Особенности работы и конструкции асинхронного двигателя. Тяговые электрические машины. Учебное пособие

Вентильные тяговые двигатели. Попытки использовать бесколлекторные двигатели переменного тока в электрической тяге делались еще в 30-х годах. Однако практическая возможность их применения появилась лишь после освоения промышленностью серийного выпуска силовых тиристоров и диодов, а также полупроводниковых элементов, позволяющих рационально выполнять системы управления и регулирования частоты питающего напряжения.

Вентильный тяговый двигатель по конструкции является синхронной машиной, у которой обмотка якоря расположена на статоре, а обмотка возбуждения - на роторе. Статор вентильного

двигателя (рис. 105) состоит из литого остова 7 и шихтованного из электротехнической стали Э1300 сердечника. Остов служит корпусом двигателя и внешне не отличается от остовов тяговых двигателей пульсирующего тока, а сердечник является магнитопроводом.

Сердечник 9 запрессован в остов между массивными кольцевыми боковинами 13. По наружному диаметру он стянут планками 8, приваренными к остову и к боковинам. От проворачивания сердечник удерживается шпонкой и шестью штифтами, вставленными в отверстия остова и иакладок. Для снижения потоков рассеяния и потерь между боковинами и пакетом установлены немагнитные изоляционные листы 12.

На наружной поверхности сердечника в 12 точках установлены датчики управления двигателем по положению магнитного потока. Каждый датчик имеет одну заданную и две считывающие одновит-ковые обмотки из провода ПСД диаметром 1,16 мм. Общий кабель от них выходит в коробку выводов, в которой через штепсельный разъем он соединен с устройством управления электровозом.

Пазы сердечника по его длине имеют скос на одно пазовое деление В них расположена двухслойная волновая обмотка. Корпусная изоляция ее катушек выполнена шестью слоями стеклослюди-нитовой ленты Л2С25КС 0,09 X 20 мм, наложенной вполуперекрышу. В пазах обмотка закреплена стеклопластовыми клиньями. Вывод статорной обмоткн до коробки выводов выполнен двойной шиной.

Роторы вентильных двигателей имеют различные конструктивные исполнения. На электровозе ВЛ80в-216 были установлены шестиполюсные вентильные двигатели с явнополюсным ротором.

Такое исполнение ротора технологически проще, однако в тепловом и механическом отношении материалы ротора и изоляции полюсных катушек оказались перегруженными. Связано это с тем, что м.д.с. возбуждения для вентильного двигателя с учетом реакции якоря и углов коммутации превышают м.д.с. холостого хода примерно в 1,8 раза, в то время, как в машине постоянного тока -

всего лишь в 1,2 раза Кроме того, из-за полюсных распорок ухудшался отвод тепла от катушек возбуждения.

Поскольку частоты вращения будут, по-видимому, возрастать по мере совершенствования подшипникового узла и редуктора, увеличится и теплонапряжен-ность в результате стремления вписать большую мощность в заданные габариты. Поэтому единственно возможной оказалась конструкция ротора с неявно выраженными полюсами.

В отличие от обычных синхронных машин у вентильного двигателя должна быть надежная демпферная обмотка со стержнями достаточного сечения для снижения сверхпереходного реактивного сопротивления двигателя. Стержни 15 демпферной обмотки медные, расположены равномерно по всей окружности ротора. Как показывают расчеты, такая конструкция демпферной обмотки позволяет получить сравнительно невысокие сверхпереходные индуктивные сопротивления якорной обмотки при допустимых потерях в стержнях, обусловленных процессом коммутации.

Для неявно выраженных полюсов ротора систему демпферных стержней можно расположить либо в верхней части пазов в виде крепящего обмотку возбуждения металлического клина, либо в отверстии зубцов. Первый способ технологически неудобен из-за трудности сваривания концов стержней (клиньев) на соединительных кольцах. Вторая конструкция демпферной клетки предпочтительнее, так как стержни могут быть приварены прямо к медному крайнему листу, специально выштампованному для этой цели. Преимущество такой конструкции еще и в том, что демпферная клетка может быть изготовлена на роторе до укладки обмотки возбуждения. Такую конструкцию ротора имеют вентильные восьмиполюсные двигатели НБ-601 электровоза ВЛ80в-661

Асинхронные тяговые двигатели. Максимальный вращающий момент двигателя

Мтах « С1Аи\/(2хг),

где См - постоянный коэффициент двигателя; и, - напряжение сети, х - индуктивное сопротивление.

