模块1 直流牵引电机《城市轨道交通电机与电器》教学课件

《城市轨道交通电机与电器》✩精品课件合集第X章XXXX模块1直流牵引电机任务一

直流电机的工作原理任务一直流电机的工作原理直流电机的特点：与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。但直流电动机具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等优点。直流电机的用途：广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车等的拖动电机。直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用。作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。任务一直流电机的工作原理直流电机模型N、S为固定不动的主磁极。线圈abcd固定在可旋转导磁圆柱体上，线圈连同导磁圆柱体是直流电机可转动部分，称为电机转子（又称电枢）。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可以随线圈一同转动的导电片上，该导电片称为换向片。在定子与转子间有间隙存在，称为空气隙，简称气隙。主磁极主磁极任务一直流电机的工作原理在直流发电机的模型中，当原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。导体中感应电动势的方向可用右手定则确定。任务一直流电机的工作原理

发电机工作原理（1）在逆时针旋转情况下，如图所示导体ab在N极下，感应电动势的极性为a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，感应电动势的极性为c点高电位，d点低电位。此时，电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。任务一直流电机的工作原理发电机工作原理（2）当线圈旋转180

后，导体ab在S极下，导体cd则在N极下。导体中的感应电动势方向发生改变，由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片换到与电刷A接触，电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。任务一直流电机的工作原理

发电机工作原理结论：由以上分析可知，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总为正，而电刷B的极性总为负，在电刷两端可获得直流电动势。在电枢线圈内部为一交变电动势，但电刷两端引出的电动势方向始终不变，为单方向的直流电动势。任务一直流电机的工作原理电动机工作原理导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力转矩时，线圈按逆时针方向旋转。任务一直流电机的工作原理（2）当电枢旋转到图示位置时，位于N极下的导体ab转到S极下，导体ab受力方向为从左向右；而位于S极下的导体cd转到N极下，导体cd受力方向为从右向左，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。电动机工作原理任务一直流电机的工作原理由以上分析可知，在电枢线圈中流通的交变电流，但N极下的导体受力方向和S极下导体受力的方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。注意：左图所示为直流发电机的简单模型，实际直流发电机的电枢根据具体应用需要有多个线圈。任务一直流电机的工作原理

直流电机可逆原理任何一台电机既可作发电机运行，也可作电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。直流电机也具有可逆性，当输入机械转矩将机械能转换成电能时，电机作发电机运行；当输入直流电流产生电磁转矩，将电能转换成机械能时，电机作电动机运行。可逆性的实质：作直流发电机使用时，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。任务二

直流电机的基本结构任务二

直流电机的基本结构直流电动机和直流发电机的结构基本相同，都具有旋转部分和静止部分。旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着空气隙。想一想：上节课学习的直流发电机和直流电动机都是怎样工作的？任务二直流电机的基本结构小型直流电机结构任务二

直流电机的基本结构

小型直流电机结构任务二直流电机的基本结构定子部分任务二

直流电机的基本结构主磁极简称主极，其作用是产生主磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组构成。为了减小涡流损耗，主磁极铁心采用1.0～1.5

mm厚的低碳钢板冲制而成，再用铆钉把冲片铆紧成一个整体。主磁极结构任务二直流电机的基本结构机座电机定子的外壳部分称为机座。机座的主体部分作为磁极间的通路，这部分称为磁轭。机座同时用来固定主磁极、换向极和端盖，起到固定和支撑整个电机的作用。任务二直流电机的基本结构换向极又称为附加极。换向极安装在相邻的两个主磁极之间，用螺钉固定在机座上。换向极用来改善直流电机的换向，一般电机容量超过1

kW时均应安装换向极。换向极结构任务二直流电机的基本结构电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条组成。电刷装置任务二直流电机的基本结构电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。直流电机端盖任务二直流电机的基本结构转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分。其作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现能量的转换，转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承和风扇组成。任务二直流电机的基本结构（1）电枢铁心电枢铁心的作用是通过磁通和嵌放电枢绕组。图示为小型直流电机的电枢冲片形状和电枢铁心装配图。在电枢铁心冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风孔。任务二

