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主电动机，因此，在设计参数选择和结构形式上不同于普通电动机，而成为电动机的一个单独类型。为了满足运输生产的需要，必须对机车牵引性能提出一定要求，例如：能产生足够大的牵引力；能方便和广泛地调节速度；有较强的过载能力；具备先进的经济技术指标等。对机车牵引性能的要求，在很大程度上讲就是对牵引电动机性能的要求。 本章结合机车运行特点，介绍牵引电动机的一些特殊问题；分析直流牵引电动机的工作特性；比较各种励磁方式的直流牵引电动机应用于电力牵引时的优缺点；简述直流电动机常用的起动、调速和制动方法。 第一节 牵引电动机的一般概念 一、牵引电动机的传动和悬挂方式 牵引电动机的安装和一般常见的电机不同，不是用地脚螺钉固定在基础上，而是用悬挂的方式安装在机车上，并通过齿轮传动装置驱动机车轮对使机车行驶。因此，必须考虑到机车结构特点和运行要求，合理地选择传动方式和悬挂方式。同时，传动和悬挂方式也对牵引电动机的总体结构和外型尺寸起着制约作用。 牵引电动机的传动方式通常可分为个别传动和组合传动两种。 1．个别传动 个别传动是目前国内外应用最广的传动方式。所谓个别传动是指一台牵引电动机只驱动一个轮对，它是借助电机轴上的小齿轮驱动轮对轴上的大齿轮来实现机车牵引运行的。个别传动有两种悬挂方式： (1)抱轴式悬挂 抱轴式悬挂是指牵引电动机一侧通过滑动轴承抱在机车动轮轴上，另一侧通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。这种悬挂的牵引电动机，其重量约一半是直接压在机车动轮轴上，称为簧下重量；另一半通过转向架经轴箱弹簧压在轮轴上，称为簧上重量。故这种悬挂方式有时也称为半悬挂。 抱轴式悬挂结构简单、检修方便、成本较低。但由于这种悬挂方式牵引电动机约一半重量直接压在机车动轮轴上，呈刚性联接，使车轮与钢轨之间的动力作用直接传到牵引电动机，影响牵引电动机的正常工作。此外，齿轮传动比由于受电机轴和轮轴之间中心距离的限制，  图3-1 抱轴式悬挂示意图 1-机车动轮；2-大齿轮；3-牵引电动机；4-小齿轮； 5-橡胶件；6-安全托板；7-枕梁；8-拉杆；9-橡胶件；10-轮轴。 使电机尺寸也不能任意选择，限制了机车功率和速度的提高，一般适用于速度不超过120km/h的客、货两用机车。 （二）架承式悬挂 对于构造速度较高的客运机车和电动车辆，抱轴式悬挂方式已不能适应运行要求，通常要采用架承式悬挂。所谓架承式悬挂就是将牵引电动机完全固定在转向架上，这样，牵引电动机全部重量都成为转向架减振弹簧以上的重量，即成为簧上重量。因此，线路动力作用对牵引电动机工作的不良影响将大为减少，克服了抱轴式悬挂的缺点。但这种悬挂方式由于牵引电动机是簧上部分，在行车过程中，牵引电动机的转轴中心线与机车动轮轴中心线会产生较大相对移动。为此，必须改变传动结构，在牵引电动机转轴和机车动轮轴之间装置弹性的或联轴节的传动构件。通常不再将小齿轮（主动齿轮）直接装在电机转轴上，而是通过两个滚柱轴承装在齿轮箱上，并与装在机车动轮轴上的大齿轮相啮合。这时，牵引电动机的转轴和小齿轮之间必须采用联轴节传动。 ①采用球面齿式联轴节的架承式悬挂 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我国地铁电动车辆上。它是在牵引电动机机座一侧的上方有两个悬臂，下方有一个支承，均用螺钉固定转向架上，呈三点半边悬挂。牵引电动机转轴传动端与球面齿式联轴节相连，即电机转轴上安装球面齿轮，该球面齿轮传动联轴节内齿圈，内齿圈又传动小齿轮轴上的球面齿轮，再传动小齿轮（装在齿轮箱内），最后传动大齿轮以动机车行驶。这种传动方式的优点不仅解决地车运行中牵引电动机转轴相对于机车动轮阿位移而影响传动的问题，同时由于小齿轮直接装在电机转轴上，放小齿轮和它的税由以作成一个整体，从血倾少小齿轮的前数以提局车的速度和减轻电动机的重量。这种传动方式的缺点是由于联轴节占用了空间，使电机轴尺寸缩短，故不适用于大功率干线机车中的牵引电动机。  图3—2 球面齿式联轴节的架承式悬挂 1-齿轮箱；2-动轮轴；3-内齿圈；4-球面齿轮； 5－电机轴；6-动轮；7-电动机；8-转向架。 ②采用空心轴传动的架承式悬挂 大功率牵引电动机可采用空心轴传动方式。空心轴传动可分为电枢空心轴和动轮空心轴类。 