Тяговые двигатели служат для преобразования электрической энергии в механическую, которая затрачивается на приведение во вращение колесных пар моторных вагонов электропоездов и преодоление всех сил сопротивления движению электропоезда.

Особые условия работы тяговых двигателей требуют, чтобы они без влияния на свои механические и электрические данные могли переносить динамические воздействия от пути. Поэтому огромное значение имеет способ подвески тягового двигателя на тележке моторного вагона. На электропоездах серии всех модификаций ЭР9 применена независимая опорно-рамная подвеска, при которой тяговый двигатель жестко укреплен на раме тележки вагона, а передача вращающего момента на ось колесной пары осуществляется через муфту.

В связи с тем что тяговый двигатель расположен под вагоном, он подвержен различным климатическим воздействиям, что усложняется еще и тем, что на электропоездах применяют тяговые двигатели с самовентиляцией с забором охлаждающего воздуха через специальные каналы с крыши вагона. Поэтому тяговые двигатели находятся в тяжелых условиях влияния внешней среды и особенно зимой. Тяговые двигатели электропоездов находятся также в ограниченных размерах габарита моторной тележки, что усложняет уход в эксплуатации за их щеткодержателями и коллекторами, в то время как для надежной и безаварийной работы тяговых двигателей необходим тщательный уход за ними в эксплуатации.

Рабочие режимы тяговых двигателей пригородных электропоездов в связи с частыми и быстрыми изменениями нагрузки, резкими изменениями скорости вращения, большими колебаниями напряжения на коллекторе существенно отличаются от режимов работы стационарных электрических машин. Резкие изменения скорости вращения могут приводить к механическим повреждениям бандажей якоря тягового двигателя, а также соединительной муфты. Поэтому для надежной работы тяговые двигатели должны изготавливаться из высококачественных материалов.

Надежность работы тяговых двигателей зависит также от класса изоляции применяемых в них диэлектрических материалов. В тяговых двигателях электропоездов обычно применяется изоляция класса В, допускающая температуру перегрева для якоря 120 °С, для обмоток полюсов — 130 °С. В настоящее время для изоляции тяговых двигателей начали применять кремнийорганические материалы, позволяющие значительно повысить перегревы обмоток тяговых двигателей.

Основные параметры тяговых двигателей. На электропоездах переменного тока применяются тяговые двигатели пульсирующего тока, которые, как и двигатели постоянного тока, характеризуются тремя значениями мощности:

продолжительной (длительной) мощностью — мощностью длительного режима;

часовой мощностью — мощностью часового режима; максимальной мощностью.

Продолжительной (длительной) мощностью называется наибольшая развиваемая на валу тягового двигателя мощность, при которой электрическая машина на испытательном стенде при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных и смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах может работать длительно. При этом превышение температуры частей машины не должно превышать установленных для этого режима норм.

Часовой мощностью называется наибольшая развиваемая мощность на валу тягового двигателя, при которой тяговый двигатель может работать на испытательном стенде при нормально действующей вентиляции и закрытых смотровых люках в течение 1 ч. При этом режиме допустимое превышение температуры частей машины с классом изоляции В над температурой окружающего воздуха не должно быть больше для обмотки якора 120 °С, а для класса Н— 160 °С.

Под максимальной мощностью двигателя следует понимать мощность, которую он может развивать в течение короткого промежутка времени без механических деформаций деталей и появления недопустимого искрения щеток.

Длительным, часовым и максимальным током двигателя называется ток, соответствующий длительной, часовой и максимальной его мощности.

Номинальным напряжением тяговых двигателей считается напряжение, соответствующее номинальному режиму работы, при условиях, для которых они предназначены заводом-изготовителем. Но рабочее напряжение может быть больше и меньше номинального. Отечественные ГОСТы допускают повышение напряжения в контактной сети у токоприемника на 25% выше номинального напряжения электродвигателей. Тяговые двигатели пульсирующего тока, питающиеся через тяговый трансформатор и выпрямительную установку вагона от напряжения контактного провода переменного тока, должны надежно работать при повышении напряжения в контактной сети на токоприемнике э. п. с. на 16% или понижении его на 24%.

