Тяговый электродвигатель: устройство, назначение и виды

Что такое тяговый электродвигатель

Тяговый электродвигатель (ТЭД) — электрическая машина, которая приводит в движение транспорт: электровозы, электропоезда, вагоны метро, трамваи, троллейбусы, тепловозы с электрической передачей, карьерные самосвалы, электромобили, суда с электродвижением. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую и передаёт вращающий момент на колесо, гусеницу или гребной винт — чаще всего через зубчатый редуктор.

От общепромышленного электродвигателя той же мощности тяговый отличается условиями работы. Его нужно разместить под кузовом между колёсами, поэтому диаметр и длина ограничены: у двигателей для колеи 1520 мм длина по подшипниковым щитам — 1020–1185 мм. Его эксплуатируют на улице, во влажном и пыльном воздухе, при тряске и ударах от рельсов. Нагрузка меняется постоянно: частые пуски, разгон, торможение, а ток при трогании с места может вдвое превышать номинальный. Поэтому у тяговых двигателей усиленная изоляция обмоток, стойкая к влаге и нагреву, прочные детали и крепления. Из-за тяжёлых условий и жёстких ограничений по размерам их относят к машинам предельного использования. В России требования к вращающимся тяговым двигателям задаёт ГОСТ 2582-2013.

Назначение и где применяют тяговые электродвигатели

Назначение тягового электродвигателя — создать силу тяги, разогнать транспорт и держать скорость, а при торможении — переходить в режим генератора и тормозить электрически. Устройство двигателя на всех видах транспорта схожее, а источник энергии и способ передачи момента у каждого свои.

Отдельные свойства двигателя зависят от вида транспорта. Пригородным электропоездам и поездам метро нужна большая перегрузочная способность, чтобы быстро разгоняться между частыми остановками. Грузовому электровозу — способность долго держать наибольшую силу тяги с тяжёлым составом. Двигателю шахтного электровоза — взрывозащищённое исполнение. Городскому транспорту — тишина и плавный разгон.

Принцип работы и регулирование

Ток в обмотках создаёт магнитное поле, взаимодействие полей статора и ротора даёт вращающий момент на валу. Вал через шестерню редуктора вращает зубчатое колесо на оси колёсной пары. Редуктор понижает частоту вращения и увеличивает момент: первые безредукторные двигатели конца XIX века с якорем прямо на оси колёсной пары не давали нужной мощности, и задачу решил понижающий редуктор.

Главное в тяговом приводе — плавно трогаться, разгоняться и тормозить. Сначала ток регулировали пусковыми резисторами и переключением двигателей по мере разгона: с последовательного соединения на последовательно-параллельное, затем на параллельное. Часть энергии при этом уходила в тепло на резисторах. Затем перешли на импульсное регулирование без резисторов, а сейчас ток и частоту задают электронные преобразователи под управлением микропроцессоров. Водитель или машинист контроллером задаёт нужную скорость или силу тяги, остальное делает система управления.

При торможении двигатель переходит в режим генератора. Энергия либо гасится в тормозных резисторах — это реостатное торможение, либо возвращается в контактную сеть или аккумулятор — рекуперативное торможение. Колодки и диски механических тормозов при этом изнашиваются меньше.

Устройство тягового электродвигателя

Узлы тягового электродвигателя те же, что у любой электрической машины, но рассчитаны на тряску, перегрузки и ограниченное место. Ниже — упрощённый продольный разрез двигателя с редуктором.

Остов и статор

Остов — корпус и несущая часть двигателя. На нём крепятся подшипниковые щиты, устройства для подвешивания к раме тележки, проушины для подъёма и предохранительные кронштейны: если подвеска разрушится, кронштейны не дадут двигателю упасть на путь. У двигателей постоянного тока остов одновременно служит магнитопроводом, на нём закреплены главные и добавочные полюса. Такие остовы обычно отливают из низкоуглеродистой стали 25Л с толщиной стенок не менее 15–18 мм, а отливка должна быть без раковин и трещин. Гранёный остов четырёхполюсного двигателя использует пространство между колёсами на 91–94 %, цилиндрический — на 80–83 %, зато он проще в изготовлении и легче.

