖；3-电枢空心
4-传动轴；6-球面齿式联轴节。 4-空心轴；5、6-动轮。
采用轮轴空心轴传动的架承式悬挂如3—4示。
轴外的空心及其两端的六连杆万向节组。牵引动机
横向中心线上，小齿轮套在电机转轴上，大齿轮过滚
上。电动机产生的转矩传递到大轮上后，由万向?通
给车轮?，在经车轴传给车轮?，驱
这种传动装置结构复杂，但传递功率，工作靠。
转向架构架上，簧下重量显著减轻。轮轴空轴传动方适用
km／h的高速客
个别传动的主要优点是当一台牵引电机发生
影响其他电机工作，而且充分利用了机下部空，所
由于各轮轮间没有直接的机械联系，个轮对容
力降低。
2．组合传动
组合传动就是每个转向架上只安装一牵引电机（
转向架），通过变速齿轮装置驱动该转架的每根动
组合传动装置的结构比个别传动复杂，由于组传动
线电力机车随着铁路运输重载高速的不发展，求充
粘着重量，以实现大的粘着牵引力，在种情况，就
传动还有利于降低牵引电动机单位功率重量，为组
上的较小功率的牵引电动机合并为一台功率的机，
标（即每1kw功率的重量）越低，在同容量下，电机
采用组合传动还可以将传动齿轮进行不的搭配改变
一台机车既可成为高速客运机车，又可为牵引大的
牵引电动机具有通
图3－5 单电机两轴转向
1-车轮；2-大齿轮；3-电动机；4、6-速齿轮；5-电机上
直流和脉流牵引电动机的工作原理和通直流动机
也相似。但是，牵引电动机的工作条件直流电机相
引电动机在设计、结构、材料、绝缘、艺等方都要
作的主要特点是：
1.使用环境恶劣
牵引电动机安装在车体下面，直接受雨、雪、潮气
起的尘士也容易侵入电机内部。此外，于季节负载
和湿度变化的影响。因此，电机绝缘容受潮、污，
不良的影响。所以，牵引电动机的绝缘料和绝结构
性能及良好的通风、散
2．外形尺寸
牵引电动机悬挂在车体下面，其安装间受到大限
制，径向尺寸受动轮直径的限制。为了得尽可大的
构必须紧凑，并采用较高等级的绝缘料和性较好
3．动力作用大
机车运行通过钢轨不平处（如钢轨接、道岔），
用会传递给牵引电动机，使牵引电动机受很大冲击
车速度达到120km／h时，抱轴式悬的牵引电机，
向加速度可达7g；电枢表面的动力加速度可达25g。这样大的动力作用常常成牵引电动磁极螺松动、线圈线断
的振动影响了电刷和换向器的正常接，
当牵引电动机采用架承式悬挂时，动力用大大小，
横向加速度为0.35g，这充分说明采架承式悬对发
的意义。
4．换向困难
直流牵引电动机换向困难的原因除了机械动方面
面的原因，如牵引电动机经常起动、制，此时流可
车在长大坡道上运行时，电机将长时间于过电
用深的磁场削弱使气隙磁场畸变增大；网电压动使
些都将造成牵引电动机换
脉流牵引电动机的电流为脉动电流，了直流分外，
电磁交流分量的存在将使电机换向更为难，致使向火
在设计直、脉流牵引电动机时，必须对换问
5．负载分配
牵引电动机和普通电动机的另一不同处是：同一
机，不论在电的方面还是在机械方面都连接在
间是并联连接；在机械方面，各电机通动轮与轨间
一起。因此，由于同一台机车上牵引电机特性
轮对发生“空转”、“滑行”等原因，有可能成各
的电机处于过载运行，有的电机处于欠载行，从而机车
为了保证牵引电动机在上述条件下可工作，且能
牵引电动机必须满足下
（1）应有足够大的起动牵引力较
（2）具有良好的调速性能。保证机在不同驶条
节范围，并在速度变化范围内，充分发牵引电机的
时，其特性尽可能
（3）换向可靠。在大电流、高电压、高转速磁场
向火花不应超过规定的火
（4）各部件应具有足够的机械强度，以保证机在
靠工作。
