Тяговый электродвигатель

Основное отличие ТЭД от стационарных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.). Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колёс автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе[2]. Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД шахтных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищённому электрооборудованию.

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

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

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

В России вращающиеся тяговые электродвигатели регулируются ГОСТ 2582—2013[3] (кроме аккумуляторных погрузочно-разгрузочных машин, электротягачей, электротележек и теплоэлектрических автотранспортных систем). Тяговые электродвигатели классифицируют по:

• роду тока:[2]
  • постоянного (в том числе выпрямленного многофазного пульсирующего до 10 %),
  • пульсирующего (в том числе выпрямленного однофазного пульсирующего более 10 %),
  • переменного;
• типу:
  • ДПТ (с последовательным возбуждением[4], с независимым возбуждением[5]),
  • синхронные,
  • асинхронные;
• типу подвешивания ТЭД:
  • опорно-осевое,
  • опорно-рамное;
• способу питания электроэнергией:[2]
  • от контактной сети,
  • от бортового источника питания (аккумулятор, дизель-генератор, топливный элемент и др.);
• конструкции:
  • коллекторные и бесколлекторные (бесконтактные, вентильные),
  • вращающиеся (цилиндрические и торцевые) и линейные (цилиндрические и плоские);
• режиму работы:[2]
  • работающие в продолжительном режиме,
  • работающие в кратковременном режиме (рабочий период 15-90 минут),
  • работающие в повторно-кратковременном режиме (продолжительность включения 15-60 %);
• степени защиты (в соответствии с ГОСТ 14254);[2]
• климатическому исполнению (в соответствии с ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543);[2]
• способу охлаждения:[2]
  • с независимой вентиляцией,
  • с самовентиляцией,
  • обдуваемые,
  • с естественным охлаждением.

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

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

Тяговый электродвигатель ДК-207А троллейбуса ЗиУ-5

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

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

Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).

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

Материалы, применяемые в электрических машинах, при нормальных и аварийных режимах работы должны соответствовать ГОСТ 12.1.044[2].

Значение сопротивления изоляции обмоток устанавливают в соответствующей нормативно-технической документации или в рабочих чертежах. Для городского электротранспорта после испытаний на влагостойкость сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм[2].

Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации[2].

Характеристики

Тяговый электродвигатель НБ-418К: 1 — остов; 2 — добавочный полюс; 3 — сердечник якоря; 4 — коробка якоря; 5, 11 — лобовые части якоря; 6 — коллектор; 7, 9 — подшипниковые щиты; 8 — вал; 10 — подшипник; 12 — компенсационная обмотка

Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:

• Электромеханические (типовые)
  • зависимости от тока якоря
    • частоты вращения
    • вращающего момента
    • КПД
• Электротяговые
  • зависимости от тока якоря
    • окружной скорости движущих колёс ПС
    • силы тяги
    • КПД на ободе движущих колёс ПС
• Тяговые
• Тепловые (зависимость температур отдельных частей ТЭД от времени при различной силе тока);
• Аэродинамические (характеризуют обдув двигателя).

При высоких скоростях движения сильно снижается коэффициент сцепления колёс с рельсами, а следовательно реализовать необходимую силу тяги через контакт колесо-рельс становится затруднительным. Для решения этой проблемы для высокоскоростного наземного транспорта применяют линейные тяговые двигатели.

Для расчёта прочности элементов двигателя установлена испытательная частота вращения

• для двигателей, включённых постоянно параллельно — n_исп = 1,25·n_max
• для двигателей, включённых постоянно последовательно — n_исп = 1,35·n_max

Соотношение скоростей

${\displaystyle K_{v}=n_{max}/n_{\text{ном}}=v_{max}/v_{\text{ном}}}$

где n_max и n_ном — частоты вращения максимальная и номинальная соответственно;

v_max и v_ном — соответственно конструкционная и эксплуатационная скорости подвижного состава.

Соотношение скоростей для электровозов составляет ${\displaystyle K_{v}=1{,}8\div 2{,}0}$, для тепловозов — ${\displaystyle K_{v}=2{,}1\div 2{,}6}$

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

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

• опорно-осевое (К_ц=1,03-1,22);
• опорно-рамное:
  • рамное с карданным валом (карданной передачей) (К_ц=1,10-1,25),
  • рамное с промежуточной осью (К_ц=0,75-0,90),
  • рамное с шарнирной муфтой,
  • рамное с карданной муфтой (К_ц=1,04-1,07).

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

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

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

K_ц = D_я/Ц

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

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

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

• Продолжительный режим — нагрузка наибольшим током якоря в течение неограниченного времени (более 4-6 часов после пуска) при номинальном напряжении на зажимах с вентиляцией не вызывающей превышения предельно допустимых температур.
• Часовой режим (кратковременный) — нагрузка наибольшим током якоря при пуске из практически холодного состояния в течение 1 часа при номинальном напряжении с возбуждением и вентиляцией, не вызывающая превышения предельно допустимых температур.

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

• в продолжительном режиме — мощность ${\displaystyle P_{\infty }}$, ток ${\displaystyle I_{\infty }}$, частота вращения ${\displaystyle n_{\infty }}$, КПД ${\displaystyle \eta _{\infty }}$;
• в часовом режиме — мощность ${\displaystyle P_{\text{ч}}}$, ток ${\displaystyle I_{\text{ч}}}$, частота вращения ${\displaystyle n_{\text{ч}}}$, КПД ${\displaystyle \eta _{\text{ч}}}$.

Для электровозов расчётным является продолжительный режим, а для электропоездов — часовой. Однако номинальными режимами для электровозов и электропоездов являются продолжительный и часовой, а для тепловозов — продолжительный и иногда часовой. Для всех остальных — кратковременный или повторно-кратковременный[2].