直流电机的基本结构（2）电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。它是直流电机的主要电路部分。电机的每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。电枢绕组放置在电枢铁心的槽内，其直线部分在电机运转时产生感应电动势，称为元件的有效部分；把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运行过程中不产生感应电动势。THANKYOU任务三

直流电机的电枢绕组任务三直流电机的电枢绕组按照电枢绕组连接规律不同，直流电机的电枢绕组可分为：单叠绕组、单波绕组和混合绕组等，在此主要介绍常用的单叠绕组和单波绕组。直流电机转子结构示意图任务三

直流电机的电枢绕组一、电枢绕组的基本概念

1）电枢绕组的元件线圈是构成绕组的基本单元，又称绕组元件（线圈单元），绕组元件分为单匝和多匝两种。

每一个绕组元件不管是单匝还是多匝，均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一端称为末端。直流电机转子结构实物图任务三直流电机的电枢绕组1）电枢绕组的元件直流电机的电枢绕组放置在电枢铁芯的槽内，通常采用双层绕组，沿槽深方向每槽有两个元件边，为了避免各线圈互相交叠，每一元件有一个有效边放在槽的上层，称为上层边；另一有效边放在另一槽的下层，称为下层边。与上层边相连的出线端称为首端，与下层边相连的出线端称为末端。

绕组元件边在槽内的放置情况任务三直流电机的电枢绕组2）极距定义：所谓极距是指相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离。极距示意图直流电机转子结构图任务三直流电机的电枢绕组3）绕组的节距电枢绕组各元件是通过换向片按一定的方式连接起来的，其连接规律由节距决定。定义：所谓节距是指被连接起来的两个绕组元件边或换向片之间的距离。电枢绕组的节距任务三直流电机的电枢绕组二、单叠绕组特点：同一元件的两个出线端分别连接到相邻的两个换向片上，即换向片节距，相邻元件通过换向片依次相连，从而组成整个闭合绕组，后一个元件的端部紧紧前一个元件的端部上，故称这种绕组为单叠绕组。（1）计算节距（2）连接元件（3）画磁极和电刷任务三直流电机的电枢绕组单叠绕组展开图任务三直流电机的电枢绕组单叠绕组元件连接次序表

单叠绕组并联支路图任务三直流电机的电枢绕组任务三直流电机的电枢绕组三、单波绕组单波绕组的连接特点是每个元件两端所连接的两个换向片相距较远，两元件串联后形成波浪形，故称单波绕组。为了使绕组能够连续绕下去，当顺着所有串联元件绕过电枢外圆一周，经过个串联的元件后，最后一个元件的尾端应落在与起始的换向片相邻的位置。任务三直流电机的电枢绕组单波绕组展开图任务三直流电机的电枢绕组单波绕组元件连接次序表

单波绕组并联支路图任务三直流电机的电枢绕组以上分析可知：在电机的极对数大于1对时，元件数以及导线的截面积相同的情况下，对于单叠绕组，并联支路数多，单条支路里的元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机；对于单波绕组，并联支路数恒等于2，每条支路里的元件数较多，适用于较高电压、较小电流的电机。THANKYOU任务四

直流电机的磁场任务四直流电机的磁场从直流电机基本工作原理可知，发电机将机械能转换为电能，电动机将电能转换为机械能，其必要条件之一是必须具有气隙磁场。因此，必须在直流电机主磁极的励磁绕组中通以励磁电流来产生磁动势，以产生气隙磁场。电枢绕组切割气隙磁场而感应电动势；或者由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换.任务四直流电机的磁场主磁场当直流电机空载时，对于发电机，电刷输出端不接负载，电枢电流为零；对于电动机，轴上不带机械负载，其电枢电流接近于零，这时的气隙磁场只是由主磁场的励磁绕组产生，称为空载磁场，又称主磁场。直流电机空载磁场任务五直流电机的磁场主磁通当励磁绕组通以励磁电流时，产生磁动势

，

其产生的磁通大部分经主磁极、气隙、电枢铁心、电枢磁轭及定子磁轭构成闭合磁路。这部分磁通同时经过励磁绕组和电枢绕组，能在电枢绕组中产生感应电动势和感应电流，在电机轴上产生电磁转矩，称为主磁通，用

