Назначение и конструкция тяговых электродвигателей локомотивов
Тяговый электродвигатель (ТЭД) локомотива предназначен для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для вращения колесной пары.
Источником электроэнергии для движения тепловоза — автономного локомотива — служит дизель-генераторная установка (рис.3.1). Механическая энергия вращения коленчатого вала дизеля Д сообщается тяговому генератору ТГ и преобразуется в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает в тяговые электрические двигатели ТЭД, которые кинематически связаны с движущими колесными парами КП и приводят их во вращение.
На неавтономных локомотивах, которыми являются электровозы, для питания тяговых двигателей используется электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях и передаваемая ТЭД по линиям электропередачи через тяговые подстанции и контактную сеть. Будучи подключенным к электростанции, то есть практически неограниченному источнику энергии, электровоз может развивать повышенную мощность, ограниченную только мощностью ТЭД. Поэтому мощность электровоза почти в 2 раза больше, чем тепловоза равной массы.
Рис.4.1. Схема преобразования энергии на тепловозе
На всех локомотивах привод колесной пары от ТЭД осуществляется через зубчатый редуктор колесно-моторного блока. Наиболее распространенным в настоящее время типом подвешивания ТЭД у грузовых тепловозов и электровозов является опорно-осевое подвешивание, при котором ТЭД с одной стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой стороны — на раму тележки через комплект пружин [7]. Неизменное расстояние между центрами вала двигателя и оси колесной пары называют централью Ц (рис.4.2).
Так как ТЭД служит для преобразования электрической энергии в механическую, то он входит в состав как электрической, так и механической части локомотива.
Конструкция основных узлов и элементов тягового электрического двигателя тепловоза
ТЭД постоянного тока состоит из неподвижного статора: остова с расположенными на его внутренней поверхности главными и добавочными полюсами — и вращающегося якоря (ротора). Вал якоря опирается на подшипниковые узлы, размещенные в статоре (рис.4.3).
Конструктивно двигатель образован следующими сборочными единицами: магнитная система (в корпусе которой также закреплены щеткодержатели со щетками), якорь, подшипниковые щиты с якорными подшипниками, моторно-осевые подшипники и др..
Магнитная система двигателя состоит из станины (остова), четырех главных и четырех добавочных полюсов.
Остов является магнитопроводом двигателя; он отлит из углеродистой стали и имеет восьмигранную или круглую форму. С торцов остова расположены расточки для подшипниковых щитов. На остове имеются два прилива (носика) для опоры ТЭД на тележку через пружинную подвеску. С противоположной стороны остов имеет расточки под моторно-осевые подшипники. В верхней части остова со стороны коллектора находится вентиляционный люк, через который подводится воздух, охлаждающий обмотки и детали двигателя.
Рис.4.2. Схема колесно-моторного блока локомотива с опорно-осевым подвешиванием ТЭД
Главный полюс состоит из стального сердечника и катушки, намотанной из шинной меди в два слоя (плашмя). Витки катушки изолированы друг от друга асбестовой электроизоляционной бумагой.
Для уменьшения нагрева главных полюсов, вызываемого воздействием вихревых токов, сердечники набирают из отдельных листов электротехнической стали. Собранные листы спрессовывают и соединяют заклепками. В отверстие листов запрессовывают стальной прямоугольный стержень, в который вворачивают болты, крепящие полюса к остову.
Добавочные полюсы обеспечивают улучшение процессов коммутации (снижение искрения) при работе коллекторно-щеточного узла ТЭД. По своим размерам они меньше главных и несколько отличаются от них по конструкции (в частности, сердечник добавочного полюса цельный, отлитый из стали).
Обмотки возбуждения добавочных полюсов включены последовательно с якорной обмоткой. Обмотки возбуждения главных полюсов соединены между собой так, чтобы полюса (северный и южный) чередовались между собой (рис.4.4). Катушки добавочных полюсов соединены гибкими проводами, а главных — шинами из медной ленты, изолированными асбестовой, резиновой и стеклянной лентами .
Якорь электродвигателя состоит из стального сердечника и коллектора, насаженных на вал двигателя. На конец вала напрессовано малое зубчатое колесо (шестерня), передающее вращающий момент от двигателя через зубчатую передачу на колесную пару.
Сердечник якоря набран из листов электротехнической стали, толщиной 0,5 мм. По торцам сердечник удерживается на валу нажимными шайбами, которые установлены на вал с большим натягом.
На окружности сердечника якоря расположены продольные пазы, в которых размещены изолированные проводники якорной обмотки, закрепленные стеклотекстолитовыми клиньями. Клинья предотвращают перемещение проводников в пазах под действием центробежных сил, возникающих при вращении якоря. Лобовые части обмотки якоря (передние и задние) закреплены бандажами из стеклобандажной ленты. В последнее время начинают применять стеклометаллические бандажи.
Чтобы повысить электрическую и механическую прочность изоляции обмоток, якорь и полюса пропитывают в лаке ПЭ-933 (полиэфирноэпоксидном).
Рис.4.4. Схема соединения обмоток тягового электродвигателя
Для соединения проводников обмотки якоря с источником электроэнергии служит коллекторно-щеточный узел.
Коллектор состоит из медных пластин клинообразного сечения, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Эти пластины набирают на коллекторной втулке, которую после формирования коллектора насаживают на вал электродвигателя. К каждой коллекторной пластине припаяны проводники якорной обмотки, укладываемые в пазы сердечника якоря по определенной схеме.
Коллектор, соединен с внешней цепью, через угольно-графитовые стержни, называемые щетками. Щетки устанавливают в специальные обоймы (щеткодержатели), кронштейны которых закрепляют на остове ТЭД через изоляторы. Для надежного контакта щеток с поверхностью коллектора служит пружинное нажимное устройство.
Вал якоря ТЭД, изготовленный из высококачественной стали, вращается в двух роликовых подшипниках, запрессованных в ступицы подшипниковых щитов. В подшипниковом щите, расположенном со стороны коллектора, устанавливают опорно-упорный подшипник, а с противоположной стороны — опорный. В полости подшипников, закрытых крышками, по специальным трубкам запрессовывают смазку.
Отличительной особенностью тяговых двигателей локомотивов является наличие моторно-осевых подшипников (МОП), которые служат опорой электродвигателя на ось колесной пары. МОП вмонтированы в специальные разъемные приливы остова двигателя и состоят из бронзовых вкладышей, смазочного устройства и крышки, закрепленной болтами. Крышка МОП служит резервуаром для смазки, которая подается к вкладышам подшипника при помощи специальных систем: циркуляционной (смазка под давлением с использованием шестеренчатого насоса) и польстерной (смазка с использованием войлочных фитилей). В зависимости от конструкции ТЭД, данные системы могут использоваться как поодиночке, так и совместно.
В заключение рассмотрим особенности системы, которая обеспечивает нормальную работу тяговых двигателей — системы охлаждения. Во время работы ТЭД обмотка якоря и другие детали нагреваются. Для их охлаждения применяют принудительную вентиляцию (рис.4.5).
Охлаждающий воздух, подаваемый специальным вентилятором по гибким рукавам-гармошкам к вентиляционному люку остова ТЭД, проходит через двигатель двумя потоками: один над коллектором, сердечником якоря и в зазорах между полюсами, другой под коллектором, через вентиляционные отверстия в сердечнике якоря. Оба потока соединяются в корпусе ТЭД со стороны, противоположной коллектору, и выходят наружу через специальные окна (люки).
Рис.4.5 Схема охлаждения тяговых электродвигателей на локомотивах
Внутри остова ТЭД поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Вентиляторы охлаждения ТЭД могут иметь механический привод от дизеля или электрический от специальных электродвигателей (мотор-вентиляторы). Обычно один вентилятор охлаждает несколько тяговых двигателей, установленных на одной тележке. На некоторых тепловозах применяют централизованную систему охлаждения тяговых электрических машин и аппаратов.
