Электрические машины, преобразующие электрическую энергию переменного тока в механическую энергию, называются электродвигателями переменного тока.
В промышленности наибольшее распространение получили асинхронные двигатели трехфазного тока. Рассмотрим устройство и принцип действия этих двигателей.
Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля.
Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт.
Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за ручку. Между полюсами магнита расположим на оси медный цилиндр, могущий свободно вращаться.
Рисунок 1. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля
Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр.
В цилиндре, по закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное магнитное поле — поле цилиндра.
Это поле будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.
Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля магнита.
Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи, вызывающие вращение цилиндра.
Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна скорости вращения магнита, а скорость вращения цилиндра — асинхронной (несинхронной). Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра (ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину, называемую скольжением.
Обозначив скорость вращения ротора через n1 и скорость вращения поля через n мы можем подсчитать величину скольжения в процентах по формуле:
s = (n — n1) / n.
В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще не является электродвигателем.
Надо заставить электрический ток создавать вращающееся магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще разрешил М. О. Доливо-Добровольский.
Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.
Устройство асинхронного электродвигателя М. О. Доливо-Добровольского
Рисунок 2. Схема асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского
На полюсах железного сердечника кольцевой формы, называемого статором электродвигателя, помещены три обмотки, сети трехфазного тока 0 расположенные одна относительно другой под углом 120°.
Внутри сердечника укреплен на оси металлический цилиндр, называемый ротором электродвигателя.
Если обмотки соединить между собой так, как показано на рисунке, и подключить их к сети трехфазного тока, то общий магнитный поток, создаваемый тремя полюсами, окажется вращающимся.
На рисунке 3 показан график изменения токов в обмотках двигателя и процесс возникновения вращающегося магнитного поля.
Рассмотрим — подробнее этот процесс.
Рисунок 3. Получение вращающегося магнитного поля
В положении «А» на графике ток в первой фазе равен нулю, во второй фазе он отрицателен, а в третьей положителен. Ток по катушкам полюсов потечет в направлении, указанном на рисунке стрелками.
Определив по правилу правой руки направление созданного током магнитного потока, мы убедимся, что на внутреннем конце полюса (обращенном к ротору) третьей катушки будет создан южный полюс (Ю), а на полюсе второй катушки — северный полюс (С). Суммарный магнитный поток будет направлен от полюса второй катушки через ротор к полюсу третьей катушки.
В положении «Б» на графике ток во второй фазе равен нулю, в первой фазе он положителен, а в третьей отрицателен. Ток, протекая по катушкам полюсов, создает на конце первой катушки южный полюс (Ю), на конце третьей катушки северный полюс (С). Суммарный магнитный поток теперь будет направлен от третьего полюса через ротор к первому полюсу, т. е. полюсы при этом переместятся на 120°.
В положении «В» на графике ток в третьей фазе равен нулю, во второй фазе он положителен, а в первой отрицателен.
Теперь ток, протекая по первой и второй катушкам, создаст на конце полюса первой катушки — северный полюс (С), а на конце полюса второй катушки — южный полюс (Ю), т. е.
полярность суммарного магнитного поля переместится еще на 120°. В положении «Г» на графике магнитное поле переместится еще на 120°.
Таким образом, суммарный магнитный поток будет менять свое направление с изменением направления тока в обмотках статора (полюсов).
При этом за один период изменения тока в обмотках магнитный поток сделает полный оборот. Вращающийся магнитный поток будет увлекать за собой цилиндр, и мы получим таким образом асинхронный электродвигатель.
Напомним, что на рисунке 3 обмотки статора соединены «звездой», однако вращающееся магнитное поле образуется и при соединении их «треугольником».
Если мы поменяем местами обмотки второй и третьей фаз, то магнитный поток изменит направление своего вращения на обратное.
Такого же результата можно добиться, не меняя местами обмотки статора, а направляя ток второй фазы сети в третью фазу статора, а третью фазу сети — во вторую фазу статора.
Таким образом, изменить направление вращения магнитного поля можно переключением двух любых фаз.
Мы рассмотрели устройство асинхронного двигателя, имеющего на статоре три обмотки. В этом случае вращающееся магнитное поле двухполюсное и число его оборотов в одну секунду равно числу периодов изменения тока в одну секунду.
