交流牵引电机的结构性能探讨.doc

1、交流牵引电机的结构性能分析学 生 姓 名： 张 佩学 号： 0 9 3 0 8 1 8专 业 班 级： 铁道机车车辆培训 2 班指 导 教 师： 王 易 平毕 业 设 计 （ 论 文 ）- I -摘 要本文主要介绍了交流牵引电机的结构与性能，通过对牵引电机的结构剖析， 对各个组成部件的介绍，反映出不同结构电机的主要性能。交 流 变 频 牵 引 电 机 作 为 车 辆 驱 动 的 原 动 机 是 国 际 上 二 十 世 纪 八 十 年 代 发 展 起 来的 先 进 牵 引 技 术 。 它 以 十 分 显 著 的 优 良 特 性 在 德 、 日 、 法 等 经 济 发 达 国 家 迅 速 发展 ，

2、 很 快 取 代 了 传 统 的 直 流 牵 引 电 机 。 随 着 交 流 变 频 调 速 技 术 的 日 益 成 熟 ， 可 以 对交 流 牵 引 电 机 进 行 平 稳 可 靠 的 无 级 调 速 ， 调 速 范 围 可 达 1： 1000， 比 直 流 调 速 范围 更 大 ， 尤 其 是 没 有 了 直 流 电 机 换 向 器 的 存 在 ， 因 而 克 服 了 直 流 电 机 的 许 多 弊 端 ，交 流 牵 引 电 机 与 直 流 电 机 相 比 ， 结 构 简 单 可 靠 、 体 积 小 、 重 量 轻 ， 更 适 合 车 辆 对 电机 的 安 装 空 间 和 重 量 等 方

3、面 的 要 求 ， 更 重 要 的 是 交 流 牵 引 电 机 因 具 有 功 率 大 、 过 载能 力 强 、 噪 声 小 、 调 速 范 围 宽 (0 5000r/min 左 右 )、 再 生 制 动 力 巨 大 、 可 防 止 车轮 打 滑 、 可 靠 性 高 、 维 护 方 便 、 平 稳 舒 适 、 节 电 20 30%等 优 点 ， 成 为 现 代 城 市 轨道 交 通 牵 引 机 车 驱 动 电 机 的 首 选 产 品 。为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题，有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机，并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车

4、辆。晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成，用晶闸管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构。这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的“换向”问题。但晶闸管及其控制系统相当复杂，所以电子元件直接影响电动机的运行可靠性。三相交流异步变频牵引电动机结构简单，工作可靠，成本低廉，是比较理想的牵引电动机。但由于需用变频调速，它的发展和应用一度受到限制。60 年代，大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速。现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频牵引电动机。联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机。它的初级绕组敷设在地面导轨上

5、，由地面的变频电源供电以产生行波磁场，调节供电电源频率就可改变磁悬浮高速车辆的速度。次级绕组就是反应板，装在车辆的构架上。初级行波磁场和次级感应电流的相互作用，不仅产生使车辆前进的推力，而且还产生磁拉力以悬浮车辆，并在制动工况时起着动力制动的作用。关键词：交流牵引电机；结构；性能交 流 牵 引 电 机 的 结 构 性 能 探 讨- II -目 录摘 要 .I引 言.11 交流牵引电机的结构.21.1 牵引电机的简介.21.2 结构特点.31.3 牵引电动机的应用原理.31.4 工作特性.42 交流电机的结构组成.52.1 定子.52.2 转子.62.3 轴承.72.4 端盖.82.5 传感器.

6、82.6 接线盒.83 三交流牵引电动机.103.1 三相异步电机种类.103.2 三相异步电动机的工作原理.103.3 旋转磁场.113.5 三相交流异步电动机机械特性.123.6 三相异步电动机型号字母表示的含义.133.7 使用.133.8 优点.133.9 三相异步电动机输出功率与牵引力的关系.134 发展趋势.15结 论.17致 谢.18参考文献.19毕 业 设 计 （ 论 文 ）引 言铁路是国民经济大动脉，对巩固工农联盟，沟通城乡文化和物资交流，促进工、农业生产的发展，起着越来越重要的作用。作为现代化交通手段的铁路运输，安全正点，平稳运行，是铁路运输事业的高质量的集中体现；是“人民

7、铁路为人民”、优质服务、铁路文明建设的重要标志；是反映路风好坏的一个重要窗口。因此，做好此项工作，是全体铁路职工的神圣职责。尤其是电力机车牵引的列车，运行速度和牵引重量日益提高，确保列车的安全，具有特别重要的意义，一旦发生行车事故，不仅经济损失是巨大的，甚至可能造成不良的政治影响。铁路运输是一个高度集中的大系统，为了不断提高运输能力，防止各类事故的发生，要求铁路的各个部门，必须协调一致。只有保证这个大系统的有机统一，才能保证铁路运输的畅通无阻。事实清楚的告诉我们：一趟列车晚点，将会打乱一个区段甚至几个区段的运行秩序。这也是铁路运输事业的一个重要特点。作为机车车辆的专业学员，是铁路运输的主要技术

