Тяговые электродвигатели предназначены для привода колесных пар через тяговые редукторы и обеспечения движения тепловоза. Принципиальная конструкция большинства тяговых электродвигателей тепловозов одинакова. Различие состоит в основном в способе закрепления (подвески) на тележке, в системе смазывания моторно-осевых подшипников, в исполнении некоторых составных частей и в целом сборочных единиц, отражающем время выпуска и особенности тепловоза. Все тяговые электродвигатели, кроме типа ЭД126, являются четырехполюсными с последовательным возбуждением, а типа ЭД126 - шестиполюсные.

Тяговые электродвигатели могут работать только при обеспечении эффективной вентиляции. Основные технические данные тяговых электродвигателей для широко эксплуатируемых и осваиваемых новых тепловозов приведены в табл. 8.2. Наиболее типичными по устройству из выпускаемых и осваиваемых на перспективу тяговых электродвигателей являются ЭД118Б, ЭД125БМ, ЭД126А, ЭД900.

Тяговый электродвигатель ЭД118Б.

Электродвигатель (рис. 8.11) состоит из следующих сборочных единиц: якоря, магнитной системы (в корпусе которой также закреплены щеткодержатели со щетками), подшипниковых щитов с якорными подшипниками, съемных крышек и щитков монтажно-смотровых (коллекторных) и вентиляционных люков, выводных проводов концов обмоток, моторно-осевых подшипников.

Якорь электродвигателя собран на валу 1, изготовленном из качественной легированной стали с дополнительной термообработкой и имеющем свободный конусный конец для насадки ведущей шестерни тягового редуктора. Он опирается на два роликовых подшипника 2 и 21, вмонтированных в подшипниковые щиты 3 и 19. Сердечник 14 якоря набран из листов электротехнической стали, зажатых между нажимными шайбами. Зубцы крайних пакетов листов поверху сварены неплавя-щимся электродом. Пластины коллектора 4 вырублены совместно с петушками из полос трапецеидального профиля меди с присадкой кадмия. Обмотка 10 якоря петлевая одноходовая с неполным числом уравнительных соединений первого рода.

Укладка и закрепление обмотки в пазах сердечника выполнены по схеме (рис. 8.12).

Магнитная система собрана в литом стальном корпусе 13 (см. рис. 8.11), выполненном в поперечнике в виде неравностороннего восьмигранника и являющегося также маг-нитопроводом. На концах корпуса предусмотрены проемы (люки): одни - для подачи и выхода охлаждающего воздуха, другие - для осмотра и обслуживания коллектора, щеткодержателей, щеток и других внутренних частей в эксплуатации. По торцам корпуса выполнены фланцы с резьбовыми отверстиями и расточкой горловин для посадки и крепления подшипниковых щитов. Полюсы магнитной системы (главные 15

Таблица 8.2

Тип электродвигателя

Мощность, кВт

Напряжение, В

Частота вращения (наибольшая),

К.п.д. (наиболь-

Масса, кг

Класс изоляции

Параметры ох-

Система смазки

Серии тепловоза

при напряжении

наибольший крат-

обмоток якоря

лаждающего воздуха, Па

наименьшем

ковременный

наибольшем

Польс-стерная

2ТЭ10, М62, 2ТЭ116, ТЭМ2

ЭД118БУ1 ЭД121АУ1

к о (-и о С

Циркуляционная + поль-стерная МОП нет

2ТЭ116, ТЭЮ ТЭП70, ТЭП85

ЭД125БУХЛ1

Циркуляционная -+ поль-стерная

ЭД126АУХЛ1

2ТЭ126, ТЭ136

Переменный

2ТЭ120 (переменного тока)

и добавочные И) моноблочной конструкции. Они крепятся к корпусу болтами: главные - за жесткий продольный стержень, размещенный в пазу сердечника со стороны якоря, а добавочные - расположенными головками со стороны якоря и затянутыми гайками снаружи корпуса Такая конструкция гарантирует надежность крепления и долговечность резьбы, исключает обрыв болтов при затяжке и в эксплуатации. Головки и гайки снаружи корпуса залиты кварцкомпаундом 12 на основе смолы для предотвращения проникновения влаги внутрь двигателя.

Рис. 8.11. Тяговый электродвигатель типа ЭД118Б:

а - продольный (ступенчатый) разрез; б-- поперечный (частичный) разрез Рис. 8.12. Схема укладки обмотки якоря электродвигателя ЭД118Б: а - укладка в якорь и пластины коллектора уравнителей и катушек обмотки; б - размещение катушек в пазах сердечника; 1- пластины (петушки пластин) коллектора; 2, 7- верхняя и нижняя ветви уравнителя; 3, 4- верхняя и нижняя ветви секции катушки; 5, 6- верхняя и нижняя ветви катушек в пазе; 8, 9- шаг по коллектору катушек и уравнителей; 10, 14- защитная и уплот-ннтельные изоляционные прокладки; 11- изоляционная выстилка паза; 12- корпусная изоляция катушки; 13- проводник секции катушки; 15- пазовый клнн Катушки полюсов выполнены из медных шин: главных - плашмя, добавочных - на ребро. Устройство полюсов показано на рис. 8.13. Соединение катушек полюсов в магнитной системе выполнено: главных - изолированными шинами 18 (см. рис. 8.11), изготовленными в виде пакетов из медных лент и расположенными со стороны привода, добавочных - многожильными проводами (кабелями) 25 со стороны коллектора. Шины и провода в средней части дополнительно закреплены бандажами 26 к скобам корпуса.

Щеткодержатели 5 имеют спиральные ленточные пружины со ступенчатой регулировкой нажатия на щетки и крепятся через изоляторы 7 в разъемных кронштейнах 6, приваренных одной половиной к торцовому фланцу корпуса электродвигателя. Подробно устройство щеткодержателя показано на рис. 8.14, а.

Подшипниковые щиты, кроме опоры и центрирования якоря, служат Рис. 8.13. Устройство полюсов электродвигателя ЭД118Б;

а - главного; б - добавочного; 1, 23- сердечник полюса; 2- стержень крепления полюса; 3, 19- вывод катушкн; 4- корпус электродвигателя; 5, 21- волнистая пружинная рамка; 6, 16- изоляционный каркас; 7, 14- корпусная изоляция катушки; 8, 12, 20- рамка изолирующая; 9- изоляционный заполнитель уступа; 10, 17-межвитковая изоляция; 11, 15-проводники катушки; 13, 24-изоляция сердечника; 18- пластина подпора вывода катушки; 22- немагнитная прокладка; 25- немагнитный опорный уголок Рис. 8.14. Щеткодержатели тяговых электродвигателей:

а - со спиральной ленточной пружиной; б- с рулонной пружиной; в -с винтовой проволочной пружиной; 1, 11, 22- корпуса; 2, 12, 23- болты крепления токопровода щетки; 3, 13, 28- щетки разрезные; 4, 14, 26- амортизаторы; 5, 15, 27, 29- нажимные пальцы; 6, 16, 34- пружины; 7- фиксаторы; 8, 20, 21, 32, 33, 35- оси; 9, 18- изоляционные пальцы крепления щеткодержателя; 10- уплотнитель; 17, 30- нажимные рычаги; 19, 24- рифление привалочной (контактной) поверхности; 25- болт крепления щеткодержателя к кронштейну; 31- регулировочный винт торцовыми частями корпуса электродвигателя. Они представляют литые стальные диски со ступицей для посадки и буртом для закрытия изнутри электродвигателя якорных подшипников. Снаружи подшипники закрыты закрепленными к щитам крышками с лабиринтными уплотнениями, предотвращающими вытекание и загрязнение смазки в эксплуатации. В горловины торцовых фланцев корпуса щиты установлены по плотной посадке и закреплены по периметру болтами. Смазку в подшипники в эксплуатации добавляют через каналы 22 или трубки (см. рис. 8.11), закрываемые болтом-пробкой. Для предотвращения подсоса смазки из подшипника внутрь электродвигателя от разрежения вблизи выхода охлаждающего воздуха из электродвигателя смазочная камера этого подшипника соединена каналом 20 с атмосферой. Крышка 30 основного (верхнего) коллекторного люка закреплена на корпусе с помощью Г-образной бобышки 27 и рычажного пружинного замка 31, а остальные крышки 23, 40 и щитки 16 - болтами. Все крышки имеют уплотнители 28 из пористой резины.

Моторно-осевые подшипники служат опорой электродвигателя на ось колесной пары тележки. Они вмонтированы в специальные разъемные приливы (выступы) корпуса электродвигателя и включают вкладыши 39, смазочное устройство и крышку 38, закрепленную болтами 37. Вкладыши выполнены в виде массивных бронзовых цилиндров, разрезанных по образующей на две половины. В средней части одной половины предусмотрено окно для прохода фитиля и подвода смазки к трущимся поверхностям оси и вкладыша. Рабочая поверхность вкладышей залита баббитом и для лучшего прохода смазки по длине имеет фигурную (гиперболическую) расточку. Смазочное устройство включает две независимые системы смазки: циркуляционную и фитильную (польстер-ную). Циркуляционная система смазки осуществляется шестеренным насосом, приводимым во вращение от оси колесной пары и подающим смазку к трущимся поверхностям из ванны (камеры) 36. Польстерная система подвода смазки основана на принципе капиллярности и осуществляется с помощью закрепленного в обойме хлопчатобумажного фитиля 33, один конец которого опущен в ванну со смазкой, закрытую крышкой 35, а другой проходит через окно во вкладыше и прижимается к оси колесной пары пружинно-рычажным устройством 34. Такое резервирование гарантирует надежность смазки трущихся поверхностей во всем диапазоне скоростей движения тепловозов.

Электродвигатель устанавливается под кузовом на тележке тепловоза и крепится с одной стороны моторно-осевыми подшипниками на оси колесной пары, а с другой опирается специальными выступами («носиками») корпуса (со сменными накладками 24 повышенной износостойкости) на раму тележки через предварительно сжатые распорные пружины. Такое крепление (подвешивание) электродвигателя называется опорно-осевым.