采用电枢空心轴传动的架承式悬挂如图3—3所示。这种传动方式是将电动机的转轴作空心的，该空心轴通过球面齿式联轴节与动轮轴相连，传动轴穿过空心轴的内脏，将转矩传小齿轮（装在齿轮箱内）。由于利用了电机空心轴内脏的空间，节省了联轴节所占据的电机向空间，故电机可充分利用轴向长度尺寸，以提高牵引电动机的功率。 电枢空心轴传动方式适用于车速不超过160km／h的准高速客运机车。  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-电机端盖；3-电枢空心轴； 1-大齿轮；2、3-六连杆万向节； 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图3—4所示。这种传动方式由套在轮轴外的空心及其两端的六连杆万向节组成。牵引电动机是全悬挂，安装在转向架横向中心线上，小齿轮套在电机转轴上，大齿轮通过滚动轴承装在空心轴的轴套上。电动机产生的转矩传递到大轮上后，由万向节Ⅰ通过空心轴和万向节Ⅱ传递给车轮Ⅱ，在经车轴传给车轮Ⅰ，驱动机车行驶。 这种传动装置结构复杂，但传递功率大，工作可靠。由于传动齿轮箱支承在转向架构架上，簧下重量显著减轻。轮轴空心轴传动方式适用于车速在220～250 km／h的高速客运机车。 个别传动的主要优点是当一台牵引电动机发生故障时，可以单独切除，不会影响其他电机工作，而且充分利用了机车下部空间，所以得到广泛应用。但是，由于各轮轮间没有直接的机械联系，个别轮对容易空转，从而使机车的粘着牵引力降低。 2．组合传动 组合传动就是每个转向架上只安装一台牵引电动机（这种转向架称为单电机转向架），通过变速齿轮装置驱动该转向架的每一根动轮轴，如图3－5所示。组合传动装置的结构比个别传动复杂，但由于组合传动有其特点而受到重视。干线电力机车随着铁路运输重载高速的不断发展，要求充分利用机车每一个轮对的粘着重量，以实现大的粘着牵引力，在这种情况下，就倾向采用组合传动。组合传动还有利于降低牵引电动机单位功率的重量，因为组合传动相当于把几个轮对上的较小功率的牵引电动机合并为一台大功率的电机，电机功率越大，其重量指标（即每1kw功率的重量）越低，在相同容量下，电机的造价也将降低。此外，采用组合传动还可以将传动齿轮进行不同的搭配来改变传动比，这样就可实现同一台机车既可成为高速客运机车，又可作为牵引力大的低速货运机车，使机车和牵引电动机具有通用性。  图3－5 单电机两轴转向架组合传动 1-车轮；2-大齿轮；3-电动机；4、6-变速齿轮；5-电机轴上小齿轮；7-中间齿轮。 二、牵引电动机的主要特点 直流和脉流牵引电动机的工作原理和普通直流电动机是一致的，其基本结构也相似。但是，牵引电动机的工作条件与直流电动机相比则有很大区别，因此牵引电动机在设计、结构、材料、绝缘、工艺等方面都要特别慎重。牵引电动机工作的主要特点是： 1.使用环境恶劣 牵引电动机安装在车体下面，直接受到雨、雪、潮气的影响，机车运行中掀起的尘士也容易侵入电机内部。此外，由于季节和负载的变化，还经常受到温度和湿度变化的影响。因此，电机绝缘容易受潮、受污，对其性能和寿命产生极为不良的影响。所以，牵引电动机的绝缘材料和绝缘结构应具有较好的防潮、防尘性能及良好的通风、散热条件。 2．外形尺寸受限制 牵引电动机悬挂在车体下面，其安装空间受到很大限制，轴向尺寸受轨距限制，径向尺寸受动轮直径的限制。为了获得尽可能大的功率，要求牵引电动机结构必须紧凑，并采用较高等级的绝缘材料和性能较好的导电、导磁材料。 3．动力作用大 机车运行通过钢轨不平处（如钢轨接缝、道岔等），因撞击而产生的动力作用会传递给牵引电动机，使牵引电动机承受很大的冲击和振动。试验表明：当机车速度达到120km／h时，抱轴式悬挂的牵引电动机，垂直加速度可达15g；横向加速度可达7g；电枢表面的动力加速度可达25g。这样大的动力作用常常造成牵引电动机磁极螺栓松动、线圈连线断裂、零部件损坏等故障。同时，由于电刷的振动影响了电刷和换向器的正常接触，导致换向恶化。 当牵引电动机采用架承式悬挂时，动力作用大大减小，垂直加速度为0.5g，横向加速度为0.35g，这充分说明采用架承式悬挂对发展高速铁路运输具有重要的意义。 4．换向困难 直流牵引电动机换向困难的原因除了受机械动力方面的影响外，还有电气方面的原因，如牵引电动机经常起动、制动，此时电流可达额定电流的两倍；当机车在长大坡道上运行时，电机将长时间处于过电流状态；当机车高速运行时，采用深的磁场削弱使气隙磁场畸变增大；电网电压波动使电动机端电压升高等，这些都将造成牵引电动机换向困难。 