Номинальные ток, напряжение, частоту вращения и др. характеристики при необходимости корректируют после определения типовых характеристик[2].

Коэффициент полезного действия для тяговых двигателей пульсирующего тока определяется отдельно на постоянном токе ${\displaystyle \eta }$ и на пульсирующем ${\displaystyle \eta _{\simeq }}$.

${\displaystyle \eta =P/P_{1}=(IU_{k}-\sum \Delta P)/(IU_{k})=1-\sum \Delta P/(IU_{k})}$

где ${\displaystyle P}$ — номинальная (на валу) мощность двигателя,
${\displaystyle P_{1}}$ — подведённая мощность двигателя,
${\displaystyle \sum \Delta P=\Delta P_{\text{д}}=\Delta P_{\text{э}}+\Delta P_{\text{маг}}+\Delta P_{\text{мех}}+\Delta P_{\text{доб}}}$ — суммарные потери в двигателе,
${\displaystyle U_{k}}$ — напряжение на зажимах двигателя,
${\displaystyle I}$ — номинальный ток.

${\displaystyle \eta _{\simeq }=\eta P_{1}/(P_{1}+\Delta P_{\sim })}$

где ${\displaystyle \Delta P_{\sim }}$ — пульсационные потери.

Для ТЭД постоянного тока достаточно только КПД на постоянном токе.

В качестве типовых характеристик принимают[2]:

• усреднённые характеристики, которые изготовитель должен представить после испытания первых 10 машин установочной серии,
• типовые характеристики электрических машин, одна или несколько серий которых были ранее изготовлены.

Для получения типовой характеристики КПД и типовых характеристик тяговых двигателей городского транспорта должны быть испытаны первые 4 машины первой партии[2].

Предельные значения тока и мощности определяются коэффициентом конструктивной перегрузки

${\displaystyle K_{per}=I_{max}/I_{nom}=P_{max}/P_{nom}}$; ${\displaystyle K_{per}\geqslant 2}$

где I_max и P_max — максимальные ток[6] и напряжение соответственно;

I_nom и P_nom — номинальные ток и напряжение соответственно.

Для условий эксплуатации принимают коэффициент эксплуатационной перегрузки

${\displaystyle K_{pe}=I_{eb}/I_{nom}=P_{eb}/P_{nom}}$

где I_eb и P_eb — соответственно наибольшие расчётные токи и мощность в условиях эксплуатации.

Разницу между значениями К_per и К_pe выбирают такой, чтобы при предельных ожидаемых возмущениях значения тока и мощности не превышали соответственно I_max и P_max.

Queen Mary 2 — теплоход с электропередачей

Электровоз ЭП1

Стандартный модельный электродвигатель 540 класса

ТЭД локомотива со снятыми шапками моторно-осевых подшипников

• Локомотивы (электровозы, тепловозы с электропередачей);
• Электропоезда и высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ);
• Бронетехника и другие машины на гусеничном ходу;
• Электромобили и большегрузные автомобили с электроприводом (в том числе подъемно-транспортные машины и самоходные краны);
• Теплоходы с электроприводом (дизель-электроходы), атомоходы, подводные лодки;
• Городской электротранспорт: трамваи, троллейбусы;
• Беспилотные самолёты и вертолёты;
• Моделизм.

В случае использования электрической передачи на теплоходах, тепловозах, тяжёлых грузовиках и гусеничных машинах дизель вращает электрический генератор питающий ТЭД, приводящий в движение гребные винты или колёса напрямую, либо посредством механической передачи.

На тяжёлых грузовиках ТЭД может встраиваться в само колесо. Такая конструкция получила название мотор-колесо. Попытки применения мотор-колёс предпринимались также на автобусах, трамваях и даже легковых автомобилях.

Данные представлены для общего ознакомления и сравнения ТЭД. Подробные характеристики, размеры и особенности конструкции и эксплуатации можно найти в рекомендуемой литературе и других источниках.

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

• Часть 4. Электрические машины специального назначения. Раздел 20. Тяговые электрические машины // Справочник по электрическим машинам / Под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — Т. 2. — 688 с. — ISBN 5-283-00531-3, ББК 31.261, УДК 621.313(035.5).
• Электротехнический справочник: В 4 т. / Под общ. ред. В. Г. Герасимова, А. Ф. Дьякова, А. И. Попова. — 9-е, стереотипное. — М.: Издательство МЭИ, 2004. — Т. 4. Использование электрической энергии. — 696 с. — ISBN 5-7046-0988-0, ББК 31.2я21, УДК [621.3+621.3.004.14](035.5).
• Захарченко Д. Д., Ротанов Н. А. Тяговые электрические машины. Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1991. — 343 с. — ISBN 5-277-01514-0, УДК 621.333.
• З. М. Дубровский, В. И. Попов, Б. А. Тушканов. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник. — М.: Транспорт, 1991. — 464 с. — ISBN 5-277-00927-2, ББК 39.232.
• Ю. Н. Ветров, М. В. Приставко. Конструкция тягового подвижного состава / Под ред. Ю. Н. Ветрова. — 2000.

• Электрический двигатель

• Тяговый электродвигатель — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Переменный и постоянный ток — статья об использовании ТЭД различных типов на железнодорожном транспорте
• Паровозные технологии XXI века — статья об устройстве и проблемах применения ТЭД на городском электротранспорте
• Тяжёлые гибриды — статья о применении рекуперативного торможения
• Где зарыты резервы метрополитена. Статья о методах энергосбережения.
• Московский метрополитен — Типы вагонов — характеристики вагонов метро и установленных на них двигателей