Электродвигатель охлаждается воздухом, подаваемым от специальных вентиляторов тепловоза в раструб (люк) 8, который до установки электродвигателя на тепловоз закрыт крышкой 9. Охлаждающий воздух проходит двумя потоками: один над коллектором, сердечником якоря и в зазорах между полюсами магнитной системы, другой под коллектором, через аксиальные вентиляционные отверстия в сердечнике якоря. Оба потока соединяются в корпусе электродвигателя со стороны, противоположной коллектору, и выходят наружу через три радиальных люка 17, огражденных сетками 29 и щитками 16.

В электрическую схему тепловоза тяговые электродвигатели включаются выводными концами (проводами) 32 обмоток через поездные контакторы. Катушки возбуждения, как и катушки добавочных полюсов электродвигателя, включены последовательно с обмоткой якоря. При этом обмотка добавочных полюсов имеет постоянное соединение со щеткодержателями (а следовательно, и с обмоткой якоря) внутри электродвигателя. Для обеспечения реверса вращения якоря (и изменения направления движения тепловоза) начало и конец обмотки возбуждения имеют самостоятельные выводы. Обшая схема соединения и маркировки выводов обмоток электродвигателя приведена на рис. 8.15, а.

Эксплуатация и техническое обслуживание электродвигателей принципиально отличаются от генераторов только по моторно-осевым подшипникам. За моторно-осевыми подшипниками необходимы повседневное наблюдение и уход как за ответственными составными частями локомотива, обусловливающими безопасность движения. При этом основные работы состоят в контроле нагрева подшипников, наличия и качества смазки, исправности смазочных устройств, а также в периодическом добавлении свежей смазки и удалении (сливе) конденсата (воды) из ванн для смазки.

Тяговый электродвигатель ЭД125БМ. Конструкция электродвигателя (рис. 8.16) по ряду составных частей и сборочных единиц существенно отличается от ЭД118Б. Якорь собран на остове, выполненном в виде трубы и позволяющем более просто заменить поврежденный вал, не нарушая целостности всего якоря. Пластины коллектора стянуты в монолитное арочное кольцо с помощью пружинного разрезного кольца и гайки (вместо болтов). Обмотка якоря выполнена из провода большого сечения с расплющиванием концов секций (для соединения с коллектором), изоляция полиимидная класса Н. Щеткодержатели имеют нажимное устройство с применением рулонных пружин и крепление в кронштейнах через рифленые (гребенчатые) привалочные поверхности.

Выпускаемые на базе ЭД125БМ другие модификации электродвигателей отличаются в основном конструкцией смазочного устройства мо-торно-осевых подшипников или полным отсутствием последних.

Тяговый электродвигатель ЭД126А. Электродвигатель предназначен для грузовых тепловозов.

Корпус 12 электродвигателя (рис. 8.17) выполнен сварным из толстолистового проката цилиндрической формы с опорными площадками и лапами 20 для установки на раму тележки без моторно-осевых подшипников (опорно-рамная подвеска). В торцовые фланцы (с горловинами) корпуса установлены и закреплены болтами литые из стали подшипниковые щиты 4 и 15. С внутренней стороны фланца (у коллектора) закреплена кольцевая поворотная траверса 7 со щеткодержателями (и щетками) 6 (см. рис. 8.14, в) и ручным шестеренным приводом 8. Якорь собран на полом сварно-литом остове 1, в расточку которого запрессован полый вал 2, через центральное отверстие которого проходит торсионный (податливый) вал привода колесной пары, соединяемый (через муфту) с конусным концом 19 полого вала. На остов насажены сердечник 9, зажатый между обмоткодер-

Рис. 8.15. Схемы соединений обмоток тяговых электродвигателей:

а - четырехполюсных; б - шестиполюсных; в - асинхронных; н, к - начало и конец катушек полюсов; Я/, Я2- начало и конец обмотки якоря; Д2- конец обмотки добавочных полюсов; С1, С2- начало и конец обмотки последовательного возбуждения у электродвигателей постоянного тока, а у асинхронных электродвигателей С/, С2, СЗ- выводные концы фаз обмотки статора; 0- специальный вывод для системы защиты. Штриховыми линиями показаны соединения катушек со стороны, противоположной коллектору Рис. 8.16. Тяговый электродвигатель типа ЭД125БМ:

/, 12-подшипники; 2, И-подшипниковые щиты; 3-коллектор (с разрезным пружинным кольцом); 4- щеткодержатель (с рулонными пружинами и щетками); 5- корпус; 6- добавочный полюс; 7- герметизирующая заливка полюсных болтов; 8- главный полюс; 9- защитный кожух обмотки; 10- защитные жалюзи вентиляционных люков; 13- остов (втулка) якоря; 14- приводной конец вала якоря Рис. 8.17. Тяговый электродвигатель типа ЭД126А жателями, и коллектор 5, а подшипники якоря 3 и 18 установлены на полом валу. Обмоткодержатель со стороны, противоположной коллектору, имеет кольцевой радиальный бурт 16 для защиты головок обмотки от повреждений. Магнитная система выполнена шестиполюсной. Полюсы закреплены к корпусу проходными болтами 11 и 13. Катушки главных полюсов 14 и добавочных 10 намотаны из медной ленты на ребро. Соединения и маркировка выводов обмоток выполнены по схеме (см. рис. 8.15,6), а концы их выведены в общую коробку. Над люками для выхода охлаждающего воздуха из электродвигателя закреплены защитные козырьки 17, позволяющие производить обмыв двигателя струей воды.

Тяговый электродвигатель ЭД900.

Опытный асинхронный тяговый электродвигатель (рис. 8.18) для создаваемых мощных грузовых тепловозов с электрической передачей переменного тока имеет принципиальное отличие по конструкции и рабочим характеристикам. В сравнении с описанными электродвигателями постоянного тока он значительно проще в изготовлении и обслуживании. Основными сборочными единицами его являются статор, ротор, подшипниковые щиты. Статор включает литой круглый корпус 6 электродвигателя, сердечник 7, набранный из листов электротехнической стали и зажатый нажимными шайбами 9, двухслойную петлевую обмотку 8, лобовые части катушек которой закреплены конусными кольцами 5. Ротор собран на остове 2, выполненном в виде трубы. Сердечник 3 ротора набран из тонколистовой стали. В его пазах по внешнему диаметру размещена короткозамкнутая обмотка 11, выполненная в виде беличьей клетки путем заливки пазов и торцов сердечника алюминиевым сплавом. Вал 13, подшипниковые щиты 4 и 10 с вмонтированными в них роликовыми подшипниками 1 и 12 для опоры ротора, а также система вентиляции аналогичны описанным у ЭД118Б. Электродвигатель выполнен для опорно-рамной подвески на тележке и не имеет моторно-осевых подшипников.

Принцип работы электродвигателя основан на том, что создаваемое обмоткой статора вращающееся магнитное поле наводит ток в коротко-замкнутой обмотке ротора и под действием электромагнитных сил приводит ротор во вращение. Принципиальная электрическая схема электродвигателя приведена на рис. 8.15, е.

Рис. 8.18. Тяговый асинхронный электродвигатель типа ЭД900

При эксплуатации электродвигателя требуется регулярный уход за изоляцией и контактными соединениями выводов обмотки статора, а также за подшипниками ротора.

Общие сведения

Тяговый двигатель ДПМ-150 вагонов А

Развитие конструкции тяговых двигателей тесно связано с совершенствованием конструкции систем управления ими. Исторически подвижной состав всех видов электрического транспорта строился с коллекторными тяговыми двигателями. Это объясняется, в первую очередь, простотой простотой передачи энергии и управления режимами его работы. Такие двигатели обладают удобными для использования на транспорте механическими характеристиками. Однако, коллекторные двигатели имеют и ряд недостатков, связанных, в основном, с наличием коллектора. Коллектор, имеющий подвижные контакты (щетки), требует регулярного обслуживания. Для обеспечения надежной коммутации, снижения искрения усложняется конструкция электродвигателя. Кроме того, это ограничивает максимальную скорость вращения, что приводит к увеличению габаритов двигателя.

Развитие силовой полупроводниковой техники, обладающей высоким быстродействием, позволило в 1960-х - 80-х годах сначала отказаться от реостатной системы управления коллекторными тяговыми двигателями, заменив её более надежной и экономичной импульсной, а затем и перейти к выпуску вагонов с асинхронным тяговым приводом. На отечественных метрополитенах первым серийно выпускавшимся типом вагонов с импульсным регулированием стал тип 81-718/719 в 1991 году, а первым серийно выпускаемым типом вагонов с асинхронными двигателями - «Яуза» 81-720.1/721.1 в 1998 году.

Основными недостатками асинхронных двигателей являются сложность регулирования и сложность осуществления электрического торможения при использовании двигателей с короткозамкнутым ротором. Поэтому в настоящее время разрабатываются конструкции тяговых приводов, использующих синхронные двигатели с ротором на постоянных магнитах, вентильно-индукторные двигатели.

Коллекторные тяговые двигатели

Тяговый двигатель ДПТ-114 (аналог ДК-117)

В России существует единая унифицированная серия коллекторных тяговых двигателей постоянного тока, в которую вошли и двигатели электропоездов метрополитена . Все они имеют общий принцип компоновки и много унифицированных узлов и деталей. При изготовлении унифицированных тяговых двигателей можно использовать однотипное станочное оборудование, что снижает их стоимость. На вагонах метрополитена широко используют тяговые двигатели постоянного тока. Такие двигатели обладают хорошими тяговыми характеристиками, сравнительно просты по конструкции и надежны в эксплуатации. По конструкции тяговые двигатели электроподвижного состава существенно отличаются от стационарных двигателей постоянного тока, что объясняется особенностями их расположения и условиями работы. Размеры тягового двигателя, подвешенного под кузовом вагона, ограничены подвагонными габаритами. Диаметр его определяется диаметром колеса, так как должно быть выдержано определенное расстояние от нижней точки двигателя до уровня головки рельсов . Длина тягового двигателя ограничена габаритными размерами тележки . На вагонах установлены четыре тяговых двигателя: по одному на каждую колесную пару. Нумерация их идет по осям, считая от кабины управления . Тяговый двигатель работает в тяжелых условиях, так как на него попадают грязь с железнодорожного полотна , пыль от тормозных колодок, дождь и снег на открытых участках трассы. Поэтому все детали, расположенные в его корпусе, должны быть защищены. Для лучшего отвода тепла, выделяющегося при работе тягового двигателя, на валу якоря установлен вентилятор, засасывающий воздух со стороны коллектора и прогоняющий его через двигатель. В паспорте стационарных электрических машин обычно указывает их номинальную мощность продолжительного режима, то есть такую мощность, которую машина должна отдавать неограниченно долгое время, причем температура его узлов и деталей не должна превышать значений, допускаемых нормами для изоляционных материалов. Режим работы тяговых двигателей резко меняется в зависимости от профиля пути и веса поезда. Это не позволяет характеризовать работоспособность тягового двигателя только значением номинальной мощности продолжительного режима. Поэтому характеристики тяговых двигателей даны для часового и максимального режимов.