Принцип работы тягового электродвигателя
При степенях искрения 2 и 3 тяговые двигатели к эксплуатации не допускаются.
Принцип работы. Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения (контактной сети), то она станет работать как электрический двигатель, т. е. превращать электрическую энергию в механическую, развивая вращающий момент на валу двигателя. Принцип действия электродвигателя постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего по обмотке якоря, и Магнитного поля, создаваемого полюсами машины.
Вращающий момент двигателя
где с — коэффициент пропорциональности, учитывающий постоянные для данного двигателя величины — число пар полюсов, число проводников и число параллельных ветвей обмотки якоря; I — ток якоря; Ф — магнитный поток.
При вращении якоря его обмотка пересекает магнитное поле главных полюсов, поэтому в ней по закону электромагнитной индукции возникает э.д.с. Направление э.д.с., индуцируемой в проводнике, определяемое правилом правой руки, будет противоположно напряжению сети. Отсюда ток в обмотке якоря двигателя при его работе
напряжение сети; Е- э.д.с.; гя — сопротивление обмотки якоря двигателя.
Рис. 43. Схема, поясняющая возникновение вращающего (а) и тормозного (б) моментов электродвигателя
Значение э.д.с. зависит от частоты вращения п (числа оборотов) двигателя и магнитного потока Ф:
Частота вращения якоря определяется в соответствии с формулами:
Реакция якоря. При работе двигателя ток в обмотке якоря создает свое магнитное поле — поле якоря. Одновременное существование двух магнитных полей — поля полюсов и поля якоря — приводит к образованию результирующего магнитного поля (рис. 44).
Действие магнитного поля якоря на поле полюсов машины называется реакцией якоря. Ось результирующего магнитного поля сдвигается относительно физической нейтрали (линии, перпендикулярной оси магнитного поля) в сторону, противоположную направлению вращения якоря двигателя. Для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации щетки двигателей постоянного тока сдвигают в сторону, обратную направлению вращения
Электромагнитные причины приводят к тому, что даже при идеальном состоянии щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки разрывается ток и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие края щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и, как следствие, приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения из-за механических причин.
Качество коммутации оценивается степенью искрения под сбегающим краем щетки при вращении коллектора по следующей шкале:
1 — отсутствие искрения (темная коммутация);
1 у — слабое точечное искрение под небольшим числом щеток; почернения на коллекторе и следов нагара на щетках нет;
1 У2 — слабое искрение под половиной щеток; наблюдается появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках, легко Устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином;
2 — искрение под всеми щетками; следы почернения на коллекторе и следы нагара на щетках не устраняются при протирании коллектора бензином;
3 — значительное искрение под всеми щетками, наличие крупных вылетающих искр; происходят значительное почернение коллектора, подгар и частичное разрушение щеток.
При степенях искрения 2 и 3 тяговые двигатели к эксплуатации не допускаются.
Возбуждение. В зависимости от способа создания магнитного поля различают машины постоянного тока с независимым возбуждением и самовозбуждением.
Тот или иной тип возбуждения определяется назначением машины. Тяговые двигатели вагонов метрополитена являются машинами постоянного тока последовательного возбуждения.
Ток, протекающий по обмоткам якоря и возбуждения, одинаков, и магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, при малом насыщении стали магнитопровода пропорционален току якоря: Ф = с,/я. Так как вращающий момент на валу двигателя М = с1яФ, то для двигателя последовательного возбуждения можно считать, что М= с21я 2 . В этих формулах с, с„ с2 — коэффициенты, учитывающие параметры двигателя (его размеры, число пар полюсов, число проводников обмотки якоря и т.п.) и размерности величин, входящих в формулу.
Квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке якоря позволяет при электродвигателе последовательного возбуждения резко увеличивать силу тяги, вращающий момент при пуске, когда двигатель должен преодолеть инерцию нагрузки на валу.
Контрольные вопросы 1. Поясните принцип работы машины постоянного тока в режиме двигателя.
2. От чего зависит вращающий момент двигателя?
3. Какой формулой определяется частота вращения вала двигателя? От чего зависит частота вращения?
4. Что такое реакция якоря и как она влияет на коммутацию машины?
5. Как оценивается качество коммутации?
6. Как классифицируются машины постоянного тока по способу возбуждения?
7. Почему в качестве тяговых двигателей используются машины постоянного тока с последовательным возбуждением?
Рис. 8.15. Схемы соединений обмоток тяговых электродвигателей:
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.
Укладка и закрепление обмотки в пазах сердечника выполнены по схеме (рис. 8.12).
Частота вращения (наибольшая),
лаждающего воздуха, Па
2ТЭ10, М62, 2ТЭ116, ТЭМ2
Циркуляционная + поль-стерная МОП нет
2ТЭ116, ТЭЮ ТЭП70, ТЭП85
2ТЭ120 (переменного тока)
Рис. 8.11. Тяговый электродвигатель типа ЭД118Б:
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:
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.
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.
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:
Тяговый электродвигатель ЭД900.
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.
7. установить нормальное нажатие щеток;
Неисправности тягового электродвигателя:
1. круговой огонь по коллектору или чрезмерное искрение под щетками, подгар коллектора;
2. потеки смазки внутри тягового двигателя;
3. перегрев подшипника;
4. перекрытие или пробой кронштейна щеткодержателя;
5. пробой изоляции обмоток якорей и полюсов;
6. сильное искрение под щетками и срабатывание токовой защиты;
7. чрезмерное нагревание коллектора;
8. чрезмерное нагревание якоря;
9. порванные сетки в вентиляционных отверстиях или торчащие из них остатки бандажей;
10. На моторном вагоне срабатывает быстродействующий выключатель во время первой поездки после замены двигателя.
Причины их возникновения:
1. щетки плохо притерты к коллекторным пластинам, неплотное прилегание. Изоляция между коллекторными пластинами выступает над ними, коллектор плохо прошлифован. Недопустимый износ щеток, недостаточное или неравномерное нажатие щеток. Биение коллектора, низкое качество щеток, коллектора и изоляторов. Оборван проводник обмотки якоря, короткое замыкание в обмотке дополнительных полюсов. Заклинивание щетки, коллектор загрязнен, межвитковое замыкание или выпаивание секции обмотки якоря из петушков коллектора;
2. избыток смазки, перекос подшипника;
3. недостаточно смазки, повреждение подшипника;
4. попадание влаги в тяговый двигатель, перенапряжение, грязный изолятор или кронштейн щеткодержателя;
5. механические повреждения, резкое снижение сопротивления изоляции при частых перенапряжениях на двигателях, попадании влаги, пыли и т.д.;
6. механическое повреждение изоляции, старение изоляции, снижение изоляционных свойств, вследствие частых перенапряжений;
7. щетки слишком сильно прижаты к коллекторным пластинам;
8. замыкание между секциями обмоток якоря или коллекторными пластинами;
9. размотаны бандажи якоря и часть обломков отброшена в сторону вентиляционных отверстий;
10. неправильный монтаж проводов.
Способ устранения неполадок тягового электродвигателя:
1. приработать щетки к коллекторным пластинам при малых скоростях движения, продорожить зачистить и отшлифовать коллектор. Заменить щетки, отрегулировать нажатие щеток, проточить и отшлифовать коллектор. Заменить щетки, изоляторы, отремонтировать обмотку в деповских условиях, отыскать поврежденную катушку дополнительного полюса и заменить её (в депо). Обеспечить свободный ход щетки, очистить коллектор, отремонтировать якорь в деповских условиях;
2. снять потеки и наблюдать за подшипниковым узлом. Если повреждение повториться, снять тяговый двигатель с тележки, разобрать подшипниковый узел и заменить подшипник. Устранить перекос, подтянув болты крышки подшипника;
3. добавить смазку. Снять тяговый двигатель с тележки, разобрать подшипниковый узел, заменить подшипник и смазку;
4. протереть тяговый двигатель чистой салфеткой, смоченной бензином, заменить изолятор или кронштейн щеткодержателя;
5. устранить повреждения в депо;
6. отключить тяговый двигатель, по прибытии в депо устранить повреждение;
7. установить нормальное нажатие щеток;
8. отключить тяговый двигатель, по прибытии в депо отремонтировать якорь;
9. отключить тяговый двигатель, по прибытии в депо отремонтировать;
10. пересоединить концы тягового двигателя.