（5）牵引电动机的绝缘必须具有很的电气度，
热性能，以保址电机有足够的过载力，并其寿
（6）牵引电动机的结构应充分适应车运行检修
与悬挂应使机车与钢轨间的动力作用尽减小；
好的防护；便于检修和更
(7)必须尽可能地降低牵引电动机位功率的量，
得到充分利用。
牵引电动机输出的机械转矩和转速说明电机工
量，电动机的效率是衡量电机在实现能转换过中损
磁电流恒定时，牵引电动机的工作特性指电动的转
输出功率P，，，，，，之间的关系曲线，即，n,fP,T,fP,,,fP.在实际运行中，2222
测量电枢电流比测量P容易，且随着P的加而增加，所以
表示为电枢电流的函数，即，，n、T、,,fI。牵引电动机的械特性是指动a转速和电转
励磁方式不同的电动机具有不同的特。直流动机
励和复励等4种，他励电动机特性和并电动机同，
和复励3种电动机
，，n,fI a
直流电动机的转速对电枢电流的变关系可据直
式求得，即：
U,E，IR,C,n，IR （3-1） aaaeaa
式中 U——加在电动机上端
I——电枢电流（A）； a
R——电枢回路
,——每极磁
C——电机常数，对于已成
其值为
pN C,; e60a
其中 p——
N——电绕
a——电枢绕的
由式（3-1）
U,IRNaa （3-2） n,C,e
从上式可以看出，当U和励磁电流I都为常值时，影响电动机速的因素
两个：一是电枢回路电阻压降的变化；二磁通的变。各
动机的转速特性如图3-6所示。
图3-6 直流牵引电动机
1-并（他）励；2-串励；3-积复励。
UNII并励电动机，空载时P=0，=0，此时转速为空转速。随着的n,20aaC,e增加，电阻压增加，使转于下
又使转速趋于上升。由于两种因素对转的影响分地
速变化很小。转速特性可能是略为下垂，也可能略为
动机稳定运行，常使并励电动机具略为下的
空载转速nnn与额定转速之差，用额定转速的百分表示，称为动机0NN
,nn0N ,,，100% (3-3) nnN
并励电动机在负载变化时转速变化很，其转变化
以基本上是一种恒速
串励电动机当I,IIRI,增加时，一面增大，一方
亦增大。这两方面的作用都可使转速降，因此速随
降（曲线2）。如果负载很轻，I,,0,和都很小，电机
。这样高的转速会使nN转子损坏，因此串励电动不允许在空或很轻负
带、链条传动，以免皮带或链条滑脱时，成为空载。由于励电动机不允许空载论电动机的转速趋于无大，实际上
nn,N1 4 (3-4) ,n,，100%nN
1式中n——P,P时动机转
复励电动机具有并励和串励两套绕组，通常接积复
例不同，可得到不同的特性。在设计时，可以灵也安
其特性介于并励和串励电动机特之
，，T,fI a
转矩特性的关系可由转矩平衡方程式出，当略空
的转矩等于电磁转矩，故转矩特性以直接电磁
T,C,I （3—5） Ta
pN式中C一转矩常数，C,。 TT2,a
各种励磁方式电动机的转矩特性，如
图3-7 直流牵引电动机
1-并（他）励；2-串励；3-积复励。
并励电动机，磁通不随电枢电流变化，矩与电枢流成
一直线（曲线1）。实际上，由于电枢应的去
电流较大时，稍有下降。对于串励电机，在载时
2，则T,C,I,I，所以是一条抛物线（曲2）。当负
加时，随着电枢电流的增大，磁路逐渐饱和，磁通本不变，是一条T,C,ITa直。积励电动机转特
，，,,fIa
在学习直流电机基本知识时已知，电机实现能转换
按负载变化对损耗的影响，可损
第一类为铜耗和附加损耗它们都随电流化而变，且
'2成正比，这类损耗称为变值
第二类为铁耗p和机械损耗。其总和几与负载化无
