Что является тяговым двигателем

Что является тяговым двигателем

Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора

ОТ АВТОРА

Данная работа не является пособием по теории, проектированию, расчету или динамике тягового привода локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Ее — дополнить существующую литературу по тяговым приводам, показав логику выбора проектировщиками того или иного решения, в зависимости от имеющихся знаний для проектирования, располагаемой технологической базы для производства подвижного состава и возможностей смежных отраслей, в процессе развития технологии и изменения требований, предъявляемых к конструкции подвижного состава.
Под «тяговым приводом» в данной работе понимается преимущественно электрический тяговый привод. Это сделано прежде всего потому, что тяговые приводы локомотивов с гидравлической или механической передачами конструируются в основном из тех же самых элементов, что и электрический тяговый привод. Кроме того, локомотивы с гидро- и механической передачей составляют небольшую часть производимого в настоящее время ассортимента локомотивов, и, более того, электрический привод в последнее время расширяет сферу применения на дизель-поездах.

1. ПЕРВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДА

В разделе:

На паровых локомотивах тяговый привод в общем случае не требовался, поскольку движущиеся колеса были одновременно частью теплового двигателя — паровой машины. Промежуточная механическая передача при паровой тяге применялась либо на экспериментальных конструкциях, не получавших развитие, либо на специальных конструкциях (узкоколейные паровозы, бустерные машины на тендере и т.п.), при этом передача считалась нежелательным, вынужденным элементом конструкции.
Только при появлении подвижного состава новых видов тяги — электрической, дизельной (турбинной, моторной) тяговый привод, как отдельное устройство, не относящийся к первичному двигателю, превратился из нежелательного решения в необходимое и создающее дополнительные преимущества.

Первые попытки создать передачу крутящего момента от тягового электродвигателя к колесам приводили к результатам, мало похожим на современные конструкции. Этот период поисков можно назвать предысторией, потому что в это время еще не удалось создать решения, удовлетворявшие всем требованиям производства и эксплуатационников. С более поздними конструкциями их роднит лишь то, что уже на этом этапе тяговые приводы разделились на опорно-осевые, в которых тяговый двигатель полностью или частично непосредственно опирался на ось и тем самым относился к необрессоренным массам, и опорно-рамные, в которых двигатель опирался на раму кузова или тележки и, таким образом, относился к обрессоренным массам.

Исторически самый первый демонстрационный локомотив Сименса в 1879 г. содержал все элементы привода — тяговый двигатель и зубчатые передачи. Привод с зубчатой передачей был использован и на трамвае Пироцкого в 1880 году. Однако первые тепловозы и электровозы приходилось изготовлять на заводах, ранее занимавшихся производством паровых локомотивов, и в распоряжении конструкторов имелось лишь то технологическое оборудование, которое использовалось для производства паровозов. В частности, это порождало трудности с изготовлением зубчатых колес, требуемых для передачи момента от электродвигателя к колесной паре и обеспечения надежности и долговечности такой передачи. Не удивительно, что конструкторы вначале пытались вообще отказаться от какой-либо передачи или максимально использовать «паровозные» решения.

В первых опорно-осевых приводах безредукторные схемы встречаются так же часто, как и схемы с зубчатой передачей. Опорно-осевой привод без использования редуктора во многих изданиях называют «системы Герлесс», хотя на самом деле «Герлесс» (Gearless) означает лишь то, что в приводе нет зубчатой передачи.

1.1.1. Безредукторный привод с цельным двигателем на оси.
Такой привод были использованы в 1890 году для двигателей электровоза Лондонского метро. При мощности двигателя всего 50 л.с. габариты двигателей получались очень большими из-за низкой скорости вращения. Очень массивные катушки полюсов располагались с одной стороны, и в этом месте двигатель связывался тягой с рамой локомотива. Якорные подшипники для облегчения конструкции располагались не на цельном подшипниковом щите, а на двух консольных кронштейнах. Недостатком конструкции являлась большая неподрессоренная масса и ограниченные возможности увеличивать мощность двигателя при заданном диаметре колеса, что вызывало высокое воздействие на путь и усиление вибраций от поездов, воздействующих на сооружения вблизи путей метро. С другой стороны, в асимметричной компоновке двигателя уже можно видеть некоторые задатки классическкой опорно-осевой схемы привода.

Более удачными были непосредственные приводы первых американских магистральных электровозов. В 1893 году фирма Дженерал Электрик построила небольшие промышленные локомотивы с двумя ведущими осями и непосредственным приводом.

Тяговые двигатели представляли собой двухполюсные машины с вертикально расположенными полюсами.

