какое назначение у тэд

Тяговый электродвигатель: назначение и применение

Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава. В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав. Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.

Появление и развитие тяговых устройств

В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели. При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.

Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.

Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.

Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.

Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.

Коллекторный агрегат на постоянном токе

Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.

Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток. Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.

Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).

Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.

В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице. Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники. Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.

Назначение и устройство станины

Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.

При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.

На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.

Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.

Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.

Главные полюса

Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.

На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.

Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.

Назначение и устройство добавочных полюсов

Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.

Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.

Якорь и коллектор

В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.

Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.

В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.

Тяговые электродвигатель асинхронного типа

На железнодорожном транспорте асинхронный тяговый двигатель долгое время не мог использоваться из-за отсутствия в электроснабжении подвижного состава переменного трехфазного тока. Постепенно развивающееся электротехническое производство позволило создать и усовершенствовать электронику полупроводникового типа.

Таким образом, были созданы преобразователи тока и напряжения, обладающие мощностью, достаточной, чтобы обеспечить энергией асинхронный тяговый двигатель. Ведущую роль в этом деле сыграли мощные транзисторы.

Данные устройства оказались просты и надежны в эксплуатации. У них заметно снизились габаритные размеры и вес в сравнении с двигателями постоянного тока. Асинхронный тяговый двигатель не требует особого технического обслуживания, способен переходить в генераторный режим без специального переключения, а лишь под действием повышенной частоты вращения ротора. Подобная схема существенно упрощает использование системы электрического торможения.

Генератор постоянного тока: устройство и принцип действия

Принцип работы электродвигателя

Устройство генератора: принцип работы

Виды электродвигателей: устройство, принцип работы

Источник

Тяговые электрические машины электроподвижного состава

Содержание

Тяговые электродвигатели

Питание

Питание ТЭД осуществляется от контактной сети (ЭПС) и от находящегося на подвижном составе источника энергии (электромашинного генератора, аккумулятора). По роду тока различают ТЭД коллекторные постоянного тока (пульсация тока до 10%), коллекторные пульсирующего тока с питанием от однофазного выпрямителя, и бесколлекторные переменного тока асинхронные (однофазные, многофазные) и синхронные (вентильные) с преобразованием однофазного тока в многофазный (обычно в трехфазный). Выпрямители и преобразователи размещены на подвижном составе, что позволяет регулировать напряжение на ТЭД. При питании током постоянного напряжения от контактной сети регулировка напряжения на ТЭД до 1970-х гг. осуществлялась переключением двигателей на последовательное или параллельное соединение и включением в цепь пусковых резисторов. С нач. 70-х гг. на электровозах ВЛ80Р и в дальнейшем осуществляется обычно бесступенчатая плавная регулировка напряжения расположенными на ЭПС полупроводниковыми управляемыми выпрямителями или преобразователями.

Охлаждение

Охлаждение ТЭД производится обычно воздухом с независимой вентиляцией. На магистральных электровозах большой мощности применяется самовентиляция (на электропоездах и в вагонах метро), иногда естественное охлаждение либо жидкостное охлаждение, в т. ч. при сверхнизких температурах (опытные разработки линейных двигателей для высокоскоростного транспорта).

Режимы работы

Коллекторный электродвигатель

Индуктор, создающий магнитный поток — это стальной (литой или сварной) массивный корпус с главными и дополнительными полюсами. Якорь, вращаясь в индукторе, преобразует механическую энергию в электрическую (режим генератора). Якорь имеет стальной сердечник с обмоткой, подсоединенной к коллектору. Коллектор, набранный из отдельных пластин, необходим для изменения направления тока (коммутации) в проводнике якорной обмотки, чтобы не менялось направление вращающего момента при перемещении этого проводника под полюс другой полярности. Процесс коммутации может сопровождаться искрением под щетками; расстройство коммутации при определенных условиях приводит к возникновению на коллекторе электрической дуги (круговой огонь), повреждающей коллектор и щетки. Мощность коллекторных ТЭД ограничена условиями коммутации. ТЭД постоянного тока питаются непосредственно от контактной сети напряжением 3000 В с допустимым повышением до 4000 В (за рубежом есть линии на 1500 В), максимальная мощность до 1000 кВт (на грузовых и скоростных пассажирских электровозах). Двигатели соединяют последовательно по два и более для понижения номинального напряжения на коллекторе до 1500 В, реже до 750 В (хуже по эксплуатационным показателям; используется главным образом на моторных вагонах).