8、工作人员，铁路运输任务完成质量的好坏，与我们技术要求水平的高低关系极大，因此，如何科学地使用好电力机车，充分发挥它的效能，掌握它的运行规律，以提高列车牵引重量和运行速度，多拉快跑，安全正点的完成运输任务，是我们必须研究的课题。只有了解和掌握了机车的牵引性能，列车运行的一般规律和有关运用知识，才能正确操纵机车，爱护机车，合理运用机车功率，安全正点，多快好省地完成运输任务。列车操纵技术是以牵引理论为依据，在列车不同的运行条件下，因地制宜的采取合理的手柄操纵方法以及制动机的使用方法，达到安全，迅速，经济的效果。机车乘务员是直接操纵列车运行的人员。工作中稍有疏忽，就可能造成极其严重的后果。交 流 牵

9、引 电 机 的 结 构 性 能 探 讨- 2 -1 交流牵引电机的结构1.1 牵引电机的简介铁路干线电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆（如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆）上用于牵引的电机。牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机、辅助电机等。牵引电动机在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。 牵 引 电 动 机 的 工 作 原 理 与 一 般 直 流 电 动 机 相 同 ， 但 有 特

10、殊 的 工 作 条 件 ： 空 间 尺寸 受 到 轨 距 和 动 轮 直 径 的 限 制 ； 在 机 车 运 行 通 过 轨 缝 和 道 岔 时 要 承 受 相 当 大 的 冲 击振 动 ； 大 、 小 齿 轮 啮 合 不 良 时 电 枢 上 会 产 生 强 烈 的 扭 转 振 动 ;在 恶 劣 环 境 中 运 用 ，雨 、 雪 、 灰 沙 容 易 侵 入 等 。 因 此 牵 引 电 动 机 在 设 计 和 结 构 上 也 有 许 多 要 求 ， 如 要 充分 利 用 机 体 内 部 空 间 使 结 构 紧 凑 ， 要 采 用 较 高 级 的 绝 缘 材 料 和 导 磁 材 料 ， 零 部 件

11、 需有 较 高 的 机 械 强 度 和 刚 度 ， 整 台 电 机 需 有 良 好 的 通 风 散 热 条 件 和 防 尘 防 潮 能 力 ， 要采 取 特 殊 的 措 施 以 应 付 比 较 困 难 的 “换 向 ”条 件 以 减 少 炭 刷 下 的 火 花 等 。 牵 引 电 动 机 有 两 种 悬 挂 方 式 。 一 种 是 牵 引 电 动 机 和 动 轮 轴 连 接 的 悬 挂 方 式 ， 称为 抱 轴 式 悬 挂 或 半 悬 挂 。 采 用 这 种 悬 挂 方 式 时 ， 动 轮 通 过 轨 缝 和 道 岔 所 产 生 的 冲 击振 动 会 直 接 传 给 牵 引 电 动 机 。 抱

12、 轴 式 悬 挂 适 用 于 结 构 速 度 低 于 120 公 里 /小 时 的 机车 车 辆 。 另 一 种 是 架 承 式 悬 挂 (或 称 全 悬 挂 )。 采 用 这 种 悬 挂 方 式 时 牵 引 电 动 机 固定 悬 挂 在 转向架构 架 上 ， 在 牵 引 电 动 机 轴 端 和 小 、 大 齿 轮 之 间 加 入 各 种 弹 性 连 接 元件 ， 以 减 小 冲 击 振 动 的 影 响 。 架 承 式 悬 挂 适 用 于 结 构 速 度 高 于 120 公 里 /小 时 的 机车 车 辆 。 在 用 牵 引 变压器降 压 经 硅 整 流 器 或 大 功 率 晶 闸 管 整 流

13、 后 供 电 给 直 流 串 励 牵 引 电动 机 时 ， 加 在 牵 引 电 动 机 上 的 电 压 为 脉 动 电 压 ， 因 此 这 种 牵 引 电 动 机 称 为 脉 流 牵 引电 动 机 。 大 功 率 脉 流 牵 引 电 动 机 的 “换 向 ”条 件 更 加 困 难 。 此 外 ， 电 动 机 内 部 还 有一 些 附 加 损 耗 ， 从 而 引 起 电 动 机 温 升 ， 因 此 ， 脉 流 牵 引 电 动 机 在 设 计 和 结 构 上 还 要采 取 一 定 的 特 殊 措 施 ， 以 解 决 “换 向 ”和 温 升 两 个 突 出 的 问 题 。 牵引发电机毕 业 设 计