В 1895 году фирма Дженерал Электрик строит более мощные машины для линии Балтимор — Огайо (см. рис из Scientific American—August 10, 1895). Двигатели имели шесть полюсов и разъемный шестигранный статор и опирались на раму через траверсу и полуэллиптические пружины. Каждый двигатель развивал мощность уже 360 л.с., что позволяло обеспечить пассажирским поездам скорость 56 км/час. Однако дальнейшего развития этот привод также не получил.

1.1.2. Привода с раздельным якорем и остовом.
Стремление снизить необрессоренную массу и одновременно сохранить низкое расположение центра тяжести локомотива (что не позволяли описываемые далее параллельно-кривошипные привода) привела конструктора «Дженерал Электрик» А. Батчелдера к идее разделить тяговый двигатель и разместить якорь двигателя непосредственно на движущей оси, а полюсы поставить на рамных креплениях, как показано на рисунке. При этом колесная пара перемещалась вертикально, вдоль полюсов.

Локомотивы с таким приводом были построены для линии Нью-Йорк Централ в 1904 году. В 1913 году аналогичный привод планировалось применить в разработанном на Коломенском заводе проекте тепловоза Ф. Мейнеке.

Конструкция получалась очень простой и содержала минимум изнашивающихся частей. Но эта простота создавала и ряд серьезных минусов. Во-первых, использование активных материалов двигателя оказывалось плохим из-за малого числа оборотов якоря, наличия всего двух полюсов и необходимости делать зазор между якорем и полюсами слишком большим. Во-вторых, колебания полюсов относительно якоря из-за неровностей пути нарушало коммутацию, т.к. при этом якорь перемещался относительно магнитного потока, менялся воздушный зазор и возникали удары щеток о коллектор. В-третьих, хотя на оси сидел только якорь, но из-за плохого использования активных материалов он все равно получался настолько большим и тяжелым, что его масса вызывала чрезмерное воздействие на путь. Наконец, привод было неудобно ремонтировать, т.к. для снятия якоря двигателя нало было распрессовывать колесную пару. В итоге локомотивы с таким приводом вышли из употребления, а для конструкторов на долгие годы стало непреложным правилом, что при любой передаче якорь и магнитная система тягового двигателя должны быть связаны в одну систему, не допускающую перемещения их друг относительно друга.

1.1.3. Первые опорно-осевые привода классической схемы.
Трехточечное подвещивание тягового двигателя с зубчатой тяговой передачей было изобретено в 80-х годах прошлого века Франком Спрагом (Frank J. Sprague) и в 1887 году было впервые применено на трамваях, отчего в технической литературе его иногда называют трамвайным подвешиванием.

Несмотря на внешнюю несхожесть, по своей конструктивной схеме первый классический опорно-осевой привод был достаточно близок к современному. Особенно важным было то, что привод был сразу оснащен пружинной подвеской, которая амортизировала удары при прохождении неровностей пути и не передавала их на раму и одновременно компенсировала поперечные перемещения и перекосы ТЭД относительно рамы тележки (за счет деформации витков пружин). Мощность двигателей была по 7,5 л.с., что обеспечивало скорость трамвая 12 км/час.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тяговый двигатель — постоянный ток

Тяговый двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением при напряжении на зажимах U 220 В потребляет из сети ток / 64 А. Определить электромагнитный момент двигателя и ЭДС обмотки якоря при вращении двигателя с частотой п 756 о б / мин. [1]

Тяговый двигатель постоянного тока является наименее надежным звеном энергетической цепи тепловоза вследствие коммутационной и механической напряженности, приводящей к частым неисправностям щеточного аппарата, коллектора и как следствие этого обмотки якоря. [2]

Тяговые двигатели постоянного тока , получающие питание из контактной сети, должны надежно работать при повышении напряжения на токоприемнике локомотива на 27 % сверх номинального значения, а двигатели, предназначаемые; для работы в генераторном режиме при электрическом торможении электроподвижного состава, должны надежно работать при повышении напряжения на зажимах или токоприемнике локомотива на 33 % выше соответствующего номинального напряжения. [3]

В тяговых двигателях постоянного тока сердечники дополнительных полюсов выполняют массивными из литой стали или стального проката ( рис. VI. При Ьк Ьд для крепления катушки полюсов сердечник снабжают специальными опорными угольниками из немагнитных материалов: латуни или пластмассы. Если толщина дополнительного полюса — невелика, то возникают трудности с шихтовкой сердечника в тех случаях, когда она необходима. [5]

В подвесно-осевых тяговых двигателях постоянного тока возможная длина сердечника якоря 1а определяется величиной вылетов обмотки якоря. [7]