脉流牵引电动机的电流为脉动电流，除了直流分量外，还有一定的交流分量，电磁交流分量的存在将使电机换向更为困难，致使换向火花增大甚至环火。因此，在设计直、脉流牵引电动机时，必须对换向问题给予特别注意。 5．负载分配不均匀 牵引电动机和普通电动机的另一不同之处是：在同一机车上的数台牵引电动机，不论在电的方面还是在机械方面都是连接在一起的。在电的方面，各电机之间是并联连接；在机械方面，各电机通过动轮与钢轨间的粘着作用而互相耦合在一起。因此，由于同一台机车上牵引电动机特性有差异，各动轮直径不等或个别轮对发生“空转”、“滑行”等原因，都有可能造成各电机的负载分配不均，有的电机处于过载运行，有的电机处于欠载运行，从而使机车牵引力不能充分发挥。 三、牵引电动机必须满足的要求 为了保证牵引电动机在上述条件下可靠工作，并且能适应机车运行的需要，牵引电动机必须满足下列要求： （1）应有足够大的起动牵引力和较强的过载能力。 （2）具有良好的调速性能。保证机车在不同行驶条件下，有宽广的速度调节范围，并在速度变化范围内，充分发挥牵引电动机的功率。在正、反方向运行时，其特性尽可能相同。 （3）换向可靠。在大电流、高电压、高转速及磁场削弱条件下运行时，换向火花不应超过规定的火花等级。 （4）各部件应具有足够的机械强度，以保证电机在最恶劣的运行条件下可靠工作。 （5）牵引电动机的绝缘必须具有很高的电气强度，并具有良好的防潮和耐热性能，以保址电机有足够的过载能力，并在其寿命期限内可靠工作。 （6）牵引电动机的结构应充分适应机车运行和检修的需要。如电机的传动与悬挂应使机车与钢轨间的动力作用尽量减小；对灰尘、潮气及雨雪的侵入有良好的防护；便于检修和更换电刷等。 (7)必须尽可能地降低牵引电动机单位功率的重量，使电磁材料和结构材料得到充分利用。 第二节 直流牵引电动机的工作特性 牵引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物理量，电动机的效率是衡量电机在实现能量转换过程中损耗大小的量。当电压和励磁电流恒定时，牵引电动机的工作特性是指电动机的转速n、转矩T、效率η与输出功率P2之间的关系曲线，即，.在实际运行中，测量电枢电流比测量P2容易，且随着P2的增加而增加，所以工作特性也可表示为电枢电流的函数，即。牵引电动机的机械特性是指电动机转速和电磁转矩之间的关系曲线n=f（T）。 励磁方式不同的电动机具有不同的特性。直流电动机可分为他励、并励、串励和复励等4种，他励电动机特性和并励电动机相同，因此只需分析并励、串励和复励3种电动机的特性。 一、转速特性 直流电动机的转速对电枢电流的变化关系可根据直流电动机电势平衡方程式求得，即：  （3-1） 式中 U——加在电动机上的端电压（V）； Ia——电枢电流（A）； Ra——电枢回路电阻（fi）； ——每极磁通量（Wb）； Ce——电机常数，对于已制成的电机Ce常数 其值为  其中 p——磁极对数， N——电枢绕组的总导体数， a——电枢绕组的并联支路对数。 由式（3-1）可解得：  （3-2） 从上式可以看出，当U和励磁电流If都为常值时，影响电动机转速的因素有两个：一是电枢回路电阻压降的变化；二是磁通的变化。各种励磁方式电动机的转速特性如图3-6所示。  图3-6 直流牵引电动机的转速特性 1-并（他）励；2-串励；3-积复励。 并励电动机，空载时P2=0，=0，此时转速为空载转速。随着的增加，电阻压降增加，使转速趋于下降；电枢反应的去磁作用使磁通略为减少，又使转速趋于上升。由于两种因素对转速的影响部分地互相抵消，所以电动机转速变化很小。转速特性可能是略为下垂，也可能是略为上翘。实用上，为保证电动机稳定运行，常使并励电动机具有略为下降的转速特性（曲线1） 空载转速n0与额定转速之差，用额定转速的百分数表示，称为电动机的转速变化率，即：  (3-3) 并励电动机在负载变化时转速变化很小，其转速变化率只有2％～8％，所以基本上是一种恒速电动机。 串励电动机当增加时，一方面增大，另一方面由于，使磁通亦增大。这两方面的作用都可使转速降低，因此转速随电枢电流的增加而迅速下降（曲线2）。如果负载很轻，和都很小，电机转速很高。空载时，理论上电动机的转速将趋于无穷大，实际上可达（5～6）。