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.

Существенно повысить силу тяги и скорость движения невозможно, не увеличив мощность тяговых двигателей электровозов. Но дальнейшее повышение их мощности осуществлять все трудней и трудней. Этому препятствуют прежде всего размеры тягового двигателя: длина его ограничена расстоянием между бандажами колесных пар, диаметр - расстоянием между осью колесной пары и валом двигателя - централью Ц (см. рис. 3) . До сих пор при наличии жестких габаритных ограничений размеров двигателей мощность их повышали, применяя более теплостойкие изоляционные материалы, усиливая охлаждение, увеличивая число пар полюсов, применяя компенсационную обмотку, выбирая оптимальное напряжение для тяговых двигателей электровозов переменного тока.

С повышением мощности двигателей все напряженнее работает коллекторно-щеточный узел. Его состоянием в значительной мере определяется продолжительность работы электровоза между осмотрами и ремонтами. Повышение мощности коллекторных тяговых двигателей не способствует увеличению их надежности и к. п. д. Поэтому вполне понятно стремление создать мощный бесколлекторный тяговый двигатель.

Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями. На протяжении всей истории создания и совершенствования электровозов не раз пытались использовать на них самый простой и дешевый асинхронный двигатель. До недавнего времени этого не удавалось сделать, так как частоту его вращения можно экономично регулировать только изменением частоты питающего тока. Применяемые ранее с этой целью электромашинные преобразователи были тяжелыми и громоздкими. Появление тиристоров открыло путь для создания легкого и надежного преобразователя частоты.

Устройство асинхронного тягового двигателя, как отмечалось, несложно. Он имеет неподвижный статор и вращающийся ротор (рис. 126). Различают асинхронные двигатели с короткозамк-нутым ротором и с фазовым ротором. В качестве тяговых используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Сердечник такого ротора, как и статора, собирают из листов электротехнической стали. Обмотка ротора состоит из медных стержней, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с торцов кольцами. Обмотка представляет собой так называемое «беличье колесо». В пазах статора уложены три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°. Эти обмотки обычно соединяют «звездой» (рис. 126, а) . При включении обмоток в трехфазную цепь по каждой из них проходит переменный ток и создается три переменных магнитных потока. Потоки, складываясь, образуют результирующий поток, вращающийся с частотой 3000 об/мин при одной паре полюсов на каждую фазу. Вращающийся магнитный поток статора двигателя, пересекая обмотку ротора, наводит в ней э. д. с. Под действием э. д. с. в обмотке ротора проходит ток, создающий собственный магнитный поток. Магнитные потоки статора и ротора взаимодействуют, в результате чего ротор начинает вращаться.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного потока статора, иначе силовые линии не пересекали бы обмотку ротора. Разность этих частот вращения называется скольжением. Увеличивая число пар полюсов, можно получить другие частоты вращения магнитного потока: 1500, 1000, 750 об/мин и т. д. Частота вращения ротора будет несколько меньше этих значений.

Обычно скольжение составляет 1 - 3% синхронной частоты. Следовательно, если изменять частоту питающего напряжения в широких пределах и тем самым синхронную частоту, вместе с ней будет изменяться и частота вращения ротора. Но, помимо частоты, необходимо регулировать и напряжение, подводимое к асинхронному двигателю, для того, чтобы получить тяговую характеристику, примерно такую, как при использовании двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование напряжения осуществляется, как и на отечественных электровозах переменного тока, переключением вторичной обмотки тягового трансформатора с помощью главного контроллера ГК (рис. 127) ступенями. Затем в выпрямительной установке В напряжение выпрямляется и подается на инвертор И. В выпрямителе осуществляется плавное регулирование напряжения, подводимого к инвертору И.

Открывая и закрывая тиристоры инвертора в определенной последовательности, получают трехфазное напряжение, которое подводится к обмотке статора асинхронного двигателя АД. Напомним, что к обычным асинхронным двигателям подводится переменное трехфазное напряжение, а следовательно, и ток, изменяющийся синусоидально. При этом каждая фаза питающего напряжения сдвинута относительно другой на 120° эл., как показано на рис. 128. Для наглядности изменение напряжения каждой фазы показано на отдельных осях. При формировании трехфазного напряжения на электровозе с асинхронными двигателями тиристоры инвертора создают напряжение ступенчатой формы в каждой фазе. Частота напряжения, подводимого к асинхронному двигателю, регулируется изменением частоты переключения этих тиристоров.

