牵引电机的基本原理

　　牵引电动机是指产生机车或动车牵引动力的电动机。牵引电动机种类繁多，但它们都有一个对应机车和动车的牵引力和速度关系的特性，即基本牵引特性，它们既可以代表机车或动车的性能，也可以通过车辆的动轮轮径和传动比的关系转换成牵引电动机的转矩和转速的关系。

　　牵引电动机是驱动车辆动轮轴的主电动机，用于车辆的加速及制动。牵引电动机的定子绕组接通三相交流电，在定子空间将产生旋转磁场。转子绕组在旋转磁场中将产生感应电动机和感应电流，从而使转子受到电磁力的作用而转动。

　　交流牵引电机的分类和各自特点

　　交流牵引电动机在额定频率和额定电压不变的条件下，其自然工作特性是指给定电动机的转速n、电磁转矩T、定子功率因数cosφ1与输出功率P2之间的变化关系，而自然机械特性是指电动机和转速与电磁转矩之间的变化关系。常用的交流牵引电动机有以下几类：

　　1．单相串励换向器电动机

　　输入电压为单相低频交流，通常只采用串励，其自然运行特性与直（脉）流串励电动机基本相同。它极数较多，加上换向问题解决不够完善，只有欧洲部分国家在低频牵引电网下使用。

　　2．三相异步电动机

　　（1）转速特性n=f（P2）。在稳定运行的转速范围内，当P2增大时，电磁功率Pem和转子绕组铜损PCu2也随着增大，且PCu2比Pem增大略快，即转差率s=PCu2/Pem略有增加。因此，转速特性为略微下降的近似直线，这说明异步电动机的转速特性呈硬特性。

　　（2）转矩特性T=f（P2）。由T=CTΦI2=T0+P2/Ω可知，三相异步电动机与直（脉）流他励电动机一样，转矩特性为呈上升趋势的近似直线。

　　（3）定子功率因数特性cosφ1=f（P2）。空载时定子电流主要是励磁分量，因此空载时很低。随着P2的增大，转子电流的有功分量增长，对应的定子电流有功分量也增长，cosφ1很快上升。当P2增至额定负载以后，由于转差率s明显增大，使转子漏抗sX02增大，相对定子电流的无功分量也会增加，cosφ1反而逐渐减小。因此，定子功率因数特性呈弯曲线。

　　（4）机械特性n=f（T）。在稳定运行范围内，当T增大时，转子电流的有功分量I2cosφ2增大，表明转差率s略有增大，机械特性是略微下降的近似直线。因而异步电动机的机械特性呈硬特性。

　　3．三相同步电动机

　　（1）转速特性n=f（P2）和机械特性n=f（T）。由于同步电动机为交直流双边励磁电动机，其转速只取决于电枢电流频率和电动机极对数，而与P2和T无关，转速特性和机械特性为水平的绝对硬特性。

　　（2）转矩特性T=f（P2）。由“电机学”知识可知，电磁功率Pem随着输出功率P2的增加而增加，由于其转子同步角速度Ωr不变，转矩特性呈直线上升。

　　（3）定子功率因数特性cosφ1=f（P2）。由“电机学”知识可知，处于过励状态的同步电动机将从电源吸取电容性电流，以利改善cosφ1。空载时主要是直流励磁，在较小励磁时，功率因数cosφ1即可高于异步电动机。随着P2的增大，将在较大励磁时才能使cosφ1较高。

　　图11-3 常用牵引电动机工作特性

　　（a）三相异步电动机；（b）三相同步电动机

　　图11-3 （a）、（b）分别示出了三相异步电动机和三相同步电动机的自然运行特性。可见，三相异步电动机比三相同步电动机的特性有更明显的变化。

　　全书共有八章内容。主要介绍了直流电机、交流旋转电机、交流直线电机的基本知识，包括其基本结构、基本工作原理以及简单的特性分析等；着重介绍直流牵引电机、交流旋转牵引电机、交流直线牵引电机在城规车辆中的运用。本书在介绍理论知识时重点突出实际运用，内容丰富、实用性强，是高、中职轨道驾驶与检修专业的必修教材，也可作为职工岗位培训教材，还可作为相关工程技术人员的学习参考书。

　　秦娟兰，女，武汉铁路司机学校轨道驾驶与检修专业组教师，高级讲师，长期从事电力机车专业教学。近十年来，主要从事轨道驾驶与检修专业教学，专业基础深厚，已出版担任主编的教材2部。已出版的教材得到广泛好评。

第一章 直流电机的基础知识 6

第一节 电机理论基础知识 6

第二节 直流电机基本工作原理 11

第三节 直流电机的基本结构 14

第四节 直流电机的感应电势和电磁转矩 21

第五节 直流电机的电枢反应 29

第六节 各种励磁方式直流电动机的运行特性 36

第二章 直流牵引电动机 47

第一节 牵引电动机的一般概念 47

第二节 电动车组的牵引特性 50

第三节 直流串励牵引电动机在动车中的运用 58

第四节 直流牵引电动机的维护 69

第三章 三相交流电机基础知识 73

第一节 三相交流异步电动机的基本结构 73

第二节 旋转磁场 77

第三节 三相交流异步电动机工作原理 83

第四节 三相异步电动机的运行特性分析 87

第五节 三相异步旋转电动机的转矩特性与机械特性 99

第六节 三相异步电动机的启动与运行 105

第七节 单相异步电动机 113

第四章 三相鼠笼式异步牵引电动机 118

第一节 三相异步牵引电动机概述 118

第二节 三相鼠笼式异步牵引电动机的基本结构 119

第三节 三相异步牵引电动机的变频运行方式及其特性 123

第四节 电动车组三相异步牵引电动机的特性调节 131

第五节 异步牵引电动机在地铁动车中的运用 135

第六节 异步牵引电机交流传动系统的控制原理 140

第七节 交流牵引电动机维护及牵引系统辅助电机 151

第五章 永磁同步电机 162

第一节 永磁同步电机的工作原理 162

第二节 永磁同步电机的基本结构及运行特性 165

第三节 永磁同步牵引电动机在轨道交通中的运用 169

第六章 直线感应电机基础知识 175

第一节 直线感应电机的基本结构及分类 175

第二节 直线感应电机工作原理 180

第三节 直线感应电机的边端效应 184

第四节 直线感应电动机的等效电路和基本特性 187

第七章 直线感应电机轮轨交通系统 191

第一节 直线感应电机轮轨交通系统的历史与发展 191

第二节 直线感应电机轮轨交通系统的特点 193

第三节 直线感应电机轨道交通运载系统 195

第四节 轨道交通直线感应电机吊挂技术 202

第五节 直线感应电动机在轨道交通中的应用现状 206

第六节 直线同步电动机LSM轨道系统 212

第八章 变压器的基本结构与原理 220

第一节 变压器的基本结构及工作原理 220

第二节 地铁动车车辆上的几种变压器 226