这样高的转速会使转子损坏，因此串励电动机不允许在空载或很轻的负载下运行，也不允许使用皮带、链条传动，以免皮带或链条滑脱时，成为空载。由于串励电动机不允许空载运行，其转速变化率的定义为：  (3-4) 式中时动机转速。 复励电动机具有并励和串励两套绕组，通常接成积复励。两套绕组的磁势比例不同，可得到不同的特性。在设计时，可以灵活也安排它的两种励磁成分，使其特性介于并励和串励电动机特性之间（曲线3）。 二、转矩特性 转矩特性的关系可由转矩平衡方程式推出，当忽略空载转矩后，电动机输出的转矩等于电磁转矩，故转矩特性可以直接由电磁转矩公式求出，即：  （3—5） 式中CT一转矩常数，。 各种励磁方式电动机的转矩特性，如图3－7所示。  图3-7 直流牵引电动机的转矩特性 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，转矩与电枢电流成正比，为一直线（曲线1）。实际上，由于电枢反应的去磁作用，使电动机的转矩在电枢电流较大时，稍有下降。对于串励电动机，在轻载时磁路不饱和，可以认为，则，所以是一条抛物线（曲线2）。当负载增加时，随着电枢电流的增大，磁路逐渐饱和，磁通基本不变，是一条直线。积复励电动机转矩特性介于并励和串励之间（曲线3）。 三、效率特性 在学习直流电机基本知识时已知，电动机实现能量转换过程中，会引起损耗，按负载变化对损耗的影响，可将损耗分为两类： 第一类为铜耗和附加损耗它们都随电流变化而变化，且与电流的平方成正比，这类损耗称为变值损耗，用表示。 第二类为铁耗和机械损耗。其总和几乎与负载变化无关，这类损耗称为定值损耗，用表示。 因此，电机总损耗可表示为，则电机的效率为：  （3－6） 当电压恒定时，按式（3—6）绘成曲线，就可得到电机的效率特性，如图3—8所示。 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例关系。由图3－8可见，效率特性曲线上有一个最大值（曲线A点处），它出现在处。对式（3—6）微分并令,即：  图3-8 直流牵引电动机的效率特性 1-并（他）励；2-串励；3-积复励。  化简后得 可见当时，即变值损耗等于定值损耗时，电机有最高效率。因此，在设计电机时可用控制变值损耗和定值损耗比例关系的方法，使电机在额定电流时或经常工作的电流附近具有最高效率，使电机在一定的负载变化范围内，能获得最优越、最合理的效率。 四、机械特性 机械特性表示了电动机中最重要的两个物理量——转速和电磁转矩之间的关系，在电力拖动中具有重要意义，是决定电动机能否稳定运行及分析比较各种电动机性能的依据。 因为电磁转矩T和电枢电流有比例关系（），机械特性具有与转速特性相似的曲线形状（见图3—6）。他励和并励电动机，速度变化范围较小，称为硬特性；串励电动机，速度变化范围大，称为软特性。 第三节 各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析 为了阐明哪一种励磁方式的电动机更适用作为电力机车中的牵引电动机，需要对各种励磁方式的电动机在机车牵引性能方面的有关问题进行比较和分析。 一、串励和井励牵引电动机的特性比较 1．自调节性能 由图3—6可见，并励牵引电动机转速随着负载的增加下降很小，而串励牵引电动机转速却随着负载的增加下降很多。因此，串励牵引电动机的牵引力和速度能够按照机车运行条件自动进行调节，在重载或上坡时，随着机车速度的降低，串励牵引电动机的转矩自动增大，使机车发挥较大的牵引力；在轻载或平道运行时，机车牵引力减小，使机车具有较高的速度，即串励牵引电动机自调节性能好。 2．功率的利用 图3－9绘出了串励和并励牵引电动机的牵引特性。设两种电机具有相同的额定牵引力和额定速度（a点），当牵引力从变化到时，串励牵引电动机的工作点由a点变化到b点，并励牵引电动机的工作点由a点变化到c点。牵引电动机的功率是牵引力和速度的乘积，即。两种电机相比，并励牵引电动机在牵引力变化时，由于速度变化小，所以功率变化较大，因此，并励牵引电动机的功率利用不好。串励牵引电动机由于其速度随牵引力的增大而降低较多，若在同样的牵引力变化下，它的功率变化比并励牵引电动机小，接近于恒功率运行。因此，串励牵引电动机的功率利用较好，能在各种运行条件下充分发挥机车的功率，同时能合理地利用机车上与牵引功率有关的各种电气设备的容量。  图3-9 牵引电动机的功率利用 3．牵引电动机之间的负载分配 机车运行时，有几台牵引电动机并联运行，为了能充分利用机车功率，要求各牵引电动机的负载分配要均匀。