В инверторе предусмотрено специальное устройство, надежно восстанавливающее управляющие свойства тиристоров при срыве инвертирования. Реверсирование тяговых двигателей осуществляют, переключая цепи управления тиристоров инвертора, так как для изменения направления вращения асинхронного двигателя достаточно поменять местами любые две подводимые фазы питающего напряжения.

На основе разработок научно-исследовательских и учебных институтов на Новочеркасском электровозостроительном заводе построен электровоз переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями ВЛ80а на базе электровоза ВЛ80К. Мощность каждого тягового двигателя составляет 1200 кВт, т. е. в 1,5 раза больше, чем коллекторного двигателя электровоза ВЛ80К. Один из вариантов (12-осный, мощность часового режима 11400 кВт) электровоза с асинхронными тяговыми двигателями получил обозначение ВЛ86. Он разработан в содружестве с финской фирмой «Стрёмберг».

Электровозы с вентильными синхронными двигателями. В качестве бесколлекторных тяговых двигателей на электровозе можно использовать и синхронные двигатели со статическими (вентильными) преобразователями - так называемые вентильные двигатели.

Поясним принцип работы вентильного двигателя. На его статоре расположена трехфазная обмотка, а на роторе - обмотка возбуждения постоянного тока (рис. 129). Начало и конец обмотки возбуждения соединены с двумя кольцами, электрически изолированными одно от другого. Фазные обмотки статора соединены в «звезду»; начала их подключены к преобразователю - инвертору И (или источнику постоянного тока). Инвертор И питается от выпрямителя В, подключенного к вторичной обмотке тягового трансформатора. Если, например, в какой-либо момент времени открыты тиристоры К5 и У85 инвертора, ток от выпрямителя В пройдет через тиристор У81, обмотки статора 1 и 2, тиристор Ув5, обмотку возбуждения ОВ и возвратится в выпрямитель. При указанном стрелками направлении тока в обмотках 1, 2 и обмотке возбуждения результирующий магнитный поток статора, взаимодействуя с потоком обмотки возбуждения, создаст вращающий момент, и ротор повернется по часовой стрелке. Переключая в определенном порядке выводы статорной обмотки, можно обеспечить непрерывное вращение ротора.

Таким образом, по принципу действия вентильный двигатель подобен машине постоянного тока, у которой коллектор заменен системой силовых управляемых вентилей инверторной установки. В отличие от двигателя постоянного тока вентильный двигатель имеет только три коммутируемых вывода при трехфазной обмотке вместо нескольких сотен коллекторных пластин. Кроме того, обмотка возбуждения в вентильном двигателе стала подвижной, а якорь - неподвижным. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами - до нескольких тысяч вольт. Напомним, что обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30-32 В (максимальное допустимое 37-42 В). Переключение выводов статорной обмотки в необходимой очередности и соответственно изменение положения ротора осуществляет система управления, имеющая специальный датчик положения ротора.

Вентильный двигатель является многофазной машиной, обмотка якоря которой питается от преобразователя, управляемого синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуждения. Таким образом, вентильный двигатель состоит из электрической машины, вентильного преобразователя и связывающей их системы управления.

Новочеркасским электровозостроительным заводом первоначально был построен опытный образец восьмиосного грузового электровоза ВЛ80В с вентильными тяговыми двигателями. После испытания его была выпущена небольшая партия подобных электровозов для эксплуатационных испытаний. Электровозы оборудованы системой автоматического управления, действующей в режимах тяги и электрического торможения. На электровозе применено независимое возбуждение вентильных двигателей от выпрямителей-возбудителей, изменяющих ток возбуждения пропорционально току обмотки якоря двигателя. Ротор двигателя имеет шесть полюсов, ток к обмотке возбуждения подводится через два кольца и щетки.

Частота вращения двигателя регулируется изменением подводимого напряжения. Напряжение вторичной обмотки, а следовательно, и выпрямителя регулируется примерно так же, как и на электровозах переменного тока с коллекторными двигателями. Исключено только встречное включение регулируемой и нерегулируемой обмоток трансформатора и несколько повышено их напряжение. После того как к двигателям будет подведено номинальное напряжение, дальнейшее увеличение скорости осуществляется регулированием магнитного потока возбуждения.