Изоляцию обмоток от корпуса рассчитывают на максимальное напряжение в контактной сети.

ТЭД пульсирующего тока

Недостатком любых конструкций коллекторных ТЭД является ненадежный в работе коллекторно-щеточный узел, ограничивающий мощность и частоту вращения (допустимая линейная скорость на поверхности коллектора 50-60 м/с) и требующий регулярного обслуживания при эксплуатации. Основные технические данные ТЭД, применяемых на ЭПС локомотивного парка России и других стран СНГ, приведены в таблице.

Характеристики ТЭД

Характеристики ТЭД делятся на электромеханические, тепловые и аэродинамические. К электромеханическим характеристикам относят зависимости частоты вращения якоря n, вращающего момента двигателя М и кпд на его валу ηд от силы тока якоря Iа, а также отношения напряжения в обмотках якоря (эдс) к частоте вращения Е/n в зависимости от силы тока возбуждения Iв. Последняя зависимость нелинейна из-за насыщения магнитной цепи машины при большом токе возбуждения (рис. 5.57).

Основные расчетные зависимости для любой электрической машины постоянного тока следующие:

Рэ = Elа= 1,028 Мэ*n; Е=с*Ф8n; U = Е + IаR; η=Р2/Р1,

Тепловые характеристики

Конструкция ТЭД должна исключать возможность случайного соприкосновения обслуживающего персонала с вращающимися частями, обеспечивать удобное техническое обслуживание и ремонт, удовлетворять требованиям пожарной безопасности. Основные показатели надежности ТЭД — вероятность безотказной работы, наработка на отказ, установленный срок службы до списания и т.д.

Бесколлекторный электродвигатель

Впервые бесколлекторный электродвигатель в качестве тягового был применен в Венгрии в 20-х гг. 20 в. на электровозах однофазно-трехфазного тока. Использовались вращающиеся преобразователи системы инженера К. Кандо; двигатели были тихоходными, с переключением полюсов. Вентильный ТЭД впервые предложен в Германии A930 г.). В начале 50-х гг. во Франции 20 электровозов были оборудованы частотно-регулируемыми асинхронными ТЭД для линии Валансьен-Тьонвиль, электрифицированной на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 22-25 кВ. ТЭД широко используются за рубежом (США, Австрия, Норвегия, Швейцария, Италия, Дания и др.) на ЭПС, на городском электротранспорте, а также на тепловозах.

В России разработки по применению бесколлекторных ТЭД в тяговом электроприводе начались в 60-х гг. Их использование на подвижном составе стало экономически обоснованным после появления малогабаритных полупроводниковых преобразователей напряжения и частоты. В 70—80-е гг. были построены опытные электровозы с вентильными (ВЛ80В, ВЛ83) и асинхронными (ВЛ80А, ВЛ86, ВЛ86Ф) тяговыми электродвигателями. В конце 90-х гг. начались испытания электровоза ЭП10 двойного питания с асинхронным ТЭД производства НЭВЗ с преобразователями зарубежного производства и скоростного пассажирского электровоза ЭП200 Коломенского и Новочеркасского заводов.

Синхронный (вентильный) двигатель

Асинхронный ТЭД

Асинхронный ТЭД имеет ротор с короткозамкнутой обмоткой без изоляции; обмотка статора выполнена с изоляцией. На ЭПС асинхронный ТЭД получает питание от статических преобразователей, построенных на базе автономных инверторов напряжения или тока. Регулирование режимов работы электродвигателя, осуществляемое изменением напряжения и его частоты (два независимых канала регулирования), может проводиться индивидуально для каждого электродвигателя или одновременно для нескольких. Рабочие тяговые характеристики двигателя показаны на рис. 5.58.