但是，由于各牵引电动机的特性有差异，以及机车动轮直径不完全相同等原因，实际上各牵引电动机负载分配是不均匀的。 图2—10所示为牵引电动机特性有差异时的负载分配情况。从图中可以看出两台特性稍有差异的串励（或并励）牵引电动机，装在一台机车上并联运行时，既使动轮直径相同，电机转速相同，电动机的负载电流Il和转矩均有差别。由图3－10（a）中可以看出，串励牵引电动机具有较软的特性，在同一运行速度下的负载电流Il和I2差值比较小。并励牵引电动机特性较硬，如图3－10（b）所示，负载电流I1和I2差值要比串励牵引电动机大得多。 如果两台牵引电动机的特性完全相同，而各自驱动的动轮直径稍有不同，机车运行时两台电动机的转速将产生差异，图3—11所示为动轮直径有差异时负载分配情况。设一台电动机转速为n1，另一台电动机转速为n2，由相同转速差异引起的负载电流Il和I2的差值，串励牵引电动机比并励牵引电动机小。  图3—10 牵引电动机特性有差异时的负载分配 (a)串励；(b)并励。  图3—11 动轮直径有差异时牵引电动机的负载分配 (a)串励；(b)并励。 4．电压波动对牵引电动机工作的影响 机车运行时，接触网网压会经常发生波动，当电压突然变化时，由于列车的机械惯性，机车的速度来不及变化，牵引电动机就可能承受较大电流和牵引力的冲击。图3－12所示为串励和并励牵引电动机在电压突然增加时产生的电流和牵引力变化情况。设电动机变化前电压为U1，相应的速度特性为，变化后电压为U2，相应的速度特性为。由图可见，当电网电压从U1突变为U2时，电动机的转速来不及变化，其工作点从曲线跃变到曲线上，其电流和牵引力都将产生相应的变化。并励电动机由于特性较硬，电流和牵引力的冲击都比串励电动机大得多，这将使牵引电动机工作条件恶化，并引起列车运行中的冲动。  图3—12 电压波动时牵引电动机电流和牵引力的变化 (a)串励；(b)并励。 另外，当牵引电动机的外加电压突然增加时，并励电动机由于励磁线圈匝数较多，因此电动机励磁回路电流增长速度要比电枢电路电流增长速度慢得多，电枢反电势不能及时增加，在过渡过程开始阶段，会造成电枢电流冲击过大。而串励电动机励磁绕组与电枢绕组串联，电流增长速度相同，引起的电流冲击比并励电动机小得多。 5．防空转性能 机车在重载起动或爬坡时，常会发生粘着破坏而使动轮空转，导致机车牵引力下降。空转时，动轮转速迅速上升，使机车走行部分受到损坏，影响使用寿命；如转速超过牵引电动机最大转速时，还可能造成电机环火等严重故障。因此，要求牵引电动机应具有良好的防空转性能，当出现动轮空转时，轮对牵引力应随着转速的增高急剧下降，使粘着迅速恢复。 图3－13中曲线l、2分别为串励和并励牵引电动机的牵引特性，设电动机工作在a点，速度为n0由于某种原因，使轮轨之间的粘着条件破坏而发生空转时，电动机转速沿特性曲线上升，速度增量为n。由图3－13可见，并励电动机特性较硬，牵引力随转速上升而大幅下降，轮周牵引力很快低于粘着牵引力，使粘着迅速恢复；而串励牵引电动机特性较软，牵引力下降很小，转速将继续上升，粘着不易恢复，形成空转。  图3—13 牵引电动机防空转性能 1-串励；2-并励。 综上所述，作为机车的牵引动力，串励牵引电动机具有自调节性能较好，功率利用较好，并联工作时负载分配较均匀，受电网电压波动影响较小等优点，因此被广泛地应用于电力机车上。 但是，机车上采用串励牵引电动机也存在缺点，主要为：(1)个别传动时，容易发生空转；(2)电气制动时，由于串励发电机特性不稳定，需要将励磁绕组改接为他励。 二、他励牵引电动机 他励电动机的特点是励磁绕组由单独电源供电。对应一定的电枢电压和励磁电流，其转速特性和并励电动机相同，是一条略为下降的硬特性，并不符合机车牵引的要求。但是，如果在一定的端电压下，人为或自动地调节他励电动机的励磁电流，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流，磁通将连续变化，造成特性曲线连续移动，可以形成“面”形特性。所以，只要根据需要对励磁电流进行调节，他励电动机的工作点就可以运行在该“面”上任何一个位置（见图3一14中虚线所标定的范围内），达到符合机车牵引要求的特性。  图3—14 牵引电动机防空转性能 (a)转速特性；(b)转矩特性。 电力机车上采用他励牵引电动机的优点是： （1）合适的调节特性。