Рис. 105. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы тягового двигателя НБ-601 электровоза

/ - вал, 2 - роликовый подшипник, 3 - втулка якоря, 4 - подшипниковый щит; 5 - кольца; 6 - щеткодержатель; 7 - остов; 8-планки, 9- сердечник остова; 10- обмотка статора, // - сердечник ротора; 12-немагнитные прокладки (листы), 13-боковина сердечника статора, 14-букса, 15-

стержни демпферной обмотки

Асинхронный двигатель чувствителен к понижению напряжения. Например, при понижении напряжения на 10 % вращающий момент уменьшается на 19 %. В отличие от асинхронного двигателя промышленного исполнения тяговый асинхронный двигатель имеет ряд особенностей, вытекающих из условий его работы на локомотиве (питание от преобразователя частоты и фаз, вписывание значительной мощности в заданные, весьма сжатые габариты, обусловленные размерами ходовой части локомотива). На всех тяговых коллекторных двигателях электровозов с осевой вентиляцией 30 % воздуха проходит через воздушный зазор, осуществляя интенсивный отвод тепла с поверхностей якорей и полюсов.

У асинхронного тягового двигателя, чтобы уменьшить намагничивающий ток и повысить cos ф, стремятся воздушный зазор между статором и ротором выполнить по возможности минимальным по конструктивным и производственным условиям. В связи с этим у асинхронных двигателей при аксиальной независимой вентиляции не удается охладить поверхности ротора и статора, обращенные к воздушному зазору. Чтобы пропустить между статором и ротором больше охлаждающего воздуха, у тягового асинхронного двигателя используются надпазовые каналы (рис. 106, о),

через которые проходит около 30 % всего охлаждающего воздуха

Высота надпазового канала составляет (1,0 -г- 1,5) 6 пс, где Ь пс - ширина паза статора. В вентильном двигателе надпазовые каналы в статоре неприемлемы, так как они примерно на 40 % повышают индуктивное сопротивление рассеяния статора, что приводит к уменьшению вращающего момента. В асинхронном же двигателе увеличение индуктивного Сопротивления рассеяния обмотки статора не столь вредно, так как коммутация осуществляется принудительно.

В многополюсной машине активные материалы используются более эффективно, асинхронный двигатель работает с меньшими потерями, к.п.д его выше На параметры двигателя и электровоза в целом также влияют максимальное

f max И номинальное / ном Значения ЧЭСТО-

ты тока обмотки статора. Частота fmax =

Р" max/(60 + f 2), Где f2 = /CK -

частота тока ротора или скольжения, составляющая обычно 1-2 % от /тах, с достаточной точностью / тах = рп гаах/59.

Номинальная частота fH0M= pnmaJ (59к„), где kv - соотношение скоростей, обычно равный 2. Теоретически оптимальная частота fom = 100-г 150 Гц, а пределы регулирования частоты преобразователя от 1-2 до 200- 300 Гц. Однако существуют ограничения, связанные с применением подшипни-

Рис. 106 Расположение надпазовых каналов у тягового асинхронного двигателя (а) и кривые

/ - сердечник ротора, 2- обмотка ротора, 3-каиал, 4- надпазовый канал, 5 - обмотка статора,

6 - статор, 7 - текстолитовый клин

Таблица 4

Показатели Основные параметры часового режима тягового двигателя

Серия электровоза
Мощность на входе двигателя, кВт
Напряжение линейное, В
Ток фазный /фі, А
Коэффициент мощности
Частота тока, Гц
Наибольшая частота вращения.
Момент вращения на валу двигате-
Сила тяги на ободе колеса, кН
Скорость движения электровоза, км/ч
Класс изоляции
Число фаз
Число полюсов статора
Воздушный зазор, мм
Масса двигателя без зубчатой пере-
Расход охлаждающего воздуха,
*" Частота тока статора при продолжительном		режиме. *2 В	режиме я», = 890 об/мин *3 Мощ-

ность продолжительного режима Рм = 500 кВт *4 Масса меди двигателя 230 кг (623 кг у НБ-418К6); удельная масса двигателя 4,28 кг/кВт, удельная масса меди 0,255 кг/кВт, удельная масса стали 1,62 кг/кВт (0,74 у НБ-418К6) Число пазов ротора її = 80, а длина 455 мм; число пазов статора 1\ = 108, длина 465 мм. *5 Без редуктора

ков, для которых максимальная частота вращения п шах составляет 3000-4000 об/мин, и невозможностью выполнения тягового редуктора с большим передаточным отношением. Отечественные подшипники серийных тяговых двигателей при приемлемой долговечности обеспечивают яшах = 2150 об/мин. При передаточном отношении і = 4,4 и диаметре среднеиз-ношенного бандажа £> ср = 1200 мм это соответствует максимальной скорости движения электровоза ПО км/ч. На серийных электровозах с опорно-осевым подвешиванием тяговых двигателей "шах = 5,353. При V = 120 км/ч и £>ср = = 1200 мм получим п тах = 2800 об/мин, но промышленность не выпускает подшипники на такую частоту вращения.

От числа полюсов асинхронного тягового двигателя зависят и потери в преобразователе. Для снижения их коэффициент соотношения скоростей ки должен быть принят равным 2,5

В основном создание асинхронного привода большой мощности зависит в значительной степени от успехов в ряде областей электроники, машиностроения, развития технологии и др.