Линейный электродвигатель

Линейный электродвигатель является составной частью линейного электропривода и служит для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию поступательного движения транспортного средства, т. е. без механической передачи. В линейный привод входит также аппаратура управления и регулирования скорости. Линейный электродвигатель (рис. 5.59) содержит питаемый электрическим током первичный элемент (индуктор), являющийся статором, и вторичный элемент в виде реактивной полосы, выполняющей роль ротора. Индуктор и реактивная полоса разделены воздушным зазором. Неподвижный элемент магнитной системы линейного электродвигателя разомкнут и имеет развернутую в плоскости обмотку произвольной длины, создающую бегущее магнитное поле, а подвижный элемент движется относительно неподвижного (см. рис.).

Линейный электродвигатель может быть асинхронным и синхронным. Реактивная полоса асинхронного линейного электродвигателя (наиболее распространенная схема), выполненная в виде бруска обычно прямоугольного сечения без обмоток, закрепляется вдоль путепровода, над которым перемещается электровоз, несущий подвижную часть (индуктор) двигателя. Магнитопровод индуктора выполнен с развернутыми многофазными обмотками, питаемыми от источника переменного тока. Вследствие взаимодействия магнитного поля индуктора с полем реактивной полосы возникают силы, которые заставляют перемещаться с ускорением индуктор линейного электродвигателя относительно неподвижной реактивной полосы до тех пор, пока скорости перемещения индуктора и бегущего магнитного поля реактивной полосы не уравняются. Преимуществом такой конструкции является размещение в путепроводе более простой в изготовлении, чем индуктор, реактивной полосы. Возможна схема, в которой в путепроводе размещается индуктор, при этом не требуется передачи электроэнергии на движущийся объект, нет контактного рельса на трассе и токоприемников на подвижном составе. Однако в этом случае вдоль трассы необходимо разместить большое число индукторов. Такая схема целесообразна при большой частоте следования транспортных средств или при подвижном составе большой длины. Применяется и комбинированный вариант, например, с размещением индукторов в путепроводе на участках разгона, торможения, подъема и спуска; на остальной части трассы используется индуктор, установленный на подвижном составе. Линейный электродвигатель получает питание от преобразователя или непосредственно от промышленной сети переменного тока (линейный асинхронный привод).

Управление силой тяги и скоростью движения осуществляется системой автоматического управления и регулирования путем изменения частоты напряжения и силы тока в обмотках двигателя.

Линейный электропривод обеспечивает также торможение подвижного состава, например, противовключением. Достоинствами привода являются отсутствие вращающихся частей, механической передачи, простота в эксплуатации, большой ресурс работы. К недостаткам относятся более низкие по сравнению с обычным электроприводом энергетические показатели, связанные с разомкнутостью магнитной цепи и большими рабочими зазорами, сложность и высокая стоимость изготовления и др. Линейные электродвигатели могут применяться на поездах высокоскоростного наземного транспорта, относящихся к левитирующим транспортным системам. Общий кпд таких систем с линейным электродвигателем при оптимизации его показателей не уступает кпд обычного тягового электропривода вследствие исключения промежуточных звеньев передачи силы тяги и отсутствия проскальзывания при механическом контакте между ходовой частью и путепроводом.

Источник

Тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель (ТЭД) — электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение транспортных средств [1] (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей, электроходов, большегрузных автомобилей с электроприводом, танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей, подъемно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.). Вращающиеся тяговые электродвигатели регулируются ГОСТ 2582-81 [2] (кроме аккумуляторных погрузочно-разгрузочных машин, электротягачей, электротележек и теплоэлектрических автотранспортных систем).

Основное отличие ТЭД от обычных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.).

Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.