Асинхронные тяговые двигатели

Тяговый асинхронный двигатель ДАТЭ-170

Тяговые двигатели ДАТЭ-170 входят в комплект тягового привода КАТП-1, устанавливаемого на вагонах 81-720.1/721.1 и 81-740/741 . Их основные параметры:

• Номинальная мощность - 170 кВт
• Минимальное напряжение - 530 В
• Номинальная частота тока статора - 43 Гц
• Номинальная частота вращения - 1290 об/мин
• Максимальная частота вращения - 3600 об/мин
• Масса - 805 кг

Кроме того, в эксплуатации на метрополитенах Казани, Киева, Праги находятся вагоны отечественного производства с асинхронным приводом производства фирмы «Шкода».

Конструкция тяговых двигателей

Устройство тягового двигателя постоянного тока

Все тяговые двигатели постоянного тока вагонов метрополитена имеют в основном одинаковое устройство. Двигатель состоит из остова, четырех главных и четырех добавочных полюсов, якоря, подшипниковых щитов, щеточного аппарата, вентилятора.

Остов двигателя

Он выполнен из электромагнитной стали имеет цилиндрическую форму и служит магнитопроводом. Для жесткого крепления к поперечной балке рамы тележки на остов предусмотрены три прилива-кронштейна и два предохранительных ребра. В остове имеются отверстия для крепления главных и добавочных полюсов, вентиляционные и коллекторные люки. Из остова двигателя выходят шесть кабелей. Торцовые части остова закрыты подшипниковыми щитами. В остове укреплена паспортная табличка с указанием завода-изготовителя, заводского номера, массы, тока, частоты вращения, мощности и напряжения.

Главные полюсы

Тяговый двигатель ДК-117 в разрезе

Они предназначены для создания основного магнитного потока. Главный полюс состоит из сердечника и катушки. Катушки всех главных полюсов соединены последовательно и составляют обмотку возбуждения. Сердечник набран из листов электротехнической стали толщиной 1,5 мм для Уменьшения вихревых токов. Перед сборкой листы прокрашивают изоляционным лаком, сжимают прессом и скрепляют заклепками. Часть сердечника, обращенная к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В тяговых двигателях ДК-108А, установленных на вагонах Е (по сравнению с ДК-104 на вагонах Д), увеличен зазор между якорем и главными полюсами, что, с одной стороны, дало возможность увеличить скорость в ходовых режимах на 26 %, а с другой стороны, уменьшилась эффективность электрического торможения (медленное возбуждение двигателей в генераторном режиме из-за недостаточного магнитного потока). Для увеличения эффективности электрического торможения в катушках главных полюсов кроме двух основных обмоток, создающих основной магнитный поток в тяговом и тормозном режимах, имеется третья - подмагничивающая, которая создает дополнительный магнитный поток при работе двигателя только в генераторном режиме. Подмагничивающая обмотка включена параллельно двум основным и получает питание от высоковольтной цепи через автоматический выключатель, предохранитель и контактор. Изоляция катушек главных полюсов кремнийорганическая. Главный полюс крепится к остову двумя болтами, которые ввертывают в квадратный стержень, расположенный в теле сердечника.

Добавочные полюсы

Они предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который улучшает коммутацию и уменьшает реакцию якоря в зоне между главными полюсами. По размерам они меньше главных полюсов и расположены между ними. Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник выполнен монолитным, так как вихревые токи в его наконечнике не возникают из-за небольшой индукции под добавочным полюсом. Крепится сердечник к остову двумя болтами. Между остовом и сердечником для меньшего рассеяния магнитного потока установлена диамагнитная латунная прокладка. Катушки добавочных полюсов соединены последовательно одна с другой и с обмоткой якоря.

Якорь

Тяговый двигатель ДК-108 в разрезе

Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого лаком. В каждом листе имеется отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал, вентиляционные отверстия и пазы для укладки обмотки якоря. В верхней части пазы имеют форму ласточкиного хвоста. Листы насаживают на вал и фиксируют шпонкой. Собранные листы прессуются между двумя нажимными шайбами. Обмотка якоря состоит из секций, которые укладывают в пазы сердечника и пропитывают асфальтовым и бакелитовым лаками. Чтобы обмотка не выпадала из пазов, в пазовую часть забивают текстолитовые клинья, а переднюю и заднюю части обмотки укрепляют проволочными бандажами, которые после намотки пропаивают оловом. Назначение коллектора машины постоянного тока в различных режимах работы неодинаково. Так, в генераторном режиме коллектор служит для преобразования переменной электродвижущей силы (э.д.с), индуцируемой в обмотке якоря, в постоянную э.д.с. на щетках генератора, в двигательном - для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря, чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону. Коллектор состоит из втулки, коллекторных медных пластин, нажимного конуса. Коллекторные пластины изолированы друг от друга миканитовыми пластинами, от втулки и нажимного конуса - изоляционными манжетами. Рабочую часть коллектора, имеющую контакт со щетками, протачивают на станке и шлифуют. Чтобы при работе щетки не касались миканитовых пластин, коллектор подвергают «продорожке». При этом миканитовые пластины становятся ниже коллекторных примерно на 1 мм. Со стороны сердечника в коллекторных пластинах предусмотрены выступы с прорезью для впаивания проводников обмотки якоря. Коллекторные пластины имеют клинообразное сечение, а для удобства крепления - форму «ласточкин хвост». Коллектор насаживают на вал якоря прессовой посадкой и фиксируют шпонкой. Вал якоря имеет разные посадочные диаметры. Кроме якоря и коллектора, на вал напрессована стальная втулка вентилятора. Внутренние кольца подшипников и подшипниковые втулки насажены на вал в горячем состоянии.

Подшипниковые щиты

В щитах установлены шариковые или роликовые подшипники - надежные и не требующие большого ухода. Со стороны коллектора стоит упорный подшипник; его наружное кольцо упирается в прилив подшипникового щита. Со стороны тяговой передачи установлен свободный подшипник, который позволяет валу якоря удлиняться при нагреве. Для подшипников применяют густую консистентную смазку. Чтобы смазка при работе двигателей не выбрасывалась из смазочных камер, предусмотрено гидравлическое (лабиринтное) уплотнение. Вязкая смазка, попав в небольшой зазор между канавками-лабич рингами, проточенными в щите, и втулкой, насаженной на вал, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам лабиринта, где самой смазкой создаются гидравлические перегородки. Подшипниковые щиты крепят к обеим сторонам остова.

Щеточный аппарат

Для соединения коллектора двигателя с силовой цепью вагона используют электрографитные щетки марки ЭГ-2А, которые обладают хорошими коммутирующими свойствами, высокой механической прочностью и способны выдерживать большие перегрузки. Щетки представляют собой прямоугольные призмы размером 16 х 32 х 40 мм. Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору для обеспечения надежного контакта. Щетки устанавливают в обоймы, называемые щеткодержателями, и соединяют с ними гибкими медными шунтами: в каждом щеткодержателе по две щетки, число щеткодержателей - четыре. Нажим на щетку осуществляется пружиной, упирающейся одним концом через палец в щетку, другим - в щеткодержатель. Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный не обеспечивает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие не должно превышать 25Н (2,5 кгс) и быть менее 15Н (1,5 кгс). Щеткодержатель укрепляют на кронштейне и с помощью двух шпилек, запрессованных в кронштейн, крепят непосредственно к подшипниковому щиту. Кронштейн от щеткодержателя и подшипникового шита изолируют фарфоровыми изоляторами. Для осмотра коллектора и щеткодержателей в остове двигателя имеются люки с крышками, обеспечивающими достаточную защиту от проникновения воды и грязи.

Вентилятор

В процессе работы необходимо охлаждать двигатель, так как с повышением температуры его обмоток снижается мощность двигателя. Вентилятор состоит из стальной втулки и силуминовой крыльчатки, скрепленных восемью заклепками. Лопатки крыльчатки расположены радиально для выброса воздуха в одном направлении. Вентилятор вращается вместе с якорем двигателя, создавая в нем разрежение. Потоки воздуха засасываются внутрь двигателя через отверстия со стороны коллектора. Часть воздушного потока омывает якорь, главные и добавочные полюса, другая проходит внутри коллектора и якоря по вентиляционным каналам. Воздух выталкивается наружу со стороны вентилятора через люк остова.

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Промышленный асинхронный двигатель в разрезе

Асинхронный двигатель состоит из двух основных узлов: статора и ротора. На статоре размещают трехфазную обмотку, создающую вращающееся магнитное поле. Скорость вращения магнитного поля определяется частотой питающего двигатель тока и числом пар полюсов.

Обмотку ротора выполняют в виде так называемой «беличьей клетки». Она является короткозамкнутой и не имеет выводов. Беличья клетка состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора, набранного из листов электротехнической стали, без какой-либо изоляции. По торцам ротора устанавливают лопасти, образующие центробежный вентилятор. Ток в роторе наводится движущимся относительно него полем статора. Таким образом, для работы двигателя необходима разность скоростей вращения ротора и поля статора, что и отражено в его названии.