Если на статоре разместить по окружности шесть обмоток, то будет создано четырехполюсное вращающееся магнитное поле. При девяти обмотках поле будет шестиполюсным.
При частоте трехфазного тока f, равной 50 периодам в секунду, или 3000 в минуту, число оборотов n вращающегося поля в минуту будет:
при двухполюсном статоре n = (50 х 60) / 1 = 3000 об/мин,
при четырехполюсном статоре n = (50 х 60) / 2 = 1500 об/мин,
при шестиполюсном статоре n = (50 х 60) / 3 = 1000 об/мин,
при числе пар полюсов статора, равном p: n = (f х 60) / p,
Итак, мы установили скорость вращения магнитного поля и зависимость ее от числа обмоток на статоре двигателя.
Ротор же двигателя будет, как нам известно, несколько отставать в своем вращении.
Однако отставание ротора очень небольшое. Так, например, при холостом ходе двигателя разность скоростей составляет всего 3%, а при нагрузке 5 — 7%. Следовательно, обороты асинхронного двигателя при изменении нагрузки изменяются в очень небольших пределах, что является одним из его достоинств.
Рассмотрим теперь устройство асинхронных электродвигателей
Асинхронный электродвигатель в разобранном виде: а) статор; б) ротор в короткозамкнутом исполнении; в) ротор в фазном исполнении (1 — станина; 2 — сердечник из штампованных стальных листов; 3 — обмотка; 4 — вал; 5 — контактные кольца)
Статор современного асинхронного электродвигателя имеет невыраженные полюсы, т. е. внутренняя поверхность статора сделана совершенно гладкой.
Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник статора набирают из тонких штампованных стальных листов. 
Собранный сердечник статора закрепляют в стальном корпусе.
В пазы статора закладывают обмотку из медной проволоки. Фазовые обмотки статора электродвигателя соединяются «звездой» или «треугольником», для чего все начала и концы обмоток выводятся на корпус — на специальный изоляционный щиток. Такое устройство статора очень удобно, так как позволяет включать его обмотки на разные стандартные напряжения.
Ротор асинхронного двигателя, подобно статору, набирается из штампованных листов стали. В пазы ротора закладывается обмотка.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные электродвигатели делятся на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором.
Обмотка короткозамкнутого ротора сделана из медных стержней, закладываемых в пазы ротора. Торцы стержней соединены при помощи медного кольца. Такая обмотка называется обмоткой типа «беличьей клетки». Заметим, что медные стержни в пазах не изолируются.
В некоторых двигателях «беличью клетку» заменяют литым ротором.
Асинхронный двигатель с фазным ротором (с контактными кольцами) применяется обычно в электродвигателях большой мощности и в тех случаях; когда необходимо, чтобы электродвигатель создавал большое усилие при трогании с места. Достигается это тем, что в обмотки фазного двигателя включается пусковой реостат.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели пускаются в ход двумя способами:
1) Непосредственным подключением трехфазного напряжения сети к статору двигателя. Этот способ самый простой и наиболее популярный.
2) Снижением напряжения, подводимого к обмоткам статора. Напряжение снижают, например, переключая обмотки статора со «звезды» на «треугольник».
Пуск двигателя в ход происходит при соединении обмоток статора «звездой», а когда ротор достигнет нормального числа оборотов, обмотки статора переключаются на соединение «треугольником».
Ток в подводящих проводах при этом способе пуска двигателя уменьшается в 3 раза по сравнению с тем током, который возник бы при пуске двигателя прямым включением в сеть с обмотками статора, соединенными «треугольником». Однако этот способ пригоден лишь в том случае, если статор рассчитан для нормальной работы при соединении его обмоток «треугольником».
Наиболее простым, дешевым и надежным является асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, но этот двигатель обладает некоторыми недостатками — малым усилием при трогании с места и большим пусковым током. Эти недостатки в значительной мере устраняются применением фазного ротора, но применение такого ротора значительно удорожает двигатель и требует пускового реостата.
Типы асинхронных электродвигателей
Основной тип асинхронных машин — трехфазный асинхронный двигатель. Он имеет три обмотки на статоре, смещенные в пространстве на 120°. Обмотки соединяются в звезду или треугольник и питаются трехфазным переменным током.
Двигатели малой мощности в большинстве случаев выполняются как двухфазные. В отличие от трехфазных двигателей они имеют на статоре две обмотки, токи в которых для создания вращающегося магнитного поля должны быть сдвинуты на угол π/2.