Развитие полупроводниковой техники открыло возможности перехода от двигателей с электромеханической коммутацией к бесколлекторным машинам с коммутацией при помощи полупроводниковых преобразователей.

Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.

Содержание

Классификация

Тяговые электродвигатели классифицируют по:

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства тяговых двигателей могут быть универсальными, то есть присущими всем видам ЭПС, и частными, то есть присущими ЭПС определенных видов. Некоторые эксплуатационные свойства могут быть взаимопротиворечивыми.

Пример частных свойств: высокая перегрузочная способность двигателей, необходимая для получения высоких пусковых ускорений пригородных электропоездов и поездов метрополитена; возможность продолжительной реализации наибольшей возможной силы тяги для грузовых электровозов; низкая регулируемость ТЭД пригородных поездов и поездов метрополитена в сравнении с ТЭД электровозов.

Устройство ТЭД

Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт).

В конце XIX века было создано несколько моделей безредукторных ТЭД, когда якорь насаживается непосредственно на ось колёсной пары. Однако даже полное подрессоривание двигателя относительно оси не избавляло конструкцию от недостатков, приводящих к невозможности развить приемлемую мощность двигателя. Проблема была решена установкой понижающего редуктора, что дало возможность значительно увеличить мощность и развить достаточную для массового применения ТЭД на транспортных средствах силу тяги.

Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в реверсивном режиме (обратное вращение вала), а также в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).

Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей. С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами. Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.

Характеристики

Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:

Остов

В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса — основной несущей и защитной части машины.

Остовы четырехполюсных двигателей чаще имеют поперечное сечение магнитного ярма и выполняются гранеными. Это обеспечивает использование габаритного пространства до 91-94 %. Обработка такого остова сложна, а масса превышает массу цилиндрического остова. Технология изготовления цилиндрических остовов проще, а точность изготовления более высока. Однако использование габаритного пространства при цилиндрической форме остова не превышает 80-83 %. На остове крепят главные и добавочные полюса, подшипниковые щиты, моторно-осевые подшипники (при опорно-осевом подвешивании двигателя). Для двигателей большой мощности все чаще применяют остовы цилиндрической формы.

Длина двигателя по наружным поверхностям подшипниковых щитов при ширине колеи 1520 мм равна 1020—1085 мм в случае двусторонней передачи и 1135—1185 мм в случае односторонней.

Различают четырехполюсные двигатели с вертикально-горизонтальным и диагональным расположением главных полюсов. В первом случае обеспечивается наиболее полное использование пространства (до 91—94 %), но масса остова больше, во втором это пространство используется несколько хуже (до 83—87 %), но заметно меньше масса. Остовы цилиндрической формы при низком использовании габаритного пространства (до 79 %), но при равных условиях имеют минимальную массу. Цилиндрическая форма остова и диагональное расположение полюсов обеспечивают почти одинаковую высоту главных и добавочных полюсов.

У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован — набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплен комплект статора.

Остовы ТЭД обычно изготавливают литыми из низкоуглеродистой стали 25Л. Только для двигателей подвижного состава электротранспорта с использованием реостатного торможения как рабочего применяют сталь с большим содержанием углерода, обладающего большей коэрцитивной силой. На двигателях НБ-507 (электровоз ВЛ84) применены сварные остовы. Материал остова должен обладать высокими магнитными свойствами, зависящими от качества стали и отжига, иметь хорошую внутреннюю структуру после литья: без раковин, трещин, окалины и других дефектов. Предъявляют также высокие требования к качеству формовки при отливке остова.

За пределами магнитного ярма конфигурация остова может сильно отличаться от конфигурации магнитного ярма из-за устройств подвешивания, вентиляции и др. По соображениям технологии толщина стенок отливки остова должна быть не менее 15-18 мм.

От типа привода зависят устройства на остовах для подвешивания двигателя к раме тележки. Предусматриваются также предохранительные кронштейны для предотвращения выхода двигателя за пределы габарита и падения на путь при разрушении подвески. Для подъема и переноски остова или собранного тягового двигателя в верхней части остова предусмотрены проушины.