У бесколлекторных — асинхронных и синхронных — двигателей сердечник статора набирают и спрессовывают из изолированных листов электротехнической стали и скрепляют стяжками. В пазы сердечника укладывают обмотку, а нагрузку несёт литой или сварной корпус. Изоляцию обмоток делают теплостойкой и влагостойкой: для городского электротранспорта сопротивление изоляции после испытаний на влагостойкость должно быть не менее 0,5 МОм.

Ротор и якорь

Вращающуюся часть двигателя постоянного тока называют якорем: в пазах его сердечника лежит обмотка, ток в неё подводится через коллектор. У асинхронного двигателя ротор короткозамкнутый — в пазах пакета стали стержни, замкнутые кольцами по торцам, ток в них наводит поле статора. У синхронного двигателя на роторе постоянные магниты. Роторы и якоря тяговых двигателей динамически балансируют, чтобы на высоких оборотах они не давали вибрации.

Коллектор и щётки

Коллектор есть только у двигателей постоянного и пульсирующего тока. Это цилиндр из медных пластин, разделённых миканитовыми прокладками: через прижатые к нему угольные щётки ток попадает в обмотку якоря и переключается между её секциями. Коллектор — одна из самых нагруженных деталей двигателя: у крупных машин его диаметр доходит до 800–900 мм, а окружная скорость — до 60–65 м/с. Пластины изнашиваются, поэтому их высоту закладывают с запасом на износ 12–15 мм. Для осмотра щёток и коллектора в остове есть люки с уплотнёнными крышками, чтобы внутрь не попадали влага, пыль и снег.

Подшипники и подшипниковые щиты

Вал ротора вращается в подшипниках качения, закреплённых в подшипниковых щитах по торцам остова. Щиты должны быть жёсткими: их прогиб не должен уменьшать зазоры в подшипниках. При опорно-осевом подвешивании на остове есть ещё моторно-осевые подшипники, которыми двигатель опирается на ось колёсной пары. Предельная температура подшипников — по ГОСТ 183.

Охлаждение

Двигатель охлаждают воздухом. Он входит через отверстия в остове, проходит через сердечники и обмотки и выходит с противоположной стороны. У самовентилируемого двигателя воздух гонит вентилятор на его собственном валу, при независимой вентиляции — отдельный мотор-вентилятор в кузове. Подробнее о способах охлаждения — в разделе о режимах работы.

Виды тяговых электродвигателей

ГОСТ 2582-2013 и справочная литература делят тяговые двигатели по нескольким признакам:

• По роду тока — постоянного, пульсирующего (выпрямленного однофазного) и переменного.
• По типу машины — постоянного тока с последовательным или независимым возбуждением, асинхронные, синхронные.
• По конструкции — коллекторные и бесколлекторные, вращающиеся и линейные.
• По подвешиванию — опорно-осевые и опорно-рамные.
• По питанию — от контактной сети или от бортового источника: аккумулятора, дизель-генератора, топливного элемента.
• По режиму работы — продолжительный, кратковременный с рабочим периодом 15–90 минут, повторно-кратковременный с продолжительностью включения 15–60 %.
• По способу охлаждения — с независимой вентиляцией, с самовентиляцией, обдуваемые, с естественным охлаждением.
• По степени защиты и климатическому исполнению — по ГОСТ 14254 и ГОСТ 15150. Как читать код степени защиты, например IP54, — в статье «Степень защиты IP».

На практике тяговый электродвигатель выбирают прежде всего по типу машины: от него зависят устройство ротора, нужен ли коллектор и какая электроника стоит между сетью и двигателем.

Тяговые электродвигатели постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного и пульсирующего тока десятилетиями были основными на железной дороге и в городском транспорте. Чаще всего это двигатели последовательного возбуждения: обмотка возбуждения включена последовательно с якорем, и через неё идёт весь ток двигателя. При трогании ток большой, поле сильное, и двигатель развивает большой момент; с ростом скорости ток и момент снижаются. Такая характеристика сама подходит для тяги, а регулировать двигатель можно резисторами и переключением соединений. Слабое место — коллектор и щётки: искрение, износ, необходимость регулярного осмотра и проточки. Двигатели с независимым возбуждением применяют там, где нужна жёсткая характеристика и простая рекуперация.

