Конструкция тягового двигателя постоянного тока
Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: остов с полюсами, якорь, щеткодержатели и щетки, подшипниковые щиты 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, 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.
Якорь.У тягового двигателя якорь состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.
Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали. Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось бы, выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Этого делать нельзя. Под действием разности ЭДС, наведенных в сердечнике, создаются вихревые токи. Эти токи могут быть 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 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малой площадью сечения 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 изготавливают 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 выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку. В современных тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник. 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 она под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандаж на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы.
Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах, выполненных из стальной проволоки, 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, поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях. Однако при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.
Лобовые соединения обмотки якоря крепят только бандажами, которые выполняют из стеклоленты, пропитанной клеящими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.
Коллектор — один из основных и наиболее ответственных узлов 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 превышает 800 мм, число пластин достигает 600.
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 «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, так как к поверхности коллектора все время прижимаются щетки.
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 делают меньшей высоты — продороживают коллектор специальными фрезами.
Щетки и щеткодержатели.Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя.
Щетки для тяговых двигателей изготовляют из графита, получаемого при нагреве в электрической печи сажи, кокса, антрацита. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износоустойчивыми.
Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию (объяснение этого термина будет дано ниже) 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 щетку 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 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.
Щетки прижаты к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.
Остов. У тягового двигателя остов одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюса. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.
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.
На электровозах с опорно-осевым подвешиванием остову в поперечном сечении придавали почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяла уменьшить размеры двигателя, что важно для размещения его на электровозе. Стремление к непрерывному снижению массы тяговых двигателей привело к применению остовов цилиндрической формы. К остову крепят главные и дополнительные полюса, щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь электродвигателя, и другие детали; предусмотрены в остове люки для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Остов имеет горловины, через которые в него устанавливают полюса, якорь и другие детали. В процессе эксплуатации электровоза приходится периодически проверять состояние коллектора и щеточного аппарата. Для этого в остове имеются смотровые люки, герметично закрываемые крышками.
Подшипниковые щиты плотно закрывают торцовые горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В современных тяговых двигателях 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 полюса представляют собой сердечники, на которые надевают катушки обмотки возбуждения. Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали для уменьшения вихревых токов. вихревые токи.
Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику придают довольно сложную Т-образную форму: она определяется соотношением размеров ширины сердечника и его полюсного наконечника, формой воздушного зазора, наличием компенсационной обмотки, условиями размещения и закрепления ее и катушек главных полюсов, способом крепления сердечников к остову.
Тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две или три пары главных полюсов, а на электровозах переменного тока — три пары полюсов.
Компенсационная обмотка, применяемая в тяговых двигателях пульсирующего тока и в мощных двигателях постоянного тока, служит для компенсации реакции якоря. Обмотку располагают в пазах наконечника главных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря. В отечественных тяговых двигателях применена хордовая компенсационная обмоткаиз мягкой прямоугольной медной проволоки, выполняемая катушками, которые можно устанавливать и снимать независимо от других обмоток. Крепят компенсационную обмотку в пазах клиньями.
Дополнительные полюса, как и главные, состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с, сравнительно невелик, вследствие чего дополнительные полюса имеют меньшие размеры, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными.
Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов всегда равно числу главных.
Остов, главные и дополнительные полюса образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает прохождение магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.