С 1982 г. ВЭлНИИ приступил к новому этапу создания электровозов с асинхронными двигателями. Согласно требованиям МПС это 12-осные электровозы (серия ВЛ86*). Для них разработаны и построены двигатели НБ-607 (рис. 107, а и б); их привод унифицирован с приводом электровозов ВЛ80Р и ВЛ80С. Статор 2 и сердечник 3 ротора выполнены шихтованными. Пакет статора запрессован в литой остов /. Обмотка статора 4 петлевая, трехфазная, шес-типолюсная, закреплена в пазовой части магнитными клиньями. Обмотка ротора медная, стержни соединены медными кольцами и закреплены на пазовой части магнитными клиньями, а на лобовой стеклобандажами. На валу ротора смонтирован датчик частоты вращения.

Основные технические данные некоторых бесколлекторных тяговых двигателей. В табл. 4 приведены основные параметры тяговых двигателей НБ-601 и НБ-607 электровозов ВЛ80 в и ВЛ86 ф и для сравнения двигателей OD64604 фирмы ВВС электровоза Е120 (ФРГ) двигателей BAZ10577/6 фирмы AEG электровоза 182001.

Основные технические данные двигателя.

Мощность часового режима – 170кВт, частота вращения часового режима – 1290 об/мин, номинальное напряжения питания – 530 В, номинальная частота – 43 Гц, масса – 805 кг.

3-х фазный двигатель, самовентилируемый с короткозамкнутым ротором. Тяговые двигатели, установлены на вагонах 81-740/741, с опорой только на раму тележки, что снижает ударные нагрузки на двигатель при прохождении неровностей и стыков ходовых.

Двигатели могут работать как электродвигателями так и генераторами. В первом случае электрическая энергия, потребляемая от контактной сети (3-ий рельс), преобразуется в механическую, развивая при этом вращающий момент на валу двигателя.

Во втором случае двигатель преобразует, приведенную к валу механическую энергию от вращения колесных пар в электрическую, которая может быть вновь возвращена в контактную сеть (рекуперативное торможение) или гасится на тормозном реостате (сопротивление), при реостатном электрическом торможении.

Асинхронная электрическая машина характеризуется тем, что при ее работе возбуждается вращающее магнитное поле, которое вращается асинхронно относительно скорости вращения ротора.

Устройство тягового двигателя.

Тяговый двигатель состоит из: статора, ротора, двух подшипниковых щитов, вентилятора.

Статор (неподвижная часть) – предназначен для укладки в него обмотки. Имеет форму полого цилиндра, собранного из пластин электротехнической стали, толщиной 0,5мм, изолированных друг от друга слоем лака, что обеспечивает уменьшение потерь от вихревых токов.

Фазные обмотки, которые возбуждают вращающее магнитное поле, размещаются в пазах на внутренней стороне сердечника статора. Обмотка статора подсоединяется к 3-х фазному источнику переменного тока – инвертору.

1,2 отверстия крепления подшипникового щита

3. вылет обмотки

4. отверстие центровки подшипникового щита; 5. обмотка

Ротор (вращающаяся часть) – короткозамкнутый.

Собирается также из штампованных пластин электротехнической стали, определенной конфигурации, в результате чего на внутренней стороне сердечника ротора образуются пазы. В пазы ротора вставляют обмотку, которая изготовляется в виде цилиндрической(беличьей) клетки из медных или алюминиевых стержней. Стержни вставляются без изоляции. Концы стержней замыкают накоротко кольцами, которые изготавливают из того же материала. Обмотка ротора не соединяется с сетью и с обмоткой статора. Ротор насажен на вал тягового двигателя. Вентилятор устанавливается на конце вала ротора со стороны привода. Вал т/д изготавливается из высоколегированной стали. Имеет несколько шеек различной длинны и диаметра для посадки на них подшипниковых щитов, ротора, вентилятора.

1- вентилятор; 2 и 5 – вал; 3 - беличья клетка; корпус статора.

Подшипниковые щиты

Подшипниковые щиты устанавливаются в статор с двух сторон. Подшипники щитов опираются на вал тягового двигателя.

Конструкция асинхронного тягового двигателя

В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек - фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали. На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины. В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой. Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.

Короткозамкнутый ротор

ПРИНЦИП ОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МАШИНЫ.

На статоре трехфазного двигателя расположены 3 обмотки (фазы), которые смещены в пространстве по отношению друг к другу на 120 эл. градусов. Токи, подаваемые в фазные обмотки, отодвинуты друг от друга во времени на 1/3 периода.

Токи в трехфазной обмотке

Образование вращающегося магнитного поля.