Характеристики тяговых двигателей

В таблице приведены технические характеристики коллекторных тяговых двигателей вагонов метрополитена:

Тип двигателя	ДПМ-151	ДК-102А…Г	SL-104n	USL-421	ДК-104А	ДК-104Г, Д	ДК-108А	ДК-108А1	ДК-108Г	ДК-108Д	ДК-112А	ДК-115Г	ДК-116А	ДК-117А	ДК-117ДМ	ДК-120АМ
Тип вагонов			В2	В3	В1				1959	1970			1973	1973	1975	1987	1991
Часовая мощность, кВт	153	83	100	70	80	73	64	68	66	66	68	90	72	110	112-114	115
Номинальное напряжение, В	750	375			750	375	375	375	375	375	375	375	375	375	375	375
Рабочее ослабление поля, %	65	44,5			40	40	35								28
Часовой ток, А	225	248			220	220	195	210	202	205	210	270	218	330	330-340	345
Часовая частота вращения, об/мин	950 / 968	1160			1300	1355	1530	1450	1510	1600	1600	1600	1360	1480	1480	1500
Длительный ток, А	173	205				185	175	182	178	178	185	230	185	295	290	295
Длительная частота вращения, об/мин	1075	1320				1455	1580	1600				1740	1220
Наибольший ток, А	450	500				440	420	420					440
Масса, кг	2340	1490				700	615	630	630			625	625	765	760	770
Число пар полюсов	2	2				2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
Число коллекторных пластин	185	238				141	175	175	175	175	175		175	210	210
Возбуждение	Посл.	Посл.				Посл.	Посл. с подм.	Посл. с подм.	Посл.	Посл. с подм.			Посл.	Посл.	Посл.
Число витков обмотки ГП	38	16+16				33	30С+530Ш	30С	30	40	40		32	26	26
Сопротвиление обмотки якоря, Ом	0,066	0,041				0,068	0,086	0,078	0,092	0,092	0,092		0,066	0,034	0,0285
Сопротивление обмотки возбуждения, Ом	0,0615	0,0269				0,064	0,062+165	0,067+?	0,067	0,108	0,098		0,044	0,048	0,0312
Сопротивление добавочных полюсов, Ом	0,0338	0,0215				0,028	0,035	0,034	0,037	0,049	0,049		0,022	0,015	0,0103
Воздушный зазр под центром/краем полюса, мм	5 / 9	2,2 / 5				1,5 / 5,7		3,25 / 9					2,9	2,5	4 / 9

Конструкция используемых в настоящее время коллекторных тяговых двигателей ДК-117 и ДК-120 регламентируется техническими условиями ТУ 3355-029-05758196-02.

Характеристики коллекторных электродвигателей, применяемых на наземном городском транспорте.

Пособие содержит общие сведения о конструкции асинхронных электрических машин, о назначении их составных частей, рассмотрено устройство конкретной модели тягового электродвигателя. Рассматривается состав комплекта силового электрооборудования, назначение составных частей, их работа и взаимодействие.

Для правильного восприятия изложенного материала необходимо иметь представление об общих принципах управления силовым оборудованием и управления поездом с помощью САУ «Витязь» и по резервному каналу управления (в данном учебном пособии не рассматриваются). Изучению материала будут способствовать знания основ электротехники, в т.ч. и переменного тока, а так же принципов построения электрических цепей в системе трехфазного переменного тока. Для этого автор рекомендует изучить соответствующие разделы электротехники, используя учебную литературу или материал, изложенный в приложениях.

При подготовке была использована литература и техническая документация, перечень которой приведен в конце пособия.

Автор выражает благодарность всем специалистам, так или иначе принявшим участие в подготовке материала. Особую благодарность выражаю Данилову Н.Н.- заместителю начальника технического отдела ЗАО ЗРЭПС, оказавшему неоценимую помощь при подготовке третьей главы.

Настоящее учебное пособие предназначено, прежде всего, для работников, обучающихся профессии машиниста в Учебно-производственном центре метрополитена, но может быть полезно для работников электродепо, желающих повысить уровень знаний в области тягового электропривода.

Преподаватель УПЦ

московского метрополитена

Данилов Е.Б.

Асинхронный тяговый электропривод на вагонах метрополитена. Учебное пособие.

	Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Общие сведения о работе асинхронной трехфазной электрической машины и ее конструкции. . . . . . . . . . . . .
		Конструкция и принцип действия асинхронных электрических машин. . . . . . . . . . . . . . . … . . . . . . . . . . . .
		Образование вращающего электромагнитного момента в асинхронной электрической машине. . . . . . .
	Устройство асинхронного тягового двигателя. Технические данные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Основные параметры двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Статор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Ротор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Подшипниковые щиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Вентиляция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Датчик частоты вращения ротора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Тяговый привод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Контейнер тягового инвертора КТИ. . . . . . . . . . . . . . . . .
		Работа тягового привода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Приложения
		Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Трехфазный переменный ток. . . . . . . . . . .
		Вращающееся магнитное поле.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Использованная литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Введение

Использование электрических машин переменного тока в качестве тяговых электродвигателей на железнодорожном транспорте длительное время задерживалось из-за сложностей снабжения электроподвижного состава трехфазным переменным током. Однако, развитие электротехнической промышленности, в частности совершенствования силовой полупроводниковой электроники и микропроцессорной схемотехники привело к созданию преобразователей тока и напряжения мощностью достаточной, чтобы обеспечить питанием тяговые электродвигатели. Особую роль в этом сыграла разработка транзисторов большой мощности.

В сравнении с коллекторными двигателями постоянного тока асинхронные двигатели обладают рядом преимуществ.

Впервые в отечественном массовом производстве применение асинхронных двигателей в качестве тяговых было применено на вагонах метрополитена моделей 81-740/741 и на части вагонов модели 81-720/721, а в дальнейшем на вагонах модели 81-760/761. Отечественной промышленностью налажен выпуск асинхронных электродвигателей для вагонов метрополитена. В настоящее время вагоны могут комплектоваться двигателями:

ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо»;

ДАТЭ–170 4У2 производства « ООО Электротяжмаш-Привод» г. Лысьва;

ТАДВМ-280 4У2 производства ОАО «НИПТИЭМ» г. Владимир;

ДАТМ-2У2 производства «ОАО Псковский электромашинострои-

тельный завод»;

ДТА 170 У2 АО «Рижский электромашиностроительный завод»;

ТА 280 4МУ2 производства «ОАО ELDIN» (Ярославский электро-

машиностроительный завод).

Питание электродвигатели получают от преобразователей в составе КАТП-1 или КАТП-2 производства «ОАО Метровагонмаш».

Первые комплекты асинхронного привода на вагонах метрополитена были иностранного производства «HITACHI» и «ALSTOM».

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»

Учебное пособие
Главы 1 - 7

Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроподвижной состав»
Ю.А. Давыдов, А.К. Пляскин

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

1.
2.
3.
3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей
3.2. Кинематические схемы тяговых передач
3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока
3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока
3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей
4.
5.
6.
6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей
6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя
6.3. Рабочие характеристики двигателей
6.3.1. Электромеханические характеристики
6.3.2. Электротяговые характеристики
6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе
7.
8. КОММУТАЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
8.1. Критерии оценки качества коммутации
8.2. Коммутация при установившихся процессах
8.3. Электромагнитные причины искрения
9. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ НА КОЛЛЕКТОРЕ
9.1. Распределение индукции и напряжения
9.2. Способы повышения потенциальной устойчивости
9.3. Дополнительные полюса и компенсация ими реактивной эдс
9.4. Компенсационная обмотка и ее влияние на потенциальные условия
9.5. Круговой огонь на коллекторе тяговых двигателей
10. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ТОКА
10.1. Внешние способы сглаживания пульсации
10.2. Коммутация переменной составляющей тока
10.3. Переменная составляющая момента
10.4. Особенности коммутационного процесса двигателей пульсирующего тока
10.5. Определение переменной составляющей екп
10.6. Компенсация реактивной эдс дополнительными полюсами двигателей пульсирующего тока
10.7. Способы улучшения коммутации тяговых двигателей пульсирующего тока
11. НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ В ЦЕПИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
11.1. Виды переходных процессов
11.2. Влияние вихревых потоков в магнитопроводах на протекание переходных процессов
11.3. Влияние индуктивности обмоток тяговых машин на переходные процессы
11.4. Влияние параметров внешних цепей на переходные процессы
11.5. Мероприятия, направленные на облегчение протекания переходных процессов
12. НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
12.1. Допустимые превышения температур
12.2. Классическая теория нагревания однородного твердого тела
13. ВЕНТИЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
13.1. Самовентилирующиеся машины
13.2. Независимая вентиляция
13.3. Расчет вентиляции тяговых электрических машин
14. ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
14.1. Асинхронные двигатели. Основные понятия.
14.2. Принцип регулирования асинхронного тягового двигателя
14.3. Формы фазных токов и напряжений АТД
14.4. Моменты от высших временных гармоник тока и потока одного порядка
14.5. Коэффициент мощности и кпд АТД
15. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
15.1. Назначение и классификация вспомогательных машин
15.2. Особенности конструкции вспомогательных машин электроподвижного состава постоянного тока
15.3. Вспомогательные машины ЭПС переменного тока
15.4. Мотор-вентиляторы
15.5. Мотор-компрессоры
15.6. Мотор-насосы
15.7. Расщепители фаз
15.8. Мотор-генераторы и генераторы управления
15.9. Делители напряжения
16. ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
17.1. Основные неисправности электрических машин
17.2. Тяговый электродвигатель НБ-520В
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО
И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Классификация тяговых электрических машин. Терминология. Определения. Назначение

Тяговыми электрическими машинами (ТЭМ) называют электрические машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, генераторов, преобразователей на подвижном составе всех видов.

Тяговые электрические машины классифицируются:
1) по назначению:
- на тяговые электродвигатели;
- тяговые генераторы;
- вспомогательные машины;
2) по роду тока:
- на постоянного тока (пульсации тока не превышают 10 %);
- пульсирующего тока;
- коллекторные машины однофазного переменного тока промышленной и пониженной частоты;
- асинхронные машины переменного трехфазного (или многофазного) тока;
3) по способу защиты от внешних воздействий:
- на защищенные;
- брызгозащищенные;
- закрытые;
4) по способу охлаждения:
- с независимой вентиляцией;
- самовентиляцией;
- обдуваемые;
- естественным охлаждением;
5) по виду возбуждения:
- с независимым возбуждением;
- параллельным возбуждением;
- последовательным возбуждением;
- смешанным возбуждением.

Тяговым электродвигателем (ТЭД) называется электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение поезда. В настоящее время на электроподвижном составе (ЭПС) применяют в основном тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока. Однако есть пробные шаги к созданию электровозов с асинхронными и вентильными двигателями.