На опытных электровозах ВЛ80 схема выпрямления и преобразования тока несколько отличается от изображенной на рис. 129. На рис. 129 показаны отдельно выпрямитель В и инвертор Я, т. е. приведена так называемая схема с явным звеном постоянного тока. На электровозе ВЛ808 выпрямитель и инвертор совмещены.

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

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»

Учебное пособие
Главы 1 - 7

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

1.
2.
3.
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.
5.
6.
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.
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.

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 .

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.

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).

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).

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. 3.7. Втулка якоря

Если диаметр якоря меньше 350 мм (Д Я 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).

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).

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).

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.

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.

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 . 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

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).

где V 1 – 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).

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.

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

Тип изоляции	Класс нагревостойкости В, F	Класс нагревостойкости Н
Витковая изоляция	ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл ЛСЭП-934-ТПл Элмикатерм 524019	Провод ПСДКТ Провод ППИПК-2 ПМ-40
Корпусная изоляция катушек	ЛСЭК-5-ТПл ЛСК-110-ТПл Элмикатерм 524019 ЛСЭП-934-ТПл ЛСУ ЛСМ	ЛСПМ ЛСК-СС ЛИКО-ТТ
Пазовая изоляция: – пазовая коробка – клин пазовый	Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616 СТЭФ	Имидофлекс 292 Синтофлекс 818 СТ-ЭТФ
Межламельная изоляция коллектора	КИФЭ, КИФЭ-А Элмикапласт 1440	КИФЭ-Н, КИФК Элмикапласт 1440
Коллекторные манжеты	Элмикаформ 323 Пл	Элмикаформ 325, 325 ПМ, ФИФК-ТПл
Бандаж	ЛСБЭ-155	ЛСБЭ-180
Межслойная изоляция	Элмика 423 СТЭФ	Элмика 425
Пропиточные составы	ФЛ-98, МЛ-92, ПЭ-933 Компаунд эпоксидно-ангидридный Компаунд полиэфирный	КО-916, Компаунд полиэфиримидный

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Катушки главного и добавочного полюсов

СТАТОРНАЯ ОБМОТКА: Компенсационная катушка

Тип изоляции	Класс нагревостойкости В, F	Класс нагревостойкости Н
Витковая изоляция	ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019	ПМ-40
Корпусная изоляция	ЛСК-110-ТПл ЛСЭК-5-ТПл Элмикатерм 524019	ПМ-4040
Пазовая изоляция	Изофлекс 191 Синтофлекс 515 Синтофлекс 616	Имидофлекс 292 Синтофлекс 818

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.

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

Магнитной характеристикой машины называют зависимость магнитного потока Ф от магнитно-движущей силы (мдс) F катушки главного полюса или пропорционального от тока возбуждения в Ι (часто вместо в Ф f I) используют зависимости

С п Ф = f Ι в

(6.1)

С v Ф = f Ι в

(6.2)

где 60 n p C а; 1000 60 v n б С С Д;
n С – конструкционная постоянная машины;
p – число пар полюсов;
а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
N – число проводников обмотки якоря;
– передаточное отношение тяговой передачи;
б Д – диаметр бандажа.

Нагрузочная характеристика – это зависимость Ф f F или в Ф f при различных в I , но постоянных я I . Эти кривые учитывают размагничивающее действие я I . Магнитные характеристики получают при расчете магнитной цепи машины.

Для 4-полюсного тягового двигателя без компенсационной обмотки магнитная цепь имеет вид, показанный на рис. 6.1.

Магнитная характеристика при холостом ходе машины определяется несколькими значениями магнитного потока, который может быть определен следующим:

где к U – напряжение на коллекторе;
н n – частота вращения в номинальном режиме. Обычно задается или определяется исходя из эксплуатационной необходимости.

Намагничивающую силу катушки главного полюса находят суммированием всех магнитных напряжений по участкам магнитной цепи. Индукция на участках

где Si – сечение отдельных участков магнитной цепи. Следует учитывать, что магнитный поток сердечника полюса и остова определяется как

Ф" = σФ , (6.5)

где – коэффициент рассеяния магнитного потока главных полюсов.

