| Принцип работы тягового двигателя постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции. Его конструкция в отличие от большинства промышленных машин постоянного тока обусловлена тяжелыми и своеобразными условиями работы и типом тяговой передачи. Однако все тяговые двигатели постоянного и пульсирующего тока имеют много общего в части возбуждения и конструктивного исполнения. Большинство тяговых двигателей выполнено с последовательным возбуждением, которое, как известно, позволяет получать мягкие характеристики. У двигателей с последовательным возбуждением при возрастании нагрузки, например вдвое, частота вращения их якорей уменьшается до 70% первоначальной, а потребляемая ими мощность возрастает лишь на 0,25%. Скоростные характеристики таких двигателей называют мягкими. В двигателях с параллельным возбуждением с увеличением нагрузки на их валах вдвое ток и мощность также возрастают вдвое Поэтому их скоростные характеристики называют жесткими.
У двигателей последовательного возбуждения вследствие квадратичной (до насыщения) зависимости вращающего момента от нагрузки довольно просто регулировать режимы работы и мощность При увеличении нагрузки значительно увеличивается вращающий момент и уменьшается частота вращения, а при снижении ее уменьшается вращающий момент, но увеличивается частота, т е. автоматически регулируется мощность двигателя, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением требуется регулировать ток возбуждения для изменения частоты вращения На же-
лезных дорогах Советского Союза и зарубежных имеются опытные электровозы с независимым и смешанным возбуждением тяговых двигателей.
Колебания напряжения в контактной сети, неизбежные в условиях эксплуатации, значительно меньше отражаются на работе двигателей с последовательным возбуждением, чем с параллельным. У двигателя с последовательным возбуждением габаритные размеры катушек значительно меньше, чем у двигателя с параллельным возбуждением. Напряжение на зажимах последовательной обмотки составляет всего несколько процентов от напряжения на коллекторе, в то время как на зажимах параллельной обмотки оно равно полному напряжению, приходящемуся на двигатель. Поэтому для параллельной обмотки требуется изоляция, выдерживающая большее напряжение, а следовательно, и более дорогая.
Магнитный поток двигателя с параллельным возбуждением возрастает медленно; при включении двигатель хуже переносит различные переходные процессы. При одном и том же токе в зоне больших нагрузок (что соответствует режиму пуска) двигатель с последовательным возбуждением имеет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением при той же мощности. Габаритные размеры двигателя с параллельным возбуждением будут больше, так как при максимальной силе тяги он потребляет значительно больший ток, чем двигатель с последовательным возбуждением, и, следовательно, значительно больше нагреваются его узлы. При параллельной работе нескольких таких двигателей расхождение в нагрузках, вызванное неизбежной разницей свойств материалов, применяемых при изготовлении двигателей, допусков на обработку и сборку отдельных деталей и узлов, разницей в диаметрах бандажей колесных пар и т. д., может оказаться недопустимо большим. При двигателях с последовательным возбуждением эта разница будет незначительной.
Однако тяговые двигатели с последовательным возбуждением склонны к бок-сованию, а при использовании их на э.п.с. с рекуперативным и рекуперативно-реос-
татным торможением необходим специальный возбудитель для независимого питания обмоток при рекуперации. Все это приводит к увеличению как эксплуатационных расходов, так и капитальных вложений на изготовление электровозов с тяговыми двигателями последовательного возбуждения.
На современных локомотивах мощность тяговых двигателей и электровоза регулируют не ступенчато, а плавно, используя тиристоры В этом случае, применяя независимое или смешанное возбуждение тяговых двигателей, можно значительно расширить пределы регулирования мощности электровоза по сравнению с имеющимися при тяговых двигателях последовательного возбуждения. Принципиально независимое и смешанное возбуждение тяговых двигателей возможно осуществить на электровозах как постоянного, так и переменного тока (подробно см. § 83).
Все тяговые двигатели выполняют закрытого типа с независимой вентиляцией (на электровозах) либо самовентилирующимися (на моторных вагонах) Основными узлами каждого тягового двигателя постоянного и пульсирующего тока являются: остов, главные и добавочные (дополнительные) полюса, якорь, щеткодержатели с кронштейнами, подшипниковые щиты. Двигатели с опорно-осевым подвешиванием имеют еще шапки моторно-осевых подшипников, а самовентилирующиеся — вентиляторы.
Размеры каждого тягового двигателя, его масса, эксплуатационные и экономические показатели при заданных мощности двигателя в часовом режиме, напряжении на зажимах, напряжении на изоляцию и др. зависят в основном от диаметра якоря й я и длины его сердечника / я. Эти размеры определяются механическими, магнитными и токовыми нагрузками, которые обусловлены соответственно частотой вращения якоря, индукцией в воздушном зазоре В а и линейной нагрузкой якоря А, связанными уравнением
Ръ = £/„ • 10_3 = ЛВ6авкяя.£>я/я X
х ю-3,
где Р э — электромагнитная мощность двигателя, кВт; Е — э.д.с, В, 1Я — ток якоря А; а б — расчетное полюсное пере-
крытие; ия — окружная скорость якоря, м/с
Требуемая номинальная расчетная мощность (обычно часовая), развиваемая одной движущей колесной парой при индивидуальном приводе, кВт,
Р«м ■= ^ном^ном •Ю2/(367т1п),
где ^ном — номинальная расчетная сила тяги колесной пары, кН; V ном — номинальная расчетная скорость, км/ч; т| „ — к.п.д. тяговой передачи (для одноступенчатой зубчатой передачи т) „ = 0,975).
Сила тяги /•'ном = фР 0 зависит от заданной нагрузки движущей колесной пары на рельсы Р 0 и коэффициента сцепления ф, номинальная скорость — от назначения локомотива. К выбору расчетных значений силы тяги и скорости подходят очень тщательно. Если сила тяги несколько занижена, двигатели будут часто работать с перегрузкой. При завышении расчетной скорости увеличивается необходимая мощность двигателя и коммутационной аппаратуры, что повышает их массу и размеры.