Вспомогательными машинами называют электродвигатели, служащие для привода компрессоров, обеспечивающих питание сжатым воздухом
- тормозных систем и электропневматических приводов тяговых аппаратов, вентиляторов;
- расщепители фаз;
- делители напряжения;
- генераторы служебного тока;
- двигатель-генераторы.

Мотор-вентиляторы используются для охлаждения тяговых двигателей и выпрямительных установок.

Расщепители фаз предназначены для преобразования однофазного тока в трехфазный, которым питают асинхронные двигатели других вспомогательных машин.

Делители напряжения (двухколлекторные машины) делают для питания двигателей других вспомогательных машин с напряжением, вдвое меньшим напряжения контактной сети.

Генераторы служебного тока предназначены для получения электроэнергии напряжением 50…1100 В для питания цепей управления и сигнализации.

Двигатель-генераторные агрегаты возбуждения применяют на ЭПС для питания обмоток возбуждения в период электрического торможения.

3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей

Тяговый двигатель является электрической машиной, встроенной в тележку ЭПС. Это обстоятельство накладывает определенный отпечаток на его габариты и конструкцию, в том числе на вид подвешивания тягового двигателя в тележке.

Различают два вида подвешивания:
- опорно-осевое;
- опорно-рамное.

В первом случае двигатель одной из своих сторон посредством моторно-осевых подшипников опирается на вал оси колёсной пары, а второй стороной посредством резинометаллических блоков к раме тележки.

При опорно-рамном подвешивании весь двигатель крепится к раме тележки через систему подвешивания, позволяющую погасить воздействия пути на него.

Схема крепления и передачи момента при опорно-рамном подвешивании зависит от системы передачи этого момента. Из рис. 3.1 видно, что двигатель при опорно-осевом подвешивании одной стороны опирается на ось колесной пары и естественно воспринимает все усилия, переданные от пути. При этом ускорения достигают 21g.

Если двигатель полностью подрессорен, как при опорно-рамном подвешивании, то ускорение всего лишь 3g.

При опорно-осевой подвеске конструкция передачи чрезвычайно проста, но зато такой тип подвески требует повышения механической прочности элементов тягового двигателя, снимается надежность токосъема.

Схематично крепление двигателя при опорно-осевом подвешивании показано на рис. 3.1.

При рамном подвешивании конструкция существенно усложняется. Необходимость расположения во внутренней полости якоря шарнирной муфты требует увеличения диаметра якоря. Затруднена смазка и ревизия. Поэтому опорно-рамное подвешивание применяют лишь для скоростей движения более 120 км/ч и на метрополитене, чтобы снизить шум.

Конструктивное исполнение двигателей с опорно-рамным подвешиванием рекомендуется посмотреть в книге М.Д. Находкина на с. 67–68 .

Рассмотрим кинематические схемы тяговых передач.

3.2. Кинематические схемы тяговых передач

Наиболее простой является передача при опорно-осевом подвешивании. Она, как правило, двухсторонняя или односторонняя. Схематично эти передачи изображены на рис. 3.2.

При двусторонней передаче редуктор делается из косозубых шестерней и колес для обеспечения равномерности передачи момента. Кроме того, необходимо обеспечить радиальное перемещение якоря на 8…10 мм.& Передача при опорно-рамном подвешивании на рис. 3.3.

Очень редко применяют еще один способ привода – это групповой, когда один тяговый двигатель приводит во вращение несколько колесных пар, но редуктор в этом случае громоздок, дорог и сложен (Франция).
Общее устройство такого привода можно видеть на примере группового (мономоторного) привода тепловоза СС72000, где также была использован муфта Альстом. Электродвигатель, установленный сверху на раме трехосной тележки и фактически находящийся в кузове локомотива, через раздаточный редуктор передает тяговый момент на тяговый редуктор, со- стоящий из ряда последовательно соединенных ведомых и промежуточных колес (рис. 3.4).

Рассмотрев кинематические схемы тяговых передач, хотелось бы остановиться на элементах конструкции якоря, в особенности на тех, которые имеют место практически на всех тяговых двигателях. За основу возьмем тяговый двигатель опорно-осевого исполнения, поскольку это наиболее распространенный двигатель на ЭПС Российской Федерации.

3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока

Элементы конструкции якоря . В данном разделе мы коротко остановимся на основных элементах конструкции, не вдаваясь значительно в подробности. Это объясняется тем, что при выполнении курсового проекта необходимая информация будет изучаться дополнительно, и рассматриваться каждый (или большинство элементов) тяговый двигатель.

Вал якоря тягового двигателя служит для соединения всех деталей якоря и как несущая конструкция этих деталей, а также для передачи вращающего момента от двигателя через шестерню к зубчатому колесу (рис. 3.5).

Остальные проточки предназначены для насадки других узлов тягового двигателя и при различных конструкциях могут изменяться. Обычно это посадочные поверхности под подшипниковые крышки (щиты), лабиринтные кольца и т. д. Жесткость вала должна быть такой, чтобы максимальные нагрузки, в том числе и электрические, не приводили к прогибу и якорь, насаженный на вал, не задевал за полюса. Шероховатость посадочных поверхностей должна быть не ниже 7 класса.

Для придания валу необходимой прочности все изменения его диаметра выполнены плавно без кольцевых выточек и шпоночных канавок.

Сердечник якоря тягового двигателя . Сердечник якоря тягового двигателя служит для передачи магнитного потока, крепления обмотки и является одной из важнейших деталей тягового двигателя (рис. 3.6).

Обычно сердечник набирают на втулку (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Втулка якоря

Если диаметр якоря меньше 350 мм (Д Я Сердечник якоря выполнен из наборных пластин, которые напрессовываются на втулку якоря, а затем вместе с втулкой надевается на вал якоря, образуя с ним и коробкой якоря единую конструкцию. Внешний вид листа якорного пакета представлен на рис. 3.8.

Для предотвращения распушения, крайние листы выполняют из стали толщиной 1 мм и скрепляют сваркой. Пазы шлифуют и в них, с краёв, во избежание перетирания изоляции, вставляют изоляционные гильзы.

Коллекторный узел . Коллектор – это устройство электромеханической коммутации.

Коллектор очень нагруженное устройство и у современных машин находится на пределе использования возможностей материалов и технологии. Каждая коллекторная пластина, соединенная с соответствующей секцией обмотки якоря. Пластин обычно более 300.

В тяговых двигателях обычно применяют коллекторы арочного типа. Пластины коллектора медные, трапецеидальные, изолированные друг от друга миканитовыми прокладками.

Внешний вид коллекторной пластины и её крепление можно представить, как показано на рис. 3.9.

Вся конструкция образует коллектор, и его втулка насажена на втулку якоря. Для изоляции стяжного конуса и втулки от коллекторных пластин используются миканитовые манжеты и цилиндр. Коллектор требует особой тщательности при сборке. Биение рабочей поверхности коллектора должно быть не более 0,04 мм. Поэтому коллектор опрессовывается и одновременно стягивается болтами. При этом между пластинами образуется боковое давление – арочный распор из-за чего возникающие силы трения препятствуют смещению пластин относительно друг друга (рис. 3.10).

После сборки коллектору делают продорожку, чтобы исключить затягивание межламельных промежутков медью и снять заусеницы, предотвратив слом щеток и нарушение коммутации.

Обмотка якоря . Проводники, уложенные в позах якоря и соединенные с коллекторными пластинами, образуют обмотку якоря.

В тяговых двигателях обмотка выполняется в виде секций или катушек. Такая секция содержит несколько проводников из прямоугольной меди. По виду соединения между собой и укладке катушки делятся (рис. 3.11):
- на волновые;
- петлевые;
- «лягушечьи».

Для тяговых двигателей применяют обычно волновую и петлевую обмотки. Причем волновую обмотку применяют для двигателей мощностью примерно до 500 кВт (рис. 3.12).

Обмотки тяговых двигателей специальным образом изолируют. Различают три основных вида изоляции:
- витковая;
- корпусная;
- покровная.

Витковая изоляция во всех двигателях выполняется стекло-слюдинитовой лентой, в один слой (каждый проводник).

Корпусная изоляция является основной, эта изоляция пакета проводников. Её толщина определяется величиной напряжения и видом материалов. Между секциями вставляется (если они в одном пазу) изоляционная прокладка.

Покровная изоляция – это самый верхний слой изоляции в пазу – служит для защиты секций от механических повреждений. Крепление секции в пазу осуществляется клиньями. Обычно это секционированные текстолитовые или буковые клинья (в последнее время используются редко). Передние и задние лобовые вылеты обмоток бондажируются. Это может быть либо металлический, либо не металлический бандаж.

Элементы конструкции остова . Остов тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока является магнитопроводом и одновременно несущим корпусом для подшипниковых щитов и полюсной системы. Как правило, остов выполняется литым из стали 25Л. Его толщина выбирается исходя из необходимой магнитной индукции.

Длина остова это полуторакратная длина главного полюса. Там, где магнитный поток не проходит, толщина остова на 15…20 мм меньше. С наружной стороны имеются приливы для крепления моторноосевых подшипников, люков и т. д. К внутренней поверхности крепятся главные и добавочные полюса. У 4-полюсных машин делаются специальные приливы с внутренней стороны для крепления полюсов, так как остов не является круглым (рис. 3.13).

Со стороны коллектора имеется вентиляционный люк, а также люк для регламентных работ с коллекторно-щёточным аппаратом.

Главные и добавочные полюса . Сердечники главных полюсов выполнены из штампованных листов малоуглеродистой стали. Технология изготовления и набора приблизительно такая же, как и сердечного якоря, конечные листы сваривают на точечную сварку (рис. 3.14).

У машин с компенсационной обмоткой на главных полюсах выполнены пазы для её укладки.

Главные полюса крепятся к остову и удерживают обмотку возбуждения.

Вид главного полюса показан на рис. 3.15.

В тяговых двигателях катушки главных полюсов выполняют из шинной прямоугольной меди в основном наматываемую на ребро.

Межвитковую изоляцию выполняют в зависимости от необходимого класса изоляции F или Н. Есть некоторые отклонения при выполнении катушек главных полюсов двигателей последовательного и независимого возбуждения. У последних обмотка многовитковая, а ток в 3…5 раз меньше, чем ток якоря.

