Щетки и щеткодержатели
Через щетки, установленные
в щеткодержателях, электрический ток
подводится к обмотке якоря тягового двигателя.
Щетки для тяговых двигателей
изготовляют из графита, получаемого
при нагреве в электрической печи сажи,
кокса, антрацита. Такие щетки называют
электрографитизированными. Изготовляя
их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое
переходное сопротивление, низкий коэффициент
трения, были упругими, износоустойчивыми.
Одна щетка обычно перекрывает
несколько коллекторных пластин, что ухудшает
коммутацию (объяснение этого термина
будет дано ниже) двигателей. Однако если
щетки и коллекторные пластины выполнить
равными по ширине, то щетки получились
бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того,
при прохождении большого тока необходимо
обеспечить достаточную поверхность контакта
между щетками и коллектором.
Поэтому, чтобы получить необходимую
площадь рабочей поверхности щеток при
небольшой их ширине, пришлось бы щетку
удлинить, а это привело бы к удлинению
коллектора. Размеры же двигателя ограничены
габаритом электровоза, и увеличение длины
коллектора вызвало бы необходимость
уменьшить длину сердечника якоря и проводников
обмотки,
что в свою очередь привело бы к снижению
мощности двигателя. Щеткодержатель (рис.
19) состоит из корпуса и кронштейна, корпус
соединяют с кронштейном болтом. Для более
надежного крепления и лучшего электрического
контакта соприкасающиеся поверхности
кронштейна и корпуса сделаны рифлеными.
Щеткодержатели должны быть надежно изолированы
от остова двигателя. Поэтому их кронштейны
крепят к остову или подшипниковым щитам
с помощью изоляторов.
Щетки прижаты к поверхности
коллектора пальцами, соединенными с пружинами.
Для улучшения контакта между щетками
и коллектором применяют составные (разрезные)
щетки.
Остов
У тягового двигателя остов
(рис. 20) одновременно служит магнитопроводом,
к нему крепят главные и дополнительные
полюса. Остов (ярмо) должен оказывать
минимальное сопротивление прохождению
магнитного потока, поэтому его изготовляют
из стали, обладающей хорошими магнитными
свойствами.
В магнитной системе тяговых
двигателей, установленных на электровозах
переменного тока, пульсирующий выпрямленный
ток вызывает дополнительные потери. Чтобы
снизить их, в массивный остов часто впрессовывают
вставку, набранную, подобно якорю, из
отдельных листов.
На электровозах с опорно-осевым
подвешиванием остову в поперечном сечении
придавали почти квадратное очертание
с несколько срезанными углами. Такая
форма позволяла уменьшить размеры
двигателя, что важно для размещения его
на электровозе. Стремление к непрерывному
снижению массы тяговых двигателей привело
к применению остовов цилиндрической
формы. К остову крепят главные и дополнительные
полюса, щиты с роликовыми подшипниками,
в которых вращается якорь электродвигателя,
и другие детали; предусмотрены в остове
люки для подвода и отвода охлаждающего
воздуха. Остов имеет горловины, через
которые в него устанавливают полюса,
якорь и другие детали. В процессе эксплуатации
электровоза приходится периодически
проверять состояние коллектора и щеточного
аппарата. Для этого в остове имеются смотровые
люки, герметично закрываемые крышками.
Подшипниковые щиты. Ими плотно
закрывают торцовые горловины остова
с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют
в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому
щиты называют подшипниковыми. В современных
тяговых двигателях применяют только
роликовые подшипники качения, более надежные,
чем шариковые и подшипники трения скольжения.
Роликовые подшипники не требуют частого
пополнения смазки и постоянного ухода.
При вращении вала тягового
двигателя смазка может выбрасываться
из подшипников. Чтобы избежать этого,
на валу устанавливают специальные устройства,
предупреждающие разбрызгивание и выбрасывание
смазки —лабиринтные маслоуплотнители.
Подшипниковые щиты предотвращают загрязнение
частей двигателя и проникновение в него
влаги.
Главные полюса
Они представляют собой сердечники,
на которые надевают катушки обмотки возбуждения.
Сердечники главных полюсов, как и якоря,
собирают из отдельных листов стали. Зачем
это делают? По катушке сердечника проходит
постоянный магнитный поток, а сам сердечник
неподвижен и, следовательно, вихревые
токи в нем возникнуть не могут. Все это
было бы так, если бы якорь имел гладкую
поверхность. В действительности зубцы
и впадины его сердечника, перемещаясь
при вращении под полюсами, искажают магнитное
поле и вызывают пульсацию магнитного
потока, из-за чего в сердечнике полюса
возникают вихревые токи. Вот и приходится
набирать сердечник из тонких листов стали,
т. е. выполнять шихтованным.
Чтобы обеспечить необходимое
распределение магнитного потока
по поверхности якоря, сердечнику (рис.
