Тяговые электрические машины магистральных и маневровых тепловозов

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ И МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

Общие сведения. Тяговые электрические машины (ТЭМ) относятся к классу машин предельного использования, т.е. при расчете их параметров закладываются предельные значения электрических, магнитных и механических нагрузок с учетом допустимых линейных размеров.. По роду тока ТЭМ тепловозов подразделяются на машины постоянного тока с  последовательным и смешанным возбуждением; трехфазные машины переменного тока синхронные и асинхронные.

По функциям ТЭМ подразделяются на генераторы и электродвигатели.

По исполнению все ТЭМ относятся к закрытым вентилируемым машинам. Система вентиляции ТЭМ – принудительная.

ТЭМ рассчитываются на работу с уровнем вибраций, многократных и одиночных ударов с ускорениями: 150м/с² в вертикальном и горизонтальном направлении или с результирующим ускорением - 212м/с².

Изоляция обмоток ТЭМ относительно корпуса и между обмотками должна выдерживать в течении 60с испытательное практически синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, действующее значение которого , но не менее 1500 В, где U – номинальное напряжение ТЭМ.

В настоящее время обмотки ТЭМ имеют класс нагревостойкости изоляции F или H. ГОСТ 2582-812 устанавливает значения допустимых превышений температур узлов машин (табл. 1).

Сопротивление изоляции сухих обмоток нагретой машины в зависимости от номинального напряжения U относительно заземленных частей должно быть:

ТЭМ постоянного тока. В тепловозных электрических передачах до 70х гг. применялись тяговые генераторы с независимым возбуждением и тяговые электродвигатели постоянного тока преимущественно с последовательным возбуждением (ТЭД).

Таблица 1

Класс нагревостойкости изоляции	Режим работы	Узел машины	Метод измерения температуры	Предельное допускаемое значение превышения температуры
F	Продолжительный	Обмотка якоря машин постоянного тока Вращающаяся обмотка возбуждения машин переменного тока	Метод	1400С
		Обмотка возбуждения  машин постоянного тока Обмотка статора машин переменного тока	сопротивления	1550С
		Коллектор машин постоянного тока Контактные кольца машин переменного тока	Метод термометра	950С
H	Продолжительный	Обмотка якоря машин постоянного тока Вращающаяся обмотка возбуждения машин переменного тока	Метод	1600С
		Обмотка возбуждения  машин постоянного тока Обмотка статора машин переменного тока	сопротивления	1800С
		Коллектор машин постоянного тока Контактные кольца машин переменного тока	Метод термометра	1050С

Тяговые генераторы постоянного тока. Номинальная мощность Г определяется на его зажимах. В соответствии с ГОСТ 2582-81 для Г устанавливаются два номинальных режима: продолжительный режим при наименьшем напряжении и продолжительный режим при наибольшем напряжении, которые характеризуются

напряжением  и током   при номинальных (расчетных) значениях частоты вращения якоря  и  охлаждении .

Поскольку на вновь строящихся тепловозах Г не применяются методы их расчета не рассматриваются.

Тяговые электродвигатели постоянного тока (ТЭД). В качестве ТЭД применяются двигатели последовательного возбуждения, у которых электромагнитный момент  и частота вращения якоря  в значительной степени зависит от нагрузки (тока обмотки якоря ), причём увеличению  соответствует снижение  и увеличение . Мягкая характеристика ТЭД  наилучшим образом отвечает условиям тяги.

В соответствии с ГОСТ-2582-81 для ТЭД в качестве номинального устанавливается продолжительный режим работы. Продолжительный режим работы ТЭД  определяется при номинальной (расчетной) мощности  и номинальном (расчетном) охлаждении   и характеризуется продолжительными значениями тока  и частоты вращения якоря . Продолжительный режим работы ТЭД  соответствует расчетному режиму работы тепловоза.

Метод расчета.

Максимальные значения линейной скорости на поверхности якоря  (определяется механической прочностью бандажа); на поверхности коллектора  (определяется прочностью коллектора).

Электромагнитные нагрузки для ТЭД принимаются в следующих диапазонах:

- максимальное напряжение (опыт проектирования показывает, что при таком значении напряжения обеспечиваются наименьшие весо-габаритные показатели ТЭД);

-максимальное значение линейной нагрузки обмотки якоря - при изоляции класса нагревостойкости  F, и - при изоляции класса

нагревостойкости  Н (при больших значениях  невозможно обеспечить требуемый температурный режим обмоток);

-максимальное значение плотности тока в проводниках с изоляцией класса нагревостойкости F и Н :;

-максимальное значение индукции  (при больших значениях индукции ТЭД становится нерегулируемый) .

Максимальный диаметр якоря  определяется допустимым габаритом в радиальном сечении , где  - максимальный размер станины тягового электродвигателя;   м - расстояние от корпуса двигателя до головки рельса;  м - возвышение оси двигателя над осью колеса; - диаметр колеса тепловоза. При опорно-осевой подвеске и  ; при  . Как правило, расчетное значение диаметра приводится к ближайшему из нормального ряда, обеспечивающего минимальные отходы электротехнической стали при раскройке лист: 0,423; 0,458; 0,493; 0,560; 0,590; 0,660; 0,740 м.

Длина активной части двигателя  определяется шириной колеи. При ширине колеи 1520 мм расстояние между ребордами (гребнями) колес  (рис. 1). С учетом того, что тепловозы имеют односторонний тяговый привод  возможная длина ТЭД  .

С другой стороны, длина активной части ТЭД определяется из значения постоянной Арнольда с учетом принятых значений допустимых нагрузок:

,

где  - номинальная  мощность  машины, Вт; - номинальная  частота вращения якоря, c^-1;   - коэффициент полюсного перекрытия;  - расчетное      значение   индукции  в   воздушном  зазоре,  соответ-. .  (за счет того, что ширина зубца и паза якоря приблизительно равны ); - коэффициент формы поля (отношение действующего значения индукции к ее среднему за 1/2 периода значению); для синусоидальной функции изменения индукции в машинах переменного тока  (- амплитудное значение индукции машины); - коэффициент распределения от первой гармонической эдс обмотки статора (определяется отношением геометрической суммы эдс в активных сторонах катушек статора  от одного полюса с учетом их сдвига по фазе и эдс сосредоточенной обмотки с тем же числом витков);

Расчет конструктивных параметров выполняется по значению его электрической мощности , ориентировочное значение которой определяется по значению требуемого значения механической мощности на валу :

,                                               

где - ориентировочно принимаемое значение кпд ТЭД.

ТЭД тепловозов работают при , поэтому якорь имеет преимущественно двухслойную петлевую обмотку, для которой , где - число параллельных ветвей обмотки якоря; - число пар полюсов. При токе параллельной ветви  и ориентировочном значении  можно определить значение , а соответственно и . Как правило, для ТЭД с  и опорно-осевой подвеске ; при  и опорно-рамной подвеске  .

Параметры обмотки якоря определяются из допустимого значения межламельного напряжения , которое принимается с учетом того, что ТЭД может работать в режиме электрического торможения.

Число коллекторных пластин  - целое число .

Число пазов якоря  - целое число, где - число эффективных проводников в пазу, принимается  или .