根据机车运行条件的需要，可以通过对他励牵引电动机的电压和励磁电流进行自动连续的特殊控制，在最大可能的调速范围内实现平滑调速，并获得所希望的软特性，使机车实现恒转矩起动和恒功率运行。 （2）优良的防空转性能。出现空转时，利用他励电动机本身具有的硬特性，及时制止空转，提高粘着利用。 （3）充分发挥机车牵引力。可针对机车中每台牵引电动机的特性、轮径、轴重等特点采用个别励磁，使每台电动机都能充分发挥牵引力。 （4）能实现无级磁场削弱。 （5）便于牵引和制动工况的转换。当机车由牵引工况转入制动工况时，电路不需要进行大的换接，他励电动机可立即进人他励发电机状态，并能平滑控制制动力。 由此可见，采用控制励磁调节的他励电动机作为牵引电动机是有发展前途的，但需要一套复杂的电子控制系统来进行励磁调节。因此，从经济性、可靠性等方面尚不如自调节性能良好的串励电动机。 三、积复励牵引电动机 电力机车中采用的复励电动机，其原理如图3—15所示。它有一个串励绕组和一个他励绕组，两绕组产生磁势方向相同，因而是积复励电动机。复励电动机的机械特性介于并励特性与串励特性之间（见图3—6）。它既有串励电动机的优点一自调节性能较好，功率利用较好，并联工作时负载分配较均匀，受电网电压波动影响较小等，又有他励电动机的优点，如防空转性能好，电气制动方便（电气制动时，将串励绕组切除，就成为他励发电机）。  图3—15 复励牵引电动机原理图 1-串励绕组；2-他励绕组。 另外，复励牵引电动机的他励绕组的励磁电流也可根据机车运行条件进行调节，以获得更大的调速范围。因此，复励牵引电动机已得到广泛应用。如国产SS7型电力机车，从日本引进的6K型电力机车均采用复励牵引电动机。 第四节 直流牵引电动机的起动、反转、调速和制动 一、直流牵引电动机的起动 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。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。 当忽略电枢绕组电感时，电枢电流为：  （3-9） 在起动开始瞬间，由于转速n=0，故电枢感应电势，此时的电流称起动电流，用表示：  （3-10） 由于电枢绕组电阻很小，如果直接加额定电压起动，起动电流入很大，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。为此，在起动时必须设法限制起动电流。 由式（3—10）可知，为限制起动电流，可降低电动机外加电源电压或增大电枢回路的电阻，这是通常采用的两种起动方法。 1.降低电源电压起动（降压起动） 在起动瞬间，给电动机加较低的直流电压，随着电动机转速的升高，电枢电势逐渐增加，同时端电压U也人为地不断增加，U与的差值使起动过程中电枢电流保持在允许范围内，直到电动机端电压上升到额定值，电动机起动完毕。采用降低电源电压方法起动并励电动机时必须注意：起动时必须加上额定励磁电压，使磁通一开始就有额定值，否则电动机起动电流虽然比较大，但起动转矩却较小，电动机仍无法起动。 降压起动的优点是在起动过程中无电阻损耗，并可达到平稳升速，但需要专用电源设备，多用于要求经常起动的大中型直流电动机。在采用直流电动机作为牵引动力的机车上，电源由专门的发电机或变压器供给，通过调节发电机的励磁和变压器的抽头很容易改变其输出电压。因此，降压起动广泛应用于电力机车和内燃机车中。 2.电枢回路串电阻起动（变阻起动） 直流电动机在电枢回路串人适当的起动电阻，按照把起动电流人限制在 1．5～2 .5的范围内来选择起动电阻的大小。在起动过程中，随着转速n的升高，电枢电势也升高，电枢电流相应地减小。为了保持一定的转矩，应逐渐将起动电阻切除，直到起动电阻全部切除，电动机起动完毕，达到额定转速稳定运行。 变阻起动能有效的限制起动电流，所需起动设备简单、广泛应用于各种中小型直流牵引电动机，如工矿机车、城市电车上多采用电阻起动。但变阻起动过程中能量消耗大，不适用于经常起动的大中型直流牵引电动机。 二、改变直流牵引电动机转向的方法 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，故实改变电动机转向的方法有两种：一是改变磁通（即励磁电流）的方向，二是改变电枢电流的方向。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。