Номинальной мощностью тяговых двигателей постоянного тока обычно считается мощность часовая, однако для некоторых машин за номинальную мощность принимают мощность длительную. Поскольку мощность двигателя всегда определяется допустимой величиной длительного тока, величина его указывается в паошртных данных. [8]

Опыты с мощными тяговыми двигателями постоянного тока , переведенными на питание пульсирующим током, показывают, что их коммутация ухудшается на 1 — 1V2 класса шкалы ГОСТ 183 — 55, причем изменяется самый характер искрения: цвет искр из белого переходит в голубоватый. Такое искрение при одинаковой его интенсивности с искрением на постоянном токе несколько меньше загрязняет рабочую поверхность коллектора, но, по-видимому, не уменьшает ее эрозийный износ. [9]

Для удовлетворительной работы тяговых двигателей постоянного тока , питаемых от выпрямителей, применяют различные способы. [10]

Глубина ослабления возбуждения тяговых двигателей постоянного тока ограничена коммутационными условиями, которые при ОП затруднены сочетанием больших значений тока и увеличенной скорости. Для двигателей любого типа существует ограниченней по условиям нагревания. Этими числами измеряется отношение тока возбуждения к току нагрузки. [11]

В отличие от тяговых двигателей постоянного тока статор коллекторного двигателя состоит из корпуса и сердечника. [12]

Схемы внутренних соединений обмоток тяговых двигателей постоянного тока без компенсационной обмотки и пульсирующего тока с компенсационной обмоткой приведены на рис. VI.70. Для сокращения длины соединений между обмотками у двигателя пульсирующего тока применено перемежающееся включение катушек компенсационной обмотки и дополнительных полюсов. [13]

Двигатель Н Б-406 Б представляет собой тяговый двигатель постоянного тока для электровоза типа ВЛ8, разработан и выпускался заводом НЭВЗ. Машина подвергалась всесторонним лабораторным исследованиям при питании пульсирующим током. [14]

Глава Тяговые двигатели охватывает все тяговые двигатели постоянного тока электроподвижного состава железных дорог Советского Союза . В ней приведены, основные конструктивные и расчетные данные тяговых двигателей ( типов НБ-406А, ДПЭ-400, ДПЭ-340 и др.), их характеристики ( электротяговые, нагрузочные, тепловые и аэродинамические) и чертежи основных узлов. В конце главы описаны особенности конструкции двигателей различных модификаций. [15]

ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Бесколлекторные электрические двигатели переменного тока получили широкое применение в самых различных отраслях техники благодаря простоте устройства. Электродвигатели переменного тока, как и двигатели постоянного тока, представляют собой электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Однако в способах осуществления этого принципа в электродвигателях двух типов имеются существенные различия.
В электродвигателях переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Поместим во вращающееся поле проводник в виде замкнутой рамки на оси (рис. 176).

Рис. 176. Схема простейшего электродвигателя переменного тока

Оси вращения магнитного потока и рамки должны совпадать. Магнитный поток, пересекая рабочие стороны рамки, будет индуктировать в них э. д. с, как в любом электрическом генераторе. Согласованная э. д. с. в рабочих сторонах приведет к возникновению электрического тока в замкнутой рамке. Этот ток взаимодействует с магнитным полем. Образуется пара сил, которая создает вращающий момент, заставляющий рамку поворачиваться вслед за магнитным полем. Таким образом, в электродвигателе переменного тока вращающийся магнитный поток полюсов статора индуктирует в замкнутых рамках, образующих витки обмотки ротора, электрический ток. Здесь ротор приводится во вращение теми же силами взаимодействия магнитного поля и тока, как и якорь в двигателях постоянного тока, но отпадает необходимость в подводе тока от внешнего источника к вращающейся обмотке, а значит, и надобность в коллекторе. Частота вращения ротора такого электродвигателя окажется несколько меньше частоты вращения магнитного поля. Только при этом условии магнитные силовые линии будут пересекать проводники, образующие витки, и, следовательно, в витках возникнет ток, взаимодействующий с магнитным полем. Если частоты вращения поля и витков будут одинаковыми, то магнитное поле не будет пересекать проводников, исчезнет ток в витках, являющийся причиной вращения ротора. Поэтому ротор и магнитное поле вращаются не с одинаковой частотой, или, как говорят, вращаются несинхронно (асинхронно). Электрические двигатели, работающие по рассмотренному принципу, получили название асинхронных. Само слово «асинхронный» образовано с помощью приставки «а», используемой в иностранных, преимущественно греческого происхождения, словах, выражающей отрицание или отсутствие какого-либо качества. В асинхронном двигателе отсутствует качество синхронного вращения магнитного поля и ротора.
Различие частоты вращения магнитного поля и ротора характеризуют скольжением. Численно скольжение s представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля и ротора к частоте вращения магнитного поля.
Рассмотренное выше устройство, обеспечивающее вращение ротора, еще не является электродвигателем, так как требует механического вращения статора. В электродвигателе вращающееся магнитное поле должен создать непосредственно электрический ток. Вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью многофазного тока. Рассмотрим принцип работы асинхронного двигателя трехфазного тока. На полюсах стального сердечника статора кольцевой формы размещены три обмотки, смещенные последовательно на угол в 120° (рис. 177).