Асинхронные двигатели широко применяются в промышленности. Эти двигатели состоят из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора. В асинхронном двигателе переменный трехфазный ток включается в обмотку статора, состоящую из трех самостоятельных частей. Как видно из графика изменений трехфазного тока напряжение достигает максимального значения не одновременно во всех трех фазах, а попеременно, через равные промежутки времени, то в одной, то в другой, то в третьей фазе. Следователь но, если включить такой ток в три обмотки, расположенные так, как это показано на рисунке:

Максимальное значение магнитного потока будет создаваться то в первой, то во второй, то в третьей обмотке, соответственно максимальным значениям тока в фазах, подключенных к этим обмоткам. Магнитное поле, перемещающееся таким образом по замкнутому кругу, называется вращающимся магнитным полем.

Описанное создание вращающегося магнитного поля поясняется рис. Если подключить фазу к первой катушке обмотки двигателя, фазу 2 ко второй катушке, а фазу 3 к третьей катушке обмотки, то в момент времени t 1 максимальный поток будет в первой катушке, так как в это время сила тока в фазе 1, подключенной к первой катушке, будет иметь максимальное значение. Затем сила тока в фазе 1 постепенно ослабевает и, переходя через нуль, меняет направление, в это время увеличивается значение силы тока в фазе 2 и к моменту времени t 2 сила тока в фазе 2 достигает максимального значения, поэтому максимальный поток уже создастся не первой катушкой, а второй. Это в свою очередь означает, что магнитное поле повернулось на 120°. К моменту времени t 3 максимум тока будет в фазе 3, а максимум потока будет создаваться третьей катушкой - магнитное поле повернулось еще на 120º.

К моменту времени t 4 создается такая же картина поля, как и в момент времени t 1, т. е. снова максимума ток достигает в фазе 1, а максимальный магнитный поток создается первой катушкой Это значит, что за время t 1 - t 2 магнитное поле повернулось на 360° (совершило полный оборот).

Обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута на себя, или на сопротивление. При неподвижном роторе и наличии тока в обмотке статора силовые линии вращающегося магнитного ноля пересекают неподвижные витки обмотки ротора, в результате чего в обмотке ротора появляется ЭДС и ток. Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в сторону вращения поля. Ротор двигателя начнет вращаться. По мере увеличения скорости ротора уменьшаются число пересекаемых силовых линий и ЭДС и, следовательно, ток ротора асинхронного двигателя. Однако ротор никогда не достигает скорости поля, а всегда вращается. Это отставание ротора от ноля статора называют скольжением. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше скольжение. Выражается скольжение в процентах или в относительных единицах.

Обычно асинхронные двигатели имеют при полной нагрузке скольжение 2-4%.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется по формуле:

где n-скорость вращения ротора, об/мин;

f - частота питающей сети;

p- число пар полюсов;

s - скольжение.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ .

Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи. Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу – F эм. Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.

Частота вращения ротора n 2 будет всегда меньше синхронной частоты n 1 т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой п 2 равной частоте вращающегося поля статора n 1 . В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки. Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно с полем статора. Разность между частотами поля статора n 2 и ротора n 1 называется частотой скольжения Δn:

Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:

В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение S H обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:

Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора - вторичной. Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится не изменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя - потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым. В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается. ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе. Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения Δn. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС Е 2 , частота которой f 2 связана со скольжением S:

Учитывая, что fi=pn 1 /60, f 2 =pn 1 S/60.

Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при ^=50 Гц).

Тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель (ТЭД) - электрический двигатель , предназначенный для приведения в движение транспортных средств (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 (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 . 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.

Классификация

Тяговые электродвигатели классифицируют по:

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).

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.

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 .

Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации .

Характеристики

Тяговый электродвигатель НБ-418К: 1 - остов; 2 - добавочный полюс; 3 - сердечник якоря; 4 - коробка якоря; 5, 11 - лобовые части якоря; 6 - коллектор; 7, 9 - подшипниковые щиты; 8 - вал; 10 - подшипник; 12 - компенсационная обмотка

Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:

• Электромеханические (типовые)
  • зависимости от тока якоря
    • частоты вращения
    • вращающего момента
• Электротяговые
  • зависимости от тока якоря
    • окружной скорости движущих колёс ПС
    • силы тяги
    • КПД на ободе движущих колёс ПС
• Тяговые
• Тепловые (зависимость температур отдельных частей ТЭД от времени при различной силе тока);
• Аэродинамические (характеризуют обдув двигателя).

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.

Коллектор

Подшипниковые щиты

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 - n исп = 1,25·n max
• для двигателей, включенных постоянно последовательно - n исп = 1,35·n max

Соотношение скоростей

где n max и n ном - частоты вращения максимальная и номинальная соответственно;

V max и v ном - соответственно конструкционная и эксплуатационная скорости подвижного состава.

Соотношение скоростей для электровозов составляет , для тепловозов -

Подвешивание тяговых электродвигателей и тяговая передача

Номинальные ток, напряжение, частоту вращения и др. характеристики при необходимости корректируют после определения .