Асинхронные тяговые электродвигатели

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором — самая распространённая электрическая машина. В тяге его применяют на железной дороге, в метро, на трамваях, троллейбусах, электробусах и электромобилях. Ротор вращается чуть медленнее магнитного поля статора — отсюда название, разница называется скольжением. Коллектора и щёток нет, ротор прост и прочен, обслуживание сводится в основном к подшипникам и изоляции. Работать от контактной сети напрямую такой двигатель не может: тяговый преобразователь превращает постоянный ток сети в трёхфазный переменный регулируемой частоты и напряжения. Распространение асинхронного привода стало возможным, когда появились мощные полупроводниковые преобразователи.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами

В вентильном двигателе ротор — постоянные магниты, а ток в катушках статора переключают полупроводниковые ключи по сигналам датчика положения ротора. По управляемости он похож на двигатель постоянного тока, по надёжности — на машины переменного тока: щёточно-коллекторного узла нет. На возбуждение ротора энергия не тратится, поэтому при той же мощности такой двигатель меньше и легче. Плата за это — магниты из редкоземельных сплавов и более сложное управление.

Другие виды

Вентильно-индукторный двигатель имеет зубчатый ротор из пакета стали без обмоток и магнитов: ротор поворачивается, стремясь занять положение с наименьшим магнитным сопротивлением, а преобразователь по очереди включает катушки статора. Линейный тяговый двигатель развёрнут в плоскость и толкает экипаж без колёс и редуктора. Его применяют на высокоскоростном наземном транспорте: на больших скоростях сцепление колеса с рельсом падает, и нужную силу тяги через колесо не передать.

Подвешивание двигателя и тяговая передача

На железнодорожном транспорте колёсная пара, тяговый двигатель и тяговая передача образуют колёсно-моторный блок. Главный размер одноступенчатой передачи — централь, расстояние между осью колёсной пары и валом двигателя. От того, как двигатель подвешен, зависят и его конструкция, и нагрузка на путь.

Опорно-осевое подвешивание просто и надёжно держит постоянную централь при любых перемещениях колёсной пары. У асинхронных двигателей ось колёсной пары может проходить прямо внутри полого ротора. Опорно-рамное подвешивание сложнее, но всё шире применяется: двигатель не получает ударов от рельсов, изоляцию катушек можно сделать на 20–30 % тоньше, детали изнашиваются меньше. Нагрузка при этом переходит на передачу — карданный вал, муфту или полый вал.

На трамваях двигатели ставят на тележках и передают момент на колёсные пары через редукторы. У низкопольного вагона под полом места нет, поэтому тяговые электродвигатели, передачи и тормоза размещают на тележках компактно, а преобразователи — на крыше; так устроен, например, трамвай «Витязь-М». На карьерных самосвалах и некоторых электромобилях двигатель встроен в колесо — это мотор-колесо: в нём объединены колесо, двигатель, редуктор и иногда тормоз.

Режимы работы, характеристики и охлаждение

Для двигателей электроподвижного состава установлены два номинальных режима. В продолжительном режиме двигатель несёт наибольший ток неограниченное время — более 4–6 часов после пуска — и не перегревается. В часовом режиме двигатель, пущенный из холодного состояния, работает час с наибольшим током, при котором температура не выходит за допустимую. Для электровозов расчётный режим — продолжительный, для электропоездов — часовой, для остальных видов транспорта — кратковременный или повторно-кратковременный. Номинальные мощность, напряжение, ток, частота вращения и момент указывают на табличке двигателя и в паспорте. В обозначениях по ГОСТ 183-74 продолжительный режим — S1.