牵引电动机常采用励磁绕组反接法，如图3－16所示。 由图3－16可见，利用电器触头H、a的闭合与断开将励磁绕组进行反接，改变励磁绕组中电流的方向，即改变了磁通的方向，以达到实现改变直流牵引电动机转向的目的。 三、直流牵引电动机的调速 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叫作调速。 由图3—16可列出电动机转速为：  图3－16 励磁绕组反接  （3-11） 式中——电枢回路串接的电阻。  图3－17 串励电动机电枢串接电阻时的机械特性 图3－18 串励电动机电压降低时的机械特性 1.电枢回路串接电阻调速 由上式可知，影响电动机转速的3个因素是电源电压U、电枢回路串接的电阻、气隙主磁通。只要改变以上3个因素中任何一个，都能达到调节电动机转速的目的。 图3－17所示为串励电动机电枢串接电阻时的机械特性。在某一负载下，电阻越大，转速越低。 这种调速方法的优点是只需增设电阻和切换开关，设备简单，控制方便。缺点是能耗较大，经济性差；速度调节是有级的，调速平滑性差。 2.改变电源电压调速 图3－18所示为串励电动机电压降低时的机械特性。在某一负载下，电压越低，转速也越低。为保证电机安全运行，电压只能以额定电压为上限下调，也称降压调速。 这种调速方法的优点是电源电压如能平滑调节，就可实现无级调速；调速中无附加能量损耗。缺点是需要专用的调压电源，成本较高；转速只能调低，不能调高。 3.改变主磁通调速  图3－19 串励电动机磁通减弱时的机械特性 图3－19所示为串励电动机磁通减弱时的机械特性。在某一负载下磁通越弱，转速越高。一般电机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，因此，改变磁通只能在额定磁通下减弱磁通，所以又称为削弱磁场调速。削弱磁场需要在励磁绕组的两端并联电阻，一般电动机励磁功率只有电机容量的1％～5％，因此用于削弱磁场的并联电阻容量也很小。 这种调速方法设备简单、控制方便、功率损耗小，可以提高电机的转速，是直流牵引电动机常用的调速方法之一。 直流牵引电动机，为扩大调速范围，常把几种方法配合使用。如地铁电动车组，常采用电枢串接电阻和弱磁调速；电力机车和内燃机车，常采用改变电压和弱磁调速。 四、直流牵引电动机的制动 机车运行过程中，有时需要尽快使牵引电动机停转或从高速运行转换到低速运行；下坡时，需要限制牵引电动机的转速，以控制机车的速度。这就需要在牵引电动机轴上加一个与转向相反的转矩（称制动转矩）来实现，称为牵引电动机的制动。 制动转矩是由机械制动闸产生的摩擦转矩，称为机械制动；制动转矩是牵引电动机本身产生的电磁转矩，称为电气制动。直流牵引电动机的电气制动可分为能耗制动和回馈制动两种。 1.能耗制动  图3—20 能耗制动时电路原理接线图 图3—20所示为串励牵引电动机采用能耗制动的电路。电气制动时，励磁绕组由单独的励磁电源供电，并保持励磁电流方向不变(磁通方向不变)，将电枢绕组从电源上断开并立即接到一个制动电阻RL上。这时电枢绕组外加电压U=0，而电机转子靠惯性继续旋转，切割方向未变的磁通，所感应的电势仍存在且方向不变，因此，产生的电枢电流(制动电流)为：  （3-12） 由式(3—12)可见，电枢电流Ia改变了方向，而磁通φ的方向未变，电磁转矩T=CTφIa。则改变了方向。因此，T与n的方向相反，T成为制动转矩，使电机转速很快下降。 在制动过程中，电机靠惯性继续旋转，在磁场不变情况下，产生感应电势方向不变并输出电流，变成一台他励发电机，把机车的动能转换成电能，消耗在制动电阻上，故称为能耗制动。 调节制动电阻RL或调节励磁电流改变磁通的大小，都可以改变制动电流的大小，以调节制动转矩的大小。另外，电机的转速越高，制动转矩越大，制动的效果越好；而低速时，制动转矩相应变小，需要配用机械制动，使电机迅速停转。 电力机车上多采用串励牵引电动机，在电气制动时，由于串励发电机特性不稳定，需要将励磁绕组改为他励。 能耗制动所需设备简单，成本低，操作方便。不足之处是列车的动能转换为电能后消耗在制动电阻上，变成热能散发到大气中，没有被利用；不易迅速制停，因为当电机转速n较小时Ea较小，Ia也较小，使制动转矩相应减小。此时，应采用减小制动电阻RL来增大电枢电流Ia以提高低速区的制动转矩。 2．回馈制动 电机作电动机运行时，电源电压U大于反电势Ea，电枢电流方向与U同方向，电磁转矩方向与转向相同。