内燃机车电力传动2__第二章牵引电机.pptx

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（三）功率平衡方程式和电机效率
电磁功率：
Es
Is
pN 60a
60 2
Is
pN 2a
Is
M
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。
M
PN
2a
I
s
Cm
Is
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
Es
PN 60a
n
Ce
n
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）。
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（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
d
dt
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
➢ 电动机稳定运行条件下的转矩平衡方程式 ：
MJ
J
d dt
0
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。
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❖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
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
➢ 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wenku.baidu.com于并联支路线圈和总
线圈数量的多少。
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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
内燃机车电力传动
（二）
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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
1—主极线圈；2—主磁极；3—换向极线圈； 4—换向极；5—电枢绕组；6—底脚； 7—电枢槽；8—机座（磁轭）；9—电枢铁芯； 10—极靴。
感应出电势（电动机中为反电势）
感应电势大小：e = Bx l v 感应电势的方向：按右手定则决定
图 2—3 直流电动机的工作原理
➢ 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
➢ 改变电源正负极，或改变磁场方向时， 边中的电流始终是一个方向 ，使电磁转
电枢线圈所受的电磁力都将反向，电 矩的方向不变，电机按一定方向连续旋
(a) 电动机；
(b) 发电机。
M——电磁转矩； MZ——阻力转矩； MT——拖动转矩
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。
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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。
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❖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。
P1=UIS
P=EIS
P=Mω
P2=MZω
ΔP铜
ΔP机
ΔP铁
ΔP空
图2—12 直流电动机的功率平衡图
➢ 主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场
方向：N S
ex
➢ 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
fx
➢ 电磁力定律：载流导体在磁场中要受到
电磁力的作用
换向器
ex fx
电磁力大小：fx = Bx l is 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
枢反向旋转。
转。
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❖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。
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（一）电压平衡方程式
IS +
IS +
ES M RS
IL +
U
U
ES M
RL
UL
RL
RS
-
-
（a）串励电动机
-
（b）他励电动机
图2—11 直流电动机的电路图
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。
➢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。
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）。
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图2—2 直流电动纵向剖面
1—吊环；2—机座，3—端盖；4—风扇；5—电枢绕组； 6—后压圈；7—轴承；8—轴；9—电枢铁芯；10—前压圈； 11—换向器压圈；12—换向器；13— 电刷；14—刷握装置； 15—前端盖；16—主极线圈；17—主极铁芯。
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❖直流电动机的基本工作原理