Основные технические параметры

В паспорте и технических условиях на тяговый электродвигатель указывают:

• Номинальную мощность на валу, кВт — в продолжительном и, если задан, в часовом режиме.
• Номинальное напряжение и ток, а у асинхронного электродвигателя — ещё частоту питающего тока.
• Частоту вращения — номинальную и наибольшую. Отношение наибольшей к номинальной у электровозов — 1,8–2,0, у тепловозов — 2,1–2,6.
• Вращающий момент на валу, Н·м, и КПД.
• Режим работы, степень защиты, класс нагревостойкости изоляции, массу.

Мощность на валу связана с моментом и частотой вращения: P = M · ω, где ω — угловая скорость вала. Для поезда тот же расчёт ведут через силу тяги и скорость: мощность на ободе колёс равна произведению силы тяги на скорость. Поэтому при заданной мощности электродвигателя сила тяги наибольшая на малой скорости и снижается при разгоне.

Работу электродвигателя описывают несколько групп характеристик:

• Электромеханические — зависимость частоты вращения, вращающего момента и КПД от тока.
• Электротяговые — зависимость скорости, силы тяги и КПД на ободе колеса от тока; по ним считают разгон и тяговые расчёты поезда.
• Тепловые — как нагреваются обмотки, коллектор и подшипники при разном токе во времени.
• Аэродинамические — как воздух проходит через двигатель при охлаждении.

Двигатель должен выдерживать кратковременную перегрузку: отношение наибольшего тока к номинальному — коэффициент конструктивной перегрузки — не меньше 2. КПД определяют через потери: электрические в обмотках, магнитные в стали, механические в подшипниках и на вентиляцию, добавочные. У современных асинхронных тяговых двигателей КПД превышает 90 %: у ТАЭД72 и ЭДБТ1 — 93 %.

От охлаждения зависит, какую мощность двигатель отдаёт долго. На электровозах применяют независимую вентиляцию: воздух подаёт мотор-вентилятор, установленный в кузове. На электропоездах места в кузове нет, и двигатели самовентилируемые — вентилятор стоит на валу. Чем интенсивнее вентиляция, тем ближе мощность продолжительного режима к часовой. Охлаждающий воздух несёт пыль, металлические частицы от тормозных колодок, а зимой — до 20–25 г снега на кубометр, поэтому на входе ставят воздухоочистители. Проводящая пыль ускоряет износ щёток и коллектора и ухудшает изоляцию.

Обслуживание и диагностика

Объём технического обслуживания зависит прежде всего от вида электродвигателя.

• Двигатель постоянного тока. Через коллекторные люки осматривают коллектор и щётки, меняют изношенные щётки, при износе протачивают коллектор. Проверяют сопротивление изоляции обмоток, крепление полюсов, подшипники.
• Асинхронный двигатель. Коллектора и щёток нет, главное — подшипники, их смазка и нагрев, сопротивление изоляции обмотки статора, вибрация. Нормы вибрации тяговых двигателей задают по ГОСТ 20815.
• Колёсно-моторный блок. Для ремонта на электровозах и электропоездах двигатель с колёсной парой и редуктором снимают как единый узел и разбирают уже в цехе.

При модернизации старого трамвая коллекторный двигатель обычно меняют на асинхронный вместе с преобразователем — двигатель без своего преобразователя не работает. Что проверить при такой замене, разобрали в статье о модернизации трамваев.

Тяговые двигатели для трамваев НПО «Электромашина»

АО «НПО «Электромашина» (Челябинск) выпускает асинхронные тяговые двигатели для трамвайных вагонов со 100 % низким уровнем пола: ТАЭД72 мощностью 72 кВт на напряжение 500 В и ЭДБТ1 мощностью 62 кВт на 345 В. Оба рассчитаны на продолжительный режим S1, степень защиты IP54, КПД 93 %.

Двигатели поставляются производителям трамвайных узлов — «ПК Транспортные системы» и «Уралтрансмаш» — и работают на 55 из 89 предприятий городского электротранспорта России. Гарантия — 36 месяцев. Из 200 поставленных двигателей после окончания трёхлетней гарантии из строя вышел один. Как подобрать двигатель под вагон и сравнение асинхронного привода с приводом постоянного тока на трамвае — в разделе тяговых электродвигателей для трамваев.