Рис. 177. Схема трехфазного асинхронного электродвигателя

Внутри статора располагается ротор с обмоткой. Подключим катушки статора к источнику трехфазного электрического тока, как показано на рис. 178, и проследим процессы изменения тока I в катушках и создаваемого ими магнитного потока в зависимости от времени t, В положении а ток в I фазе равен нулю, во II фазе он имеет отрицательное значение, а в III — положительное. Воспользовавшись правилом правой руки для определения направления, создаваемого током магнитного потока, можно установить, что внутренний конец сердечника второй катушки 2 будет северным полюсом, а внутренний конец сердечника третьей катушки 3 окажется южным полюсом. Суммарный магнитный поток внутри электродвигателя направлен от северного полюса катушки 2 к южному полюсу катушки 3. Дальнейшее изменение тока в фазах постепенно меняет величину магнитного потока катушек. В положении б ток во II фазе равен нулю. В III фазе ток
изменил направление на отрицательное, и этот полюс 3 стал северным. Первый полюс 1, по катушке которого течет ток в положительном направлении, становится южным. Суммарный магнитный поток теперь направлен от третьего полюса к первому, т. е. повернулся на 120°, как это легко видеть из сравнения положений а и б на рис. 178.

Рис. 178. Схема получения вращающегося магнитного поля в трехфазном электродвигателе

В положении в за счет дальнейшего изменения тока в катушках первый полюс становится северным, второй южным, в катушке третьего полюса ток отсутствует. Суммарный магнитный поток двигателя повернулся еще на угол 120°. И наконец, в положении г токи в катушках по величине и направлению становятся такими же, как и в положении а. Магнитный поток еще повернулся на 120°. Таким образом, за один период изменения переменного тока магнитный поток сделал полный оборот. Почти на один оборот (с учетом скольжения) повернется и ротор двигателя, увлекаемый магнитным потоком. Из рис. 178 можно видеть, что три полюсных обмотки асинхронного двигателя трехфазного тока создают двухполюсное магнитное поле (поле имеет один северный и один южный полюсы). В этом случае частота вращения магнитного поля равна частоте тока.
Если статор трехфазного двигателя оборудовать шестью полюсными обмотками, то они создадут два магнитных потока, т. е. четырехполюсное магнитное поле. При применении девяти полюсных обмоток образуются три магнитных потока и, следовательно, шестиполюсное магнитное поле и т. д.
Известно, что частота вращения магнитного потока в электродвигателе переменного тока зависит как от частоты тока f, так и от числа пар полюсов р и составляет n=f/p.
Во избежание больших потерь энергии в электродвигателе, т. е. для повышения к. п. д. двигателя, скольжение должно быть минимальным. В двигателях трехфазного тока скольжение в зависимости от нагрузки меняется от 2— 3 до 5 — 6%. Таким образом, частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда близка к частоте вращения магнитного потока.
Для реверсирования двигателя переменного тока необходимо заставить вращаться в обратную сторону магнитный поток полюсов, что осуществляется изменением подключения любых двух фаз статорной обмотки.
Рассмотрим устройство электродвигателя переменного тока (рис. 179).

Рис. 179. Статор трехфазного асинхронного двигателя

Магнитопровод (сердечник) статора набирается из тонких штампованных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Сердечник на внутренней поверхности имеет пазы, в которые укладываются изолированные проводники обмотки статора в виде отдельных катушек для каждой фазы. Собранный сердечник с обмоткой устанавливают в станине электродвигателя. Все начала и концы катушек обмотки статора выводят наружу для соединения с внешней цепью и обеспечения реверсирования двигателя.
Ротор двигателя имеет сердечник из штампованных листов электротехнической стали. В пазы ротора укладывается обмотка. В зависимости от типа обмотки ротора асинхронные электродвигатели разделяются на двигатели с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Простейшим является короткозамкнутый ротор. Короткозамкнутая обмотка выполняется из медных стержней, соединенных по торцам медными кольцами (рис. 180). Такого типа обмотка получила название «беличьей клетки» или «беличьего колеса». Медные стержни нет необходимости изолировать в пазах. Иногда «беличье колесо» выполняется из алюминия, заливаемого в пазы ротора.