若保持磁通方向不变，当转速升高到一定数值后，感应电势Ea大于电源电压U，电枢电流方向与Ea同方向，电机作发电机运行，电磁转矩与转向相反起制动作用，发电机产生的电能送回到电网。这种制动方法称为回馈制动。 电力机车下坡时，重力加速度的作用使车速增高，牵引电机感应电势Ea随之增大，若Ea=U，则Ia=0，牵引电机就不需要从电网输入电能，电力机车由本身的位能自动滑行并继续加速。转速继续升高，将使Ea>U，则Ia反向，牵引电机自动转换为发电机运行状态。此时，电力机车下坡的位能，通过电机转换成电能，回馈给电网。由于电枢电流Ia反向，电磁转矩也随之反向，起到制动作用，车速越高，制动转矩越大，如图3—21所示。转速增高到一定程度，下坡时的位能产生的动力转矩与牵引电机的制动转矩和摩擦转矩相平衡时，电力机车将恒速稳定运行(b点)。  图3—21 电力机车下坡时的回馈制动 (a)平路行驶（电动机状态，）； (b)下坡（发电机状态，）； (c)机械特性 他励和复励牵引电动机回馈制动时，需要保持励磁电流方向不变，电枢回路的接线不变。串励牵引电动机进行回馈制动时，由于串励发电机在许可范围内工作不稳定，需要将串励绕组改接为他励，由较低的电压供电以得到所需要的励磁电流。 小 结 牵引电动机的传动方式分为个别传动和组合传动两种。个别传动是一台牵引电动机只驱动一个轮对，其主要优点是一台牵引电动机发生故障时可切除，并不影响其他电机工作，提高了机车运行的可靠性；缺点是个别轮对容易空转，使机车的粘着牵引力降低。个别传动的牵引电动机有两种悬挂方式：抱轴式悬挂结构简单，但簧下重量大，动力作用大，只适用车速不超过120km／h的电力机车；架承式悬挂因电机的重量均为簧上重量，改善了牵引电动机的工作条件，如采用电枢空心轴传动，机车速度可达160km／h，如采用轮轴空心轴传动，机车速度可达跳250km／h。组合传动也称为单电机转向架，这种传动方式虽然结构复杂，但牵引电动机功率大，经济指标高，是值得注意的发展方向。 牵引电动机（尤其是采用抱轴式悬挂的脉流牵引电动机），其工作条件极为困难，主要特点是：使用环境恶劣；外型尺寸受限；动力作用大；换向困难；负载分配不均等。为适应机车运行的需要，对牵引电动机提出了一些基本要求。 直流牵引电动机的特性有工作特性和机械特性，代表了电动机本身的运行性能。励磁方耦不同的牵引电动机其特性差异较大，他励和并励电动机，转速随负载变化较小，称为硬特性；跳励电动机转速随着负载变化较大，称为软特性。 具有软特性的串励牵引电动机，自调节性能好；功率利用较好；并联工作时负载分配较均匀；受电网电压波动影响较小。在电力机车上得到广泛应用。其主要缺点是：个别传动时容易发生空转；电气制动时需将申励改为他励。他励电动机具有硬的机械特性，并不符合牵引要求。但是，如果利用晶闸管系统自动连续地调节励磁电流，便可获得所需要的牵引性能。机车上采用他励牵引电动机的主要优点是：具有优良的防空转性能，能实现无级调速等。串励加他励的积复励牵引电动机，他励磁场电流用微机控制，可获得良好的牵引性能。 起动、反转、调速和制动是电动机运行时必须解决的问题。起动的问题主要是限制起动电流的大小，电力机车的牵引电动机常采用降压起动。调速问题实际上是用改变外加电压、电枢附加电阻和磁通的方法改变电动机的机械特性，使它与负载有不同的交点，从而获得不同的转速。电气制动是使电机本身产生的电磁转矩与转向相反而成为制动转矩，使电机停转或限速运行，有能耗制动和回馈制动。 复习思考题 1、牵引电动机的传动方式有哪几种？各有何优缺点？ 2、什么叫抱轴式悬挂和架承式悬挂？各有哪些优缺点？ 3、牵引电动机工作条件的主要特点有哪些？ 4、画出并励和串励电动机的工作特性曲线，并分析曲线形成的原因。 5、根据机车的负载特点分析哪几种励磁方式的电动机可用作为牵引电动机？ 6、比较串励和并励电动机作为牵引电动机的优缺点。 7、为什么电力机车上大多数采用串励牵引电动机？使用中存在什么问题？ 8、他励电动机作为牵引电动机使用时需要有哪些条件？他励牵引电动机有哪些优缺点？ 9、直流电动机在起动时有哪些要求？直流电动机的起动电流取定于什么？正常工作时的电流又取定于什么？ 10、直流电动机有几种起动方法？分析各种方法的优缺点及使用范围。 11、直流电动机有几种调速方法。电力机车常采用哪些方法调速？ 12、说明电气制动原理。直流电机电动与制动状态的根本区别是什么？ 13、直流牵引电机有几种制动方法？说明它们的异同点和使用场合。