牵引电机

牵引电机是用于推进车辆的电动机，例如机车、电动或氢动力车辆、电梯或电动多单元。

牵引电机用于电动轨道车辆（电动多单元）和其他电动车辆，包括电动牛奶浮子、电梯、过山车、传送带和无轨电车，以及具有电力传输系统的车辆（柴油电力机车、电动混合动力车辆）)和电池电动汽车。

具有串联励磁绕组的直流电动机是最古老的牵引电动机类型。这些提供了可用于推进的速度-扭矩特性，在较低速度下提供高扭矩以用于车辆加速，并随着速度增加而减小扭矩。通过布置具有多个抽头的励磁绕组，可以改变速度特性，从而允许操作员对加速度进行相对平稳的控制。通过在串联并联控制中使用车辆上的电机对来提供进一步的控制措施;对于慢速运行或重载，可以使用直流电源串联两台电机。在需要更高速度的情况下，这些电机可以并联运行，从而在每个电机上提供更高的电压，从而实现更高的速度。铁路系统的某些部分可能使用不同的电压，车站之间的长期运行电压较高，而车站附近的电压较低，仅需要较慢的运行。

直流系统的一种变体是交流串联电动机，也称为通用电动机，它本质上是相同的设备，但以交流电运行。由于电枢电流和励磁电流同时反向，因此电机的行为类似于用直流电通电时的行为。为了获得更好的运行条件，交流铁路的供电频率通常低于用于一般照明和电力的商业电源；使用特殊的牵引电流发电站，或使用旋转转换器将50或60赫兹的商业电力转换为25赫兹或16赫兹+2⁄3Hz频率用于交流牵引电机。交流系统允许沿着铁路线的长度有效地分配电力，并且还允许通过车辆上的开关设备控制速度。

交流感应电动机和同步电动机简单且维护成本低，但由于其定速特性，难以应用于牵引电动机。交流感应电动机仅在由其结构和交流电源频率决定的狭窄速度范围内产生有用的功率。功率半导体的出现使得在机车上安装变频驱动器成为可能。这允许广泛的速度、交流电力传输和坚固的感应电机，而无需磨损部件，如电刷和换向器。

传统上，道路车辆（汽车、公共汽车和卡车）使用柴油和汽油发动机以及机械或液压传动系统。在20世纪后半叶，开始开发带有电力传输系统（由内燃机、电池或燃料电池供电）的车辆——使用电机的一个优点是特定类型可以再生能量（即充当再生刹车）——通过给电池组充电来提供减速并提高整体效率。

传统上，这些是串联的有刷直流电机，通常以大约600伏的电压运行。大功率半导体（晶闸管和IGBT）的可用性现在使得更简单、可靠性更高的交流感应电机（称为异步牵引电机）的使用变得实用。同步交流电机也偶尔使用，如法国TGV。

在20世纪中叶之前，通常使用单个大型电机通过与蒸汽机车上使用的连接杆非常相似的连杆来驱动多个驱动轮。例如宾夕法尼亚铁路DD1、FF1和L5以及各种瑞士鳄鱼。现在的标准做法是提供一个牵引电机通过齿轮驱动器驱动每个轴。

通常，牵引电机三点悬挂在转向架架和从动桥之间；这被称为“悬垂式牵引电机”。这种布置的问题在于，电机重量的一部分未悬挂，增加了轨道上不需要的力。以著名的宾夕法尼亚铁路GG1为例，两个安装在转向架上的电机通过一个套筒驱动器驱动每个轴。通用电气为密尔沃基路建造的“双极”电力机车配备了直驱电机。电机的旋转轴也是车轮的轴。以法国TGV动力车为例，安装在动力车车架上的电机驱动每个车轴；“三脚架”驱动器允许驱动系统具有少量灵活性，允许卡车转向架枢转。通过将相对较重的牵引电机直接安装在动力车的车架上，而不是安装在转向架上，可以获得更好的动力，从而实现更好的高速运行。