为定值损耗，用表
2因此，电机总损耗可表示为,,p,KI，K，则电机的效率为：
2,UI,(KI，K) ,, （3－6） UI
当电压恒定时，按式（3—6）绘成曲线，可得到电机效率
效率特性曲线的形状取决于定值损耗和变值损耗之间的比关系。由图3－8可见，效率特性曲线有一
,d对式（3—6）微分并令,0,即： dI
图3-8 直流牵引电动机
1-并（他）励；2-串励；3-积复励。
2,,，，，，d,UIU,2KI,UUI,KI,K,,0 22dIUI
'2化简后得 KI,K
'2可见当时，即变值损耗等于定值损时，电有最
在设计电机时可用控制变值损耗和定值耗比例系的
时或经常工作的电流附近具有最高效率，使电机一定
得最优越、最合理
，，n,fT
机械特性表示了电动机中最重要的个物理——
关系，在电力拖动中具有重要意义，是定电动能否
电动机性能的
因为电磁转矩T和电枢电流T,C,II有比例关
转速特性相似的曲线形状（见图3—6）。他励并励
小，称为硬特性；串励电动机，速度变化围
为了阐明哪一种励磁方式的电动机更用作为力机
要对各种励磁方式的电动机在机车牵引能方面有关
1．自调节性能
由图3—6可见，并励牵引电动机转随着负的增
引电动机转速却随着负载的增加下降很。因此，串励
度能够按照机车运行条件自动进行调节，在重载或
串励牵引电动机的转矩自动增大，使机发挥较的牵
时，机车牵引力减小，使机车具有较高的度，即串牵引
2．功率的利用
图3－9绘出了串励和并励牵引电动的牵引性。
额定牵引力和额定速度（a
FF变化到时，串励牵引
。两种电机相比，并励牵引p,FvKK
的工作点由a点变化到b点，并励牵引电动机的工作点a点变化到c点。牵电动机在牵引变化，由于速度
电动机的功率是牵引力和速
励牵引电动机的功率利用不好。串励牵电动机由其速
大而降低较多，若在同样的牵引力变化，它的率变
小，接近于恒功率运行。因此，串励牵电动机功率
条件下充分发挥机车的功率，同时能合地利用车上
气设备的容量。
图3-9 牵引电动机
3．牵引电动机之间的
机车运行时，有几台牵引电动机并联行，为能充
各牵引电动机的负载分配要均匀。但是，由于各引电
机车动轮直径不完全相同等原因，实际各牵引动机
图2—10所示为牵引电动机特性有异时的负分配
两台特性稍有差异的串励（或并励）牵电动机，装在
既使动轮直径相同，电机转速相同，电
和转矩均有差别。由图l
3－10（a）中可以看出，串励牵引电机具有较的特
负载电流I和I差值比较小。并励牵引电动
负载电流I和I差值要比串励牵引动
如果两台牵引电动机的特性完全相同，而各自动的
车运行时两台电动机的转速将产生差异，图3—11所示
，另一台电动机转速为n，由相同转速差异引12起的负载电I和I的值，串励牵引动
分配情况。设一台电动
图3—10 牵引电动机特性差
(a)串励；(b)并励。
图3—11 动轮直径有差异时牵电
(a)串励；(b)并励。
4．电压波动对牵引电动机
机车运行时，接触网网压会经常发生动，当压突
机械惯性，机车的速度来不及变化，牵电动机可能
冲击。图3－12所示为串励和并励牵电动机在压突
引力变化情况。设电动机变化前电压为U，，v,fI，相应
，相应的速度特性为，，。由图可见，电网电压U突
时，电动机的转速来不及变化，其工作点从曲跃变到曲线
电压为U其电流和牵引力都将产生相应的变。并励电机由
的冲击都比串励电动机大得多，这将使引电动工作
行中的冲动。
图3—12 电压波动时牵引电动电流
(a)串励；(b)并励。
另外，当牵引电动机的外加电压突然加时，励电
较多，因此电动机励磁回路电流增长速要比电电路