Характеристики коллекторных электродвигателей, применяемых на наземном городском транспорте:
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».
В этом случае плотность тока в сбегающем крае щетки повышается, что ведет к увеличению потерь в щеточном контакте и разогреву сбегающего края. Кроме того, что очень важно, при механической нестабильности щеточного контакта появляется вероятность окончания коммутации с разрывом не среверсированно- го тока. Это сопровождается появлением между сбегающим краем щетки и ламелью коллектора искры или в более тяжелых случаях электрической дуги.
Работа тягового двигателя основана на явлении электромагнитной индукции: движение проводника с током в магнитном поле. Направление выталкивающей силы, действующей на проводник с током, определяется правилом левой руки.
При подключении к щеткам напряжения от источника постоянного тока по обмоткам будет протекать ток J, направление которого показано на рис. 2.1.
В результате взаимодействия тока с магнитным полем постоянного магнита (см. рис. 2.1) появятся электромагнитные силы Еэм, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180° электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом секции якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.
Рис. 2.1. Принцип действия двигателя постоянного тока
Рис. 2.2. Магнитные поля в двигателе постоянного тока: а — основной магнитный поток; б — магнитный поток реакции якоря (поперечный); в — суммарный поток
При вращении якоря ТЭД в секциях его обмотки в определенные моменты времени с помощью коллекторно-щеточного узла переключается (реверсируется) ток. Этот процесс и носит название «коммутация». При этом секция переходит из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую. Процесс переключения показан на рис. 2.3, а—в; графики изменения тока секции приведены на рис. 2.3, г.
Как известно из электротехники, любое изменение тока в электрическом контуре неизбежно сопровождается появлением электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции, которая стремится воспрепятствовать, задержать изменение тока. Назовем ее реактивной и обозначим ер. Под действием ее процесс реверса тока замедляется (см. рис. 2.3, г кривая 1). Соответственно такая коммутация называется замедленной.
В этом случае плотность тока в сбегающем крае щетки повышается, что ведет к увеличению потерь в щеточном контакте и разогреву сбегающего края. Кроме того, что очень важно, при механической нестабильности щеточного контакта появляется вероятность окончания коммутации с разрывом не среверсированно- го тока. Это сопровождается появлением между сбегающим краем щетки и ламелью коллектора искры или в более тяжелых случаях электрической дуги.
Рис. 2.3. Процесс коммутации машины постоянного тока: а— в — процесс переключения; г — графики изменения тока
В последнем случае ток секции реверсируется полностью до фактического разрыва контакта коллекторной пластины со сбегающим краем щетки, и вероятность возникновения искрения существенно снижается. Вместе с тем значительное ускорение коммутации (кривая 4) вновь приводит к тем же последствиям, что и замедление. Таким образом, существует вполне определенное оптимальное соотношение между коммутирующей и реактивной ЭДС.
В настоящее время качество коммутации любой коллекторной электрической машины оценивается главным образом визуально под сбегающим краем щетки по баллам шкалы (классом коммутации) ГОСТ 183-74: 1, П/4, Ц/2, 2 и 3 балла:
Далее воздух проходит через специальное окно в станине двигателя, охлаждает коллекторы, щеткодержатели, проходит через двигатель параллельно его валу, отводит тепло от якоря, полюсов и выбрасывается наружу через окна с противоположной от коллектора стороны. Внутри двигателя поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Устройство центробежного вентилятора показано на рис. 174.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвигателями. Подведем к рассмотренному ранее простейшему генератору питание от постороннего источника электрической энергии (рис. 167).
Рис. 167. Схема простейшего электродвигателя
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Механическая работа электродвигателей характеризуется вращающим моментом и частотой вращения его якоря. Силы, создающие вращающий момент электродвигателя, возникают в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока полюсов. Поэтому вращающий момент электродвигателя будет пропорционален величинам тока Iя якоря и магнитного потока Ф:
Рис. 168. Схемы возбуждения электродвигателей
УСТРОЙСТВО ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ
Рис. 169. Тяговый двигатель тепловоза 2ТЭ10Л
Магнитная система двигателя состоит из станины (остова), четырех главных полюсов и четырех добавочных. В остове двигателя монтируются все остальные его части. Сердечники главных полюсов набраны из стальных листов толщиной 2 мм и стянуты между полюсными щеками с помощью заклепок (рис. 170, а).
Рис. 170 а — Главный полюс тягового электродвигателя
Рис. 170 б — Добавочный полюс тягового электродвигателя
Рис. 171. Детали коллектора тягового двигателя
Рис. 172 Щеткодержатель тягового электродвигателя
Рис. 173. Схема установки и охлаждения тяговых электродвигателей
Далее воздух проходит через специальное окно в станине двигателя, охлаждает коллекторы, щеткодержатели, проходит через двигатель параллельно его валу, отводит тепло от якоря, полюсов и выбрасывается наружу через окна с противоположной от коллектора стороны. Внутри двигателя поддерживается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию пыли, влаги, снега.
Устройство центробежного вентилятора показано на рис. 174.
Рис. 174. Вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей
На электровозе ВЛ10 установлены восемь тяговых электродвигателей типа ТЛ2К. Тяговый электродвигатель постоянного тока ТЛ2К предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую. Вращающий момент с вала якоря электродвигателя передается на колесную пару через двустороннюю одноступенчатую цилиндрическую косозубую передачу. При такой передаче подшипники двигателя не получают добавочных нагрузок по аксиальному направлению.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Тяговый электродвигатель ТЛ-2К
Тяговый электродвигатель ТЛ-2К
1. Назначение тягового двигателя ТЛ-2К
На электровозе ВЛ10 установлены восемь тяговых электродвигателей типа ТЛ2К. Тяговый электродвигатель постоянного тока ТЛ2К предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую. Вращающий момент с вала якоря электродвигателя передается на колесную пару через двустороннюю одноступенчатую цилиндрическую косозубую передачу. При такой передаче подшипники двигателя не получают добавочных нагрузок по аксиальному направлению.
2. Принцип работы ТЛ-2К
3. Устройство ТЛ-2К
Тяговый двигатель ТЛ-2К имеет глухие подшипниковые щиты с выбросом охлаждающего воздуха через специальный патрубок.
Со стороны коллектора имеются три люка, предназначенные для осмотра щеточного аппарата и коллектора. Люки герметично закрываются крышками.
Крышка верхнего коллекторного люка укреплена на остове специальным пружинным замком, крышка нижнего одним болтом М20 и специальным болтом с цилиндрической пружиной и крышка второго нижнего люка четырьмя болтами М12. Для подачи воздуха имеется вентиляционный люк. Выход вентилирующего воздуха осуществлен со стороны, противоположной коллектору, через специальный кожух, укрепленный на подшипниковом щите и остове.
Рис. 1 Тяговый двигатель ТЛ-2К
Выводы из двигателя выполнены кабелем марки ПМУ-4000 сечением 120 мм2. Кабели защищены брезентовыми чехлами с комбинированной пропиткой. На кабелях имеются ярлычки из полихлорвиниловых трубок с обозначениями Я, ЯЯ, К и КК. Выводные кабели Я и ЯЯ соединены с обмотками: якоря, дополнительных полюсов и с компенсационной , а выводные кабели К и КК соединены с обмотками главных полюсов.