21, а и б) придают довольно сложную Т-образную
форму: она определяется соотношением
размеров ширины
сердечника и его полюсного наконечника,
формой воздушного зазора, наличием компенсационной
обмотки, условиями размещения и закрепления
ее и катушек главных полюсов, способом
крепления сердечников к остову.Тяговые
двигатели электровозов постоянного тока
имеют две или три пары главных полюсов,
а на электровозах переменного тока —
три пары полюсов.
Компенсационная обмотка, применяемая
в тяговых двигателях пульсирующего тока
и в мощных двигателях постоянного тока,
служит для компенсации реакции якоря.
Обмотку располагают в пазах наконечника
главных полюсов (см. рис. 21, б) и соединяют
последовательно с обмоткой якоря. В отечественных
тяговых двигателях применена хордовая
компенсационная обмотка (рис. 22) из мягкой
прямоугольной медной проволоки, выполняемая
катушками, которые можно устанавливать
и снимать независимо от других обмоток.
Крепят компенсационную обмотку
в пазах клиньями.
Дополнительные
полюса
Как и главные, эти полюса состоят
из сердечников и катушек. Магнитный поток,
необходимый для компенсацииреактивной
э. д. с, сравнительно невелик, вследствие
чего дополнительные полюса имеют меньшие
размеры, чем главные. Потери в их сердечниках,
вызываемые пульсацией магнитного потока,
незначительны, поэтому сердечники изготовляют
сплошными. В машинах с тяжелыми условиями
коммутации, а также в двигателях пульсирующего
тока для уменьшения вихревых токов эти
сердечники выполняют шихтованными.
Катушки дополнительных полюсов
наматывают из полосовой меди. Число дополнительных
полюсов всегда равно числу главных.
Остов, главные и дополнительные
полюса образуют магнитную систему тягового
двигателя. Магнитная система обеспечивает
прохождение магнитного потока, его концентрацию
в определенных частях двигателя.
Электрическая изоляция
Изоляция играет важную роль
в обеспечении надежной работы любого
электрического устройства, в том числе
и двигателей. Изоляция тяговых двигателей
подвергается значительному нагреву,
воздействию влаги, перенапряжений, вибрации,
поэтому она должна обладать достаточной
электрической и механической прочностью,
быть нагрево- и влагоустойчивой. Нагревоустойчивость
— один из основных показателей качества
изоляции, в зависимости от нее все электроизоляционные
материалы делят на классы. Класс изоляции
обозначается буквами латинского алфавита.
В соответствии с ГОСТ 2582—81 «Машины электрические
вращающиеся тяговые. Общие технические
требования» в тяговых машинах используют
изоляцию классов
В, F, Н, Р.
Применение изоляции высокого
класса повышает надежность тягового
двигателя, позволяет при тех же размерах
реализовать большую мощность, допускать
более высокие температуры нагрева его
частей.
Где же применяют изоляцию в
тяговых двигателях? Прежде всего в обмотке
якоря (рис. 23): изолируют друг от друга
медные провода, из которых выполнена
эта обмотка,— витковая изоляция; каждую
секцию изолируют от корпуса и одну от
другой — корпусная изоляция. Корпусная
изоляция от механических повреждений
защищена покровной. Кроме того, секции,
расположенные в одном пазу, имеют еще
общую покровную изоляцию и прокладки,
которые укладывают на дно паза, между
секциями, а также между верхней секцией
и клином. В катушках полюсов изолированными
выполняют отдельные витки, слои витков
и выводы, изолируют также всю катушку
от остова двигателя. Кронштейны щеткодержателей
изолируют от корпуса двигателя с помощью
фарфоровых изоляторов (см. рис. 19). Изоляцию
коллекторных пластин относительно корпуса
и одну от другой выполняют так, как показано
на рис. 18.
Работа
тяговых двигателей
Процесс изменения
направления тока в замыкаемых накоротко
щетками секциях якорной обмотки с помощью
коллектора и щеточного механизма называется
коммутацией.
Секции якоря, в которых
происходят изменения направления тока,
называются коммутируемыми.
Условия работы тяговых
двигателей на электропоездах значительно
тяжелее, чем при стендовых испытаниях.
На процесс коммутации влияет ряд эксплуатационных
факторов. Большое влияние на работу тяговых
двигателей оказывает трение, возникающее
при работе под током тягового двигателя
между пластинами коллектора и щетками.
Наиболее частыми
являются механические причины искрения
под щетками, основными из которых являются:
выступающая изоляция между пластинами
коллектора; загрязнение рабочей поверхности
коллектора; искажение формы рабочей поверхности
коллектора (подгары, царапины, неровности,
овальность или эксцентричность и т. д.);
перекос щеток, ослабление направляющего
действия щеткодержателей; предельный
износ щеток, недостаточное нажатие на
щетку и плохая пригонка щетки к коллектору;
динамическое воздействие на щетку и щеточный
аппарат неровностей пути, биение якоря
в результате его небаланса, повышенного
износа подшипников вала якоря, зубчатой
передачи и т. д.
Искрения в результате
этих факторов могут вызвать такие необратимые
нарушения в тяговом двигателе, что эксплуатация
его станет невозможной. В чем же состоит
сущность коммутационного процесса?