枢反电势不能及时增加，在过渡过程开阶段，造成
励电动机励磁绕组与电枢绕组串联，电增长速
电动机小得多。
5．防空转性能
机车在重载起动或爬坡时，常会发生着破坏使动
力下降。空转时，动轮转速迅速上升，机车走行分受
如转速超过牵引电动机最大转速时，还能造成机环
求牵引电动机应具有良好的防空转性能，当出现轮空
转速的增高急剧下降，使粘着
图3－13中曲线l、2分别为串励并励牵引动机
由于某种原因，使轮轨之间的粘着条破坏
电动机转速沿特性曲线上升，速度增量为n。由图3－13可见，并励电机
性较硬，牵引力随转速上升而大幅下降，轮周牵力很
着迅速恢复；而串励牵引电动机特性较，牵引下降
粘着不易恢复，形
图3—13 牵引电动机
1-串励；2-
综上所述，作为机车的牵引动力，串牵引电机具
率利用较好，并联工作时负载分配较均，受电电压
此被广泛地应用于电力
但是，机车上采用串励牵引电动机也在缺点，
容易发生空转；(2)电气制动时，由串励发电特性
改接为他励。
他励电动机的特点是励磁绕组由单独源供电。对应
电流，其转速特性和并励电动机相同，一条略下降
牵引的要求。但是，如果在一定的端电下，人或自
磁电流，就可获得许多条特性曲线，如图3－14所示。如果连续调节励磁电，磁通将连续化，成特性曲线续移
根据需要对励磁电流进行调节，他励电机的工点就
何一个位置（见图3一14中虚线所标的范围），
特性。
图3—14 牵引电动机
(a)转速特性；(b)
电力机车上采用他励牵引电
（1）合适的调节特性。根据机车运条件的要，
动机的电压和励磁电流进行自动连续的殊控制，在最
平滑调速，并获得所希望的软特性，机车实现转矩
（2）优良的防空转性能。出现空转，利用他电动
及时制止空转，提高粘
（3）充分发挥机车牵引力。可针对车中每牵引
轴重等特点采用个别励磁，使每台电动机能
（4）能实现无级磁
（5）便于牵引和制动工况的转换。机车由引工
路不需要进行大的换接，他励电动机可即进人励发
制动力。
由此可见，采用控制励磁调节的他电动机为牵
的，但需要一套复杂的电子控制系统来行励磁节。
等方面尚不如自调节性能良好
电力机车中采用的复励电动机，其原理如图3—15示。它有一个串励绕和一个他励绕，两组产生磁势向
的机械特性介于并励特性与串励特性之间（见图3—6）。它既有串励电动机优点一自调性能好，功率利
压波动影响较小等，又有他励电动机的点，如防转性
气制动时，将串励绕组切除，就为
图3—15 复励牵引电
1-串励绕组；2-他
另外，复励牵引电动机的他励绕组的磁电流可根
节，以获得更大的调速范围。因此，励牵引电机已
SS型电力机车，从日本引进的6K电力机车采用
电动机由静止状态达到正常运转状态过程称起动
动过程中不仅转速发生变化，而且转矩、电
当忽略电枢绕组电感时，电
U,E a （3-9） I,aRa
在起动开始瞬间，由于转速n=0，故电枢感应电势E,0，此时电流称a
U （3-10） I,stRa
由于电枢绕组电阻R很小，如果直接额定电
可达到定电流的十几倍。这样大的起动电流带来以下不良影响：（1）使电动换向恶化，产生严重的火花，导电刷和换向器表面烧；（2）生很大的电磁转，使传动
。 Ist
由式（3—10）可知，为限制起动流，可降电动
动，影响供电的稳定性。为此，在起动时必须设法限制起电流电回的电阻，是
1.降低电源电压起动（
在起动瞬间，给电动机加较低的直流压，随着动机
电势逐渐增加，同时端电压U也人为地断增加，U与
电枢电流保持在允许范围内，直到电动端电压上到额
采用降低电源电压方法起动并励电动机必须注：起