Для более надежного крепления и для регулировки положения щеткодержателя относительно рабочей поверхности по высоте коллектора на корпусе щеткодержателя и кронштейна предусмотрена гребенка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Принцип действия тягового двигателя
Главная > Лабораторная работа >Транспорт
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Иркутский государственный университет путей сообщения
Кафедра: Электроподвижной состав
Дисциплина: САПР локомотивов
Лабораторная работа № 1
Основные параметры тяговых двигателей
г. Иркутск 2011 г.
1. Принцип действия тягового двигателя
2. Описание назначения тягового двигателя и выражение вращающего момента электродвигателя
3. Конструкция тягового двигателя
4. Электрическая схема двигателя последовательного возбуждения с ее описанием и кривая намагничивания тягового двигателя Ф( I я)
5. Основные технические данные двигателей ТЛ-2К1 и НБ-418К6 и их сравнительный анализ
5.1. Основные технические данные тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-418К6
5.2. Основные технические данные тягового электродвигателя ТЛ-2К1
5.3. Сравнительный анализ двигателей ТЛ-2К1 и НБ-418К6
6. Список литературы
1. Принцип действия тягового двигателя
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую, называются электродвигателями. Подведем к рассмотренному ранее простейшему генератору питание от постороннего источника электрической энергии (рис. 1).
Рис. 1. Схема простейшего электродвигателя
Дойдя до вертикального положения, рамка по инерции повернется дальше. Теперь щетка Щ1 касается уже коллекторной пластины К2, а щетка Щ2 — коллекторной пластины К1. Благодаря этому направление тока в рамке изменяется и образуется пара сил, под действием которой рамка продолжает поворачиваться против часовой стрелки. Таким образом, рамка, получая электрическую энергию, будет непрерывно вращаться. Рамка может приводить в движение любой механизм, т. е. в данном случае работает в качестве электродвигателя.
В электродвигателе при его работе возникает ряд явлений, подобных процессам, происходящим в генераторе. Ведь витки обмотки якоря пересекают магнитный поток полюсов электродвигателя, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в них возникает электродвижущая сила.
Индуктируемую в якоре двигателя э. д. с. иногда называют противоэлектродвижущей силой потому, что она направлена навстречу подводимому к двигателю напряжению.
Величина э. д. с. Е двигателя прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, частоте вращения якоря n и определяется по такой же формуле, что и величина э. д. с. генератора: Е=СФn, где С — постоянный коэффициент, который учитывает число пар полюсов, число витков якоря и другие постоянные для данного электродвигателя величины.
Подводимое к электродвигателю напряжение стремится создать ток в обмотке якоря. Индуктируемая э. д. с. препятствует этому. Ток в обмотке якоря работающего электродвигателя будет определяться не подводимым напряжением, а разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря э. д. с.
Разделив эту разность на сопротивление цепи якоря Rя, мы получим ток Iя, проходящий по обмотке якоря
При увеличении механической нагрузки на валу электродвигателя частота вращения его якоря замедляется, индуктируемая э. д. с. уменьшается, увеличивается разность между подводимым напряжением и э. д. с. и, следовательно, ток якоря возрастает.
При уменьшении механической нагрузки картина будет обратной. Таким образом, ток якоря зависит как от подводимого напряжения, так и от механической нагрузки электродвигателя. Вот почему, например, при движении тепловоза на подъеме, когда уменьшаются скорость движения и частота вращения якорей тяговых электродвигателей, ток в двигателях увеличивается, а при увеличении скорости движения — уменьшается.
2. Описание назначения тягового двигателя и выражение вращающего момента электродвигателя
Тяговый электродвигатель пульсирующего тока (в дальнейшем именуемый как тяговый двигатель) предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую, передаваемую с вала двигателя на колесную пару электровоза. Индивидуальный привод каждой колесной пары электровоза имеет двустороннюю косозубую передачу. Малые шестерни смонтированы на концах вала двигателя, а большие — на оси колесной пары. Передаточное отношение равно 88:21, торцовый модуль — 11.
Механическая работа электродвигателей характеризуется вращающим моментом и частотой вращения его якоря. Силы, создающие вращающий момент электродвигателя, возникают в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока полюсов. Поэтому вращающий момент электродвигателя будет пропорционален величинам тока Iя якоря и магнитного потока Ф
Следовательно, частота вращения якоря электродвигателя пропорциональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, а также уменьшается с увеличением внутренних потерь напряжения IzRя в цепи якоря.
Чем больше напряжение, подводимое к двигателю, тем больше ток в обмотке якоря и вращающий момент. Якорь, преодолевая момент сопротивления внешней нагрузки, начинает вращаться быстрее. С увеличением же магнитного потока при прочих равных условиях увеличивается э.д.с., индуктируемая в обмотке якоря. При этом уменьшается ток в якоре, а значит, снижается вращающий момент и частота его вращения.
тяговый двигатель конструкция
3. Конструкция тягового двигателя
Рисунки продольного и поперечного разрезов тягового электродвигателя постоянного тока (рисунок 1.1. и рисунок 1.2. с обозначением на них основных узлов: остова, якоря, главного и добавочно полюсов, коллектора, щеткодержателя и др. элементов.)
Рисунок 1.1 Продольный разрез тягового двигателя
1- щит подшипниковый;
2–поворотная траверса щеткодержателей;
5 – щит подшипниковый.
В отличие от электродвигателей общего назначения тяговые способны вести свою работу во множестве режимов. Данные режимы сопровождаются изменением в частоте вращения ротора.
- ВКонтакте
- ok
- YouTube
- Яндекс.Дзен
- TikTok
Тяговый электродвигатель (рис.1) — устройство, которое способно преобразовывать поступающую электрическую энергию (переменного и постоянного тока) в механическую. Такой тип двигателей используется для приведения в движение следующих видов транспорта:
- электровоза,
- тепловоза,
- троллейбуса,
- трамвая,
- электромобиля.
Главное отличие таких силовых агрегатов от электродвигателей больших мощностей состоит в том, что им необходимы определенные условия для монтажа, а также достаточно ограниченное место для размещения. В результате этого и возникла спецификация конструкции, которой характеризуется тяговый электродвигатель.
В отличие от электродвигателей общего назначения тяговые способны вести свою работу во множестве режимов. Данные режимы сопровождаются изменением в частоте вращения ротора.
Классификация тяговых двигателей
Существуют следующие разновидности данных устройств:
- по используемому току (постоянные и переменные),
- по конструкции (линейные и вращающиеся),
- по типу (синхронные и асинхронные),
- по системе передачи усилия (индивидуальный и групповой),
- по способу питания (от контакной сети и от аккумулятора).
Зачастую эксплуатация такого устройства, как тяговый электродвигатель, может быть связана с механическими и тепловыми перегрузками, толчками и тряской. Именно поэтому его конструкция отличается повышенной прочностью узлов и деталей — как в механической, так и электрической части. Также токовые части обладают специальной влагостойкой и теплостойкой изоляцией.
Использование тяговых двигателей в электротранспорте
В связи с активным внедрением в жизнь человека экологичных машин возникла потребность в использовании такого устройства, как тяговый электродвигатель для автомобиля. Именно он является главной движущей силой в такого рода транспортных средствах. В основе его работы лежит электромагнитная индукция. Движущая сила возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока.
Чаще всего сам двигатель размещается между продольными балками спереди от батареи. В качестве конструкции передачи к ведущим колесам используется задний мост с карданной передачей. Допустимо использование цепной передачи в случае трехколесных моделей электромобилей. В такой ситуации монтаж осуществляет на подрамнике на задней оси.
Тяговый электродвигатель для автомобиля может быть как переменного, так и постоянного тока. Главная его задача состоит в передаче крутящего момента. Такой двигатель несколько отличается от классической электромеханической машины за счет своих компактных размеров и большой мощности.
Тяговый электродвигатель для электромобиля допустимо использовать в системе «мотор–колесо» (рис. 2), которая еще не нашла активного применения и чаще всего ее можно заметить только в концепт-карах. В качестве исключения можно назвать электромобиль Volage, который поступит в продажу в скором времени.