Рис. 180. Схема обмотки короткозамкнутогго ротора «беличье колесо»

Фазный ротор снабжен обмоткой из изолированного провода, ее концы присоединяют к контактным кольцам ротора. Через щеточный аппарат обмотка замыкается на пусковой реостат. Пусковой реостат увеличивает сопротивление обмотки ротора. При пуске двигателя с помощью пускового реостата резко снижается сила пускового тока. Пусковой реостат позволяет осуществить плавное регулирование вращения ротора в определенных пределах.
Из опыта эксплуатации тепловозов известно, что одними из наиболее уязвимых частей тяговых двигателей являются изоляция сложной по конструкции якорной обмотки, коллектор, щетки. Нарушения изоляции якоря, повреждения и износ коллектора требуют сложного ремонта тяговых двигателей. Сколотые, разрушенные щетки следует немедленно заменить, так как это может привести к тяжелым повреждениям коллектора, обмоток двигателя. Замену щеток практически можно производить лишь в депо, притирка новых щеток по коллектору весьма трудоемка. Образующаяся при износе и повреждении щеток электрографитовая токопроводящая пыль может вызвать перебросы тока между частями двигателей и их повреждения, поэтому тяговые электродвигатели постоянного тока требуют систематического ухода, очистки и продувки сжатым воздухом.
По сравнению с электродвигателями постоянного тока асинхронный двигатель трехфазного тока с короткозамкнутым ротором отличается рядом преимуществ. Действительно, в асинхронных двигателях такого типа ротор имеет простейшую конструкцию. В нем нет тяжелого коллектора, сложной обмотки, которая должна быть тщательно изолирована; не имеется и капризного в эксплуатации щеточного аппарата. Кроме того, ввиду отсутствия коллектора в асинхронных двигателях не нужны устройства, облегчающие процесс коммутации, в том числе и добавочные полюсы. Максимальная частота вращения ротора не ограничивается допустимой окружной скоростью коллектора. Вращающееся магнитное поле позволяет обеспечить более высокое использование электромагнитных сил в электродвигателе. Поэтому асинхронный двигатель по сравнению с двигателем постоянного тока имеет меньшую массу, для его изготовления расходуется меньше дефицитных материалов. Снижение массы тягового двигателя является весьма важным еще и потому, что приводит к уменьшению воздействия неподрессоренных масс локомотива на железнодорожный путь. Асинхронные двигатели значительно надежнее в эксплуатации, менее трудоемки в обслуживании и ремонте. Как указывалось выше, частота вращения ротора асинхронного двигателя не может достигнуть частоты вращения магнитного потока статора. Благодаря этому асинхронные двигатели не допускают резкого повышения частоты вращения ротора при снятии механической нагрузки. В условиях применения их на тепловозах это означало бы исключение боксования колесных пар со значительным увеличением частоты их вращения. Особенно заманчивым казалось использование асинхронных тяговых двигателей на тепловозах с тяговыми генераторами переменного тока. В этом случае вырабатываемый генератором ток может быть непосредственно направлен в асинхронные тяговые двигатели. Главное препятствие на пути внедрения тяговых асинхронных электродвигателей — это трудность регулирования частоты их вращения для изменения скорости движения тепловоза при постоянной частоте вращения и мощности дизель-генератора.
Ступенчатое регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя достигается путем изменения числа пар полюсов статорной обмотки. Однако применение такого способа регулирования не обеспечивает плавного изменения силы тяги тепловоза и скорости движения, значительно усложняет электрическую схему, так как необходимо производить переключения статорных обмоток двигателей. Использование фазных роторных обмоток двигателей с реостатами во внешней цепи не только усложняет электрическое оборудование тепловоза, но и снижает его к. п. д. вследствие дополнительных потерь энергии.
Для плавного экономичного изменения силы тяги и скорости движения тепловоза с тяговыми двигателями переменного тока необходимо также плавно регулировать частоту электрического тока, подводимого к двигателям. Регулирование частоты переменного тока можно осуществить с помощью дополнительной двигатель-генераторной установки (рис. 181).