Тяговые двигатели электропоездов переменного тока работают в условиях резко меняющихся режимов работы. Исходя из этого нельзя характеризовать работоспособность тяговых двигателей одним значением мощности. В тяговых двигателях, как и в других электрических машинах, в процессе преобразования электрической энергии в механическую происходит частичная потеря энергии в тепловую. Потери в. двигателях подразделяют на электрические потери в обмотках и щеточном механизме коллектора, механические потери, возникающие при трении в подшипниках, трении щеток и т. д., магнитные потери в стали якоря, обусловленные гистерезисом, добавочные потери в стали от искажения основного поля реакцией якоря и вихревых токов (рис. 58). Электрические потери сильно зависят от изменения нагрузки, а магнитные и механические — незначительно. Поэтому первые часто называют переменными потерями, а вторые — постоянными. Отсюда следует, что от соотношения постоянных и переменных потерь характер изменения к. п. д. при увеличении нагрузки будет различным, несмотря на одинаковое значение к. п. д. при номинальной нагрузке двигателей.

Для тяговых двигателей моторвагонного подвижного состава экономически более целесообразной является характеристика 2, так как частые пуски в пригородном движении при большом токе происходят при более высоком значении к. п. д., что дает значительное снижение пусковых потерь, а для тяговых двигателей электровозов—характеристика 1 (рис. 59).

Все современные тяговые двигатели, устанавливаемые на электропоездах переменного тока, имеют последовательное (сериесное) возбуждение, преимущество которого видно из характеристик, приведенных на рис. 60. При параллельной

работе тяговых двигателей с параллельным возбуждением расхождение в нагрузках, вызванное неизбежной разницей в свойствах материалов, применяемых при изготовлении, а также различными допусками на обработку и сборку отдельных узлов, оказывается значительно большим, чем в двигателях с последовательным возбуждением. Двигатель с последовательным возбуждением имеет так называемую мягкую характеристику. При увеличении нагрузки значительно увеличивается вращающий момент и уменьшается скорость, и наоборот, при снижении нагрузки уменьшается вращающий момент.

Тяговый двигатель с последовательным возбуждением значительно лучше и в конструктивном отношении. Размер его катушек значительно меньше, чем у двигателя с параллельным возбуждением, так как магнитное поле двигателя с параллельным возбуждением возрастает медленно, но при изменении нагрузки он имеет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением. Однако тяговые двигатели последовательного возбуждения при одинаковой величине тока в зоне больших нагрузок имеют больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением при той же часовой мощности. В настоящее время часовая мощность принимается за основу для определения расчетных параметров тяговых электродвигателей.

Все величины, относящиеся к часовому режиму работы машины, носят название часовых величин и обозначаются индексами ч; величины, соответствующие длительному режиму, называются длительными и обозначаются индексом оо. Отношение длительной мощности рж к часовой рч характеризует интенсивность вентиляции двигателя и носит название коэффициента вентиляции:

«ВеНТ = Роо/РЧ< ИЛИ КВеИТ = 1<х,//ч- (о

У современных тяговых двигателей с внешним вентилятором кве„т = 0,8-^0,9, а у самовентилируемых тяговых двигателей на моторвагонных секциях к вент= 0,7—0,74.

Максимальная мощность определяется условиями надежной коммутации машины как при полном возбуждении, так и при предельно ослабленном поле. Отношение максимальной мощности к часовой носит название коэффициента перегрузки или перегрузочной способности машины к„ер:

По основным паспортным данным можно определить к. п. д. машины при номинальных режимах работы:

где 1Ц — ток часового режима;

IIк — номинальное напряжение на коллекторе тягового двигателя.

Часовому и длительному режимам соответствуют частоты вращения якоря" двигателя п„ и которые отмечаются в паспорте машины. Существенное значение имеет отношение частот вращения птах/яч, где птах — конструктивная частота вращения тягового двигателя.

Этим соотношением определяется запас прочности вращающихся частей тягового двигателя. Чем выше это отношение, тем выше запас прочности двигателя. Однако основные номинальные данные не дают исчерпывающего представления о работоспособности тягового двигателя.' Поэтому качество работы тяговых электродвигателей при изменении режимов их работы оценивается по электромеханическим и электротяговым характеристикам, отнесенным к ободу колеса тележки.

Электромеханические характеристики тяговых двигателей. Электромеханическими характеристиками называют кривые зависимости вращающего момента М на валу двигателя, частоты его вращения п и к. п. д. ц от тока.

Электромагнитные силы, вызывающие вращение якоря, прямо пропорциональны току и магнитному потоку машины. Поэтому вращающий момент М на валу двигателя, измеряемый в кН • м (1 кгс=9,81 Н), также пропорционален току 1 и магнитному потоку Ф:

М = К1Ф. (4) где 1( — коэффициент, постоянный для двигателей одинаковой конструкции.

У электрических машин последовательного возбуждения магнитный поток Ф зависит от величины тока возбуждения, поэтому незначительное увеличение тока вызывает значительное увеличение вращающего момента.