Если токи в обмотках равны по модулю и сдвинуты по фазе на 90°, то работа подобного двигателя ничем не будет отличаться от работы трехфазного. Однако такие двигатели с двумя обмотками на статоре в большинстве случаев питаются от однофазной сети и сдвиг, приближающийся к 90°, создается искусственным путем, обычно за счет конденсаторов.
Однофазный двигатель, имеющий только одну обмотку на статоре, практически неработоспособен. При неподвижном роторе в двигателе создается только пульсирующее магнитное поле и вращающий момент равен нулю. Правда, если ротор такой машины раскрутить до некоторой скорости, то далее она может выполнять функции двигателя.
В этом случае, хотя и будет только пульсирующее поле, но оно слагается из двух симметричных — прямого и обратного, которые создают неравные моменты — больший двигательный и меньший тормозной, возникающий за счет токов ротора повышенной частоты (скольжение относительно обратносинхронного поля больше 1).
В связи с изложенным однофазные двигатели снабжаются второй обмоткой, которая используется как пусковая. В цепь этой обмотки для создания фазового сдвига тока включают конденсаторы, емкость которых может быть достаточно велика (десятки микрофарад при мощности двигателя менее 1 кВт).
В системах управления используются двухфазные двигатели, которые иногда называют исполнительными. Они имеют две обмотки на статоре, сдвинутые в пространстве на 90°. Одна из обмоток, называемая обмоткой возбуждения, непосредственно подключается к сети 50 или 400 Гц. Вторая используется как обмотка управления.
Для создания вращающегося магнитного поля и соответствующего момента ток в обмотке управления должен быть сдвинут на угол, близкий к 90°. Регулирование скорости двигателя, как будет показано ниже, осуществляется изменением значения или фазы тока в этой обмотке. Реверс обеспечивается изменением фазы тока в управляющей обмотке на 180° (переключением обмотки).
Двухфазные двигатели изготовляются в нескольких исполнениях:
- с короткозамкнутым ротором,
- с полым немагнитным ротором,
- с полым магнитным ротором.
Линейные двигатели
Преобразование вращательного движения двигателя в поступательное движение органов рабочей машины всегда связано с необходимостью использования каких-либо механических узлов: зубчатых реек, винта и др. Поэтому иногда целесообразно выполнение двигателя с линейным перемещением ротора-бегунка (название ’’ротор” при этом может быть принято только условно — как движущегося органа).
В этом случае двигатель, как говорят, может быть развернут.
Обмотка статора линейного двигателя выполняется так же, как и у объемного двигателя, но только должна быть заложена в пазы на всю длину максимального возможного перемещения ротора-бегунка.
Ротор-бегунок обычно короткозамкнутый, с ним сочленяется рабочий орган механизма. На концах статора, естественно, должны находиться ограничители, препятствующие уходу ротора за рабочие пределы пути.
Тяговый асинхронный двигатель
Основные технические данные двигателя.
3-х фазный двигатель, самовентилируемый с короткозамкнутым ротором. Тяговые двигатели, установлены на вагонах 81-740/741, с опорой только на раму тележки, что снижает ударные нагрузки на двигатель при прохождении неровностей и стыков ходовых.
Двигатели могут работать как электродвигателями так и генераторами. В первом случае электрическая энергия, потребляемая от контактной сети (3-ий рельс), преобразуется в механическую, развивая при этом вращающий момент на валу двигателя.
- Во втором случае двигатель преобразует, приведенную к валу механическую энергию от вращения колесных пар в электрическую, которая может быть вновь возвращена в контактную сеть (рекуперативное торможение) или гасится на тормозном реостате (сопротивление), при реостатном электрическом торможении.
- Асинхронная электрическая машина характеризуется тем, что при ее работе возбуждается вращающее магнитное поле, которое вращается асинхронно относительно скорости вращения ротора.
- Устройство тягового двигателя.
Статор(неподвижная часть) – предназначен для укладки в него обмотки. Имеет форму полого цилиндра, собранного из пластин электротехнической стали, толщиной 0,5мм, изолированных друг от друга слоем лака, что обеспечивает уменьшение потерь от вихревых токов.