Рис. 181. Структурная схема машинного преобразователя частоты переменного тока для тепловозов

В этом случае дизель-генератор Д тепловоза работает с постоянной частотой вращения. Генератор Г вырабатывает постоянный ток, который приводит в действие электрический двигатель ЭД дополнительной двигатель-генераторной установки. Тяговый синхронный генератор СГ переменного тока этой установки вырабатывает электрическую энергию для питания тяговых электродвигателей 1 — 3. Регулируя частоту вращения двигателя дополнительной установки можно изменять частоту вырабатываемого тяговым генератором тока в необходимых пределах для обеспечения полного использования мощности дизеля при изменении скорости движения локомотива и частоты вращения якорей тяговых двигателей. Однако легко видеть, что в этом случае на тепловозе потребуется установить дополнительную двигатель-генераторную установку, имеющую большую массу, трудоемкую в ремонте, и применить специальную систему ее автоматического регулирования. Поэтому разработанные проекты тепловозов с такой системой регулирования частоты переменного тока, используемого для асинхронных тяговых двигателей, не были практически реализованы.
Новые широкие возможности преобразования параметров электрического тока открывает применение полупроводниковой техники. Весьма компактные полупроводниковые приборы совместно со специальной системой управления их работой позволяют питать асинхронные тяговые двигатели электрическим током необходимой частоты в зависимости от скорости движения локомотива. Такие статические преобразователи тока значительно компактнее дополнительной двигатель-генераторной установки. В нашей стране и за рубежом разработаны полупроводниковые преобразователи тока для тепловозов.
Созданы и проходят испытания первые опытные образцы тепловозов с тяговыми электродвигателями переменного тока. Однако преобразователи тока еще дороги в изготовлении, недостаточно устойчива их работа.
Потери энергии в преобразователе несколько снижают общий коэффициент полезного действия локомотива. Все это сдерживает применение асинхронных тяговых электродвигателей на тепловозах.

Закон Ампера и тяговый двигатель

Тяговый электродвигатель (ТЭД) – электрический двигатель, предназначенный для приведения в движении транспортных средств (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов и т.д). Электроподвижной состав (ЭПС) железных дорог являются важнейшей составной частью железнодорожного транспорта страны. Эффективность работы ЭПС во многом определяет и эффективность всей системы железнодорожного транспорта. [1] Одним из показателей эффективности ЭПС является его надежность. Важнейшим элементом ЭПС являются его тяговые электродвигатели (ТЭД). Как следует из многочисленных исследований различных авторов, ТЭД является одним из элементов конструкции ЭПС, ограничивающих эксплуатационных надежность последнего. Задача повышения надежности ТЭД, во многом определяющий надежность ЭПС, и в настоящее время является актуальной. [1]

Цель работы: рассмотреть применение закона Ампера в работе тягового двигателя электровоза

Для достижения поставленной цели выдвинуты следующие задачи:

1. Изучить источники информации по данной теме
2. Рассмотреть основные части и назначение тягового двигателя электровоза
3. Изучить закон Ампера
4. Выяснить, где применяется закон Ампера в работе тягового двигателя электровоза

1.Закон Ампера в работе тягового двигателя электровоза

1.1 Основные части и назначение тягового двигателя электровоза.

Тяговые электродвигатели железнодорожных транспортных средств (в соответствии с рисунком 1) приводятся в эксплуатацию в довольно сложных погодных условиях, в пыльном и влажном воздухе. [3] Исходя из этого, разработчики конструкции тяговых электродвигателей обязательно располагают на усовершенствованную электрическую и механическую прочность узлов и деталей, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих обмоток и частей, устойчивую коммутацию двигателей. Итак, давайте детально рассмотрим, из чего же состоит тяговой электродвигатель, и сделаем краткую характеристику каждого из составляющих. Если говорить в целом, можно сказать, что как и любые другие двигатели с постоянным током, тяговой электродвижок состоит из якоря, щеткодержателя и щетки, а также из остова с полюсами. Теперь обо всех деталях по порядку. Якорь тягового электродвигателя состоит из сердечника, обмотки, коллектора и вала. [3] Вал якоря, как правило, изготавливают из специальной стали с повышенным качеством. Но, как показывает практика, валы тоже «стареют» и их приходится менять. Исходя из этого, листы сердечника собирают не на валу, а непосредственно на специальной втулке. В таком случае, данная конструкция способствует выпрессовыванию вала из втулки, при этом не разбирая сердечник, обмотку и коллектор. Как правило, одним из основных и достаточно важных и ответственных узлов в данном двигателе является коллектор. Он является частью, которая терпит наибольшие нагрузки в электрическом отношении. В основном условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Коллекторы современных тяговых двигателей имеют в диаметре свыше 800 мм, число пластин составляет 600. Щетки и щеткодержатели в тяговом электродвигателе являются одним целым. [3] Сквозь щетки, которые установлены на щеткодержателях, проходит электрический ток, который подводится прямиком к обмотке якоря тягового двигателя. Материалом, из которого изготавливаются щетки для тяговых электродвигателей, является графит, который получают при нагревании антрацита, сажи, кокса в электрической печи. За счет материала, из которого сделаны щетки, они получили название электро графитизированных. Во время изготовления таких деталей, конструкторы прослеживают за тем, чтобы они характеризировались высоким переходным сопротивлением и низким коэффициентом трения, а также обладали упругостью и износоустойчивостью. В свою очередь, конструкция щеткодержателя включает в себя корпус и кронштейн, соединённые между собой с помощью болта. Для того чтобы крепление и электрический контакт корпуса и кронштейна был более надежным и тесным, соприкасающиеся поверхности имеют рифлёную поверхность. [3] Очень важно, чтобы щеткодержатель находился в изоляции от остова электродвигателя. Поэтому кронштейны щеткодержателей крепятся к остову или подшипниковым щитам с использованием изоляторов. Теперь поговорим об остове. В составе тягового электродвигателя остов одновременно выполняет роль магнито провода, так как к нему крепятся главные и дополнительные полюса. Как правило, остов должен проделывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока. Исходя из этого, его изготавливают из стали, которая обладает хорошими магнитными свойствами.
Тяговый двигатель предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую, передаваемую с вала двигателя на колесную пару. [3]