表示。漏磁通磁动势产生的一部分磁通只经过励磁绕组，在电枢绕组中不能产生感应电动势，在电机轴上不能产生电磁转矩，这部分磁通称为漏磁通，用

表示。主磁通磁路所走的路径气隙较小，磁阻较小。而漏磁通磁路所走的气隙较大，磁阻较大。所以，在同样的磁动势作用下，漏磁通要比主磁通小得多。任务四直流电机的磁场电枢磁场定义：直流电机带有负载时，电枢绕组中有电流通过，电枢绕组的电流也会产生磁场，称为电枢磁场。电枢磁场分布：电枢磁场沿电枢表面的分布情况，与电枢电流的分布情况有关。直流电机负载磁场任务四直流电机的磁场电枢反应直流电机负载运行时，电枢磁场会对主极磁场产生影响，这种影响称为电枢反应。电枢反应是直流电机实现能量转换的桥梁。当直流电机的电刷在几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变，每个磁极下，主磁场的一半被削弱，另一半被加强；在磁路饱和时，还会对主磁极起去磁作用。任务四直流电机的磁场直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励4类。（a）他励

（b）并励

（c）串励

（d）复励

（e）复励他励电机他励直流电机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个不同的电源供电，这两个电源的电压可以相同，也可以不同。励磁电流的大小决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，与电机的电枢电压及负载基本无关。用永久磁铁作主磁极的电机可当作他励电机。任务四直流电机的磁场任务四直流电机的磁场并励电机并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通，需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电机多为并励式。任务四直流电机的磁场串励电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机常用于要求很大起动转矩且转速允许有较大变化的负载。任务四直流电机的磁场复励电机复励电机至少有两个绕组励磁，其中之一是串励绕组，其他为他励（或并励）绕组。通常他励（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励。任务四直流电机的磁场直流电机各类绕组接线后，其引出线的端头要加以标记，各绕组线端的符号如表所示。注脚“1”是始端，为正极；“2”是末端，为负极。绕组名称电枢绕组换向极绕组补偿绕组串励绕组并励绕组他励绕组线端名称A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2

直流电机各绕组线端的符号THANKYOU任务五

直流电机的换向任务五

直流电机的换向

一、换向概述

定义：直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组元件从一条支路经过电刷进入另一条支路，由于相邻支路中的电流方向是相反的，所以元件中的电流方向随之改变，这个过程称为换向过程，简称为换向。任务五

直流电机的换向换相的意义：“换向”是装有换向器电机运行时的薄弱环节。对电机正常运行有很大的影响，也是评定电机质量优劣的标准之一。如果电机换向不良，将在电刷和换向器之间产生电火花，严重时将烧毁电刷，导致电机不能正常运行。由于牵引电机特殊的工作条件，其换向更为困难。任务五

直流电机的换向任务五直流电机的换向直流电机的换向过程二、换向过程为了分析简单，忽略换向片之间的绝缘并假设电刷宽度等于换向片宽度。任务五直流电机的换向直流电机的火花等级任务五直流电机的换向改善直流电机换向的方法

1.选用合适的电刷（1）在同一台电机中，必须采用相同牌号的电刷。（2）电刷应仔细研磨吻合，保持清洁以及电刷和刷握间有适当间隙。（3）在正常使用中，温度升高会使电刷接触压降减小。（4）一台电机上各电刷压力必须均匀。任务五直流电机的换向产生火花的原因是多方面的，除电磁方面的原因外，还有机械方面的原因，如换向器偏心、换向片间绝缘突出、电刷与换向片接触不良等。此外还有化学方面的原因，如换向器表面的氧化膜被破坏。任务五直流电机的换向