Соединительные кабели повышенной нагревостойкости.

Компенсационные катушки изготавливают отдельно и готовые секции вкладывают в пазы главных полюсов.

Катушки обмоток возбуждения производят тремя способами:
- в моноблочном исполнении;
- с монолитной изоляцией;
- с немонолитной изоляцией.

В первом случае катушку вместе с главным полюсом заливают компаундом и сушат в печах F.

Во втором случае катушку после компаунда сушат отдельно. В немонолитном исполнении катушку пропитывают термопластичным компаундом.

Для улучшения крепления катушки между ней и полюсом вставляют волнообразную прокладку, которая сжимает катушку. Крепление главных полюсов к остову осуществляется болтами с пружинными шайбами.

Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации.

В современных тяговых двигателях пульсирующего тока сердечники выполняют набором из листов электротехнической стали.

Для двигателей постоянного тока сердечники выполняют цельными из стального проката. Иногда между остовом и сердечником добавочного полюса делают диамагнитную прокладку.

Катушка добавочных полюсов наматывается на узкое ребро. Изоляция витков и катушки в целом аналогична катушке главных полюсов. Внешний вид добавочного полюса показан на рис. 3.16.

3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока

В тяговом электромашиностроении накоплен опыт использования асинхронных, вентильных и линейных двигателей. До настоящего времени нет твердого мнения о преимущественном использовании какого-либо из них на всех видах подвижного состава. Каждый из двигателей имеет свои достоинства и недостатки.

В настоящем разделе будут рассмотрены конструктивные особенности данных электрических машин.

Остов, подшипниковые щиты, вал могут быть выполнены практически одинаковыми. Статор вентильного двигателя выполняется большим в связи с необходимостью расположения датчиков для контроля положения ротора . Конструктивно статоры асинхронного и вентильного двигателя практически не отличаются. Ротор асинхронного двигателя выполняется либо с алюминиевыми, либо с медными стержнями. Ротор вентильного двигателя может быть выполнен только в неявнополюсном виде.

В качестве примера асинхронного тягового двигателя можно привести разрез двигателя НТА350, установленного на электропоездах ЭР9Т, ЭР9 (рис. 3.17).

Особенности конструкции асинхронного тягового двигателя (АТД) связаны с установкой его на ЭПС. Это предопределяет его конструкцию как по способу крепления, так и по мощности.

Рис. 3.17. Продольный разрез АТД НТА350:
1 – сердечник статора; 2 – сердечник ротора; 3, 24 литые боковины; 4 – обмотка статора; 5 – вентиляционный диск; 6 – ступица вентилятора; 7, 21 – подшипниковые щиты; 8, 17 – крышки подшипников; 9, 15 – подшипники; 10, 14 – цапфы; 11, 13 – лабиринтные уплотнения; 12 – барабан; 16 – упорная шайба; 18 – ступичная часть подшипникового щита; 19 – зубчатое колесо; 20 – считывающий элемент; 21 – верхняя часть подшипникового щита; 22 – короткозамкнутое кольцо; 23 – бандажное кольцо; 25 – стальная накладка; 26 – сердечник ротора

Зачастую остов АТД имеет круглую форму с элементами крепления тягового двигателя к раме тележки. Корпус выполняется из различных, в том числе и алюминиевых сплавов с ребрами жесткости.

Для статорной обмотки используют только открытые прямоугольные пазы. Причем есть некоторые особенности в креплении обмотки статора.

В АТД желательно использовать магнитные клинья, изготовленные прессованием из различных магнитных материалов. Это позволяет уменьшить коэффициент воздушного зазора и сократить пульсации магнитного потока.

Обмотка статора также имеет некоторые особенности по сравнению с обмотками машин постоянного тока. В статорной обмотке АТД из-за повышенной частоты питающего напряжения, которая, как правило, достигает значений 140 Гц, происходит вытеснения тока к поверхности обмотки и увеличение потерь.

Снижение потерь из-за эффекта вытеснения достигается путем выбора рационального сечения проводника и его расположения в пазу. В АТД проводники в основном располагаются «плашмя».

Обмотка ротора (рис. 3.18). На обмотку ротора накладываются серьезные ограничения и требования к ее конструкции. Во время пуска нагрев роторной обмотки (впрочем, как и статорной) может быть значительным. Кроме того, крепление обмотки должно быть надежным, так как при пуске в холодное время, допустим с температурой –60 С, за короткое время обмотка нагревается до 100…150 С. Это очень большой перепад температур. Для улучшения теплоотвода необходимо иметь плотное прилегание стержней роторной обмотки и стенкам. Стержень должен быть упруго закреплен в пазу.

Для асинхронных двигателей мощностью до 300 кВт обычно используют, в качестве метода изготовления роторной обмотки, заливку пазов алюминиевым сплавом.

Однако метод заливки обладает существенным недостатком: из-за качества литья образуются раковины, изменяющие сопротивление стержней, а значит и мощность машины. Когда машина используется индивидуально, это не имеет особого значения. А вот на ЭПС, где колесномоторные блоки подбирают по характеристикам, этот факт приобретает большое значение. В связи с этим стержни изготавливают заранее, опрессовывают и закладывают в пазы.

Обычно в АТД применяют следующие виды пазов и способы закладки стержней (рис. 3.19).

Обмотка ротора, изображенная на рис. 3.18, технологична и обладает эластичностью при входе в коротко замыкающее кольцо, но из-за отсутствия упругого элемента в пазу стержни могут ослабляться. На рис. 3.19, а, б, в изображены стержни, лишенные этих недостатков, но технология их изготовления сложнее.

Рис. 3.18. Обмотка ротора

В заключение несколько слов о воздушном зазоре и вентиляции. Как правило, зазор в АТД меньше чем в двигателях постоянного тока и составляет 2,5…3 мм. Охлаждение аналогично двигателям постоянного тока – это осевая вентиляция с каналами в роторе и статоре. Говоря о современных направлениях в тяговом электромашиностроении, нельзя не сказать о линейных тяговых двигателях.

3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей

До настоящего времени на ЭПС применяют различные двигатели: постоянного тока и вентильные, асинхронные. Но все они обладают одним свойством: передают тяговое усилие на колесную пару. При этом сила тяги ограничена нагрузкой на ось и коэффициентом сцепления:

(3.1)

Для значительного повышения силы тяги необходимо увеличивать нагрузку на ось (что нельзя делать беспредельно по условиям прочности пути и оси), или коэффициент сцепления, что также в условиях гладких рельсов затруднительно. Кроме того, при наметившейся тенденции увеличения скоростей вопросы взаимодействия колеса и пути встают еще острее. Выход из создавшегося положения может быть найден в использовании линейных асинхронных двигателей (ЛАД).

Необходимо отметить, что впервые потребность в ЛАД возникла в ХIХ в. Однако они не получили распространения из-за массогабаритных показателей. В СССР освоение ЛАД началось примерно в 1920 г. с использованием их в ударных установках (электропривод). Это работы М.П. Костенко, Я.С. Япольского. Затем, уже в послевоенное время, ЛАД получили свое дальнейшее развитие в фундаментальных исследованиях Г.И. Штурмана, А.И. Вольдена и ряда других ученых.

Сила тяги, развиваемая линейным асинхронным двигателем, вызывается взаимодействием бегущего поля статора (первичного элемента, уложенного на ЭПС или в пути) с электрическими токами, индуктируемыми в реактивной шине во вторичном элементе, представляющем собой развернутый ротор, т. е. по существу это разрезанная асинхронная машина (рис. 3.20).

где V 1 – скорость бегущего поля индуктора.

Естественно, что один из элементов должен быть во всю длину участка работы этого двигателя. Поэтому такие машины выполняют либо с коротким первичным, либо с коротким вторичным элементом. И возбуждают только те секции, над (или под) которыми проходит ротор. Казалось бы, все просто, но трудность заключается в том, чтобы создать силу не только горизонтального перемещения, но и магнитного подвешивания, т. е. поперечную силу. Кроме того, увеличенные зазоры между первичным и вторичным элементом искажают магнитные поля, вызывая несимметрию магнитного потока.

Эту составляющую приходится убирать с помощью дополнительных катушек. То есть трудностей очень много, но все они постепенно преодолеваются. В настоящее время уже созданы опытные образцы подвижного состава с линейными тяговыми двигателями.

4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Значительное влияние на работу двигателя оказывают нагрузки.

Условия эксплуатации таковы, что ток тягового двигателя ежеминутно меняется, также меняется и частота вращения. При этом и тот и другой показатель могут, как длительное время сохранять постоянство значений, так и резко изменяться (рис. 1.1).

У электропоездов токовые нагрузки более стабильны (рис. 4.2) и из-за сравнительно больших режимов выбега в целом двигатели электропоездов перегреваются меньше.

Сложная работа двигателей и по напряжению. Изменение напряжения по ГОСТ 6962–75 может заключаться в следующих пределах:
- постоянный ток 2000…4000 В;
- переменный ток 19 000…29 000 В.

Сложны и климатические условия работы тяговых двигателей. По ГОСТ 2582–81 двигатели должны работать от +40 до –60 С. Такие резкие перепады температур могут привести к износу изоляции, её быстрому ста- рению и т. д.

В настоящее время в основном используются 3 класса изоляции (В; F; Н) с различным превышением температуры. Говоря о воздействиях на тяговый двигатель, нельзя не остановиться на динамических воздействиях.

В соответствие с ГОСТ 2582–81 электрические машины должны быть рассчитаны на работу в условиях вибрации и ударов, достигающих ускорения 150 м/с2. Результирующее ускорение для различных видов подвешивания составляет:
- опорно-осевое – 212 м/с2;
- опорно-рамное – 30 м/с2.

Все эти удары, естественно, сказываются и на креплении деталей двигателя, и на качестве токосъема.

Тяговые двигатели должны быть защищены от воздействия пыли и грязи. Исполнение тяговых двигателей занимает промежуточное положение между закрытым и защищенным исполнениями, они закрыты от соприкосновения с электрическими частями, но не защищены от влаги и пыли.