В торцовых стенках остова имеются отверстия со стороны, противоположной коллектору,— для выхода охлаждающего воздуха, со стороны коллектора — для крепления щеткодержателей. Охлаждающий воздух в остов подается через специальные отверстия чаще всего со стороны коллектора, а иногда с противоположной стороны.

Для осмотра щеток и коллектора в остове со стороны коллектора предусматривают два коллекторных люка, закрываемых крышками. Крышки люков у большинства тяговых двигателей выгнуты по дуге, что позволяет увеличить объем надколлекторного пространства. Крышки штампуют из стали Ст2 или отливают из легких сплавов. Крышки верхних коллекторных люков имеют уплотняющие войлочные прокладки, предотвращающие попадание в двигатель влаги, пыли и снега, и укреплены на остове специальными пружинными замками, а крышки нижних люков — специальными болтами с цилиндрическими пружинами.

Для исключения попадания влаги в двигатель (особенно в ТЭД с самоветиляцией) тщательно уплотняют крышки коллекторных люков, выводы проводов и т. п.. Головки полюсных болтов, где это предусмотрено, заливают кабельной массой.

Якорь

Коллектор

Коллектор ТЭД — одна из его наиболее загруженных частей. В ТЭД с карданными валами диаметры коллекторов достигают 800—900 мм при числе коллекторных пластин K=550..600, окружных скоростях 60-65 м/с и коммутационных частотах до пластин в 1 секунду.

Для достижения высокого качества токосъема необходимы большая точность изготовления коллекторов, обеспечение стабильности технических свойств в эксплуатации, высокая надежность и износостойкость. Также требуется тщательный уход за ними и своевременное их техническое обслуживание.

Как механическая система, коллекторы тяговых двигателей относятся к конструкциям с арочным креплением пластин. Коллекторные пластины совместно с изоляционными прокладками стянуты через изоляционные манжеты конусами коробки и нажимной шайбы по поверхностям.

Силы арочного распора должны исключить или ограничить деформации отдельных коллекторных пластин под действием центробежных сил и сил, вызванных неравномерностями тепловых процессов.

Коллектор — нормально изнашивающаяся часть машины, и поэтому высоту пластин устанавливают с учетом возможности износа по радиусу на 12-15 мм. Высоту консольной части обычно устанавливают с учетом износа на 12-15 мм.

Результирующие напряжения изгиба в коллекторных пластинах при любых нормированных условиях не должны превышать МПа, в стяжных болтах напряжения растяжения МПа, давления на изоляционные конусы МПа.

Предельное исполнение ТЭД вынуждает предъявлять к материалам в коллекторах повышенные требования:

Изоляцию между пластинами изготавливают из коллекторного миканита КФ1 с малым содержанием клеящих веществ с усадкой при давлении более 60 МПа до 7 %. Отклонения по толщине прокладок между пластинами не должны превышать 0,05 мм, иначе нарушатся основные размеры двигателя.

Миканитовые конусы (манжеты) и цилиндры коллекторов изготовляют из формовочного миканита ФФ24 или ФМ2А, слюдинита или слюдопласта электрической прочностью до 30 кВ/мм.

Подшипниковые щиты

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

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

В железнодорожном транспорте движущая колесная пара, тяговый двигатель и тяговая передача составляют комплекс тягового привода — колесно-моторный блок. Главный параметр в одноступенчатой тяговой передаче — централь — межцентровое расстояние зубчатой передачи, связывающее основные размеры передачи и двигателя. Конструкции тяговых передач весьма разнообразны.

На локомотивах и электропоездах существуют два типа подвешивания ТЭД и их подтипы:

Опорно-осевое подвешивание используется в основном на грузовых электровозах. Двигатель с одной стороны опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а с другой эластично и упруго подвешен к раме тележки. У асинхронных тяговых двигателей (АТД) ось колесной пары может проходить внутри ротора. Тяговый двигатель не подрессорен, а следовательно оказывает повышенное динамическое воздействие на путь. Чаще применяют при скоростях до 100—110 км/ч. Достаточно просто обеспечивает неизменную параллельность и постоянство централи между осью колесной пары и валом двигателя при любых перемещениях колесной пары относительно тележки.

Опорно-рамное подвешивание используется в основном на пассажирских электровозах и электропоездах. Такое подвешивание является более совершенным, так как двигатель полностью подрессорен и не оказывает значительного динамического воздействия на путь, но более сложен конструктивно. Двигатель опирается только на раму тележки локомотива и защищен от вибраций рессорным подвешиванием тележки. Чаще применяют при скоростях больше 100—110 км/ч, но также и при меньших скоростях.

Подвешивание тягового двигателя влияет на коэффициент централи — соотношение между диаметром якоря D_я и централью Ц

По условиям безопасности движения поездов необходимо, чтобы при неисправностях устройств подвешивания тяговый двигатель не упал на путь. Для этого в конструкции двигателей предусмотрены предохранительные кронштейны.

Всё чаще применяется рамное подвешивание. Это позволяет снизить толщину изоляции катушек на 20-30 % и упростить конструкцию двигателя, также заметно снижается износ и повреждаемость деталей двигателя, что позволяет повысить межремонтные пробеги в 2-3 раза. Но при этом утяжеляются условия работы и конструкция передачи. Ещё одной причиной перехода с опорно-осевого подвешивания двигателей к рамному может служить большая протяженность использования ЭПС, так как мощность тяговых двигателей определяется взаимодействием локомотива с верхним строением пути и долей подрессоренных масс в составе.

Режимы работы

Для ЭПС регламентированы два режима работы двигателей, для которых существуют номинальные параметры: мощность, напряжение, ток, частота вращения, вращающий момент и др. Эти параметры указываются на паспортной табличке двигателя, в его техническом паспорте и др. документах.

В результате квалификационных испытаний устанавливают параметры тяговых двигателей для каждого из режимов:

Вентиляция ТЭД

Вентиляция

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.

Очистка воздуха

Для вентиляционных систем электроподвижного состава обеспечение чистоты охлаждающего воздуха имеет важное значение. Воздух, поступающий в вентиляционную систему двигателей, содержит пыль, а также металлические частицы, образующиеся при истирании тормозных колодок. Зимой также может захватываться 20—25 г/m³ снега. Полностью избавиться от этих загрязнений невозможно. Сильное загрязнение проводящими частицами приводит к повышенному износу щеток и коллектора (из-за повышенного нажатия щеток). Ухудшается состояние изоляции и условия ее охлаждения.

Для электровозов наиболее приемлемы жалюзийные инерционные воздухоочистители с фронтальным подводом воздушного потока к плоскости решетки, с горизонтальным (малоэффективна, устанавливалась на ВЛ22м, ВЛ8, ВЛ60к) или вертикальным расположением рабочих элементов. Наибольшей эффективностью по задержанию капельной влаги обладает вертикальная лабиринтная решетка с гидравлическим затвором. Общим недостатком жалюзийных воздухоочистителей является низкая эффективность очистки воздуха.

В последнее время получают распространение воздухоочистители, обеспечивающие аэродинамическую (ротационную) очистку охлаждающего воздуха (устанавливались на ВЛ80р, ВЛ85).

Коэффициент полезного действия для тяговых двигателей пульсирующего тока определяется отдельно на постоянном токе и на пульсирующем .

где — номинальная (на валу) мощность двигателя,
— подведенная мощность двигателя,
— 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 [2] :

Конструктивная и эксплуатационная перегрузка

Предельные значения тока и мощности определяются коэффициентом конструктивной перегрузки

;

где I_max и P_max — максимальные ток [3] 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

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

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.

Примечание: мощность на валу и частота вращения могут незначительно изменяться в зависимости от внешних условий.

Источник