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 .

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

При чём чем ближе к 1, тем интенсивнее вентиляция.

Предельная допускаемая температура подшипников электрических машин должна соответствовать ГОСТ 183 .

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).

КПД

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,
- суммарные потери в двигателе,
- 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 :

• 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 .

Конструктивная и эксплуатационная перегрузка

Предельные значения тока и мощности определяются коэффициентом конструктивной перегрузки

где I max и P max - максимальные ток и напряжение соответственно;

I nom и P nom - номинальные ток и напряжение соответственно.

Для условий эксплуатации принимают коэффициент эксплуатационной перегрузки

где I eb и P eb - соответственно наибольшие расчетные токи и мощность в условиях эксплуатации.

Разницу между значениями К per и К pe выбирают такой, чтобы при предельных ожидаемых возмущениях значения тока и мощности не превышали соответственно I max и P max .

Сферы применения

Электровоз ЭП1

ТЭД локомотива со снятыми шапками моторно-осевых подшипников

• Локомотивы (электровозы , тепловозы с электропередачей);
• Электропоезда и высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ);
• Бронетехника и другие машины на гусеничном ходу ;
• Электромобили и большегрузные автомобили с электроприводом (в том числе подъемно-транспортные машины и самоходные краны);
• Теплоходы с электроприводом (дизель-электроходы), атомоходы , подводные лодки ;
• Городской электротранспорт : трамваи , троллейбусы ;

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

• Россия
  • Сарапульский электрогенераторный завод - производство тяговых электродвигателей и электродвигателей гидронасоса для электропогрузчиков и электротележек российского и болгарского производства сайт завода
  • Завод «Электросила» в Санкт-Петербурге - ТЭД для локомотивов
  • Псковский электромашиностроительный завод - ТЭД для городского электротранспорта
  • Новочеркасский электровозостроительный завод - 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

• Украина
  • «Электротяжмаш » в Харькове - ТЭД для локомотивов
  • «Смелянский электромеханический завод » (г. Смела Черкасской обл) - ТЭД для локомотивов

• Латвия
  • Рижский электромашиностроительный завод - ТЭД для электропоездов

• Индия
  • Diesel-Loco Modernisation Works - ТЭД для локомотивов

• Польша
  • EMIT S.A - ТЭД для электропоездов и городского электротранспорта

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
ТЛ2К1	670	1500	790	93,4	5000	-	-	Опорно-осевое	ВЛ10 У, ВЛ11 постоянного тока
НБ-418К6	790	950	890 (2040)	94,5	4350	-	1045	Опорно-осевое	ВЛ80 Р, 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 , ОПЭ1 Б 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-682 В/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

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.

Синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, обладающие преимуществами в отношении массогабаритных показателей и потребления энергии, все чаще находят применение в тяговом приводе, хотя они требуют использования сложных систем управления и пока имеют недостаточную надежность.

За последние несколько лет от ведущих мировых поставщиков подвижного состава поступило много предложений, касающихся использования синхронных тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). Такие двигатели имеют меньшие габариты и массу по сравнению с преобладавшими до сих пор на рынке трехфазными асинхронными двигателями.

СДПМ использовались, в частности, на установившем 3 апреля 2007 г. мировой рекорд скорости электропоезде AGV V150 постройки компании Alstom (рис. 1). Они находят применение на подвижном составе различного назначения (таблица) - от трамвая-поезда Citadis Dualis (рис. 2) до двухэтажного междугородного электропоезда Twindexx (рис. 3) для железных дорог Швейцарии (SBB).

Рис. 1. Высокоскоростной электропоезд AGV V150 во время рекордного пробега Рис. 2. Трамвай-поезд Citadis Dualis (фото: Alstom) Рис. 3. Электропоезд Twindexx (источник: Bombardier)

Считается, что железнодорожные компании-операторы консервативны в отношении применения новых технологий. В то же время разработчики и изготовители тягового подвижного состава заинтересованы в скорейшей реализации передовых технических решений. Если использование новых разработок способствует существенному улучшению эксплуатационных показателей, эти разработки достаточно быстро находят применение, что подтверждается опытом внедрения импульсных преобразователей для питания тяговых двигателей постоянного тока последовательного возбуждения, тяговых двигателей постоянного тока независимого возбуждения, синхронных двигателей и трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. С развитием технологий повышалась эффективность тягового привода и совершенствовалось управление им, что позволило улучшить характеристики сцепления и снизить потребление энергии.

СДПМ и электронная аппаратура управления ими представляют собой наиболее современную технологию в области тягового привода. Миллионы СДПМ благодаря своей сравнительно малой массе и хорошей управляемости уже используются в приводах гибридных автомобилей. Более крупные двигатели предоставляют такие же возможности для повышения эффективности тягового привода железнодорожного подвижного состава. Данная технология внедряется на новом подвижном составе различного назначения. Однако при этом выявились несколько существенных проблем, требующих решения.