Сечения участков магнитной цепи можно определить следующим образом: воздушного зазора

S = α τ l я , (6.6)

где – коэффициент полюсного перекрытия;
я – длина якоря;
– полюсное деление

Рис. 6.1. Эскиз магнитной цепи тягового двигателя

остова
при я l 0 0 я S h ; (6.8)

при я 0 0 2 я S h ; (6.9)

где 0 h – толщина остова;
зубцов якоря

1/3 / 2 z ия я S К Z Z р, (6.10)

где ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
1/3 Z – ширина зубцов на 1/3 их высоты; ;
Z – число зубцов. сердечника якоря

0,5 2 2 0,65 я я z i вр в я ия S Д h Д n d К, (6.11)

где я Д – диаметр якоря;
z h – высота зубцов;
i Д – внутренний диаметр пакета якоря;
вр n – количество рядов вентиляционных каналов;
в d – диаметр канала;

сердечника полюса

m я ип S в К, (6.12)

где m в – ширина сердечника полюса;
ип К – коэффициент заполнения сердечника полюса сталью.

Если у машины есть компенсационная обмотка, то площадь сечения зубцов

zko zko ко я ип S в Z К, (6.13)

где zko в – ширина зубца компенсационной обмотки;
ко Z – число зубцов на полюсе.

Падение напряжения в воздушном зазоре

8 в в в F В К, (6.14)

где – эквивалентный воздушный зазор; ;
в В – индукция в воздушном зазоре;
в К – коэффициент воздушного зазора (учитывает зубчатую структуру якоря)

где 1 t – зубцовое деление якоря;
1 Z – ширина зубца по окружности якоря.

У машин с компенсационной обмоткой

10 10 ко в в zko t К К в. (6.16)

Имея значение магнитной индукции для соответствующей стали, можно определить значения i Н напряженности магнитного поля.
Падение напряжения на стальных участках магнитной цепи

i i i F Н L , (6.17)

где i Н – напряженность магнитного поля на ом i участке магнитной цепи;
i L – длина силовых линий на этом участке магнитной цепи.

Из-за дополнительного воздушного зазора между полюсом и остовом возникает дополнительное падение магнитного напряжения

0,8 mo m F В, (6.18)

где m В – индукция в сердечнике полюса.

o o o m m zko zko z z я я в mo F Н L Н L H h Н h Н L F F (6.19)

для расчета характеристики Ф f F .

Необходимо проделать расчеты для различных значений магнитного потока (0,5Ф; 0,25Ф и т. д.).

При расчете двигателей последовательного возбуждения

/ в o в I I F , (6.20)

где в – число витков обмотки возбуждения.

По току якоря можно определить реакцию якоря и затем зависимость Ф f F при нагрузке

o ря ря F F K F , (6.21)

где ря К – коэффициент размагничивания якоря (получают опытным путем).

Кривая намагничивания показана на рис. 6.2. F Ф в I

Характеристика намагничивания является как бы базовой, служащей основанием для расчета всех остальных (эксплуатационных) рабочих характеристик двигателей.

6.3. Рабочие характеристики двигателей

Рабочие характеристики двигателей делятся:
- на электромеханические;
- электротяговые;
- тяговые;
- мощности.

Электромеханические характеристики – зависимость частоты вращения n, вращающего момента M и коэффициента полезного действия от тока I .

Электротяговые характеристики – это зависимости скорости движения локомотива V, касательной силы тяги F и кпд 0 на ободе движущих колес от I (тока).

Тяговой характеристикой называют зависимость силы тяги двигателя (или локомотива) от скорости движения локомотива.

Характеристикой мощности называют зависимости мощности от скорости движения локомотива.

6.3.1. Электромеханические характеристики

Частота вращения двигателя определяется по формуле

к д n U I r n С Ф, (6.22)

где д r – сопротивление цепи тока тягового двигателя. Электромагнитный вращающий момент может быть получен из уравнения электромагнитной мощности

э n E Р Е I С Фn I или / 0,974 э э Р M n ; (6.23)

Мэ 0,974 Сn . (6.24)

Часть момента тратится на преодоление внутренних сил сопротивления

0,974 / мех маг в M Р Р Р n , (6.25)

где мех Р – механические потери; маг Р – потери на перемагничивание в стали; в Р – потери на вентиляцию.

Вращающий момент на валу двигателя

0,974 / э n мех маг в М М М С Ф I Р Р Р n . (6.26)

6.3.2. Электротяговые характеристики

Скоростная характеристика получается из зависимости n f I путем несложных пересчетов:

к д v U I r V С Ф, (6.26 а)

0,188 n v б C C Д. (6.27)

где к U – напряжение на коллекторе;
I – ток двигателя;
д r – сопротивление всех обмоток;
v С – конструкционная постоянная колесно-моторного блока;
Ф – магнитный поток;
– передаточное отношение;
б Д – диаметр бандажа.