В тяговых двигателях
электропоездов применяют волновые якорные
обмотки с одновитковыми секциями — витками
(рис. 70). Конец витка / соединяют с коллекторной
пластиной, к которой подсоединяется начало
витка 2, расположенного под второй парой
полюсов. Конец витка 2 соединен с началом
витка 3 и т. д. до тех пор, пока последний
виток (конец) не будет соединен с началом
витка /. Таким образом, обмотка якоря представляет
собой замкнутую электрическую цепь, которую
щетки разделяют на две параллельные ветви.
Учитывая, для простоты изучения, что якорь
двигателя вращается очень медленно и
что сила тока в короткозамкну-той секции
будет изменяться также очень медленно,
можно считать, что э. д. с. самоиндукции
ничтожно мала и ею можно пренебречь.
Рассмотрим процессы,
которые происходят в этом случае. Обмотка
якоря двигателя (рис. 71, а) и вместе с ней
коллектор при неподвижной щетке /, ширина
которой принимается равной ширине коллекторной
пластины, перемещаются по стрелке. В тот
момент, когда положительная щетка имеет
контакт только с одной коллекторной пластиной,
электрический ток, проходящий через щетку
и коллекторную пластину в, делится на
две равные части. Половина тока 1/2 через
секцию Б идет в левую параллельную ветвь,
половина 1/2 —- через секцию В в правую
параллельную ветвь и далее к отрицательной
щетке, где эти величины тока складываются
и возвращаются к минусовому зажиму источника
тока.
Когда щетка / коснется
коллекторной пластины б (рис. 71, б), площадь
ее соприкосновения с пластиной в начнет
уменьшаться по мере вращения якоря. Тогда
ток от щетки пойдет к щеткам бив. Причем
ток, проходящий по секциям обмотки якоря
Б, будет уменьшаться по мере увеличения
площади соприкосновения щетки с пластиной
б и уменьшения площади соприкосновения
с пластиной в. В момент, когда эти площади
станут равны, ток в короткозамкнутой
секции Б будет равен нулю, а началом левой
параллельной ветви станет уже секция
А.
При дальнейшем вращении
якоря площадь контакта щетки / с коллекторной
пластиной б будет превышать площадь контакта
с пластиной в, и по секции Б вновь начнет
протекать увеличивающийся ток, но уже
противоположного направления. Когда
щетка / потеряет контакт с пластиной в
(рис. 74, в), ток в секции Б будет равен половине
тока 1/2, проходящего через щетку /.
Таким образом, процесс
изменения тока в секции полностью закончится
и секция Б перейдет из левой параллельной
ветви в правую параллельную ветвь.
В дальнейшем, когда
до щетки / дойдет пластина а, начнется
процесс изменения тока в секции А. Процесс
изменения тока (коммутация) в секции якоря
двигателя начинается тогда, когда коллекторное
деление той пары щеток, между которыми
подключена секция, перекрывается набегающим
краем щетки. Оканчивается же процесс
коммутации в момент выхода рассматриваемого
коллекторного деления из-под противоположного
сбегающего края щетки.
Время Т, в течение
которого секция замкнута накоротко щеткой,
называется периодом коммутации. Витки
обмотки присоединены к коллекторным
пластинам и к щетке подводится ток /. Этот
ток, пройдя через щетку в обмотку якоря,
разветвляется в ней. Токи +1/2 и —1/2 (рис.
72) в параллельных цепях обмотки одинаковы
по величине, но противоположны по направлению.
Как отмечалось выше,
при вращении якоря коллекторные пластины
перемещаются относительно неподвижных
щеток и наступает момент, когда сопротивления
площадей левой и правой половин щеточного
контакта равны. Тогда ток, притекающий
к щетке, делится поровну между пластинами
/ и 2. Таким образом, за период коммутации
Т ток в секции А\ меняется на величину
21/2 = 1. Однако с изменением тока в секции
А\ изменяется и магнитный поток Фь, окружающий
ее. Поэтому в ней наводится э. д. с. самоиндукции
е, = 2ф,/7" ^ 1/Т г~
п1, (14)
Направление э. д.
с. самоиндукции определяется правилом
Ленца и оно таково, что препятствует изменению
тока. Обычно в пазах якоря помещается
не одна активная сторона секции, а несколько.
Кроме того, щетка имеет такую ширину,
что перекрывает сразу несколько коллекторных
пластин, поэтому процесс коммутации происходит
не в одной секции, а в нескольких одновременно.
Магнитные потоки
секции замыкаются через одни и те же соседние
зубцы якоря и охватывают не только проводники,
токами которых они созданы, но и соседние,
лежащие в этих пазах. При этом каждый
из потоков при своем изменении наводит
как э. д. с. самоиндукции ех в стороне секции,
током которой он создан, так и э. д. с. взаимоиндукции
ем во всех остальных секциях. Полная э.
д. с, появляющаяся в секциях обмотки якоря,
называется реактивной э. д. с. ер и равна
сумме э. д. с. самоиндукции и э. д. с. взаимоиндукции: