内燃机车电力传动2——第二章 牵引电机

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
PN I s Cm I s 2a Cm—转矩常数，决定于电机的结构； φ—磁通（Wb）； M
Is—电枢电流（A）；M—电磁转矩（N · m）。
感应电势的计算公式
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 =UIS P=EIS P=Mω P2 =M Zω
P1 = P +ΔP铜
P—电机吸收的电磁功率
输出给负载的机械功率
Δ P铜 Δ P机 Δ P铁 Δ P空 图2—12 直流电动机的功率平衡图
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
M 2 1
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
（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 牵引电动机之间的负载分配： 较宽。 机车上几台牵引电动机同时 M n M M n 2 1 M 2 并联运行，由于电动机的特 1 性不可能完全一致，或者动 n 1 轮直径不完全相等，都将引 2 n 起电动机之间负载分配的不 n M M M 均匀现象，个别电机在运转 1 2 n M 时将会发生严重过载情况。 0 I 0 I I I 串励电动机由于具有“软特 I I （b ） （a ） 性”，这种负载分配的不均 图2—17 并联运行时牵引电动机之间的负载分配 （a）两台串励电动机之间的负载分配； （b）两台并（他）励电动机之间的负载。 匀性远较他励电动机为小 。
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 图 2—4 具有八个线圈的直流电动机 小取决于并联支路线圈和总 线圈数量的多少。
IS
图2—18 牵引电动机的防空转性能
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。
一般M0 （由摩擦损耗和铁磁损耗等引起） 较小，故M≈MZ。
（三）功率平衡方程式和电机效率
电磁功率：
Es I s pN 60 pN Is I s M 60 a 2 2a
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。
（二）转矩平衡方程式
电动机瞬态的转矩平衡方程式：
M (t ) M z (t ) M 0 (t ) J
M—电磁转矩，Mz —负载阻力转矩，M0 —空载阻力转矩，M J J d —惯性转矩。
dt
d dt
电动机稳定运行条件下的转矩平衡方程式 ：
MJ J d 0 dt
则 M = MZ + M0
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 P2 100 % P 1
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。
0
图2—14 直流电动机的转矩特性
1—他励电动机转矩特性；2—串励电动机转矩特
IS
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。
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：
C m U C m Ce 2 M n RD RD
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 n2 U 2 n1 U1 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 n 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， U2>U1 机车速度和电动机转速都来不及变化，电枢 c 反电动势Es也因之不变，根据电压平衡方程 ． n2 式可知电枢电流Is必将突增，电动机的工作 ． ． n1 a b 点由a点平移地跳到b点。此时牵引电动机输 U2 出的转矩M增大，引起电动机的转速随之沿 U1 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 0 I1 IS 图2—19 牵引电动机在不同端电压时的转速特性 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。
内燃机车电力传动
（二）
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。
图 2—10 直流电机不同运行方式下的电磁转矩和感应电动势
(a) 电动机； (b) 发电机。 M——电磁转矩； MZ——阻力转矩； MT——拖动转矩
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
PN n Ce n 60 a Ce—电动势常数决定于电机的结构； φ—磁通（Wb）； Es
n —电机转速（r/min）；Es—感应电势（V）。
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。
1—他励电动机转速特性；2—串励电动机转速特性
—空载转速，
K
RD Ce
（很小）Байду номын сангаас
IS
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
n U I s RD U 1 U RD Ce Ce K f I s C e K f Ce K f I s
（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
n U I s RD Ce
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。
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。