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

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

 Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

 Рекомендовано
Учебно-методическим объединением
в качестве учебного пособия для студентов
вузов железнодорожного транспорта

 СОДЕРЖАНИЕ

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

Тяговые электрические машины.
Учебное пособие

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО
И МИРОВОГО ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ  

   Классификация тяговых электрических машин. Терминология. Определения. Назначение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ  

   3.1. Способы подвешивания тяговых двигателей

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.1. Схема крепления двигателя при опорно-осевом подвешивании

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

   Конструктивное исполнение двигателей с опорно-рамным подвешиванием рекомендуется посмотреть в книге М.Д. Находкина на с. 67–68 [4].

   Рассмотрим кинематические схемы тяговых передач.

   3.2. Кинематические схемы тяговых передач

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

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

Рис. 3.2. Схема опорно-осевого подвешивания тяговых двигателей

Рис. 3.3. Схема опорно-рамного подвешивания тяговых двигателей

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

Рис. 3.4. Групповой привод

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

   3.3. Элементы конструкции тягового двигателя постоянного тока

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

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

Рис. 3.5. Вал тягового двигателя

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

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

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

   Обычно сердечник набирают на втулку (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Сердечник якоря тягового двигателя

Рис. 3.7. Втулка якоря

Рис. 3.8. Лист якоря тягового двигателя

   Если диаметр якоря меньше 350 мм (Д_Я< 350 мм), то возможна напрессовка и непосредственно на вал, но в этом случае затруднена смена вала.

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

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

   Коллекторный узел. Коллектор – это устройство электромеханической коммутации.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.9. Коллекторная пластина

Рис. 3.10. Коллектор тягового двигателя

Рис. 3.11. Виды обмоток тягового двигателя

Рис. 3.12. Секция обмотки якоря тягового двигателя

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.13. Вид остова тягового двигателя

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

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

Рис. 3.14. Пластина главного полюса

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

   Главные полюса крепятся к остову и удерживают обмотку возбуждения.

   Вид главного полюса показан на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Вид главного полюса

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

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

   Соединительные кабели повышенной нагревостойкости.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.16. Дополнительный полюс тягового двигателя

   3.4. Особенности конструкции тяговых двигателей переменного тока

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

   В настоящем разделе будут рассмотрены конструктивные особенности данных электрических машин.

   Остов, подшипниковые щиты, вал могут быть выполнены практически одинаковыми. Статор вентильного двигателя выполняется большим в связи с необходимостью расположения датчиков для контроля положения ротора [9]. Конструктивно статоры асинхронного и вентильного двигателя практически не отличаются. Ротор асинхронного двигателя выполняется либо с алюминиевыми, либо с медными стержнями. Ротор вентильного двигателя может быть выполнен только в неявнополюсном виде.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 3.18. Обмотка ротора

Рис. 3.19. Виды пазов и стержней асинхронных тяговых двигателей

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

3.5. Особенности конструкции и перспективы применения линейных двигателей

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

(3.1)

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

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

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

Рис. 3.20. Линейный двигатель

   Реальная скорость перемещения определяется как и в АТД – скольжением

   где V₁ – скорость бегущего поля индуктора.

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

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

4. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ  

   Значительное влияние на работу двигателя оказывают нагрузки.

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

Рис. 4.1. Пример формы тока и частоты вращения двигателя электровоза в процессе эксплуатации

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

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

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

Рис. 4.2. Пример формы тока и частоты вращения двигателя электропоезда в процессе эксплуатации

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

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

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

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

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

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

5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ  

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

   Используют следующие типы проводов:

   для класса нагревостойкости В и F

   для класса нагревостойкости Н

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

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

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

   Электротехническая сталь марок 2212, 2213, 2214.

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

   Обычно до или после штамповки сталь покрывают электроизоляционными материалами.

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

Таблица 5.1. Характеристика классов изоляции

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

Таблица 5.2. Электроизоляционные материалы для систем изоляции тяговых электродвигателей

ЯКОРНАЯ ОБМОТКА

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Катушки главного и добавочного полюсов

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Компенсационная катушка

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

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

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

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

   Обычная маркировка ЛСК-110-СПл:

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

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

6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ    

 6.1. Номинальные и предельные данные тяговых двигателей

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

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

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

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

   I_∞ , Р_∞ , n_∞ , η_∞.

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

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

6.2. Магнитные и нагрузочные характеристики тягового электродвигателя