Однако несмотря на сложные условия эксплуатации, в последние годы удалось повысить надежность тяговых двигателей и увеличить их межремонтные пробеги. Это получено за счет:
- разработки и внедрения компенсационной обмотки;
- повышения технологического уровня производства; применения электротехнической стали, 2212 вместо стали 1312 (это позволило уменьшить массу);
- использования стекло-слюдинитовой ленты вместо миколенты, что позволило повысить электрическую прочность, влагостойкость и механическую стойкость.

Увеличить показатели позволили следующие меры:
- совершенствование механических элементов конструкции (подшипниковые щиты, межкатушечные соединения);
- совершенствование изоляционных конструкций и материалов.

5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Проводниковые материалы . В качестве проводникового материала используют, как правило, медь. Для изготовления обмоток применяют проволоку, ленту и медные шины.

Используют следующие типы проводов:

для класса нагревостойкости В и F

для класса нагревостойкости Н

Цифры 1, 2, 3 соответствуют толщине изоляции 0,23; 0,3; 8,35.

Для изготовления коллекторов используется медь с присадкой серебра или кадмия. Это обеспечивает качество коммутации за счет образующейся пленки.

Магнитные материалы . Как уже ранее говорилось, магнитопроводы изготавливают из стального литья, электротехнической и листовой стали.

Электротехническая сталь марок 2212, 2213, 2214.

Характеристики этих сталей – толщина 0,5 мм, при индукции 1,5 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц потери составляют:
- сталь 2212 – 5 Вт/кг;
- сталь 2213 – 4,5 Вт/кг;
- сталь 2213 – 4 Вт/кг.

Обычно до или после штамповки сталь покрывают электроизоляционными материалами.

Электрическая изоляция . В предыдущих разделах упоминалось о трех классах изоляции В, Н, F; они разделены по нагревостойкости (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Характеристика классов изоляции

Нормирование осуществляется для неподвижных обмоток, подвижных обмоток (обмотки якоря) и коллектора. Изоляционные материалы приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Электроизоляционные материалы для систем изоляции тяговых электродвигателей

ЯКОРНАЯ ОБМОТКА

Тип изоляции	Класс нагревостойкости В, F	Класс нагревостойкости Н
Витковая изоляция	ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл ЛСЭП-934-ТПл Элмикатерм 524019	Провод ПСДКТ Провод ППИПК-2 ПМ-40
Корпусная изоляция катушек	ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл Элмикатерм 524019 ЛСЭП-934-ТПл ЛСУ ЛСМ	ЛСПМ ЛСК-СС ЛИКО-ТТ
Пазовая изоляция: – пазовая коробка – клин пазовый	Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616 СТЭФ	Имидофлекс 292 Синтофлекс 818 СТ-ЭТФ
Межламельная изоляция коллектора	КИФЭ, КИФЭ-А Элмикапласт 1440	КИФЭ-Н, КИФК Элмикапласт 1440
Коллекторные манжеты	Элмикаформ 323 Пл	Элмикаформ 325, 325 ПМ, ФИФК-ТПл
Бандаж	ЛСБЭ-155	ЛСБЭ-180
Межслойная изоляция	Элмика 423 СТЭФ	Элмика 425
Пропиточные составы	ФЛ-98, МЛ-92, ПЭ-933 Компаунд эпоксидно-ангидридный Компаунд полиэфирный	КО-916, Компаунд полиэфиримидный

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Катушки главного и добавочного полюсов

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Компенсационная катушка

Тип изоляции	Класс нагревостойкости В, F	Класс нагревостойкости Н
Витковая изоляция	ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019	ПМ-40
Корпусная изоляция	ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019	ПМ-4040
Пазовая изоляция	Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616	Имидофлекс 292 Синтофлекс 818

Синтофлекс представляет собой двухслойную или многослойную композицию, состоящую из полиэфирной пленки и полиэфирной бумаги, пропитанную смолой со стороны бумаги. Он применяется для пазовой изоляции, крышки-клина, межслойная изоляция низковольтных электрических машин в системе изоляции класса нагревостойкости В (130 °С). В сочетании с более нагревостойкими пропиточными составами допускается применение с длительно допустимой рабочей температурой 155°С. Ресурс работы 30 000 ч.

МЛ, ФЛ – лаки на основе модифицированного глифталя с различными свойствами в зависимости от марки.

Имидофлекс – изоляционный материал, основа которого полиамидная пленка, стеклоткань, эпоксидно-каучуковый состав.

К классу В относятся материалы на основе слюдинитов и эпоксидно-полиэфирных компаундов.

К классу F относятся ленты на основе эпоксидно-полиэфирного лака ЭП-934. Сама лента слюдинитовая.

К классу Н относится асбестная бумага толщиной от 0,2 до 1 мм, миканиты, полиамидная пленка.

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей

Номинальными и определяющими параметрами тяговых машин называют ток, мощность и кпд, соответствующие определенному режиму работы, установленному стандартом.

Для тяговых машин таких режимов два:
- часовой;
- длительный.

Часовой режим – это режим работы двигателя с таким током на испытательном стенде в течение 1-го часа, с возбуждением, предусмотренным для этого режима и нормально действующей вентиляцией, который не вызывает превышения температуры его частей над температурой окружающего воздуха выше норм, установленных для данного класса изоляции.

Длительный режим – определяется наибольшим током, так же как и часовой, но при работе двигателя на испытательном стенде в течение неограниченного времени. Номинальными для электровоза считаются параметры длительного режима:

I ∞ , Р ∞ , n ∞ , η ∞ .

Номинальные данные тяговых двигателей приводят на специальных табличках, которые укрепляются на несъёмной части тягового двигателя. В них указывают:
1) товарный знак предприятия-изготовителя;
2) род (двигатель, генератор) машины;
3) тип машины;
4) род тока;
5) номинальные режимы работы;
6) наибольшую эксплуатационную частоту вращения n;
7) номинальную степень возбуждения;
8) массу машины;
9) год выпуска машины;
10) обозначение стандарта, которому машина соответствует;
11) класс изоляции.

Естественно, как и любая машина, тяговый двигатель обладает определенными характеристиками.

6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя

Магнитной характеристикой машины называют зависимость магнитного потока Ф от магнитно-движущей силы (мдс) F катушки главного полюса или пропорционального от тока возбуждения в Ι (часто вместо в Ф f I) используют зависимости

С п Ф = f Ι в

(6.1)

С v Ф = f Ι в

(6.2)

где 60 n p C а; 1000 60 v n б С С Д;
n С – конструкционная постоянная машины;
p – число пар полюсов;
а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
N – число проводников обмотки якоря;
– передаточное отношение тяговой передачи;
б Д – диаметр бандажа.

Нагрузочная характеристика – это зависимость Ф f F или в Ф f при различных в I , но постоянных я I . Эти кривые учитывают размагничивающее действие я I . Магнитные характеристики получают при расчете магнитной цепи машины.

Для 4-полюсного тягового двигателя без компенсационной обмотки магнитная цепь имеет вид, показанный на рис. 6.1.

Магнитная характеристика при холостом ходе машины определяется несколькими значениями магнитного потока, который может быть определен следующим:

где к U – напряжение на коллекторе;
н n – частота вращения в номинальном режиме. Обычно задается или определяется исходя из эксплуатационной необходимости.

Намагничивающую силу катушки главного полюса находят суммированием всех магнитных напряжений по участкам магнитной цепи. Индукция на участках

где Si – сечение отдельных участков магнитной цепи. Следует учитывать, что магнитный поток сердечника полюса и остова определяется как

Ф" = σФ , (6.5)

где – коэффициент рассеяния магнитного потока главных полюсов.

Сечения участков магнитной цепи можно определить следующим образом: воздушного зазора

S = α τ l я , (6.6)

где – коэффициент полюсного перекрытия;
я – длина якоря;
– полюсное деление

Рис. 6.1. Эскиз магнитной цепи тягового двигателя

остова
при я l 0 0 я S h ; (6.8)

при я 0 0 2 я S h ; (6.9)

где 0 h – толщина остова;
зубцов якоря

1/3 / 2 z ия я S К Z Z р, (6.10)

где ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
1/3 Z – ширина зубцов на 1/3 их высоты; ;
Z – число зубцов. сердечника якоря

0,5 2 2 0,65 я я z i вр в я ия S Д h Д n d К, (6.11)

где я Д – диаметр якоря;
z h – высота зубцов;
i Д – внутренний диаметр пакета якоря;
вр n – количество рядов вентиляционных каналов;
в d – диаметр канала;

сердечника полюса

m я ип S в К, (6.12)

где m в – ширина сердечника полюса;
ип К – коэффициент заполнения сердечника полюса сталью.

Если у машины есть компенсационная обмотка, то площадь сечения зубцов

zko zko ко я ип S в Z К, (6.13)

где zko в – ширина зубца компенсационной обмотки;
ко Z – число зубцов на полюсе.

Падение напряжения в воздушном зазоре

8 в в в F В К, (6.14)

где – эквивалентный воздушный зазор; ;
в В – индукция в воздушном зазоре;
в К – коэффициент воздушного зазора (учитывает зубчатую структуру якоря)

где 1 t – зубцовое деление якоря;
1 Z – ширина зубца по окружности якоря.

У машин с компенсационной обмоткой

10 10 ко в в zko t К К в. (6.16)

Имея значение магнитной индукции для соответствующей стали, можно определить значения i Н напряженности магнитного поля.
Падение напряжения на стальных участках магнитной цепи

i i i F Н L , (6.17)

где i Н – напряженность магнитного поля на ом i участке магнитной цепи;
i L – длина силовых линий на этом участке магнитной цепи.

Из-за дополнительного воздушного зазора между полюсом и остовом возникает дополнительное падение магнитного напряжения

0,8 mo m F В, (6.18)

где m В – индукция в сердечнике полюса.

o o o m m zko zko z z я я в mo F Н L Н L H h Н h Н L F F (6.19)

для расчета характеристики Ф f F .

Необходимо проделать расчеты для различных значений магнитного потока (0,5Ф; 0,25Ф и т. д.).

При расчете двигателей последовательного возбуждения

/ в o в I I F , (6.20)

где в – число витков обмотки возбуждения.

По току якоря можно определить реакцию якоря и затем зависимость Ф f F при нагрузке

o ря ря F F K F , (6.21)

где ря К – коэффициент размагничивания якоря (получают опытным путем).