压，使磁通一开始就有额定值，否则电机起动流虽
较小，电动机仍无
降压起动的优点是在起动过程中无电损耗，可达
用电源设备，多用于要求经常起动的大型直流
牵引动力的机车上，电源由专门的发电或变压
和变压器的抽头很容易改变其输出电压。因此，压起
内燃机车中。
2.电枢回路串电阻起动（
直流电动机在电枢回路串人适
R，按照把起动电流人限制在 st1．5～2 .5I的范内来选择动阻的大小。在
高，电枢电势E也升高，电枢电流相应减小。了保
将起动电阻切除，直到起动电阻全部切，电动起动
运行。
变阻起动能有效的限制起动电流，所起动设
型直流牵引电动机，如工矿机车、城市车上多用电
中能量消耗大，不适用于经常起动的大型
直流电动机的旋转方向取决于电磁矩
T,C,I。
向取决于磁通I,与电枢电流相互作用方向，故改变
种：一是改变磁通（即励磁电流）的方，二是变电
变磁通方向及电枢电流的方向，则直流动机转维持
励磁绕组反接法，如图3－16所示。
由图3－16可见，利用电器触头H、a的闭合断开
改变励磁绕组中电流的方向，即改变了通的方，以
动机转向的目的。
在电动机机械负载不变的条件下，用为方法节电
由图3—16可列出电动
图3－16 励磁绕
，，U,IR，Raapa （3-11） n,C,e
式中R——电枢回路串接的
图3－17 串励电动机电枢串接电阻时的机械特性 3－18 励
1.电枢回路串接
由上式可知，影响电动机转速的3个素是电
R、气隙主磁通。只要改变以上3个因中任何个，
机转速的目的。
阻图3－17所示为串励电动机电枢串电阻时机械
阻越大，转速
这种调速方法的优点是只需增设电阻切换开，设
点是能耗较大，经济性差；速度调节是有
2.改变电源电
图3－18所示为串励电动机电压降时的机械性。
低，转速也越低。为保证电机安全运行，电压只以额
降压调速。
这种调速方法的优点是电源电压如能滑调节，就可
无附加能量损耗。缺点是需要专用的调电源，本较
调高。
3.改变主磁
图3－19 串励电动机磁通弱
图3－19所示为串励电动机磁通减时的机
弱，转速越高。一般电机的额定磁通已计得使心接
只能在额定磁通下减弱磁通，所以又称削弱磁
组的两端并联电阻，一般电动机励磁功只有电容量
削弱磁场的并联电阻容量
这种调速方法设备简单、控制方便、率损耗，可
直流牵引电动机常用的调速
直流牵引电动机，为扩大调速范围，把几种法配
组，常采用电枢串接电阻和弱磁调速；力机车内燃
弱磁调速。
机车运行过程中，有时需要尽快使牵电动机转或
运行；下坡时，需要限制牵引电动机的速，以制机
引电动机轴上加一个与转向相反的转矩（称制动矩）
的制动。
制动转矩是由机械制动闸产生的摩擦矩，称机械
电动机本身产生的电磁转矩，称为电气动。直牵引
能耗制动和回馈制
1.能耗制动
图3—20 能耗制动时
图3—20所示为串励牵引电动机采能耗制动
组由单独的励磁电源供电，并保持励磁流方向不(磁
组从电源上断开并立即接到一个制动电R上。这电枢
而电机转子靠惯性继续旋转，切割方向变的磁，所
不变，因此，产生的电枢电流(制
,C,nU,Ea,Ea eIa,,, （3-12） Ra，RLRa，RLRa，RL
由式(3—12)可见，电枢电流Ia变了方向，而磁
φIa。则改变了方向。因此，T与n的方向相，T
机转速很快下降。
在制动过程中，电机靠惯性继续旋转，在场不变情下，
向不变并输出电流，变成一台他励发电，把机的动
动电阻上，故称为能
调节制动电阻R或调节励磁电流改变通的大，都
大小，以调节制动转矩的大小。另外，机的转
效果越好；而低速时，制动转矩相应变小，需要配用械制