2.装设换向极（1）换向极绕组连结。（2）换向极磁路处于低饱和状态。（3）换向极极性的确定。电动机：换向极极性应与沿旋转方向前面的主极极性相反。发电机：换向极极性应与沿旋转方向前面的主极极性相同。换向极安装在几何中性线上3.防止环火的措施环火是直流电机最严重的故障之一。分析环火产生的原因及如何采取措施防止电机发生环火，对保证直流电机安全运行有着非常重要的意义。防止环火的措施是在主磁极上安装补偿绕组，从而抵消电枢反应的影响。补偿绕组应与电枢绕组串联，使其产生的磁动势恰恰能抵消电枢反应磁动势。当电机带负载后，电枢反应磁动势被抵消，就不会使气隙磁通密度曲线发生畸变，从而可以避免出现环火现象。补偿绕组装在主磁极极靴里。任务五直流电机的换向任务五直流电机的换向安装补偿绕组后，换向极的负担减轻了，有利于改善换向。THANKYOU任务七

直流电机的基本方程任务六直流电机的基本方程直流电机的基本方程包括电压平衡方程、电磁转矩平衡方程和功率平衡方程。直流电机的基本方程将直流电机中电、磁、机械等物理量联系起来，符合电学、力学及能量守恒定律。直流电机的基本方程是分析直流电机运行特性的基础。任务六直流电机的基本方程一、电动势平衡方程式发电机：电枢绕组接负载后，感应电动势驱动电流流动，电枢电流与感应电动势同方向；电动机：电枢绕组经电刷外接电源，外加电压驱动电流流动，电枢电流与电源电压同方向，感应电动势与电枢电流方向相反，称为反电动势。任务六直流电机的基本方程任务六直流电机的基本方程任务六直流电机的基本方程二、电枢电动势电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每个支路里的感应电动势。当电机的气隙中有磁场存在，且电枢旋转使电枢导体切割磁力线时，在电枢绕组中会产生感应电动势。感应电动势的大小，可根据电磁感应定律求得，方向可用右手定则判定。任务六直流电机的基本方程三、电磁转矩电枢绕组通过电流时，在磁场中将受到电磁力的作用，电磁力在电枢轴上产生的转矩称电磁转矩。电磁转矩的大小，可根据电磁力定律求得，方向可用左手定则判定。制造好的直流电机其电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比。在电动机中电磁转矩是动力转矩，在发电机中电磁转矩是阻力转矩。任务六直流电机的基本方程任务六直流电机的基本方程四、直流电机的损耗电机是实现机电能量转换的装置，因而功率关系是电机运行中最基本的关系。电机运行过程中，存在输入功率、输出功率和各种损耗，它们之间应满足能量守恒定律。铜损耗是由于电机的各种绕组中流过电流而产生的电阻损耗，铜耗与电流平方成正比，随着电机的负载变化，称为可变损耗。铜耗包括电枢绕组、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组的铜耗和电刷与换向器接触电阻产生的损耗。铜耗将引起绕组及换向器发热。任务六直流电机的基本方程铁耗和机械损耗在电机空载时就存在，其大小与电机负载（电枢电流）无关，合称为空载损耗（又称不变损耗）。产生附加损耗的原因很多，诸如：电枢反应使气隙磁场畸变而引起铁耗的增加；电枢表面电流分布不均而引起铜耗的增加等。附加损耗中一部分空载时已存在，另一部分随负载而变化。附加损耗一般不易计算，而估计为电机输出功率的0.5%～1%。任务六直流电机的基本方程THANKYOU任务七

直流电机的工作特性和机械特性任务提出与目标A直流电动机工作特性B直流电动机的机械特性C比较不同励磁方式的电动机特性D目录CONTENTSPart第一章01任务提出与任务目标任务七直流电机的工作特性和机械特性1.任务提出为了保证电机能够可靠、经济地运行，在设计和制造电机时，必须保证电机的性能满足国家标准所规定的技术指标。直流电动机的工作特性和机械特性就反映了这些技术指标的变化规律。2.任务目标了解直流电动机的工作特性和机械特性；

比较不同励磁方式电动机的特性。Part第一章02直流电动机工作特性任务七直流电机的工作特性和机械特性

一、直流电动机工作特性直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压UN、额定励磁电流Ifn时，转速与负载电流之间的关系，转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系。这三个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。不同励磁方式的直流电机其工作特性不同。1.他励（并励）工作特性他励直流电动机的工作特性与并励直流电动机的工作特性相似。任务八直流电机的工作特性和机械特性1.他励（并励）工作特性转速特性：如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。任务八直流电机的工作特性和机械特性转矩特性：在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比；若考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。1.他励（并励）工作特性任务八直流电机的工作特性和机械特性