На автомобилях с двигателями внутреннего сгорания для регулирования скорости обычно используют сложное механическое устройство - коробку передач, благодаря чему двигатель может работать в оптимальном скоростном диапазоне. Тяговые двигатели подвижного состава железных дорог должны эффективно работать во всем диапазоне скорости, обеспечивая передачу крутящего момента на колеса через одноступенчатый редуктор либо непосредственно. Такое простое в плане механического оборудования решение позволяет создать надежные системы привода, не требующие сложного технического обслуживания.

Таким образом, первое требование, предъявляемое при проектировании тяговых двигателей, - их способность обеспечивать крутящий момент или тяговое усилие в широком диапазоне скорости (от 0 до 320 км/ч).

Безусловно, важно, чтобы тяговый двигатель работал надежно. В то же время, с точки зрения машиниста и железнодорожной компании-оператора, в равной степени имеет значение точное и плавное регулирование момента во всем диапазоне скорости при помощи системы управления тяговым приводом. Надлежащее регулирование крутящего момента обеспечивает оптимальное использование сцепления между колесом и рельсом, плавное ускорение, способность поддержания постоянной скорости и возможность применения электрического торможения.

При взаимодействии колес с рельсами крутящий момент тягового двигателя преобразуется в линейную силу тяги или торможения. На рис. 4 представлен график зави-симости силы тяги от скорости, а также кривая сопротивления движению поезда. Кривая силы тяги пересекает кривую сопротивления движению в точке так называемой установившейся скорости, т. е. максимальной теоретически возможной скорости. Вблизи этой точки величина изменения силы тяги, за счет которой создается ускорение поезда (на рис. 4 обозначена красной стрелкой), невелика. На рис. 5 показаны характеристики мощности тягового привода и потребной тяговой мощности (мощность равна произведению скорости и силы тяги).

Тяговые двигатели, как правило, рассчитываются на определенный режим работы. Двигатель должен развивать требуемый момент при нулевой скорости и поддерживать его до номинальной во всей зоне 1 кривой силы тяги. Выше этой скорости тяговый двигатель развивает максимальную выходную мощность. В зоне 2 сила тяги обратно пропорциональна скорости. В зоне 3 вследствие ограничений характеристик тягового двигателя сила тяги обратно пропорциональна квадрату скорости.

Рис. 4. Тяговая характеристика и сопротивление движению
Рис. 5. Характеристики мощности

При низкой скорости крутящий момент двигателя теоретически может быть больше, чем передаваемый при взаимодействии колеса и рельса. Однако это привело бы к перегрузке двигателя, поэтому таких режимов следует избегать посредством соответствующих действий машиниста или электронной системы управления.

Ранее для управления тяговыми двигателями постоянного тока применялось регулирование напряжения посредством изменения схемы их соединения с последо-вательного на параллельное и регулирование тока с помощью пускотормозных резисторов. На современном подвижном составе для управления как коллекторными двигателями постоянного тока, так и синхронными и асинхронными двигателями переменного тока ис-пользуются электронные системы, обеспечивающие изменение напряжения или как напряжения, так и частоты. Применяемые ныне системы тягового электропривода позволяют достичь качественного управления во всем диапазоне скорости при относительно простых алгоритмах регулирования.

Регулирование СДПМ позволяет достаточно легко достичь требуемых характеристик в зоне постоянного крутящего момента, однако для регулирования в зоне постоянной мощности требуются более сложные алгоритмы.

Двигатели переменного и постоянного тока, как и СДПМ, по существу работают на основе одних и тех же физических законов. Поэтому принципы управления ими до неко-торой степени подобны. В электрических машинах всех видов крутящий момент возникает при взаимодействии двух магнитных полей. Для появления крутящего момента между векторами напряженности этих магнитных полей должен быть определенный угол, в идеальном случае равный 90 эл. град. Упомянутые поля могут быть созданы токами, про-текающими по обмоткам двигателя, или постоянными магнитами.

В настоящее время в тяговом приводе находят применение главным образом трехфазные асинхронные двигатели. Тем не менее весьма важно понимать природу и поведение магнитных полей статора и ротора электрических машин других типов.

В традиционном двигателе постоянного тока северные и южные полюса поля статора всегда ориентированы в одном и том же направлении, в то время как поле якоря (ротора) сдвинуто на 90 эл. град вследствие использования коллектора. В двигателе последовательно-го возбуждения один и тот же ток проходит как через обмотку статора, так и через обмотку ротора, тогда как в случае использования двигателя независимого возбуждения имеется возможность независимо управлять полями ротора и статора.

В традиционном трехфазном синхронном двигателе магнитное поле ротора создается током, протекающим по его обмотке, а ориентация поля определяется физическим положением обмотки ротора. Поле статора создается током, протекающим по его обмотке, и вращается со скоростью, определяемой частотой инвертора, от которого получает питание обмотка статора. Угол между полями статора и ротора увеличивается в зависимости от крутящего момента, а частоты вращения ротора и поля статора одинаковы. Когда угол становится отрицательным, двигатель переходит в тормозной режим.