14、（ 论 文 ）专 用 于 电 力 传 动 内 燃 机 车 ， 以 供 给 牵 引 电 动 机 电 力 的 发 电 机 ， 又 称 主 发 电 机 。牵 引 发 电 机 有 直 流 和 交 流 两 种 。 直 流 牵 引 发 电 机 直 接 向 直 流 牵 引 电 动 机 供 电 。 交 流牵 引 发 电 机 发 出 的 三 相 交 流 电 经 硅 整 流 器 整 流 后 再 向 直 流 牵 引 电 动 机 供 电 。 交 流 整流 电 路 是 三 相 的 ， 整 流 电 压 虽 然 有 脉 动 ， 但 脉 动 量 比 较 小 ， 因 此 牵 引 电 动 机 还 被 认为 是 一 般 的 直 流

15、 电 动 机 。辅助电机电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。 1.2 结构特点交流牵引电机的基本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。 交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。 它以十分显著的优良特性在德、日、法等经济发达国家迅速发展，很快取代了传统的直流牵引电机。随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平

16、稳可靠的无级调速，调速范围可达 1：1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(05000r/min 左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电 2030%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。 1.3 牵引电动机的应用原理牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运

17、行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动;在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花等。交 流 牵 引 电 机 的 结 构 性 能 探 讨- 4 -牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传

18、给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于 120 公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于 120 公里/小时的机车车辆。 在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。此外，电动机内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施

19、，以解决“换向”和温升两个突出的问题。辅助电机电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。1.4 工作特性牵引机主要与各种管材挤出生产线、焊管生产线配套，为整个机组提供夹持牵引力，并使生产线运行同步并保持平稳，应用范围广。 采用气动系统夹紧装置，夹紧压力可测、可调、可控、管材变形小；采用履带橡胶块/皮带/金属夹块，适应各种不同材料、直径和壁厚的管材；无级调速，变频控制，同步性好，运行平

20、稳不打滑；牵引机结构简单、操作方便、使用寿命长。毕 业 设 计 （ 论 文 ）2 交流电机的结构组成交流电机的基本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。如图 2.1所示。图 2.1 交流电机的结构组成2.1 定子电机中固定的部分叫做定子，在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进行能量转换，以定子绕组的形状与嵌装方式区分。 定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场。定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。 机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电

21、路部分，它由三个在空间相差 120电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：定子绕组根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类：集中式绕组 交 流 牵 引 电 机 的 结 构 性 能 探 讨- 6 -集中式绕组应用于凸极式定子，通常绕制成矩形线圈，经纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后，嵌装在凸形磁极的铁心上。一般换向器式电动机(包括直流电机和通用电动机)的激磁线圈以及单相罩极式凸极电动机的主极绕组都采用集中式绕组。 集中式绕组通常每极有一只线圈，但也有采用庶极(隐极)形式的，如框架式罩极电动机就是用一只线圈形成两极的电动机。 分布式绕组 分布式绕组的

22、电动机定子没有凸形极掌，每个磁极由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组，通电后形成不同极性的磁极，故也称隐极式。根据嵌装布线排列形式的不同，分布式绕组又可分为同心式和叠式两类。 同心式绕组 同心式绕组是由几个形状相似但大小不同的线圈，按同一中心位置嵌装成回字形状的线圈组。同心绕组可根据不同的布线方式而构成双平面或三平面绕组。一般单相电动机及部分小功率或大跨距线圈的三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。 叠式绕组叠式绕组一般是由形状、大小相同的线圈，分别以每槽嵌装 1 个或两个线圈边，并在槽外端部逐个相叠均匀分布的形式。叠式绕组又分单层叠式和双层叠式两种。每槽只嵌入一个线圈边的为单层叠

23、式绕组，或称单叠绕组；每槽嵌入两个属不同线圈组的线圈边时是分置于槽中上、下层，为双层叠式绕组，或称双叠绕组。根据嵌装布线方式变化不同，叠式绕组又可派生出交叉式、同心交叉式以及单双层混合式等型式。目前，一般功率较大的三相异步电动机定子绕组较多采用双层叠式；而小电机则多用单层叠式绕组中的派生型式，但极少采用单层叠式绕组。单层绕组一般用在 10kW 以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。2.2 转子转子是电动机的旋转部分。它由转轴、转子铁芯和转子绕组组成。转子上有励磁绕组，在通入励磁电流,由于转子在原动力的作用下旋转,则会产生交变的磁场，定子的三相绕组依次切割磁力线.就会感应出大小相等,相差 120电角度的交流电动。转子绕组 交流异步电动机的转子绕组分鼠笼型与绕线型两类。鼠笼型结构较为简单，一般由合金铝浇注人转子铁心槽内并由两端端环短接而成；也有用铜条嵌入再焊上铜质端环的。为了改善起动性能，鼠笼型又可制成深槽式及双鼠笼等特殊型式。绕线型转子绕组与定子绕组相同，它除可用上述各式绕组外，还可用波形绕组。波形绕组是由单匝或几匝的杆形单元线圈，嵌装后由两个元件在端部焊接成一只线圈，并形成整个绕