Касательная сила тяги на ободе колеса

3 2 / к б F М Д, (6.28)

где 3 – кпд зубчатой передачи;
б Д – диаметр бандажа колеса.

6.4. Коэффициент полезного действия и потери в двигателе

Потери в тяговых двигателях (как и вообще в электрических машинах) складываются из электрических э Р, магнитных маг Р, добавочных д Р и механических мех Р

дв э маг мех доб Р Р Р Р Р Р. (6.29)

Естественно, что для расчета этих потерь необходимо определить все соответствующие приведенной формулы.

Электрические потери

2 э д щ Р I r I U , (6.30)

где д r – сопротивление всех обмоток двигателя;
Uщ – падение напряжения в щёточных контактах (обычно 2…3 В).

Магнитные потери возникают при перемагничивании сердечника якоря. Их определяют по удельным потерям в зубцах и теле якоря

маг с z z я я Р К р m р m , (6.31)

где с К – коэффициент магнитных потерь в стали якоря.

Это эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение потерь в стали из-за неидеальности шихтовки, наклепа при штамповке и добавочных потерь холостого хода:

1,5/50 0,8 с К р, (6.32)

где 1,5/50 р – удельные потери в электротехнической стали при индукции 1,5 ТЛ и частоте 50 Гц (Вт/кг); я m – масса стали ярма якоря; z m – масса стали зубцового слоя якоря; я р – удельные магнитные потери в ярме якоря; я р – удельные магнитные потери в зубцовом слое якоря.

Масса ярма (или тела) якоря определяется по формуле

2 2 2 2 4 я я п i к к ия я с m Д h Д m d К, (6.33)

где hп – высота паза якоря;
i Д – диаметр отверстия под втулку, на которую набирается сердечник якоря;
к m – количество вентиляционных каналов;
к d – диаметр вентиляционных каналов;
ия К – коэффициент заполнения пакета якоря сталью;
я – длина якоря;
я = 7850 кг/м3 – плотность.

Аналогично определяется масса зубцового слоя

z я п п п я uя с m Д h Z в h К, (6.34)

где Z – число зубцов якоря; п в – ширина паза якоря, м.

Удельные потери в ярме якоря определяются по формуле

2 2 0,044 5,6 0,01 я я я z р f f В (6.35)

и в зубцах

2 2 0,044 5,6 0,01 z я я z р f f В, (6.36)

где я f – частота перемагничивания якоря;

60 я р n f , (6.37)

где р – число пар полюсов; n – частота вращения.

Механические потери в двигателе зависят от следующих факторов:
- потери на трение в якорных подшипниках;
- потери на трение щеток о коллектор;
- потери на трение о воздух и вентиляцию при самовентиляции.
Потери на трение в якорных подшипниках качения составляют примерно 0,2 % от часовой мощности тягового двигателя, КВт,

0,002 пч ч Р Р. (6.38)

Вторые, из перечисленного списка, потери зависят от силы трения щеток о коллектор, а также от скорости вращения, и определяются как

тщ щ щ щ F f р S , (6.39)

где 0,25...0,29 щ f – коэффициент трения щеток о коллектор; щ S – общая площадь щеток; щ р – давление щеток на коллектор.

Тогда потери имеют вид:

9,81 тщ тщ кч Р F V , (6.40)

где Vкч – линейная скорость коллектора. Это потери при часовом режиме.

В случае изменения режима, а также при построении характеристик кпд, потери в подшипниках и от трения щеток о коллектор будут определяться по формуле

п тщ пч тщч ч n P Р Р Р n , (6.41)

где n, ч n – частоты вращения в заданном и часовом режимах.

В случае самовентиляции возникают дополнительные потери, вызванные сопротивлением воздуха

9,81 / вн в Р QH , (6.42)

где Q – расход воздуха м3/с;
Н – напор кг·с/м2;
в – кпд вентилятора.

К добавочным потерям д Р обычно относят потери, связанные с вихревыми токами в меди обмотки якоря. Вызваны они, как правило, искажением магнитного поля реакции якоря.

Есть несколько способов определения добавочных потерь. Самый простой из них – это определение потерь в процентном отношении от магнитных потерь по диаграмме (рис. 6.3).

Таким образом, имея потери в двигателе, можно определить кпд, отнесенный к валу двигателя, как

1 к дв дв к к U I Р Р U I U I . (6.43)

Если машина в генераторном режиме

1 1 к к дв дв к U I U I Р Р U I . (6.44)

Кпд, отнесенный к ободам движущей колесной пары,

где 3 – кпд зубчатой передачи. Обычно 3 определяется по диаграмме в функции от мощности.

Таким образом, определяются зависимости, описывающие электромеханические и электротяговые характеристики. Вид этих характеристик при- веден на рис. 6.4.

Осталось определить тяговую характеристику, т. е. зависимость

к F f V . 39 V, FK I FK V 0

Рис. 6.4. Общий вид электромеханических и электротяговых характеристик электродвигателя

При заданной скорости движения силу тяги можно определить, используя уравнения мощности, реализуемой на ободе колеса

/ 0,367 к к Р F V , (6.46)

так как к к о Р U I , то

0,367 / к к о F U I V . (6.47)

7. ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ
РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В условиях эксплуатации необходимо непрерывно менять режимы работы двигателя, поддерживая ток и силу тяги в допустимых или в необходимых пределах. Это же можно сказать и о скорости.
Для того чтобы было наглядно видно, какие из параметров тягового двигателя можно регулировать, запишем ещё раз формулу для расчета скорости

(7.1)

Из этого уравнения видно, что регулировать скорость можно изменением напряжения на коллекторе, изменением тока и магнитного потока.

Допустим, что формула записана для одного значения скорости V 1 и напряжения U к1 тогда если напряжение стало U к2 , то характеристику скоростную можно пересчитать по формуле

(7.2)

На электровозах переменного тока применяют либо ступенчатое регулирование напряжения за счет секционирования обмотки трансформатора ВЛ80к либо плавное регулирование – с использованием тиристорных регуляторов ВЛ80р, ВЛ85, 2(3)ЭС5К.

На электровозах постоянного тока обычно используют два способа регулирования напряжения. Это переключение числа последовательно включенных двигателей, т. е. изменение так называемой группировки двигателей С, СП, П, либо включение в цепь двигателей пусковых реостатов, снижение за счет падения напряжения на них и напряжения на тяговых двигателях.
При этом напряжение на двигателе можно определить как

(7.3)

где U с – напряжение контактной сети;
n с – число, последовательно включенных двигателей в сети;
m – число параллельных двигателей;
R n – сопротивление пускового реостата.

Тогда скорость при включении сопротивления будет определяться как

(7.4)

Как уже отмечалось, можно регулировать скорость и с помощью изменения магнитного потока. Достигается это несколькими способами:
1) секционированием катушек главных полюсов;
2) изменением тока возбуждения (при независимом возбуждении);
3) шунтированием обмотки возбуждения резистором.

Первый способ очень дорог и не удобен, так как для его реализации требуется усложнение конструкции машины.

Второй – не реализуется у двигателей последовательного возбуждения.

Третий способ самый распространенный. Обмотка возбуждения шунтируется резистором и индуктивным шунтом, включенным с ним последовательно. Шунт ставят для защиты двигателей от резких бросков напряжения. Его наличие позволяет относительно плавно изменяться току в двигателе при бросках напряжения.

Степень регулирования оценивается коэффициентом возбуждения β :

где I ов, I nв – ток в обмотке при ослабленном и полном возбуждении.

Для получения скоростных характеристик при ослабленном возбуждении обычно используют метод, основанный на примерном равенстве магнитных потоков при одинаковой скорости движения в случае полного и ослабленного возбуждения (рис. 7.1).

Получение зависимости силы тяги от тока при ослабленном возбуждении (рис. 7.2) основано на том, что при токах I nв и I ов магнитные потоки приблизительно равны Ф ов ≈ Ф nв:

(7.6)

Степень ослабления поля зависит от допустимого межламельного напряжения. У машин с компенсационной обмоткой β max = 0,2...0,4 .
Регулировочные свойства машины принято оценивать коэффициентом регулируемости:

К р = К н β max -1 , (7.7)

где К н = 1,6…2 – коэффициент насыщения. Обычно у современных двигателей.

Давыдов Ю.А.
Тяговые электрические машины. Учебное пособие
Хабаровск. Издательство ДВГУПС. 2013