В трехфазном асинхронном двигателе магнитное поле статора индуцирует в обмотке ротора ток (рис. 6), который, в свою очередь, генерирует магнитное поле. Последнее, взаимодействуя с полем статора, создает тяговый или тормозной момент. В режиме тяги частота вращения ротора ниже частоты вращения поля статора, заданной преобразователем, а в режиме торможения - выше. Крутящий момент не возникает, если частоты вращения равны. Соотношение частот вращения ротора и поля статора характеризуется величиной, на-зываемой скольжением.

В СДПМ поле ротора создается магнитами, которые либо распределены по поверхности ротора, либо размещены в его пазах (рис. 7). В последнем случае обеспечивается большая механическая прочность и меньшие потери на вихревые токи в роторе. В качестве материала для постоянных магнитов получил распространение сплав неодим-железобор (Nd2Fe14B) благодаря его оптимальным магнитным свойствам. Магнитное поле статора создается с помощью трехфазной многополюсной обмотки, размещенной в пазах шихтованного сердечника.

Рис. 6. Принцип работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Рис. 7. Принцип работы СДПМ

Во всех электрических машинах вращающееся магнитное поле генерирует ЭДС, противоположную по направлению питающему напряжению - так называемую противо-ЭДС. При нулевой частоте вращения она равна нулю, однако с ее ростом линейно возрастает. Для поддержания постоянной величины крутящего момента в зоне 1 (см. рис. 4 и 5) следует увеличивать напряжение питания.

Крутящий момент электрической машины представляет собой произведение магнитного потока и тока. Силовой полупроводниковый преобразователь регулирует питающее постоянное или однофазное напряжение таким образом, чтобы значения тока в обмотках двигателя находились в допустимых пределах. Наиболее современным решением является использование преобразователей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с широтно-импульсной модуляцией.

В зоне 1, где сила тяги постоянна, напряжение (а в случае асинхронного двигателя - и частота) должно возрастать пропорционально частоте вращения двигателя, при этом значение произведения магнитного потока и тока, т. е. крутящего момента, поддерживается постоянным. При превышении номинального значения частоты вращения приложенное напряжение не может быть увеличено из-за ограничений параметров силового пре-образователя и изоляции двигателя. Однако с точки зрения механических характеристик частота вращения может быть выше.

Переход в зону 2 осуществляется посредством ослабления поля, при этом уменьшается противо-ЭДС или (для СДПМ) осуществляется противодействие ее влиянию. В двигателях постоянного тока это достигается уменьшением величины тока, протекающего через обмотку возбуждения, за счет включения параллельно ей сопротивления ослабления поля, в традиционном синхронном двигателе - путем уменьшения тока в обмотке ротора. В асинхронном двигателе ослабление поля происходит автоматически с увеличением частоты тока обмотки статора, в то время как питающее напряжение остается неизменным. В СДПМ осуществить ослабление поля сложнее, поскольку поле ротора создается постоянными магнитами.

В зоне 3 магнитный поток и ток уменьшаются быстрее, чем в зоне постоянной мощности, чтобы избежать превышения предельных электрических и механических характеристик двигателя. Например, в двигателе постоянного тока независимого возбуждения ток якоря также снижается в зависимости от скорости.

Основная причина расширения применения СДПМ в тяговом приводе - их существенные преимущества по сравнению с трехфазными асинхронными двигателями. В пределах примерно 80% рабочего диапазона КПД СДПМ больше на 1-2%, а удельная мощность - на 30-35%, вследствие чего при равной мощности габариты и масса СДПМ примерно на 25% меньше.

В асинхронном двигателе имеет место нагрев ротора вследствие наличия мощности скольжения. В СДПМ он фактически отсутствует, благодаря чему нет необходимости в охлаждении ротора. Статор СДПМ обычно полностью герметичен и имеет жидкостное охлаждение, что способствует повышению надежности двигателя. Кроме того, при использовании СДПМ возможно осуществлять электрическое торможение при низких значениях скорости, что делает принципиально возможным самоуправляемое торможение при замыкании накоротко обмоток статора. Однако достижение этих преимуществ невозможно без компромисса. Выявлены семь основных факторов, препятствующих распространению СДПМ для целей электрической тяги, хотя уже разработаны методы решения этих проблем.