电力机车上多采用串励牵引电动机，电气制时，
稳定，需要将励磁绕组改
能耗制动所需设备简单，成本低，操方便。足之
电能后消耗在制动电阻上，变成热能散到大气中，没有
因为当电机转速n较小时Ea较小，Ia也较小，制动转矩相减小。
来增大电枢电流Ia以提高低速的
2．回馈制动
电机作电动机运行时，电源电压U大反电势Ea，
向，电磁转矩方向与转向相同。若保持通方向不，当
感应电势Ea大于电源电压U，电枢电流方向与Ea同向，电机作发电机运，电磁转矩与向相起制动作用，发电
称为回馈制动。
电力机车下坡时，重力加速度的作用车速增，牵
之增大，若Ea=U，则Ia=0，牵引机就不需从电
身的位能自动滑行并继续加速。转速继续
机自动转换为发电机运行状态。此时，力机车坡的
能，回给电网。由于电枢电流Ia反向，电转矩也随之反向，起到制动用，速越高，制动转矩越大，如图3—21所示。转速增高到定程度，坡时的位能产生的力转矩
稳定运行(b点)。
图3—21 电力机车下
(a)平路行驶（电动机状态，U,E,I,0）； aa
E,U,I,0(b)下坡（发机
(c)机械特性
他励和复励牵引电动机回馈制动时，要保持磁电
的接线不变。串励牵引电动机进行回馈动时，于串
作不稳定，需要将串励绕组改接为他励，由较低电压
电流。
牵引电动机的传动方式分为个别传动组合传
电动机只驱动一个轮对，其主要优点是台牵引动机
影响其他电机工作，提高了机车运行的靠性；点是
车的粘着牵引力降低。个别传动的牵引动机有种悬
简单，但簧下重量大，动力作用大，只适用车速不超过120km／h的电力机；架承式悬因电机重量均为簧
电枢空心轴传动，机车速度可达160km／h，如用轮
可达跳250km／h。组合传动也称为电机转向，这
但牵引电动机功率大，经济指标高，是得
牵引电动机（尤其是采用抱轴式悬挂脉流牵电动
困难，主要特点是：使用环境恶劣；外尺寸受；动
载分配不均等。为适应机车运行的需要，对牵引动机
直流牵引电动机的特性有工作特性和械特性，代表
能。励磁方耦不同的牵引电动机其特性异较大，他励
载变化较小，称为硬特性；跳励电动机速随着载变
具有软特性的串励牵引电动机，自调性能好；功率
负载分配较均匀；受电网电压波动影响小。在力机
要缺点是：个别传动时容易发生空转；气制动需将
机具有硬的机械特性，并不符合牵引要。但是，如果
地调节励磁电流，便可获得所需要的牵性能。车上
要优点是：具有优良的防空转性能，能现无级
引电动机，他励磁场电流用微机控制，可得
起动、反转、调速和制动是电动机运时必须决的
是限制起动电流的大小，电力机车的牵电动机采用
上是用改变外加电压、电枢附加电阻和通的方改变
与负载有不同的交点，从而获得不同的速。电制动
转矩与转向相反而成为制动转矩，使电停转或速运
动。
1、牵引电动机的传动方式有哪几？
2、什么叫抱轴式悬挂和架承式悬挂？各
3、牵引电动机工作条件的主
4、画出并励和串励电动机的工作性曲线，并分
5、根据机车的负载特点分析哪几励磁方的电
机？
6、比较串励和并励电动机作为牵电
7、为什么电力机车上大多数采用串牵引电动？使
8、他励电动机作为牵引电动机使用需要有些条
哪些优缺点？
9、直流电动机在起动时有哪些要求？直流电机的
正常工作时的电流又取定
10、直流电动机有几种起动方法？分析各方法
11、直流电动机有几种调速方法。电力机常
12、说明电气制动原理。直流电机动与制状态
13、直流牵引电机有几种制动方？说明们
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