Тяговый электродвигатель постоянного тока обладает рядом преимуществ, а именно:
- компактные размеры и малый вес,
- простота эксплуатации,
- длительный срок службы,
- отсутствие вредного воздействия на окружающую среду,
- отличный КПД,
- возможность рекуперации.
Стоит заметить, что существенные недостатки попросту отсутствуют, но один из них состоит в несовершенстве источников тока, которые и не позволяют внедрить эту технологию в массовое производство. Однако технический прогресс не стоит на месте, а значит, в скором времени практически каждый крупный производитель транспортных средств наладит производство автомобилей на электрических двигателях.
Можно говорить и о такой неисправности как, распайка петушков коллектора, которая возникает в период чрезмерного перегрева машины (длительные перегрузки, нарушение вентиляции ) или как в следствии перекрытия. Данную проблему можно исправить только отремонтировав якорь.
- Тяговый электродвигатель — где он применяется?
- 1. Устройство тягового электродвигателя
- 2. Как работает тяговой электродвигатель
- 3. Неисправности тягового электродвигателя
- 1. Устройство тягового электродвигателя
- 2. Как работает тяговой электродвигатель
- 3. Неисправности тягового электродвигателя
Исходя из вышеперечисленных транспортных средств, тяговой электродвигатель является мощным силовым агрегатом. Так к чему же мы упоминали электромобили? Как оказалось, они тоже оборудуются данной силовой установкой, которая «зажила» среди конструкторов электромобилей довольно высокую популярность. Что ж, давайте познакомимся с конструкцией данного мотора, а также рассмотрим принцип его работы и возможные неисправности. Итак начнем…
1. Устройство тягового электродвигателя
Теперь обо всех деталях по порядку. Якорь тягового электродвигателя состоит из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Вал якоря, как правило, изготавливают из специальной стали с повышенным качеством. Но, как показывает практика, валы тоже «стареют» и их приходится менять. Исходя из этого, листы сердечника собирают не на валу, а непосредственно на специальной втулке. В таком случае, данная конструкция способствует выпрессовыванию вала из втулки, при этом не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Как правило, одним из основных и достаточно важных и ответственных узлов в данном двигателе является коллектор. Он является частью, которая терпит наибольшие нагрузки в электрическом отношении. В основном условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Коллекторы современных тяговых двигателей имеют в диаметре свыше 800 мм, число пластин составляет 600.
В свою очередь, конструкция щеткодержателя включает в себя корпус и кронштейн, соединённые между собой с помощью болта. Для того чтобы крепление и электрический контакт корпуса и кронштейна был более надежным и тесным, соприкасающиеся поверхности имеют рифлёную поверхность. Очень важно, чтобы щеткодержатель находился в изоляции от остова электродвигателя. Поэтому кронштейны щеткодержателей крепятся к остову или подшипниковым щитам с использованием изоляторов.
Теперь поговорим об остове. В составе тягового электродвигателя остов одновременно выполняет роль магнитопровода, так как к нему крепятся главные и дополнительные полюса. Как правило, остов должен проделывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока. Исходя из этого, его изготавливают из стали, которая обладает хорошими магнитными свойствами.
2. Как работает тяговой электродвигатель
Куда будет направлено действие этой силы (а следовательно, и направление вращения) можно определить воспользовавшись правилом левой руки. Следуя правилу, если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные силовые линии (из северного полюса магнита в южный), а пальцы разместить в сторону направления движения тока, проходящего через проводник, то отставленный в сторону большой палец покажет направление движения проводника.
Если бы его не было, то рамка, после того как она займет определенное положение, должна будет сделать остановку, так как, согласно правилу левой руки, сила взаимодействия магнитных полей рамки и магнита будет стремиться возвратить рамку в определенную позицию. В интернете существует много схем, на которых этот процесс представлен наглядно. Теперь давайте разбираться, каких неисправностей и поломок тягового электродвигателя нужно ждать и как провести разумную диагностику поломки. Читаем ниже.
3. Неисправности тягового электродвигателя
Прежде, чем детализировать примеры неисправностей тягового электродвигателя, важно сказать, что все неисправности электрических автомобилей, можно в целом разделить на поломки электрических и механических частей. Нас более всего интересует электрическая часть, поэтому говоря о неисправностях, мы должны обязательно упомянуть понижение сопротивления изоляции, механические разрушения, старение изоляции, пробои.
В следствии загрязнения и увлажнения поверхности, а также попадания в электромобиль, влаги, пыли и масла, часто происходит снижение сопротивления изоляции токопроводящих частей. Для восстановления защитных свойств изоляции нужно проделать качественную очистку поверхности изоляции, а затем вскрыть эмалью. Также нужно всегда помнить, что достаточно глубокое проникновение влаги затребует дополнительного обсушивания.
С какой стороны обойти данную проблему? Для начала эксперты советуют про диагностировать уровень интенсивности перекрытия. Как правило, в некоторых случаях можно обойтись только очисткой и промывкой коллектора и щеточного аппарата, а также заменой щеток, которые вышли уже из строя. В этом же случае возможен и продув коллекторной камеры сухим сжатым воздухом. В других, более сложных случаях, потребуется ремонт и замена всех деталей и узлов, которые вышли из строя.
Можно говорить и о такой неисправности как, распайка петушков коллектора, которая возникает в период чрезмерного перегрева машины (длительные перегрузки, нарушение вентиляции ) или как в следствии перекрытия. Данную проблему можно исправить только отремонтировав якорь.
Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.
Тяговый электродвигатель
Тяговый электродвигатель (ТЭД) — электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение транспортных средств [1] (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей, электроходов, большегрузных автомобилей с электроприводом, танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей, подъемно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.). Вращающиеся тяговые электродвигатели регулируются ГОСТ 2582-81 [2] (кроме аккумуляторных погрузочно-разгрузочных машин, электротягачей, электротележек и теплоэлектрических автотранспортных систем).
Основное отличие ТЭД от обычных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.).
Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колес автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе [2] . Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД рудничных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищенному электрооборудованию.
Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.
Развитие полупроводниковой техники открыло возможности перехода от двигателей с электромеханической коммутацией к бесколлекторным машинам с коммутацией при помощи полупроводниковых преобразователей.
Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.
Содержание
Классификация
Тяговые электродвигатели классифицируют по:
- роду тока: [2]
- (в том числе выпрямленного многофазного пульсирующего до 10 %), (в том числе выпрямленного однофазного пульсирующего более 10 %), ;
- , , ;
- опорно-осевое,
- опорно-рамное;
- от контактной сети,
- от бортового источника питания (аккумулятор, дизель-генератор, топливный элемент и др.);
- и бесколлекторные (бесконтактные, вентильные),
- вращающиеся (цилиндрические и торцевые) и линейные (цилиндрические и плоские);
- работающие в продолжительном режиме,
- работающие в кратковременном режиме (рабочий период 15-90 минут),
- работающие в повторно-кратковременном режиме (продолжительность включения 15-60 %);
- с независимой вентиляцией,
- с самовентиляцией,
- обдуваемые,
- с естественным охлаждением.
Эксплуатационные свойства
Эксплуатационные свойства тяговых двигателей могут быть универсальными, то есть присущими всем видам ЭПС, и частными, то есть присущими ЭПС определенных видов. Некоторые эксплуатационные свойства могут быть взаимопротиворечивыми.
Пример частных свойств: высокая перегрузочная способность двигателей, необходимая для получения высоких пусковых ускорений пригородных электропоездов и поездов метрополитена; возможность продолжительной реализации наибольшей возможной силы тяги для грузовых электровозов; низкая регулируемость ТЭД пригородных поездов и поездов метрополитена в сравнении с ТЭД электровозов.
Устройство ТЭД
Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт).