Ограничения размеров и стоимости четырехквадрантного преобразователя и двигателя не позволяют использовать их во всем диапазоне скорости только путем поддержания величины питающего напряжения, настолько превышающей противо-ЭДС, чтобы величина тока была достаточна для достижения требуемого крутящего момента. Проблема может быть решена с помощью ослабления поля, благодаря чему создаются зоны постоянного момента и постоянной мощности. Поскольку регулирование поля, создаваемого постоянными магнитами, затруднительно, ослабление поля достигается подачей тока в обмотки статора. Таким образом создается поле с вектором напряженности, направленным против вектора напряженности поля, создаваемого постоянными магнитами ротора. При этом возникают потери в меди обмотки статора, что в некоторой степени снижает положительный эффект, получаемый благодаря низким потерям при использовании ротора с постоянными магнитами.

Для управления токами, создающими эффект ослабления поля, необходимо определить положение ротора с точностью до 1-2 эл. град. Для четырехполюсного двигателя требуется механическое разрешение не менее чем 1,5 эл. град. Если использовать датчики, от них требуются весьма высокие точность и надежность, чтобы обеспечить нормальную работу системы управления. Возможно управление и без применения датчиков, однако при этом может быть снижена точность регулирования.

Магнитный поток зависит от температуры, при этом напряженность поля снижается примерно на 1% при увеличении температуры ротора на 10 К. Для СДПМ, которые работают в температурном диапазоне 200 К (от -40 до +160 °С), это имеет существенное значение. Поэтому электронная система управления должна контролировать рабочую температуру и учитывать ее при формировании управляющего сигнала.

Каждый СДПМ требует индивидуального силового полупроводникового регулятора, гарантирующего подачу управляющего импульса на включение силовой цепи строго в требуемый момент времени. Впрочем, в современном тяговом при-воде все чаще используются индивидуальные системы управления каждым двигателем. Таким образом, эта проблема решается.

При значительных токах и высоких температурах может произойти необратимое размагничивание, даже если температура ротора не достигает точки Кюри между 310 и 370 °C. Однако более опасно короткое замыкание в обмотке статора, которое может привести к разрушению двигателя, поскольку создаваемое постоянными магнитами вращающееся поле продолжает индуцировать значительные токи в статоре. Здесь размагничивание может быть полезным, поскольку снижает эти токи.

Еще одна проблема связана с тем, что при работе без нагрузки (когда поезд движется в режиме выбега) вращающийся ротор двигателя с постоянными магнитами продолжает индуцировать токи в сердечнике статора. Возникающие вихревые токи наряду с эффектом гистерезиса вызывают потери в стали, что снижает КПД двигателя.

Редкоземельные металлы, используемые в СДПМ, обладают хорошими магнитными свойствами, но довольно чувствительны к механическому и тепловому воздействию. Конструкция ротора у СДПМ сложнее, чем у асинхронных двигателей. Схема управления СДПМ также сложнее в связи с наличием многократных контуров обратной связи и необходимости преобразования сигнала.

Существует достаточно много областей применения, где преимущества СДПМ безусловно преобладают над их недостатками, и это делает их привлекательными для разработчиков тягового привода. Меньшие размеры и масса имеют особое значение при ограниченности пространства — например, в случае необходимости размещения двигателя на оси колесной пары без редуктора.

Более высокий КПД и меньшие потери в роторе обеспечивают существенные преимущества СДПМ с точки зрения совершенствования эксплуатационных характеристик подвижного состава и сокращения потребления энергии (рис. 8). Это видно, в частности, на примере электропоезда V150 компании Alstom. Асинхронные двигатели устанавливаются на тележках, расположенных под кузовами моторных вагонов, тогда как СДПМ могут быть размещены на тележках под узлами сочленения, что позволяет уменьшить сложность и массу тягового привода.

Рис. 8. Электромеханическая характеристика и КПД СДПМ

СДПМ могут в перспективе получить намного более широкое применение в тяговом приводе (таблица), подобно тому, как в середине 1980-х годов завоевали популярность трех-фазные асинхронные тяговые двигатели, пришедшие на смену двигателям постоянного тока.

Примеры применения тяговых СДПМ

Оператор, страна	Подвижной состав	Изготовитель
NTV (Италия)	25 высокоскоростных поездов AGV	Alstom
SBB (Швейцария)	59 двухэтажных электропоездов Twindexx	Bombardier
SNCF (Франция)	31 трамвай-поезд Citadis Dualis	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Regiolis (рамочный контракт)	Alstom
SNCF (Франция)	Электропоезда Omneo (рамочный контракт)	Bombardier
Прага (Чехия)	Низкопольные трамвайные вагоны типа 15T	Skoda
Метрополитен Токио (Япония)	Электропоезда серии 16000	Kawasaki
JR East (Япония)	Пригородные электропоезда серии E331 для Токио	Toshiba
Опытные образцы
Метрополитен Мюн­хена (Германия)	Электропоезд типа C19 с тележками Syntegra	Siemens
Китай	Прототип локомотива на топливных элементах	CNR Yongji
Швеция	Электропоезд Grona Taget	Bombardier
Турция	Низкопольный трамвай Citadis X04	Alstom
Япония	Поезд с изменяемой шириной колеи	RTRI

Железные Дороги Мира - 2011