Фазные обмотки, которые возбуждают вращающее магнитное поле, размещаются в пазах на внутренней стороне сердечника статора. Обмотка статора подсоединяется к 3-х фазному источнику переменного тока – инвертору.
1,2 отверстия крепления подшипникового щита
3. вылет обмотки
4. отверстие центровки подшипникового щита; 5. обмотка
Ротор (вращающаяся часть) – короткозамкнутый.
- 1- вентилятор; 2 и 5 – вал; 3 — беличья клетка; корпус статора.
- Подшипниковые щиты
Подшипниковые щиты устанавливаются в статор с двух сторон. Подшипники щитов опираются на вал тягового двигателя.
Конструкция асинхронного тягового двигателя
В пазы статора укладывают обмотку, которая в простейшем случае состоит из трех катушек — фаз, сдвинутых в пространстве на 120 эл. градусов. Ротор асинхронного двигателя представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали.
На поверхности ротора имеются продольные пазы для обмотки. Листы сердечника ротора специально не изолируют, т.к. в большинстве случаев достаточно изоляции от окалины.
В зависимости от типа обмотки роторы двигателей обычного исполнения делятся на короткозамкнутые и фазные.
Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой медные стержни, забитые в пазы. С двух сторон эти стержни замыкаются кольцами. Соединения стержней с кольцами осуществляется пайкой или сваркой. Чаще всего короткозамкнутую обмотку выполняют расплавленным, алюминием и литьем под давлением. При этом вместе со стержнями и кольцами отливаются и лопатки вентилятора.
- Короткозамкнутый ротор
- ПРИНЦИП ОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МАШИНЫ.
На статоре трехфазного двигателя расположены 3 обмотки (фазы), которые смещены в пространстве по отношению друг к другу на 120 эл. градусов. Токи, подаваемые в фазные обмотки, отодвинуты друг от друга во времени на 1/3 периода.
Токи в трехфазной обмотке
Образование вращающегося магнитного поля.
Максимальное значение магнитного потока будет создаваться то в первой, то во второй, то в третьей обмотке, соответственно максимальным значениям тока в фазах, подключенных к этим обмоткам. Магнитное поле, перемещающееся таким образом по замкнутому кругу, называется вращающимся магнитным полем.
Описанное создание вращающегося магнитного поля поясняется рис.
Если подключить фазу к первой катушке обмотки двигателя, фазу 2 ко второй катушке, а фазу 3 к третьей катушке обмотки, то в момент времени t1 максимальный поток будет в первой катушке, так как в это время сила тока в фазе 1, подключенной к первой катушке, будет иметь максимальное значение. Затем сила тока в фазе 1 постепенно ослабевает и, переходя через нуль, меняет направление, в это время увеличивается значение силы тока в фазе 2 и к моменту времени t2 сила тока в фазе 2 достигает максимального значения, поэтому максимальный поток уже создастся не первой катушкой, а второй. Это в свою очередь означает, что магнитное поле повернулось на 120°. К моменту времени t3 максимум тока будет в фазе 3, а максимум потока будет создаваться третьей катушкой — магнитное поле повернулось еще на 120º.
К моменту времени t4 создается такая же картина поля, как и в момент времени t1,т. е. снова максимума ток достигает в фазе 1, а максимальный магнитный поток создается первой катушкой Это значит, что за время t1 — t2магнитное поле повернулось на 360° (совершило полный оборот).
Обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута на себя, или на сопротивление.
При неподвижном роторе и наличии тока в обмотке статора силовые линии вращающегося магнитного ноля пересекают неподвижные витки обмотки ротора, в результате чего в обмотке ротора появляется ЭДС и ток.
Этот ток, взаимодействуя с полем статора, создает вращающий момент, стремящийся повернуть ротор в сторону вращения поля. Ротор двигателя начнет вращаться.
По мере увеличения скорости ротора уменьшаются число пересекаемых силовых линий и ЭДС и, следовательно, ток ротора асинхронного двигателя. Однако ротор никогда не достигает скорости поля, а всегда вращается. Это отставание ротора от ноля статора называют скольжением. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше скольжение. Выражается скольжение в процентах или в относительных единицах.
- Обычно асинхронные двигатели имеют при полной нагрузке скольжение 2—4%.
- Скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется по формуле:
- где n—скорость вращения ротора, об/мин;
- f — частота питающей сети;
- p— число пар полюсов;
- s — скольжение.
- ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ.
Вращающееся магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как роторная обмотка замкнута, то в проводниках ее возникают токи.
Ток каждого проводника, взаимодействуя с полем статора, создает электромагнитную силу – Fэм.
Совокупность сил всех проводников обмотки создает электромагнитный момент М, который приводит ротор во вращение в направлении вращающего поля.
Частота вращения ротора n2 будет всегда меньше синхронной частоты n1 т.е. ротор всегда отстает от поля статора. Поясним это следующим образом. Пусть ротор вращается с частотой п2 равной частоте вращающегося поля статора n1. В этом случае поле не будет пересекать проводники роторной обмотки.
Следовательно, в них не будет наводиться ЭДС и не будет токов, а это значит, что вращающий момент М = 0. Таким образом, ротор асинхронного двигателя принципиально не может вращаться синхронно с полем статора.
Разность между частотами поля статора n2 и ротора n1 называется частотой скольжения Δn:
- Δn=n1-n2
- Отношение частоты скольжения к частоте поля называется скольжением:
В общем случае скольжение в асинхронном двигателе может изменяться от нуля до единицы. Однако номинальное скольжение SH обычно составляет от 0,01 до 0,1 %. Преобразуя выражение *), получим выражение частоты вращения ротора:
Обмотка ротора асинхронного двигателя электрически не связана с обмоткой статора. В этом отношении двигатель подобен трансформатору, в котором обмотка статора является первичной обмоткой, а обмотка ротора — вторичной.
Разница состоит в том, что ЭДС в обмотках трансформатора наводится не изменяющимся во времени магнитным потоком, а ЭДС в обмотках двигателя — потоком постоянным по величине, но вращающимся в пространстве. Эффект в том и в другом случаях будет одинаковым.
В отличие от вторичной обмотки трансформатора, неподвижной, обмотка ротора двигателя вместе с ним вращается. ЭДС роторной обмотки, в свою очередь, зависит от частоты вращения ротора. В этом нетрудно убедиться, анализируя процессы, протекающие в асинхронном двигателе.
Синхронная частота вращения магнитного поля статора перемещается относительно ротора с частотой скольжения Δn. Она же наводит в обмотке ротора ЭДС Е2, частота которой f2 связана со скольжением S:
- Учитывая, что fi=pn1/60, f2=pn1S/60.
- Приняв величину номинального скольжения порядка 0,01-0,1, можно подсчитать частоту изменения ЭДС в роторной обмотке, которая составляет 0,5-5 Гц (при ^=50 Гц).
Тяговый электродвигатель: устройство и принцип работы
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава.
В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав.
Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.
Появление и развитие тяговых устройств
В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели.
При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме.
Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.
Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания.
Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне. 
Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.
Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки.
Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора.
В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.
Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.
Коллекторный агрегат на постоянном токе
Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.
Расчет мощности электродвигателя
Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток. Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.
Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).
Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.
В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице.
Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники.
Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.
Назначение и устройство станины
Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.
При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов.
Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость.
Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.
На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4).
Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5).
Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.
Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.
Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.
Главные полюса
Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов.
На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.
На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.
Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.
Назначение и устройство добавочных полюсов
Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках.
Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции.
Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.
Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами.
Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами.
Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.
Якорь и коллектор
В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага.
В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии.
Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.
Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.
В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок.
Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3).
Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.
Тяговые электродвигатель асинхронного типа
На железнодорожном транспорте асинхронный тяговый двигатель долгое время не мог использоваться из-за отсутствия в электроснабжении подвижного состава переменного трехфазного тока. Постепенно развивающееся электротехническое производство позволило создать и усовершенствовать электронику полупроводникового типа.
Таким образом, были созданы преобразователи тока и напряжения, обладающие мощностью, достаточной, чтобы обеспечить энергией асинхронный тяговый двигатель. Ведущую роль в этом деле сыграли мощные транзисторы.
Данные устройства оказались просты и надежны в эксплуатации. У них заметно снизились габаритные размеры и вес в сравнении с двигателями постоянного тока.
Асинхронный тяговый двигатель не требует особого технического обслуживания, способен переходить в генераторный режим без специального переключения, а лишь под действием повышенной частоты вращения ротора.
Подобная схема существенно упрощает использование системы электрического торможения.
