Устройство тягового двигателя

Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: якорь, щеткодержатели и щетки, остов, полюса, подшипниковые щиты (рис. 15). Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределены условиями их работы. Размеры тягового двигателя ограничены габаритом - предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске и ударам при прохождении колесных пар по неровностям пути, работают при температуре окружающей среды от +40 до -50°С, в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Очень трудно предотвратить проникновение в них пыли, влаги, снега.

Рис. 15. Разрез тягового двигателя электровоза постоянного тока

Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких сложных условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.

Якорь. У тягового двигателя якорь (рис. 16, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.

Рис. 16. Якорь тягового двигателя

Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 16, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.

Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем индуктируются э. д. с. Значения этих э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения. Под действием разности э. д. с., наведенных в сердечнике, возникают токи, которые называют вихревыми. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть очень значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.

Избежать разности наведенных э. д. с. при вращательном движении якоря невозможно. Остается одно - увеличить электрическое сопротивление сердечника. Собирая сердечник из отдельных листов толщиной 0,5-0,3 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малым сечением и, следовательно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее 1-1,5% кремния.

В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.

Валы якорей тяговых двигателей изготовляют из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять "уставшие" валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.

Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны располагаться один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.

Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, тем самым образуя обмотку якоря. Таким образом, обмотка составляется из отдельных витков, называемых секциями.

Современные электрические машины постоянного тока, в том числе и тяговые двигатели, обычно делают многополюсными, т. е. они имеют не одну, а две, три и более пар полюсов. При этом проводники обмотки якоря электрической машины постоянного тока могут быть соединены двумя способами и в зависимости от этого получают обмотки двух типов - петлевую и волновую.

Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюсы электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.

Для получения петлевой обмотки (рис. 17, а) начало проводника 1 присоединяют к коллекторной пластине 1', а конец его соединяют с началом проводника 2. Конец проводника 2 присоединяют к пластине 2'. Проводники 1 и 2 образуют одну секцию, имеющую форму петли. Поэтому обмотка и получила название петлевой. Далее начало проводника 3 соединяют с пластиной 2', а конец - с проводником 4 и т. д., пока обмотка не замкнется, т. е. пока последний проводник не соединится с коллекторной пластиной 1'.

Рис. 17. Петлевая (а) и волновая (б) обмотки якоря

При волновой обмотке (рис. 17, б) начало проводника 7, расположенного под северным полюсом первой пары полюсов, присоединяют к коллекторной пластине 1', а конец - к проводнику 2, как и в петлевой обмотке. Но затем, в отличие от петлевой обмотки, конец проводника 2 через соответствующую коллекторную пластину 2', расположенную уже не рядом с пластиной 1', соединяют с проводником 3, находящимся под северным полюсом следующей пары полюсов. Проводник 3 соединяют с проводником 4, расположенным под южным полюсом той же пары полюсов, и через коллекторную пластину с проводником 5, находящимся под северным полюсом первой пары полюсов, и так до тех пор, пока обмотка не замкнется. Секция обмотки этого типа имеет форму волны, вследствие чего она и получила название волновой. В отличие от петлевой обмотки концы секции волновой обмотки присоединяют к несмежным коллекторным пластинам.

В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку. В настоящее время в тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник (см. рис. 16, б). В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую - в нижнюю часть другого. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секции. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что упрощает технологию их изготовления.

Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря обмотка под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандажи на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы (рис. 18).

Рис. 18. Клиновое крепление обмотки

Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления. Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, а поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях, Но при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.

В настоящее время применяют бандажи из стеклоленты, пропитанной клеющими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.

Производство новых электроизоляционных материалов высокой прочности позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якоря, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность. Это снижает стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.

Лобовые соединения обмотки крепят только бандажами.

Коллектор (рис. 19) - одно из основных и наиболее ответственных устройств тягового двигателя постоянного тока. Коллектор наиболее нагружен в электрическом отношении и условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Диаметр коллектора современных тяговых двигателей достигает 1000 мм, а количество пластин превышает 600.

Рис. 19. Коллектор тягового двигателя

Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической прочностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.

В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого ласточкиного хвоста. Ласточкины хвосты пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми, болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно. Ведь к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти из очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя.

То же самое произойдет при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.

От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.

Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора углубляют - продороживают коллектор.

Щетки и щеткодержатели. Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя.