1.2 Закон Ампера

Магнитное поле материально, т. е. существует независимо от наших знаний о нем. Порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле. Магнитное поле может быть создано и магнитом, (в соответствии с рисунком 2) но и там причиной появления поля является движение электронов. Магнитное поле может быть создано и переменным электрическим полем. [4]

Обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой. Магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме. Источниками магнитного поля являются электрические движущиеся заряды (токи) и изменяющееся во времени электрическое поле.

Магнитное поле, в отличие от электрического, не оказывает действия на покоящийся заряд. [4] Сила возникает лишь тогда, когда заряд движется. Сила Ампера это та сила, с которой магнитное поле действует на проводник, с током помещённый в это поле. Величину этой силы можно определить с помощью закона Ампера. (в соответствии с рисунком 3) В этом законе определяется бесконечно малая сила для бесконечно малого участка проводника. Что дает возможность применять этот закон для проводников различной формы. [4]

• индукция магнитного поля, в котором находится проводник с током
• сила тока в проводнике
• бесконечно малый элемент длины проводника с током
• угол между индукцией внешнего магнитного поля и направлением тока в проводнике

Направление силы Ампера находится по правилу левой руки. Формулировка этого правила, звучит так. Когда левая рука расположена таким образом, что линии магнитной индукции внешнего поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывают направление движения тока в проводнике, при этом отогнутый под прямым углом большой палец будет указывать направление силы, которая действует на элемент проводника. (в соответствии с рисунком 4)

Некоторые проблемы возникают, при использовании правила левой руки, в случае если угол между индукцией поля и током маленький. Трудно определить, где должна находиться открытая ладонь. [4] Поэтому для простоты применения этого правила, можно ладонь располагать так, чтобы в нее входил не сам вектор магнитной индукции, а его модуль. Из закона Ампера следует, что сила Ампера будет равна нулю, если угол между линией магнитной индукции поля и током будет равен нулю. То есть проводник будет располагаться вдоль такой линии. И сила Ампера будет иметь максимально возможное значение для этой системы, если угол будут составлять 90 градусов. То есть ток будет перпендикулярен линии магнитной индукции. [4]

2. Применение закона Ампера в работе тягового электровоза

Как правило, современный электровоз комплектуется электрическим двигателем, который может быть как постоянного, так и переменного тока. Тяговой электродвигатель работает по определенному принципу, если в однородном магнитном поле расположить в вертикальном положении рамку и пропустить по ней ток, тогда вокруг проводника возникнет электромагнитное поле, которое будет взаимодействовать с полюсами магнитов. От одного рамка будет отталкиваться, а к другому притягиваться. [2] В результате рамка повернется в горизонтальное положения, в котором будет нулевым воздействие магнитного поля на проводник. Для того что бы вращение продолжилось необходимо добавить еще одну рамку под углом или изменить направление тока в рамке в подходящий момент. Это делается при помощи двух полуколец, (в соответствии с рисунком 5) к которым примыкают контактные пластины от батарейки. В результате после совершения полуоборота меняется полярность и вращение продолжается. [2] Итак, как правило, в магнитное поле (в данном случае оно создается благодаря постоянному магниту) помещают якорь с обмотками — обмотку из медной изолированной проволоки. (в соответствии с рисунком 6) В свою очередь, от какого-либо источника тока поступает постоянный ток, который проходит по обмотке.