Кривая намагничивания показана на рис. 6.2. F Ф в I

Характеристика намагничивания является как бы базовой, служащей основанием для расчета всех остальных (эксплуатационных) рабочих характеристик двигателей.

6.3. Рабочие характеристики двигателей

Рабочие характеристики двигателей делятся:
- на электромеханические;
- электротяговые;
- тяговые;
- мощности.

Электромеханические характеристики – зависимость частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия от тока I .

Электротяговые характеристики – это зависимости скорости движения локомотива V, касательной силы тяги F и кпд 0 на ободе движущих колес от I (тока).

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги двигателя (или локомотива) от скорости движения локомотива.

Характеристикой мощности называют зависимости мощности от скорости движения локомотива.

6.3.1. Электромеханические характеристики

Частота вращения двигателя определяется по формуле

к д n U I r n С Ф, (6.22)

где д r – сопротивление цепи тока тягового двигателя. Электромагнитный вращающий момент может быть получен из уравнения электромагнитной мощности

э n E Р Е I С Фn I или / 0,974 э э Р M n ; (6.23)

Мэ 0,974 Сn . (6.24)

Часть момента тратится на преодоление внутренних сил сопротивления

0,974 / мех маг в M Р Р Р n , (6.25)

где мех Р – механические потери; маг Р – потери на перемагничивание в стали; в Р – потери на вентиляцию.

Вращающий момент на валу двигателя

0,974 / э n мех маг в М М М С Ф I Р Р Р n . (6.26)

6.3.2. Электротяговые характеристики

Скоростная характеристика получается из зависимости n f I путем несложных пересчетов:

к д v U I r V С Ф, (6.26 а)

0,188 n v б C C Д. (6.27)

где к U – напряжение на коллекторе;
I – ток двигателя;
д r – сопротивление всех обмоток;
v С – конструкционная постоянная колесно-моторного блока;
Ф – магнитный поток;
– передаточное отношение;
б Д – диаметр бандажа.

Касательная сила тяги на ободе колеса

3 2 / к б F М Д, (6.28)

где 3 – кпд зубчатой передачи;
б Д – диаметр бандажа колеса.

6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе

Потери в тяговых двигателях (как и вообще в электрических машинах) складываются из электрических э Р, магнитных маг Р, добавочных д Р и механических мех Р

дв э маг мех доб Р Р Р Р Р Р. (6.29)

Естественно, что для расчета этих потерь необходимо определить все соответствующие приведенной формулы.

Электрические потери

2 э д щ Р I r I U , (6.30)

где д r – сопротивление всех обмоток двигателя;
Uщ – падение напряжения в щёточных контактах (обычно 2…3 В).

Магнитные потери возникают при перемагничивании сердечника якоря. Их определяют по удельным потерям в зубцах и теле якоря

маг с z z я я Р К р m р m , (6.31)

где с К – коэффициент магнитных потерь в стали якоря.

Это эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение потерь в стали из-за неидеальности шихтовки, наклепа при штамповке и добавочных потерь холостого хода:

1,5/50 0,8 с К р, (6.32)

где 1,5/50 р – удельные потери в электротехнической стали при индукции 1,5 ТЛ и частоте 50 Гц (Вт/кг); я m – масса стали ярма якоря; z m – масса стали зубцового слоя якоря; я р – удельные магнитные потери в ярме якоря; я р – удельные магнитные потери в зубцовом слое якоря.

Масса ярма (или тела) якоря определяется по формуле

2 2 2 2 4 я я п i к к ия я с m Д h Д m d К, (6.33)

где hп – высота паза якоря;
i Д – диаметр отверстия под втулку, на которую набирается сердечник якоря;
к m – количество вентиляционных каналов;
к d – диаметр вентиляционных каналов;
ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
я – длина якоря;
я = 7850 кг/м3 – плотность.

Аналогично определяется масса зубцового слоя

z я п п п я uя с m Д h Z в h К, (6.34)

где Z – число зубцов якоря; п в – ширина паза якоря, м.

Удельные потери в ярме якоря определяются по формуле

2 2 0,044 5,6 0,01 я я я z р f f В (6.35)

и в зубцах

2 2 0,044 5,6 0,01 z я я z р f f В, (6.36)

где я f – частота перемагничивания якоря;

60 я р n f , (6.37)

где р – число пар полюсов; n – частота вращения.

Механические потери в двигателе зависят от следующих факторов:
- потери на трение в якорных подшипниках;
- потери на трение щеток о коллектор;
- потери на трение о воздух и вентиляцию при самовентиляции.
Потери на трение в якорных подшипниках качения составляют примерно 0,2 % от часовой мощности тягового двигателя, КВт,

0,002 пч ч Р Р. (6.38)

Вторые, из перечисленного списка, потери зависят от силы трения щеток о коллектор, а также от скорости вращения, и определяются как

тщ щ щ щ F f р S , (6.39)

где 0,25...0,29 щ f – коэффициент трения щеток о коллектор; щ S – общая площадь щеток; щ р – давление щеток на коллектор.

Тогда потери имеют вид:

9,81 тщ тщ кч Р F V , (6.40)

где Vкч – линейная скорость коллектора. Это потери при часовом режиме.

В случае изменения режима, а также при построении характеристик кпд, потери в подшипниках и от трения щеток о коллектор будут определяться по формуле

п тщ пч тщч ч n P Р Р Р n , (6.41)

где n, ч n – частоты вращения в заданном и часовом режимах.

В случае самовентиляции возникают дополнительные потери, вызванные сопротивлением воздуха

9,81 / вн в Р QH , (6.42)

где Q – расход воздуха м3/с;
Н – напор кг·с/м2;
в – кпд вентилятора.

К добавочным потерям д Р обычно относят потери, связанные с вихревыми токами в меди обмотки якоря. Вызваны они, как правило, искажением магнитного поля реакции якоря.

Есть несколько способов определения добавочных потерь. Самый простой из них – это определение потерь в процентном отношении от магнитных потерь по диаграмме (рис. 6.3).

Таким образом, имея потери в двигателе, можно определить кпд, отнесенный к валу двигателя, как

1 к дв дв к к U I Р Р U I U I . (6.43)

Если машина в генераторном режиме

1 1 к к дв дв к U I U I Р Р U I . (6.44)

Кпд, отнесенный к ободам движущей колесной пары,

где 3 – кпд зубчатой передачи. Обычно 3 определяется по диаграмме в функции от мощности.

Таким образом, определяются зависимости, описывающие электромеханические и электротяговые характеристики. Вид этих характеристик при- веден на рис. 6.4.

Осталось определить тяговую характеристику, т. е. зависимость

к F f V . 39 V, FK I FK V 0

Рис. 6.4. Общий вид электромеханических и электротяговых характеристик электродвигателя

При заданной скорости движения силу тяги можно определить, используя уравнения мощности, реализуемой на ободе колеса

/ 0,367 к к Р F V , (6.46)

так как к к о Р U I , то

0,367 / к к о F U I V . (6.47)

7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В условиях эксплуатации необходимо непрерывно менять режимы работы двигателя, поддерживая ток и силу тяги в допустимых или в необходимых пределах. Это же можно сказать и о скорости.
Для того чтобы было наглядно видно, какие из параметров тягового двигателя можно регулировать, запишем ещё раз формулу для расчета скорости

(7.1)

Из этого уравнения видно, что регулировать скорость можно изменением напряжения на коллекторе, изменением тока и магнитного потока.

Допустим, что формула записана для одного значения скорости V 1 и напряжения U к1 тогда если напряжение стало U к2 , то характеристику скоростную можно пересчитать по формуле

(7.2)

На электровозах переменного тока применяют либо ступенчатое регулирование напряжения за счет секционирования обмотки трансформатора ВЛ80к либо плавное регулирование – с использованием тиристорных регуляторов ВЛ80р, ВЛ85, 2(3)ЭС5К.

На электровозах постоянного тока обычно используют два способа регулирования напряжения. Это переключение числа последовательно включенных двигателей, т. е. изменение так называемой группировки двигателей С, СП, П, либо включение в цепь двигателей пусковых реостатов, снижение за счет падения напряжения на них и напряжения на тяговых двигателях.
При этом напряжение на двигателе можно определить как

(7.3)

где U с – напряжение контактной сети;
n с – число, последовательно включенных двигателей в сети;
m – число параллельных двигателей;
R n – сопротивление пускового реостата.

Тогда скорость при включении сопротивления будет определяться как

(7.4)

Как уже отмечалось, можно регулировать скорость и с помощью изменения магнитного потока. Достигается это несколькими способами:
1) секционированием катушек главных полюсов;
2) изменением тока возбуждения (при независимом возбуждении);
3) шунтированием обмотки возбуждения резистором.

Первый способ очень дорог и не удобен, так как для его реализации требуется усложнение конструкции машины.

Второй – не реализуется у двигателей последовательного возбуждения.

Третий способ самый распространенный. Обмотка возбуждения шунтируется резистором и индуктивным шунтом, включенным с ним последовательно. Шунт ставят для защиты двигателей от резких бросков напряжения. Его наличие позволяет относительно плавно изменяться току в двигателе при бросках напряжения.

Степень регулирования оценивается коэффициентом возбуждения β :

где I ов, I nв – ток в обмотке при ослабленном и полном возбуждении.

Для получения скоростных характеристик при ослабленном возбуждении обычно используют метод, основанный на примерном равенстве магнитных потоков при одинаковой скорости движения в случае полного и ослабленного возбуждения (рис. 7.1).

Получение зависимости силы тяги от тока при ослабленном возбуждении (рис. 7.2) основано на том, что при токах I nв и I ов магнитные потоки приблизительно равны Ф ов ≈ Ф nв:

(7.6)

Степень ослабления поля зависит от допустимого межламельного напряжения. У машин с компенсационной обмоткой β max = 0,2...0,4 .
Регулировочные свойства машины принято оценивать коэффициентом регулируемости:

К р = К н β max -1 , (7.7)

где К н = 1,6…2 – коэффициент насыщения. Обычно у современных двигателей.

Давыдов Ю.А.
Тяговые электрические машины. Учебное пособие
Хабаровск. Издательство ДВГУПС. 2013