Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: остов с поюсами, якорь, щеткодержатели и щетки, подшипниковые щиты (рис. 14). Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределены условиями их работы.
Размеры тягового двигателя ограничены габаритом — предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске, ударам при прохождении колесных пар по неровностям пути, работают при температуре окружающей среды от +40 до — 50° С, в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Очень трудно предотвратить проникновение в них пыли, влаги, снега.
Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.
Якорь
У тягового двигателя якорь (рис. 15, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.
Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 15, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.
Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем наводится э. д. с. Значения этой э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения. Под действием разности э. д. с, наведенных в сердечнике, возникают так называемые вихревые токи. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.
Избежать разности наведенных э. д. с. при вращательном движении якоря невозможно. Остается одно — увеличить электрическое сопротивление сердечника. Собирая сердечник из отдельных листов толщиной 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малой площадью сечения и, следовательно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее 1 — 1,5% кремния.
В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.
Валы якорей тяговых двигателей изготавливают из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны быть расположены один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, образуя таким образом обмотку якоря. Отдельные витки, составляющие обмотку, называют секциями.
Современные электрические машины постоянного тока, в том числе и тяговые двигатели, обычно делают многополюсными,т. е. они имеют не одну, а две, три и более пар полюсов. При этом проводники обмотки якоря могут быть соединены двумя способами, и в зависимости от этого получают обмотки двух типов — петлевую и волновую.
Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюса электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.
Для получения петлевой обмотки (рис. 16, а) начало проводника 1 присоединяют к коллекторной пластине 1', а конец его соединяют с началом проводника 2. Конец проводника 2 присоединяют к пластине 2'. Проводники 1 и 2 образуют одну секцию, имеющую форму петли. Поэтому обмотка и получила название петлевой. Далее начало проводника 3 соединяют с пластиной 2', а конец — с проводником 4 и т. д., пока обмотка не замкнется, т. е. пока последний проводник не соединится с коллекторной пластиной 1'.
При волновой обмотке (рис. 16, б) начало проводника 1, расположенного под северным полюсом (полюс N) первой пары полюсов, присоединяют к коллекторной пластине 1', а конец — к проводнику 2, как и в петлевой обмотке. Затем, в отличие от петлевой обмотки, конец проводника 2 через соответствующую коллекторную пластину 2', расположенную уже не рядом с пластиной 1', соединяют с проводником 3, находящимся под полюсом N следующей пары полюсов. Проводник 3 соединяют с проводником 4, расположенным под полюсом той же пары полюсов, и через коллекторную пластину с проводником 5, находящимся под полюсом N первой пары полюсов, и так до тех пор, пока обмотка не замкнется. Секция обмотки этого типа имеет форму волны, вследствие чего обмотка и получила название волновой. В отличие от петлевой обмотки концы секции волновой обмотки присоединяют к несмежным коллекторным пластинам.
В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку. В современных тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник (см. рис. 15, б). В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую — в нижнюю часть другого. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секции. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что упрощает технологию их изготовления.
Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря она под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандаж на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы (рис. 17, а, б).
Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах, выполненных из стальной проволоки, теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления. Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях. Однако при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.
Раньше прямоугольные проводники обмотки якоря располагали вертикально (см. рис. 17, а). При расположении проводников, имеющих прямоугольное сечение, плашмя (см. рис. 17, б) не требуется места (по ширине паза) на изоляцию и улучшается отвод тепла от меди к боковым стенкам паза. Это позволяет улучшить теплоотдачу, а следовательно, уменьшить радиальные размеры сердечника и, кроме того, снизить добавочные потери в меди, так как уменьшаются вихревые токи. Так размещены обмотки в тяговых двигателях электровозов постоянного и переменного тока новых серий. Это позволило повысить мощность двигателей при заданных габаритных размерах. Однако монтаж такой обмотки сложней, чем обмотки, проводники которой расположены вертикально. Лобовые соединения обмотки якоря крепят только бандажами, которые выполняют из стеклоленты, пропитанной клеящими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.
Производство новых электроизоляционных материалов высокой прочности позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якори, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность (рис. 17, в). Это снижает стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.
Коллектор (рис. 18) — один из основных и наиболее ответственных узлов тягового двигателя постоянного тока. Коллектор наиболее нагружен в электрическом отношении, и условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Диаметр коллектора современных тяговых двигателей превышает 800 мм, число пластин достигает 600.
Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической прочностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого «ласточкиного хвоста». «Ласточкины хвосты» пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно, так как к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти за очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя. То же самое может произойти при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.
От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.
Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора делают меньшей высоты — продороживаю т коллектор специальными фрезами.