Щетки для тяговых двигателей изготовляют из сажи, кокса, антрацита, превращающихся при нагреве в электрической печи в искусственный графит. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износостойкими.

Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию двигателей. Однако, если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетки удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза и увеличение длины коллектора вызвало бы необходимость уменьшить длину сердечника якоря и проводников обмотки, что в свою очередь привело бы к снижению мощности двигателя.

Щеткодержатель (рис. 20) состоит из корпуса и кронштейна. Корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.

Рис. 20. Щеткодержатель тягового двигателя

Щетки прижимаются к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.

Остов. У тягового двигателя остов (рис. 21) одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюсы. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.

Рис. 21. Остов тягового двигателя

В магнитной системе тяговых двигателей, установленных на электровозах переменного тока, пульсирующий выпрямленный ток вызывает дополнительные потери. Чтобы снизить их, в массивный остов часто впрессовывают вставку, набранную, подобно якорю, из отдельных листов.

Остову в поперечном сечении придают почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяет уменьшить объем двигателя, что очень важно для размещения его на электровозе. Иногда остовы делают восьмигранного или круглого сечения. Это позволяет уменьшить массу двигателя, но зато возрастает занимаемый им объем. Остов имеет горловины, через которые в нем устанавливают полюсы, якорь и другие детали; предусмотрены в остове также окна для подвода и отвода охлаждающего воздуха. В процессе эксплуатации электровоза необходимо периодически проверять состояние коллектора. Для этого в остове имеются смотровые люки, надежно закрываемые крышками.

Подшипниковые щиты. Ими плотно закрывают горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В настоящее время применяют только роликовые подшипники качения, более надежные, чем шариковые, и подшипники трения скольжения. Роликовые подшипники не требуют частого пополнения смазки и постоянного ухода.

При вращении вала тягового двигателя смазка может выбрасываться из подшипников. Чтобы избежать этого, на валу устанавливают специальные устройства, предупреждающие разбрызгивание и выбрасывание смазки - лабиринтные маслоуплотнители. Подшипниковые щиты предотвращают загрязнение частей двигателя и проникновение в него влаги.

Главные полюсы. Они представляют собой сердечники, на которые надеты катушки (рис. 22). Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Но зачем это делать? Ведь по катушке сердечника проходит постоянный ток, который создает постоянный магнитный поток, а сам сердечник неподвижен и, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы так, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности, зубцы и впадины его сердечника, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока. Из-за этого в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали.

Рис. 22. Главный полюс тягового двигателя

Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику придают довольно сложную форму. Сердечник такой формы проще выполнить, набирая его из отдельных листов стали.

Тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две или три пары главных полюсов, а на электровозах переменного тока - три пары полюсов.

Дополнительные полюсы. Как и главные, они состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с., сравнительно невелик. Поэтому дополнительные полюсы делают меньшего размера, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными. В тяговых двигателях с впрессованными вставками сердечники дополнительных полюсов штампуют заодно с листами, из которых собирают вставку.

Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов равно числу главных.

Остов, главные и дополнительные полюсы образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает усиление магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.

Электрическая изоляция. Изоляция играет важную роль в обеспечении надежной работы любого электрического устройства, в том числе и тяговых двигателей.

Изоляция тяговых двигателей подвергается значительному нагреву, воздействию влаги, перенапряжений, вибрации. Поэтому она должна обладать достаточной электрической и механической прочностью, быть нагрево- и влагостойкой. Нагревостойкость - один из решающих показателей качества изоляции. В зависимости от нагревостойкости все электроизоляционные материалы делят на классы. Класс изоляции обозначается буквами латинского алфавита. В соответствии с ГОСТ 2582-72 ("Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические требования") в тяговых машинах используют изоляцию пяти классов (А, Е, В, F, Н).

Применение изоляции высокого класса повышает надежность тягового двигателя, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность, допускать более высокие температуры нагрева его частей.

Что же изолируют в тяговых двигателях? Прежде всего обмотку якоря. Параллельные проводники одной секции изолируют один от другого. Кроме того, секции изолируют друг от друга, а также относительно сердечника якоря (корпусная или главная изоляция, рис. 23). В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и выводные концы, изолируют также всю катушку относительно остова двигателя (корпусная или главная изоляция).

Рис. 23. Изоляция секции

Кронштейны щеткодержателей изолируют с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 20). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и друг от друга выполняют так, как показано на рис. 19.