Особенности конструкции асинхронных тяговых двигателей
Остов АТД. При тяговом исполнении АТД на остове необходимо иметь элементы крепления к раме тележки такие же, как у тяговых двигателей постоянного тока.
Поскольку остов асинхронного тягового двигателя в отличие от остова тягового двигателя постоянного тока не является магнитопроводом, имеется большая свобода для выбора материала для него и конструкции отдельных узлов.
Остов может быть предельно облегчен, а прочность его может быть получена вследствие использования ребер жесткости.
Так как АТД электровозов имеют симметричный в осевом направлении ротор, при надобности могут быть использованы моторно-якорные подшипники тяжелой серии с большим ресурсом работы.
При сохранении осевой вентиляции размеры входных и выходных отверстий в остове для вентилирующего воздуха сохраняются. Возможно некоторое сокращение осевого их размера путем увеличения поперечного размера.
В дополнительных люках, которые обычно используют в коллекторных тяговых двигателях для осмотра коллектора и смены щеток, надобность отпадает.
Поскольку лимитирующей по нагреву будет всегда обмотка статора, в перспективе может быть эффективен способ отвода тепла от статора с помощью тепловых трубок. В этом случае в принципе возможен только обдув воздухом внешней поверхности остова, что позволит значительно сократить расходы мощности на вентиляцию.
Есть предложения осуществить водяное охлаждение статора АТД путем прокачки воды через полость между магнитопроводом и корпусом.
Опытная проверка показала эффективность такой системы отвода тепла и возможность уменьшения габаритных размеров машины, хотя это связано с необходимостью иметь водяной радиатор с обдувом воздухом.
Будут трудности также с обслуживанием водяной системы в зимнее время.
Магиитопровод и обмотка статора. Пазы магнитопровода для всех тяговых двигателей должны быть прямоугольные, поскольку сечение проводников будет значительным и всыпная обмотка непригодна. К тому же при использовании такой обмотки имеет место плохое заполнение паза и слабое закрепление проводников в пазу, что неприемлемо для тяговых двигателей.
Ввиду того что через воздушный зазор в АТД может быть пропущена небольшая часть вентилирующего воздуха, тепло от обмотки
)
Рнс. 7.6. Форма пазов статора АТД с иадпазо-выми каналами статора можно отвести, устраивая либо надпазовые каналы (рис. 7.6), либо обычные вентиляционные каналы в спинке магнитопровода статора. Надпазовые каналы увеличивают магнитную проводимость паза потокам рассеяния и потому неприемлемы при питании АТД от инвертора тока.
Рис. 7.7. Формы стержней роторной обмотки асинхронного тягового двигателя
При использовании надпазовых каналов часто вблизи воздушного зазора располагают еще один клин — магнитный — с целью уменьшения коэффициента воздушного зазора. Некоторое дополнительное увеличение проводимости потоку рассеяния паза может быть даже полезно, если АТД питается от инвертора напряжения с импульсным регулированием напряжения. Это приведет к меньшей высокочастотной пульсации тока.
Проводники обмотки статора должны быть всегда уложены «горизонтально», т. е. расположены меньшим размером к стенкам паза.
Расчеты показывают, что для уменьшения потерь от вихревых токов, вызванных потоками рассеяния высших временных гармоник, необходимо иметь размер проводника по высоте паза 2-3 мм.
Так как проводники статорной обмотки имеют небольшое сечение, в ней неизбежны параллельные цепи, особенно для АТД электровозов. Параллельные цепи выполняются, как обычно, в виде параллельных фазных групп.
Параллельное соединение проводников катушек не дает большого эффекта по снижению потерь от высших гармоник тока из-за значительных циркуляционных токов в контуре этих проводников.
Обмотка ротора. К обмотке ротора асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты, должны быть предъявлены требования по сокращению потерь от вихревых токов высших гармоник. Поэтому конструкции роторных стержней, создающих повышенный эффект вытеснения тока в пазах, непригодны.
Роторные стержни в пазу должны быть прочно закреплены для обеспечения хорошего прилегания к стали магнитопровода. Желательно использовать упругие элементы закрепления стержней.
На рис. 7.7 показаны четыре варианта конструкций стержней ротора. Стержни, представленные на рис. 7.7, а, использованы в тяго
вом двигателе НБ-602. Они могут обеспечить прочное закрепление стержней в пазу. Однако в них значителен эффект вытеснения тока, что приемлемо лишь для нерегулируемых по частоте асинхронных двигателей, в которых этот эффект приводит к улучшению пусковых качеств. Для АТД проявление этого эффекта нежелательно из-за увеличения добавочных потерь от высших гармоник.