1.他励（并励）工作特性效率特性：电动机在实现能量转换的过程中，会引起损耗，效率特性曲线的形状取决于不变损耗（空载损耗）和可变损耗之间的比例关系。当不变损耗等于可变损耗时，电机效率最高。任务八直流电机的工作特性和机械特性2.串励直流电动机的工作特性当负载电流较小时，转速较大，负载电流增加，串励电动机转速快速下降，当负载电流趋于零时，电机转速趋于无穷大。串励电动机不可以空载或在轻载下运行注意：Part第一章03直流电机的机械特性任务八直流电机的工作特性和机械特性二、直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。

机械特性方程式也可用转速特性代替。任务八直流电机的工作特性和机械特性

二、直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性与转速特性具有相似的形状，他励（并励）电动机的机械特性是一条略有下降的直线。串励电动机的机械特性是双曲线的一只。复励电动机的机械特性介于他励电动机和串励电动机之间。他励和并励电动机，转速随负载变化较小为硬特性，串励电动机转速随着负载变化较大为软特性。THANKYOU任务八直流牵引电机在电动车组中的应用任务八直流牵引电机在电动车组中的应用和制动一、直流电动机的特性控制城市轨道交通车辆的牵引动力要求负载转矩可以在较大范围内变动，具有软特性的串励电机应用比较广泛。串励电动机空载转速是满载转速的好几倍，其特性为双曲线，当转速增加时，速度便自动降低，功率输出可以保持恒定，由电网供电的功率也保持在稳定的数值而不致有大的波动。任务八直流牵引电机在电动车组中的应用和制动采用积复励和他励电机，可以使动车主电路更为简单。如果保证电枢电流总是与励磁电流相等，即Ia＝If，则电枢绕组和励磁绕组分断的他励电动机将具有串励电动机的励磁特性。也就是说，只要励磁电流If是随着电枢电流Ia的变化而变化，励磁方式是他励的电动机，就可以具有串励电动机的特性。他励电动机的励磁调节二、直流电动机的旋转方向直流电动机的旋转方向取决于电磁转矩方向，而电磁转矩的方向取决于磁通与电枢电流相互作用的方向。故实际改变电动机转向的方法有两种：（1）改变磁通（即励磁电流）的方向，可改变电动机旋转方向。（2）改变电枢电流的方向，可改变电动机旋转方向。若同时改变磁通方向及电枢电流的方向，则直流电动机转向维持不变。直流（脉流）牵引电动机常采用励磁绕组反接法来改变电机的旋转方向。任务八直流牵引电机在电动车组中的应用和制动对于城市轨道交通车辆，常采用单独改变牵引电动机电枢电流方向的方法。任务八直流牵引电机在电动车组中的应用和制动电动机由静止状态达到正常运转状态的过程称为起动过程。在电动机机械负载不变的条件下，用人为方法调节电动机转速称为调速。起动和调速是应用电动机必须解决的问题，起动的实质都是电动机转速的调节，电机的转速表达式均适用。电动车组运行过程中，有时需要尽快使牵引电机停转或从高速运行转换到低速运行；下坡时，需要限制牵引电机的转速，以控制机车的速度。需要在牵引电机轴上加一个与转向相反的转矩（制动转矩）来实现，称为牵引电机的制动。任务八直流牵引电机在电动车组中的应用三、直流电动机的起动直流电动机在起动过程中不仅转速发生变化，而且转矩、电流等也发生变化。如果直接加额定电压起动，起动电流很大，可达到额定电流的十几倍。这样大的起动电流将带来以下不良影响：（1）使电动机换向恶化，产生严重的火花，导致电刷和换向器表面烧损。（2）产生很大的电磁转矩，使传动机构和生产机械受到强烈冲击而损坏。（3）使电网电压波动，影响供电的稳定性。在起动时必须设法限制起动电流。除了个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不允许直接起动