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

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

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

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

Тяговый электродвигатель ЭД118Б.

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

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

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

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

Таблица 8.2

Тип электродвигателя

Мощность, кВт

Напряжение, В

Частота вращения (наибольшая),

К.п.д. (наиболь-

Масса, кг

Класс изоляции

Параметры ох-

Система смазки

Серии тепловоза

при напряжении

наибольший крат-

обмоток якоря

лаждающего воздуха, Па

наименьшем

ковременный

наибольшем

Польс-стерная

2ТЭ10, М62, 2ТЭ116, ТЭМ2

ЭД118БУ1 ЭД121АУ1

к о (-и о С

Циркуляционная + поль-стерная МОП нет

2ТЭ116, ТЭЮ ТЭП70, ТЭП85

ЭД125БУХЛ1

Циркуляционная -+ поль-стерная

ЭД126АУХЛ1

2ТЭ126, ТЭ136

Переменный

2ТЭ120 (переменного тока)

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

Рис. 8.11. Тяговый электродвигатель типа ЭД118Б:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тяговый электродвигатель ЭД126А. Электродвигатель предназначен для грузовых тепловозов.

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

Рис. 8.15. Схемы соединений обмоток тяговых электродвигателей:

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

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

Тяговый электродвигатель ЭД900.

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

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

Рис. 8.18. Тяговый асинхронный электродвигатель типа ЭД900

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

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.

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

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

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

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

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

Преподаватель УПЦ

московского метрополитена

Данилов Е.Б.

Асинхронный тяговый электропривод на вагонах метрополитена. Учебное пособие.

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

1. Введение

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

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

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

ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо»;

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

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

ДАТМ-2У2 производства «ОАО Псковский электромашинострои-

тельный завод»;

ДТА 170 У2 АО «Рижский электромашиностроительный завод»;

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

машиностроительный завод).

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

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