Конструкция стержня ротора, представленная на рис. 7.7, б, применена в асинхронном тяговом двигателе НБ-607. Она технологична, эффект вытеснения тока выражен слабее, чем в рассмотренном стержне (см. рис. 7.7, а).
Однако открытые пазы ротора приводят к росту магнитного напряжения на воздушный зазор и увеличению добавочных потерь от пространственных гармоник зубцовой частоты ротора на поверхности и в зубцах статора.
Хорошее прилегание стержней к стенкам паза и упругое их закрепление достигаются конструкцией стержня, показанного на рис. 7.7, в. Небольшая клиновидность стержня обеспечивает благоприятную форму зубца, малое напряжение на зубцовом слое ротора при умеренных индукциях в ней. Стержень по рис. 7.7, г обеспечивает уменьшение добавочных потерь, но нетехнологичен.
Для асинхронных тяговых двигателей электропоездов и даже электровозов можно для роторной обмотки использовать алюминий. Предпосылками для этого являются: сравнительно небольшая МДС роторной обмотки, возможность расположить на роторе стержни увеличенного сечения.
Вторая предпосылка связана с тем, что в роторной обмотке отсутствует изоляция, а также с тем, что форма паза может быть выбрана более благоприятная, так что магнитное напряжение на зубцах будет невелико при их значительной глубине (например, такой, как на рис. 7.7, в).
Целесообразность изготовления роторной обмотки заливкой ее алюминием или его сплавом неочевидна даже для АТД средней мощности (100ч-150 кВт). Опыт показывает, что в стержнях ротора при заливке образуются поры, могущие в сильной степени повлиять на сопротивление роторной обмотки.
Это нежелательно даже для нерегулируемых асинхронных двигателей и может оказаться совершенно неприемлемым для АТД, работающих на «общий вал» через механизм сцепления колес с рельсами.
По-видимому, приемлемым конструктивным решением при использовании алюминия будут опрессованные стержни заданных сечения и формы.
Воздушный зазор. Иногда высказывается мнение, что у АТД будет понижена эксплуатационная надежность из-за небольших воздушных зазоров. Для таких опасений нет оснований. Наибольший радиальный зазор моторно-якорных подшипников составляет 0,1 мм. Вал ротора может быть выбран таким, что его прогиб будет минимальным во всех возможных режимах.
Обычно рекомендуется рассчитывать воздушный зазор, мм, по формуле
где Da — диаметр расточки статора.
Для электровозного АТД он составит около 1,5 мм. Однако нет надобности выбирать столь малое значение зазора. Расчеты показывают, что оптимальное значение зазора для этих двигателей составляет 2-3 мм.
Оптимальное значение следует определять исходя из роста потерь от пространственных гармоник поля на поверхности ротора и статора, а также потерь, вызванных увеличением реактивной составляющей тока.
С увеличением зазора первые потери снижаются, а вторые увеличиваются.
Надо отметить, что конструкция АТД еще не прошла достаточно полной эксплуатационной проверки и элементы его будут совершенствоваться.
Так, до сих пор не вполне ясно, будет ли повреждаться статорная обмотка при практически незакрепленных лобовых вылетах. Пока их жесткость обеспечивается в основном пропиткой цементирующими лаками.
Однако конструкция закрепления лобовых вылетов может быть предложена. По-видимому, она будет необходима при опорно-осевом подвешивании тягового двигателя.
Напряжение и число полюсов статорной обмотки. На электровозах переменного тока низшее напряжение тяговой обмотки трансформатора выбирается из условий оптимального проектирования тиристорного преобразователя, тягового двигателя, а также с учетом требований монтажа схемы силовой цепи и дополнительного силового оборудования.
Обычно фазное напряжение находится в пределах 700-1500 В. На ЭПС постоянного тока при отсутствии трансформатора фазное напряжение на тяговом двигателе обусловлено напряжением контактной сети.
В этом случае связь между подведенным к преобразователю напряжением постоянного тока Ud и фазным напряжением тягового двигателя Ux будет: для инвертора тока Ud = 2,22 Ux cos
Загрузка...