В конце XIX века было создано несколько моделей безредукторных ТЭД, когда якорь насаживается непосредственно на ось колёсной пары. Однако даже полное подрессоривание двигателя относительно оси не избавляло конструкцию от недостатков, приводящих к невозможности развить приемлемую мощность двигателя. Проблема была решена установкой понижающего редуктора, что дало возможность значительно увеличить мощность и развить достаточную для массового применения ТЭД на транспортных средствах силу тяги.
Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в реверсивном режиме (обратное вращение вала), а также в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).
Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей. С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами. Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.
Материалы, применяемые в электрических машинах, при нормальных и аварийных режимах работы должны соответствовать ГОСТ 12.1.044 [2] .
Значение сопротивления изоляции обмоток устанавливают в соответствующей нормативно-технической документации или в рабочих чертежах. Для городского электротранспорта после испытаний на влагостойкость сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм [2] .
Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации [2] .
Характеристики
Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:
- Электромеханические (типовые)
- зависимости от тока якоря
- частоты вращения
- вращающего момента
- КПД
- зависимости от тока якоря
- окружной скорости движущих колёс ПС
- силы тяги
- КПД на ободе движущих колёс ПС
Остов
В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса — основной несущей и защитной части машины.
Остовы четырехполюсных двигателей чаще имеют поперечное сечение магнитного ярма и выполняются гранеными. Это обеспечивает использование габаритного пространства до 91-94 %. Обработка такого остова сложна, а масса превышает массу цилиндрического остова. Технология изготовления цилиндрических остовов проще, а точность изготовления более высока. Однако использование габаритного пространства при цилиндрической форме остова не превышает 80-83 %. На остове крепят главные и добавочные полюса, подшипниковые щиты, моторно-осевые подшипники (при опорно-осевом подвешивании двигателя). Для двигателей большой мощности все чаще применяют остовы цилиндрической формы.
Длина двигателя по наружным поверхностям подшипниковых щитов при ширине колеи 1520 мм равна 1020—1085 мм в случае двусторонней передачи и 1135—1185 мм в случае односторонней.
Различают четырехполюсные двигатели с вертикально-горизонтальным и диагональным расположением главных полюсов. В первом случае обеспечивается наиболее полное использование пространства (до 91—94 %), но масса остова больше, во втором это пространство используется несколько хуже (до 83—87 %), но заметно меньше масса. Остовы цилиндрической формы при низком использовании габаритного пространства (до 79 %), но при равных условиях имеют минимальную массу. Цилиндрическая форма остова и диагональное расположение полюсов обеспечивают почти одинаковую высоту главных и добавочных полюсов.
У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован — набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплен комплект статора.
Остовы ТЭД обычно изготавливают литыми из низкоуглеродистой стали 25Л. Только для двигателей подвижного состава электротранспорта с использованием реостатного торможения как рабочего применяют сталь с большим содержанием углерода, обладающего большей коэрцитивной силой. На двигателях НБ-507 (электровоз ВЛ84) применены сварные остовы. Материал остова должен обладать высокими магнитными свойствами, зависящими от качества стали и отжига, иметь хорошую внутреннюю структуру после литья: без раковин, трещин, окалины и других дефектов. Предъявляют также высокие требования к качеству формовки при отливке остова.
За пределами магнитного ярма конфигурация остова может сильно отличаться от конфигурации магнитного ярма из-за устройств подвешивания, вентиляции и др. По соображениям технологии толщина стенок отливки остова должна быть не менее 15-18 мм.
От типа привода зависят устройства на остовах для подвешивания двигателя к раме тележки. Предусматриваются также предохранительные кронштейны для предотвращения выхода двигателя за пределы габарита и падения на путь при разрушении подвески. Для подъема и переноски остова или собранного тягового двигателя в верхней части остова предусмотрены проушины.
В торцовых стенках остова имеются отверстия со стороны, противоположной коллектору,— для выхода охлаждающего воздуха, со стороны коллектора — для крепления щеткодержателей. Охлаждающий воздух в остов подается через специальные отверстия чаще всего со стороны коллектора, а иногда с противоположной стороны.
Для осмотра щеток и коллектора в остове со стороны коллектора предусматривают два коллекторных люка, закрываемых крышками. Крышки люков у большинства тяговых двигателей выгнуты по дуге, что позволяет увеличить объем надколлекторного пространства. Крышки штампуют из стали Ст2 или отливают из легких сплавов. Крышки верхних коллекторных люков имеют уплотняющие войлочные прокладки, предотвращающие попадание в двигатель влаги, пыли и снега, и укреплены на остове специальными пружинными замками, а крышки нижних люков — специальными болтами с цилиндрическими пружинами.
Для исключения попадания влаги в двигатель (особенно в ТЭД с самоветиляцией) тщательно уплотняют крышки коллекторных люков, выводы проводов и т. п.. Головки полюсных болтов, где это предусмотрено, заливают кабельной массой.
Якорь
Роторы и якори ТЭД должны быть динамически отбалансированы без шпонок на валу. Допускаемые дисбалансы и значения остаточных дисбалансов роторов двигателей массой свыше 1000 кг должны устанавливаться в соответствующей нормативно-технической документации [2] .
Коллектор
Коллектор ТЭД — одна из его наиболее загруженных частей. В ТЭД с карданными валами диаметры коллекторов достигают 800—900 мм при числе коллекторных пластин K=550..600, окружных скоростях 60-65 м/с и коммутационных частотах до
\leqq 120 \div 140″ width=»» height=»» /> МПа, в стяжных болтах напряжения растяжения
\leqq 60 \div 65″ width=»» height=»» /> МПа.
Предельное исполнение ТЭД вынуждает предъявлять к материалам в коллекторах повышенные требования:
- Холоднокатная электротехническая медь — твердость 75-85 HB, предел прочности 280 МПа, предел текучести 250 МПа на растяжение и 320 МПа на изгиб. с присадками кадмия и серебра — твердость до 95-100 HB, предел прочности более 350 МПа.
Изоляцию между пластинами изготавливают из коллекторного миканита КФ1 с малым содержанием клеящих веществ с усадкой при давлении более 60 МПа до 7 %. Отклонения по толщине прокладок между пластинами не должны превышать 0,05 мм, иначе нарушатся основные размеры двигателя.
Миканитовые конусы (манжеты) и цилиндры коллекторов изготовляют из формовочного миканита ФФ24 или ФМ2А, слюдинита или слюдопласта электрической прочностью до 30 кВ/мм.
Подшипниковые щиты
Деформация подшипниковых щитов ТЭД не должна вызывать недопускаемого уменьшения зазоров в якорных и моторно-осевых подшипниках и нарушений их нормальной работы [2] .
Линейные тяговые двигатели
При скоростях движения более 300—384 км/ч сильно снижается коэффициент сцепления колес с рельсами, а следовательно реализовать необходимую силу тяги через контакт колесо-рельс становится затруднительным. Для решения этой проблемы для высокоскоростного наземного транспорта применяют линейные тяговые двигатели.
Частота вращения
Для расчета прочности элементов двигателя установлена испытательная частота вращения
- для двигателей, включенных постоянно параллельно — nисп = 1,25·nmax
- для двигателей, включенных постоянно последовательно — nисп = 1,35·nmax
8 \div 2<,>0 » width=»» height=»» />, для тепловозов —
, ток
, частота вращения
, КПД
;
- в часовом режиме — мощность
» width=»» height=»» />, частота вращения
» width=»» height=»» />.
Для электровозов расчетным является продолжительный режим, а для электропоездов — часовой. Однако номинальными режимами для электровозов и электропоездов являются продолжительный и часовой, а для тепловозов — продолжительный и иногда часовой. Для всех остальных — кратковременный или повторно-кратковременный [2] .
Номинальные ток, напряжение, частоту вращения и др. характеристики при необходимости корректируют после определения типовых характеристик [2] .
Вентиляция ТЭД
Вентиляция
На электровозах применяется интенсивная независимая вентиляция. Для нагнетания воздуха используется специальный мотор-вентилятор, установленный в кузове локомотива. Предельные допускаемые превышения температур для данного типа вентиляции не должны превышать указанных в таблице [2] .