После этого, вокруг проводника, который проводит через себя электрический ток, возникает магнитное поле. Помимо магнитного поля, которое образуется благодаря току, протекающему через проводник, существует еще и магнитное поле постоянного магнита. [2] Они воздействуют между собой и в результате образуется сила, которая стремится повернуть проводник в определенную сторону. Куда будет направлено действие этой силы (а следовательно, и направление вращения) можно определить воспользовавшись правилом левой руки. Следуя правилу, если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные силовые линии (из северного полюса магнита в южный), а пальцы разместить в сторону направления движения тока, проходящего через проводник, то отставленный в сторону большой палец покажет направление движения проводника. В итоге, рамка поворачивается против часовой стрелки вплоть до того времени, пока не займет определенную позицию. В последнем случае, ток по ее цепи проходить не будет, но все же, даже тогда она будет двигаться по инерции до тех пор пока не займет соответствующего положения. [2] В данном положении, по рамке опять пройдет ток в прежнем направлении, что говорит о том, что он будет производить магнитное поле, которое во время взаимодействия с полем магнита, будет стремиться к поворачиванию рамки против часовой стрелки. И тут приходит на помощь коллектор. Как правило, коллектор, который предназначается для поддержания направления тока в обмотке электродвигателя при ее оборачивании неизменимым, состоит из двух медных полуцилиндров, которые располагаются в изоляции друг от друга и дотрагиваются до щеток. [2] Если бы его не было, то рамка, после того как она займет определенное положение, должна будет сделать остановку, так как, согласно правилу левой руки, сила взаимодействия магнитных полей рамки и магнита будет стремиться возвратить рамку в определенную позицию. [2]

Заключение

Цель данной работы — ознакомление с перспективами развития тягового двигателя и закон Ампера. В процессе работы я изучил источники информации по данной теме, ознакомился применением закона Ампера в работе тягового электродвигателя. Железнодорожный транспорт очень распространен во всех странах мира. В работе исследован принцип действия электрического двигателя. Изучена простейшая действующая модель, наглядно иллюстрирующая принцип действия электродвигателя.

Тяговый электродвигатель

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

• Тяговое усилие
• Тягодутьевое устройство

Смотреть что такое «Тяговый электродвигатель» в других словарях:

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ — предназначен для приведения в движение транспортных средств (электровозов, трамваев, электромобилей и т. п.). В качестве тягового электродвигателя обычно применяют двигатели постоянного тока и коллекторные двигатели однофазного переменного тока с … Большой Энциклопедический словарь

тяговый электродвигатель — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN traction motor … Справочник технического переводчика

Тяговый электродвигатель — Коллекторный ТЭД электровозов ЧС2, ЧС3 Тяговый электродвигатель (ТЭД) … Википедия

тяговый электродвигатель — предназначен для приведения в движение транспортных средств (электровозов, трамваев, электромобилей и т. п.). В качестве тяговых электродвигателей обычно применяют двигатели постоянного тока и коллекторные двигатели однофазного переменного тока с … Энциклопедический словарь

ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ — электродвигатель для привода колёсных пар подвижного состава на электрич. транспорте. В качестве Т. э. используют преим. двигатели пост. тока. От обычных электродвигателей отличаются конструкцией корпуса, повыш. надёжностью, видом механич.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

тяговый двигатель — Электродвигатель, предназначенный для привода колесных пар подвижного состава … Политехнический терминологический толковый словарь

Электродвигатель постоянного тока — Рис. 1 Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным ротором Двигатель постоянного тока электрическая машина, ма … Википедия

тяговый электрический двигатель железнодорожного подвижного состава — 84 тяговый электрический двигатель железнодорожного подвижного состава: Электродвигатель в специальном исполнении, служащий для создания вращающего и тормозного моментов, приводящий с помощью тяговой передачи во вращение колесные пары тягового… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 17513-72: Электропривод колесных машин тяговый. Термины и определения — Терминология ГОСТ 17513 72: Электропривод колесных машин тяговый. Термины и определения оригинал документа: 11. Двигатель генераторная установка теплоэлектрического привода колесной машины Энергетическая установка, состоящая из первичного… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Тяговые электродвигатели — Тяговый электродвигатель (ТЭД) электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение транспортных средств[1] (электровозов, электропоездов, тепловозов, трамваев, троллейбусов, электромобилей, электроходов, большегрузных автомобилей с … Википедия