多年来，直流电机一直是电力和柴油电力机车、有轨电车/有轨电车和柴油电动钻机的电力牵引驱动器的支柱。它由两部分组成，旋转电枢和围绕旋转电枢安装在轴上的固定励磁绕组。固定励磁绕组由安装在电机外壳内的紧密缠绕的线圈组成。电枢是另一组绕在中心轴上的线圈，通过“电刷”连接到励磁绕组，电刷是弹簧加载的触点，压在电枢的延伸部分上，称为换向器.换向器收集电枢线圈的所有终端并以圆形图案分布它们以允许正确的电流顺序。当电枢和励磁绕组串联时，整个电机称为“串联”。串联绕组直流电动机具有低电阻磁场和电枢电路。因此，当对其施加电压时，由于欧姆定律，电流很高.大电流的优点是电机内部的磁场强，产生大扭矩（转动力），因此非常适合启动火车。缺点是必须限制流入电机的电流，否则电源可能会过载或电机及其电缆可能会损坏。充其量，扭矩会超过附着力，驱动轮会打滑。传统上，电阻器用于限制初始电流。

当直流电机开始转动时，内部磁场的相互作用导致它在内部产生电压。这种反电动势(CEMF)与施加的电压相反，流动的电流由两者之间的差异决定。随着电机加速，内部产生的电压上升，产生的EMF下降，通过电机的电流减少，转矩下降。当火车的阻力与电机产生的扭矩相匹配时，电机自然会停止加速。为了继续加速列车，串联电阻逐步关闭，每一步都会增加有效电压，从而增加电流和扭矩，直到电机赶上。这可以在较旧的直流列车中听到和感觉到，就像地板下的一系列沉闷声，每一次都伴随着加速度的猛拉，因为扭矩会随着新的电流浪涌而突然增加。当电路中没有电阻时，全线电压直接施加到电机。火车的速度在电机转矩（由有效电压控制）等于阻力时保持恒定-有时称为平衡速度。如果火车开始爬上斜坡，速度会降低，因为阻力大于扭矩，速度降低会导致CEMF下降，因此有效电压会上升-直到通过电机的电流产生足够的扭矩来匹配新的阻力.串联电阻的使用是浪费的，因为大量的能量以热量的形式损失掉了。为了减少这些损失，速度降低是因为阻力大于扭矩，速度降低导致CEMF下降，因此有效电压升高-直到通过电机的电流产生足够的扭矩来匹配新的阻力。串联电阻的使用是浪费的，因为大量的能量以热量的形式损失掉了。为了减少这些损失，速度降低是因为阻力大于扭矩，速度降低导致CEMF下降，因此有效电压升高-直到通过电机的电流产生足够的扭矩来匹配新的阻力。串联电阻的使用是浪费的，因为大量的能量以热量的形式损失掉了。为了减少这些损失，电力机车和火车（在电力电子出现之前）通常也配备了串并联控制。

使用交流电源运行的机车（使用通用电机作为牵引电机）也可以利用其变压器上的分接开关来改变施加到牵引电机的电压，而不会产生电阻器固有的损耗。

如果火车开始下坡，速度会增加，因为（减少的）阻力小于扭矩。随着速度的增加，内部产生的反电动势电压会升高，从而降低扭矩，直到扭矩再次平衡阻力。由于在串绕电机中励磁电流被反电动势降低，反电动势不会超过电源电压的速度，因此单个串联绕线直流牵引电机无法单独提供动态或再生制动。

然而，有多种方案被应用来使用牵引马达提供减速力。产生的能量可以返回到电源（再生制动），或通过板载电阻消散（动态制动）。这样的系统可以使负载达到低速，需要相对较少的摩擦制动来使负载完全停止。

在电动火车上，火车司机最初必须手动控制切断阻力，但到1914年，开始使用自动加速。这是通过电机电路中的加速继电器（通常称为“陷波继电器”）实现的，该继电器在切断每一步电阻时监测电流的下降。驾驶员所要做的就是选择低速、中速或全速（根据电机在电阻电路中的连接方式称为“串联”、“并联”和“并联”），其余的由自动设备完成。