Класс нагревостойкости изоляции Режим работы Части электрической машины Метод измерения температуры Предельное допускаемое превышение температуры, °C, не более A Продолжительный и повторно-кратковременный Обмотки якоря и возбуждения Метод сопротивления 85 Коллектор Метод термометра 95 Часовой, кратковременный Обмотки якоря и возбуждения Метод сопротивления 100 Коллектор Метод термометра 95 E Продолжительный, повторно-кратковременный, часовой, кратковременный Обмотки якоря Метод сопротивления 105 Обмотки возбуждения 115 Коллектор Метод термометра 95 B Обмотки якоря Метод сопротивления 120 Обмотки возбуждения 130 Коллектор Метод термометра 95 F Обмотки якоря Метод сопротивления 140 Обмотки возбуждения 155 Коллектор Метод термометра 95 H Обмотки якоря Метод сопротивления 160 Обмотки возбуждения 180 Коллектор Метод термометра 105 На электропоездах из-за отсутствия места в кузове применяют систему самовентиляции ТЭД. Охлаждение в таком случае осуществляется вентилятором установленном на якоре тягового двигателя.
Соотношение между токами или мощностями номинальных режимов одного и того же двигателя зависит от интенсивности его охлаждения и называется коэффициентом вентиляции
< 1″ width=»» height=»» />, при чём чем ближе к 1, тем интенсивнее вентиляция.
Предельная допускаемая температура подшипников электрических машин должна соответствовать ГОСТ 183 [2] .
Очистка воздуха
Для вентиляционных систем электроподвижного состава обеспечение чистоты охлаждающего воздуха имеет важное значение. Воздух, поступающий в вентиляционную систему двигателей, содержит пыль, а также металлические частицы, образующиеся при истирании тормозных колодок. Зимой также может захватываться 20—25 г/m³ снега. Полностью избавиться от этих загрязнений невозможно. Сильное загрязнение проводящими частицами приводит к повышенному износу щеток и коллектора (из-за повышенного нажатия щеток). Ухудшается состояние изоляции и условия ее охлаждения.
Для электровозов наиболее приемлемы жалюзийные инерционные воздухоочистители с фронтальным подводом воздушного потока к плоскости решетки, с горизонтальным (малоэффективна, устанавливалась на ВЛ22м, ВЛ8, ВЛ60к) или вертикальным расположением рабочих элементов. Наибольшей эффективностью по задержанию капельной влаги обладает вертикальная лабиринтная решетка с гидравлическим затвором. Общим недостатком жалюзийных воздухоочистителей является низкая эффективность очистки воздуха.
В последнее время получают распространение воздухоочистители, обеспечивающие аэродинамическую (ротационную) очистку охлаждающего воздуха (устанавливались на ВЛ80р, ВЛ85).
Коэффициент полезного действия для тяговых двигателей пульсирующего тока определяется отдельно на постоянном токе
и на пульсирующем
.
где
— номинальная (на валу) мощность двигателя,
— подведенная мощность двигателя,
— напряжение на зажимах двигателя,
— номинальный ток.
где — пульсационные потери.
Для ТЭД постоянного тока достаточно только КПД на постоянном токе.
Типовые характеристики
В качестве типовых характеристик принимают [2] :
- усредненные характеристики, которые изготовитель должен представить после испытания первых 10 машин установочной серии,
- типовые характеристики электрических машин, одна или несколько серий которых были ранее изготовлены.
Для получения типовой характеристики КПД и типовых характеристик тяговых двигателей городского транспорта должны быть испытаны первые 4 машины первой партии [2] .
Конструктивная и эксплуатационная перегрузка
Предельные значения тока и мощности определяются коэффициентом конструктивной перегрузки
\geqslant 2 » width=»» height=»» />
где Imax и Pmax — максимальные ток [3] и напряжение соответственно;
Inom и Pnom — номинальные ток и напряжение соответственно.
Для условий эксплуатации принимают коэффициент эксплуатационной перегрузки
- Локомотивы (электровозы, тепловозы с электропередачей); и высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ); и другие машины на гусеничном ходу; и большегрузные автомобили с электроприводом (в том числе подъемно-транспортные машины и самоходные краны); с электроприводом (дизель-электроходы), атомоходы, подводные лодки;
- Городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы; самолёты и вертолёты; .
В случае использования электрической передачи на теплоходах, тепловозах, тяжёлых грузовиках и гусеничных машинах дизель вращает генератор питающий ТЭД, приводящий в движение гребные винты или колёса напрямую, либо посредством механической передачи.
На тяжёлых грузовиках ТЭД может встраиваться в само колесо. Такая конструкция получила название мотор-колесо. Попытки применения мотор-колёс предпринимались также на автобусах, трамваях и даже легковых автомобилях.
Заводы
Заводы-изготовители
- — производство тяговых электродвигателей и электродвигателей гидронасоса для электропогрузчиков и электротележек российского и болгарского производства сайт завода в Санкт-Петербурге — ТЭД для локомотивов
- Псковский электромашиностроительный завод — ТЭД для городского электротранспорта — ТЭД для локомотивов
- Завод «Сибэлектропривод» в Новосибирске — ТЭД для большегрузных самосвалов, электропоездов, тракторов, морских судов
- Завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны — ТЭД для большегрузных самосвалов «БелАЗ», электропоездов, городского транспорта
- ОАО «Карпинский электромашиностроительный завод» в г. Карпинск — тяговые электродвигатели постоянного тока карьерных и шагающих экскаваторов, тяговый электродвигатель постоянного тока ДПТ 810 магистрального электровоза 2ЭС6, имеются разработки по ТЭД постоянного тока тепловозов
- «Электротяжмаш» в Харькове — ТЭД для локомотивов
- «Смелянский электромеханический завод» (г. Смела Черкасской обл) — ТЭД для локомотивов
- — ТЭД для электропоездов
- зависимости от тока якоря
- EMIT S.A — ТЭД для электропоездов и городского электротранспорта
- 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
- — ТЭД для локомотивов
Ремонтные заводы
Технические характеристики некоторых ТЭД
Данные представлены для общего ознакомления и сравнения ТЭД. Подробные характеристики, размеры и особенности конструкции и эксплуатации можно найти в рекомендуемой литературе и других источниках.
