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

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 .