При движении проводников обмотки якоря в магнитном потоке полюсов тягового двигателя в них возникает э. д. с, направленная навстречу току. Эта про-тиво-э. д. с. Е пропорциональна магнитному потоку Ф и частоте вращения п якоря, двигателя:

£=С,гФ, (5) где С — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.

Подведенное к зажимам двигателя напряжение £/к равно сумме его противо-э. д. с. СпФ и падения напряжения во всех обмотках 1гд:

ик = СпФ + 1гд, (6) где гд — сопротивление всех обмоток двигателя.

Исходя из этого уравнения частота вращения

(7)

Так как сопротивление обмоток возбуждения и якоря тягового двигателя очень мало (примерно 0,2 Ом), то падение напряжения в обмотках машины

очень незначительное, отсюда частота вращения прямо пропорциональна напряжению на зажимах двигателя и обратно пропорциональна его магнитному потоку:

п = (8) СФ

Как видно из приведенных формул, электромагнитные характеристики представляют собой графики зависимостей частоты вращения двигателя п, вращающего момента М и коэффициента полезного действия л от тока 1. Но они не дают полной оценки работы тяговых электродвигателей.

Непосредственная оценка тяговых качеств локомотива возможна лишь по рабочим характеристикам двигателя на ободе колеса, т. е. по его электротяговым характеристикам.

Электротяговыми характеристиками тягового двигателя называют зависимости силы тяги 1\, скорости V и к. п. д. Г|к от тока 1.

Силу тяги измеряют в Н (кгс), скорость движения — в км/ч. Вращающий момент от вала двигателя через пару зубчатых колес передается к оси ведущей колесной пары.

Зубчатые передачи характеризуются передаточным отношением ц, представляющим собой отношение количества зубьев большого зубчатого колеса к количеству зубьев шестерни и показывающим, во сколько раз вращающий момент Мо, приложенный к оси колесной пары, больше вращающего момента М, действующего на валу двигателя:

м„ = ц/И. (9)

Однако под действием момента Мп свободному вращению колесной пары препятствует сила трения (сцепление) между бандажом и рельсом, на основании чего возникает сила Рк, действующая от бандажа на рельс. Это вызывает появление силы равной по величине но направленной в противоположную сторону и действующей от рельса на бандаж.

Эта сила называется касательной силой тяги, так как она приложена в точке соприкосновения бандажа с рельсом и направлена по касательной к окружности колеса.

Для определения ее величины нужно приложенный к оси колесной пары вращающий момент М0 разделить на плечо, на котором действуют равные и противоположно направленные силы Рк и т. е. на радиус колеса ^к:.

= Л1„/Дк = ц/М//?к. (10)

У электропоездов одного типа передаточные отношения ц и радиусы Як одинаковы, поэтому сила тяги Рк прямо пропорциональна вращающему моменту на валу двигателя и ее характеристика подобна характеристике зависимости вращающего момента от тока.

Скорость движения электропоезда зависит от частоты вращения п0 осей колесных пар, а передаточное отношение показывает, во сколько раз частота вращения оси колесной пары меньше частоты вращения оси вала двигателя:

п(, = «/и. ' (11)

Зная частоту вращения оси колесной пары «о, длину окружности бандажа 1, можно получить путь, который проходит электропоезд за одну минуту:

*■ = 1*, . (12)

Отсюда скорость движения

Скорость движения поезда пропорциональна частоте вращения вала двигателя, поэтому характеристика зависимости скорости от тока подобна характеристике зависимости частоты вращения вала от тока. На рис. 61 показаны электромеханические и электротяговые характеристики тягового двигателя РТ-51Д, приведенные к оси колесной пары диаметром 1050 мм.

Электротяговые характеристики показывают, что повышение скорости сопровождается уменьшением тока и силы тяги, а ее снижение, наоборот,— увеличением этих величин.

По условиям безопасности движения поездов для подвижного состава устанавливают в зависимости от конструктивных особенностей максимально допустимую в эксплуатации так называемую конструкционную скорость движения.

Наибольший допустимый ток в эксплуатации двигателя ограничен условиями его надежной работы. Таким образом, рабочая зона характеристик тягового двигателя ограничена конструкционной скоростью и максимально допустимым током.

• Преобразование электрической энергии в механическую работу сопровождается потерей части энергии в самих тяговых двигателях. Экономичность преобразования энергии тяговым двигателем характеризуется его к. п. д., который у современных тяговых двигателей электропоездов при средних нагрузках составляет 0,90—0,91.

Рис. 61. Электромеханические характеристики тягового двигателя РТ-51Д, приведенные к ободу колеса

Тормозная рычажная передача | Электропоезда переменного тока | Конструкция тяговых двигателей