ТЭД | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Тип двигателя | Мощность, кВт | Напряжение номинальное (максимальное), В | Частота вращения номинальная(максимальная), об/мин | КПД, % | Масса, кг | Длина двигателя, мм | Диаметр (ширина/высота) двигателя, мм | Способ подвешивания | Подвижной состав |
Тяговые двигатели тепловозов | |||||||||
ЭД-104 | 307 | — | — | — | 2850 | — | — | Опорно-осевое | ТЭ10, 2ТЭ10 |
ЭД-120А | 411 | 512 (750) | 657 (2320) | 91,1 | 3000 | — | — | Опорно-рамное | — |
ЭД-121 | 411 | 515 (750) | 645 (2320) | 91,1 | 2950 | 1268 | 825/825 | Опорно-рамное | ТЭМ12, ТЭП80 |
ЭД-120 | 230 | 381 (700) | 3050 | 87,5 | 1700 | — | — | Опорно-рамное | — |
ЭД-108 | 305 | 476 (635) | 610 (1870) | — | 3550 | — | — | Опорно-рамное | ТЭП60, 2ТЭП60 |
ЭД-108А | 305 | 475 (635) | 610 (1870) | 91,7 | 3350 | 1268 | -/1525 | Опорно-рамное | — |
ЭД-125 | 410 | 536 (750) | 650 (2350) | 91,1 | 3250 | — | — | Опорно-осевое | — |
ЭД-118 | 305 | 463 (700) | 585 (2500) | 91,6 | 3100 | 1268 | 827/825 | Опорно-осевое | ТЭ114 |
ЭДТ-200Б | 206 | 275 (410) | 550 (2200) | — | 3300 | — | — | Опорно-осевое | ТЭ3, ТЭ7 |
ЭД-107Т | 86 | 195 (260) | 236 (2240) | — | 3100 | — | — | Опорно-осевое | ТЭМ4 |
ЭД-121A | 412 | 780 | (2320) | — | 2950 | — | — | — | — |
ЭД-135Т | 137 | 530 | (2700) | — | 1700 | — | — | — | Тепловозы узкой колеи |
ЭД-150 | 437 | 780 | (2320) | — | 2700 | — | — | — | ТЭП150 |
Тяговые двигатели электровозов (магистральные и карьерные) по ГОСТ 2582—81 [2] | |||||||||
ТЛ2К1 | 670 | 1500 | 790 | 93,4 | 5000 | — | — | Опорно-осевое | ВЛ10У, ВЛ11 постоянного тока |
НБ-418К6 | 790 | 950 | 890 (2040) | 94,5 | 4350 | — | 1045 | Опорно-осевое | ВЛ80Р, ВЛ80Т, ВЛ80К, ВЛ80С переменного тока |
НБ-514 | 835 | 980 | 905 (2040) | 94,1 | 4282 | — | 1045 | Опорно-осевое | ВЛ85 переменного тока |
ДТ9Н | 465 | 1500 | 670 | 92,6 | 4600 | — | — | Опорно-осевое | Агрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного тока |
НБ-511 | 460 | 1500 | 670 | 93 | 4600 | — | — | Опорно-осевое | Агрегаты тяговые ПЭ2М, ОПЭ1Б постоянного и переменного тока |
НБ-507 | 930 | 1000 | 670 (1570) | 94,7 | 4700 | — | — | Опорно-рамное | ВЛ81 и ВЛ85 переменного тока |
НБ-412П | 575 | 1100 | 570 | — | 4950 | — | 1105 | Опорно-осевое | Агрегат тяговый ОПЭ1 |
НБ-520 | 800 | 1000 | 1030(1050) | — | — | — | — | Опорно-рамное | ЭП1 переменного тока |
НТВ-1000 | 1000 | 1130 | 1850 | 94,8 | 2300 | 1130 | 710/780 | Опорно-рамное | ЭП200 |
НБ-420А | 700 | — | 890/925 | — | 4500 | — | — | Опорно-рамное | ВЛ82 |
НБ-407Б | 755 | 1500 | 745/750 | — | 4500 | — | — | Опорно-осевое | ВЛ82м |
Тяговые двигатели городского транспорта | |||||||||
ДК117М/А | 112/110 | 375/750 | 1480 (3600) | — | 760/740 | 912 | 607/603 | — | Метро-вагон «И»/81-714, 81-717 |
УРТ-110А | 200 | — | 1315 (2080) | — | 2150 | — | — | — | Метро-вагон «Яуза» (также используется на электропоездах ЭР2) |
ДК210А3/Б3 | 110 | 550 | 1500 (3900) | — | 680 | 997 | 528 | — | Троллейбусы ЗиУ-682В/ЗиУ-У682В |
ДК211А/Б | 150 | 550 | 1750/1860 (3900) | — | 900 | 1000 | 590 | — | Троллейбусы ЗиУ-684/ЗиУ-682В1 |
ДК211АМ/А1М | 170/185 | 550/600 | 1520/1650 (3900) | 91,1 | 900 | 1000 | 590 | — | Троллейбусы ЗиУ-684 |
ДК211БМ/Б1М | 170/185 | 550/600 | 1700/1740 (3900) | 91 | 880 | 1000 | 590 | — | Троллейбусы ЗиУ-682В1, ЗиУ-683В, ЗиУ-6205 и ЗиУ-52642 |
ДК213 | 115 | 550 | 1460 (3900) | 91 | 680 | 1000 | 535 | — | Троллейбусы ЗиУ-682Г-012, ЗиУ-682Г-016, АКСМ-101 |
ДК259Г3 | 45 | 275/550 | 1200 (4060) | — | 450 | — | — | — | Трамвай 71-605 или ЛМ-68М |
ДК261А/Б | 60 | 275/550 | 1650/1500 (4060) | — | 465 | — | 485 (570) | — | Трамвай 71-267/ЛВС-80 |
ЭД-137А | 65 | 275 | (4100) | — | 350 | — | — | — | Трамваи с ТИСУ |
ЭД-138А | 132 | 550 | (3900) | — | 750 | — | — | — | Троллейбусы с РК |
ЭД-139 | 140 | 550 | (3900) | — | 750 | — | — | — | Троллейбусы с ТИСУ |
Тяговые двигатели самоходных кранов и электропоездов | |||||||||
ДК309А | 43 | 190 | 1060 (3100) | — | 450 | — | — | — | Дизель-электрический самоходный кран КС-5363 (привод передвижения) |
ДК309Б | 50 | 220 | 1500 (3100) | — | 450 | 837 | 485 | — | Дизель-электрический самоходный кран КС-5363 (привод лебедок) |
РТ-51М | 180 | 825 | 1200 (2080) | — | 2000 | — | — | — | Электропоезд ЭР9М |
IДТ.8.1 | 210 | 825 | 1410 (2150) | — | 2050 | — | — | — | Электропоезд ЭР31 |
IДТ.001 | 215 | 750 | 1840 (2630) | — | 1450 | — | — | — | Электропоезд ЭР200 |
IДТ.003.4 | 225 | 750 | 1290 (2240) | — | 2300 | — | — | — | Электропоезд ЭР2Р |
Тяговые двигатели аккумуляторных подъемно-транспортных машин и электромобилей по ГОСТ 12049—75 [4] | |||||||||
3ДТ.31 | 1,4 | 24 | 2350 (4000) | — | 27 | 262 | 176 | — | ЭП-0806, ЭТ-1240 |
3ДТ.52 | 2,3 | 24 | 2650 (4500) | — | 45 | — | — | — | ЭШ-186, ЭШ-188М |
ДК-908А | 2,5 | 30 | 1600 (2500) | — | 100 | 442 | 313 | — | ЭП-02/04 |
РТ-13Б | 3 | 40 | 1550 (2500) | — | 120 | 447 | 313/381 | — | ЭП-103, ЭП-103К |
4ДТ.002 | 10 | 80 | 3200 (5000) | — | 75 | — | — | — | Электромобиль РАФ-2910 |
3ДТ.84 | 21 | 110 | 3600 (5500) | — | 125 | — | — | — | Электромобили РАФ-2210, ЕрАЗ-3734 |
ЭД-142 | 12 | 84 | (4060) | — | 55 | — | — | — | Электромобиль на базе ЗАЗ-1102 «Таврия» |
ДК-907 | 1,35 | 30 | 1730 (2500) | — | 46 | 378 | 226 | — | ЭП-02/04 (привод гидронасоса) |
3ДН.71 | 6 | 40 | 1350 (2500) | — | 110 | 400 | 296 | — | ЭП-501 (привод гидронасоса) |
Тип двигателя | Мощность, кВт | Напряжение номинальное (максимальное), В | Частота вращения номинальная(максимальная), об/мин | КПД, % | Масса, кг | Длина двигателя, мм | Диаметр (ширина/высота) двигателя, мм | Способ подвешивания | Подвижной состав |
Примечание: мощность на валу и частота вращения могут незначительно изменяться в зависимости от внешних условий.
Тяговый электродвигатель
Тяговый электродвигатель — электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую для привода в движение колёсных пар вагонов. Тяговые двигатели используют также для торможения поезда, переводя их в генераторный режим. При этом механическая энергия движущегося поезда преобразуется в электрическую.
Содержание
Общие сведения
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
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
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:
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
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
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
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 | А | Г | В2 | В3 | В1 | Д | Е | Е | Еж | И | Еж3 | 81-717/714 | 81-717.5/714.5 | 81-720/721 | ||
Год начала производства | 1935 | 1940 | 1930 | 1930 | 1948 | 1949 | 1959 | 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: