VII.2. Тяговые электрические машины

Тяговый генератор ГС-501А переменного тока предназначен для эксплуатации на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока и служит для преобразования механической энергии дизеля в электрическую. Вырабатываемый генератором трехфазный переменный ток частотой 35—100 Гц идет в выпрямительную установку, а затем выпрямленный — к тяговым электродвигателям постоянного тока.

Генератор ГС-501А представляет собой синхронную электрическую машину защищенного исполнения с явно выраженными 12 полюсами на роторе с независимым возбуждением, с принудительной вентиляцией. Вращение генератора по часовой стрелке, если смотреть со стороны контактных колец.

Состоит генератор ГС-501А (рис. 108) из неподвижной части — статора 9, в пазах которого располагаются две трехфазные обмотки, и вращающейся части — ротора 7 с полюсами возбуждения, питаемыми постоянным током через кольца и щетки.

Рис. 108. Продольный и поперечный разрезы тягового синхронного генератора ГС-501А 1 - дистанционные кольца подшипникового узла; 2 - сферический роликоподшипник; 3 - ступица подшипника; 5 - контактные кольца; 6 - щеткодержатель со щеткой; 7 - ротор; 8 - щит подшипниковый; 9 - статор; 10 - обмотка статора; 11 - катушка полюса ротора; 12 - полюс ротора; 13 демпферная обмотка

Статор имеет сварной корпус, изготовленный из стальных листов, которым с помощью вальцевания придается цилиндрическая форма. К корпусу статора параллельно его оси с двух сторон приварены опорные лапы для установки генератора на поддизельную раму. Перпендикулярно лапам для повышения их жесткости приварены к корпусу статора стальные ребра с проушинами, предназначенные для подъема и транспортировки генератора. В верхней части корпуса имеются кронштейны, служащие опорами для установки на генераторе синхронного возбудителя и стартер-генератора.

Статор выполнен из штампованных листов высоколегированной электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В листах имеются отверстия, образующие вентиляционные каналы. В пазах статора уложена волновая двухслойная обмотка 10, катушки которой изолированы от корпуса полиамидной и активированной фторопластовой пленками с выстилкой паза пленкостеклотканью.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения обмотки выполнена по схеме двух независимых звезд (с двумя параллельными ветвями в каждой), сдвинутых одна по отношению к другой на 30° эл. (рис.  109). Секция обмотки прямоугольной формы, соответствующей форме паза сердечника,  выполнена  из девяти уложенных  друг на друга широкой стороной медных проводников. Лобовые части обмотки крепятся к корпусу статора с помощью пластмассовых обмоткодержателей с запрессованными в них шпильками. Система выводов обмотки статора усиленная, и пайка их к шинам производится серебросодержащим припоем; всего — шесть фазных, два нулевых вывода и два вывода обмотки возбуждения.

Рис.   109. Схема  соединений  генератора ГС-501А

Ротор имеет сварнолитой корпус, на который нашихтован  и спрессован пакет из двухмиллиметровых стальных листов индуктора. В этих листах выштампованы пазы формы «ласточкина хвоста», в которых на готовом корпусе ротора клиньями крепят 12 полюсов 12 (см. рис. 108) моноблочной конструкции. До шихтовки листов индуктора в корпус запрессовывают и механически обрабатывают вместе с ним вал ротора. Сердечник полюса ротора набран из листов стали толщиной 1,4мм, спрессован и стянут четырьмя стальными шпильками.   Катушки  11 полюсов ротора выполнены из медной ленты ЛММ размером 1,35х25 мм, гнутой   «на   ребро».    Между витками меди проложена изоляция, катушка    пропитана    в   сборе   с сердечником в эпоксидном компаунде и имеет   изоляцию типа «Монолит-2»  класса Р.   Чередование   полярности   полюсов ротора достигается либо установкой через   одну   катушек с от­крытой и перекрещенной намоткой витков и выполнением межкатушечных соединений  со стороны   контактных   колец, либо установкой всех   катушек с открытой   намоткой  витков и выполнением межкатушечных соединений через  одну катушку со стороны   контактных   колец    и противоположной.   В   пазы  полюсных  наконечников встроена демпферная (успокоительная) обмотка 13, состоящая из медных стержней, соединенных между собой по торцам короткозамыкающими сегментами и пропаянных в них, либо из стальных стержней, приваренных по торцам к полюсным щекам.

В машинах переменного тока стремятся получить вращающуюся круговую намагничивающую силу, так как только она создает синхронно вращающийся поток, с помощью которого передается энергия от статора к ротору (или наоборот). Поэтому стремятся уменьшить все высшие гармоники намагничивающей силы. Стержни, замкнутые по краям соединительными кольцами, создают ряд короткозамкнутых контуров, демпфирующих (ослабляющих) поля, вращающиеся несинхронно.

С противоположной стороны ротора имеется фланец, с помощью которого через эластичную пластинчатую муфту ротор соединен с фланцем коленчатого вала дизеля.

Генератор с одним подшипниковым щитом и свободным концом вала со стороны контактных колец допускает отбор мощности на собственные нужды тепловоза в случае отсутствия специального источника.

Подшипниковый щит 8 сварной конструкции укреплен болтами на корпусе статора. В щите имеется выемная ступица 3, обеспечивающая возможность замены роликоподшипника 2 без снятия щита с генератора и без отъема генератора от дизеля. Подшипниковый щит является несущей частью, так как на ступицу через роликовый подшипник опирается одной стороной ротор. Подшипник ротора самоустанавливающийся, двухрядный, со сферическими роликами.

Конструкция подшипникового узла обеспечивает сброс отработанной смазки в специальную камеру. (Применена консистентная смазка ЖРО ТУ 32 ЦТ 520-73.) Узел смонтирован на валу ротора со стороны контактных колец. Крышки подшипникового узла стягиваются болтами, проходящими через осевые отверстия в теле ступицы.

Во внутренней полости подшипникового щита на изогнутых ребрах с помощью четырех изоляторов закреплены две подвески, на каждой из которых установлены три радиальных латунных щеткодержателя 6. Конструкция щеткодержателя предусматривает постоянное усилие нажатия пружины на щетку независимо от износа последней. Щетка вставляется в щеткодержатель и прижимается пружиной через рычаг к контактному кольцу ротора. Всего шесть щеток марки ЭГ-4 размером 25х32х64 мм, снабженных резиновыми амортизаторами, через которые на щетку передается постоянное усилие нажатия рычага пружины, равное 1,7—2 кгс. Ток к щеткам подводится по плетеным медным проводникам, наконечники которых через подвески соединены с выводами обмотки возбуждения. Контактные кольца 5, изготовленные из специальной антикоррозионной стали, напрессовывают на корпус ротора и изолируют от него. Камера контактных колец закрыта легкосъемными сварно-штампованными крышками, установленными по периметру конусной части подшипникового щита. Торцовая сторона подшипникового щита (верхнее основание усеченного конуса) закрыта плоскими штампованными щитами из листовой стали.

Охлаждающий воздух подается в генератор через сборный стальной патрубок со стороны, противоположной контактным кольцам (со стороны дизеля). В нижней части подшипникового щита под контактными кольцами укреплен стальной патрубок для выброса из генератора нагретого воздуха.

Охлаждающий воздух забирается снаружи тепловоза через воздушные фильтры, установленные с боков кузова. В фильтрах воздух очищается от пыли, снега, масла, капель воды.

Конструкцией генератора предусмотрено предохранение всего крепежа от самоотвинчивания и коррозии.

Возбудитель ВС-650В (рис. 110)—это однофазный синхронный генератор повышенной частоты, защищенного исполнения, самовентилируемый, служит для питания (через полууправляемый выпрямитель) постоянным током обмотки возбуждения тягового генератора и относится к вспомогательным тяговым электрическим машинам. Охлаждающий воздух прогоняется через полость машины литым вентилятором из алюминиевого сплава и выбрасывается через окна в станине со стороны контактных колец. Вентиляционные окна на входе и выходе охлаждающего воздуха закрываются съемными сеткой и крышкой с выштампованными в них отверстиями. Вентилятор 16 крепится болтами к стальной ступице, смонтированной на валу 18 со стороны свободного конца.

Рис. 110.  Продольный  и  поперечный разрезы возбудителя ВС-650В

Статор (магнитная система) возбудителя состоит из станины 8, изготовленной из листовой стали, в которой установлены восемь полюсов моноблочной конструкции. К станине привариваются с обеих сторон лапы, которыми возбудитель опирается и крепится, а также стальные ребра с проушинами для подъема машины и ее транспортировки.

Сердечники полюсов 14 собраны из штампованных листов электротехнической стали, спрессованы и стянуты заклепками. В башмаки полюсов встроена короткозамкнутая демпферная обмотка в виде медных стержней круглого и прямоугольного сечений. Катушки полюсов 15 являются элементами независимой обмотки возбуждения возбудителя и соединены последовательно. Концы обмотки выведены в коробку выводов (рис. 111). Изоляция полюсных катушек выполнена из материалов класса Р. Катушку и сердечник полюса пропитывают в сборе в эпоксидном компаунде.  

Рис.   111.  Схема  соединений возбудителя ВС-650В

Якорь 10 (см. рис. 110) возбудителя соединен муфтой с распределительным редуктором дизеля и приводится им во вращение.

Сердечник якоря возбудителя 12 состоит из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, нашихтованных на стальной вал. Спрессованный сердечник удерживается в осевом направлении латунной втулкой со стороны контактных колец и обмоткодержателем со стороны свободного конца вала. Все детали крепятся на валу шпонками. В пазах сердечника я коря 20 уложена волновая обмотка, концы катушек которой пропаяны серебросодержащим припоем в медных втулках, вставленных в прямоугольные пазы по окружности пластмассовой части втулки. Расположение проводников в пазах горизонтальное.

Обмотка 11 укреплена на сердечнике с помощью стеклобандажа 13. Якорь пропитывается в термореактивном лаке. На его вал напрессованы изолированные от него два контактных кольца 9 из специальной антикоррозионной стали, которые с помощью двух контактных шпилек соединены с выводами якорной обмотки. На рабочей поверхности контактных колец нарезают винтообразные канавки.

Якорь опирается на подшипниковые щиты 6 и 17 через два шариковых подшипника 3. Подшипники насаживают на вал якоря с натягом и с обеих сторон закрывают стальными крышками 1, 5 с лабиринтными канавками. Подшипниковые щиты центруют в станине «замками» и закрепляют на ней болтами.

Смазку в подшипники добавляют через стальные трубки 21, вваренные в отверстия подшипниковых щитов со стороны привода и контактных колец. При запрессовке смазка, заполняя внутреннюю смазочную полость каждого из подшипниковых узлов, проходит между шариками подшипника, смазывает их и попадает в наружную смазочную полость.

Применена консистентная смазка марки ЖРО ТУ 32 ЦТ 520-73. 

Щеткодержатели 19 крепят на пластмассовой траверсе и соединяют токосборными шинами с отводами в коробку выводов, а траверсу 7 —болтами к переднему подшипниковому щиту. На рис.110: 2 — упорное кольцо, 4 — уплотнительное кольцо.

Конструкция щеткодержателя предусматривает постоянство усилия нажатия курка пружины на щетку по мере срабатывания последней. Щеткодержатель унифицирован с щеткодержателем генератора ГС-501А. На возбудителе применены щетки марки ЭГ-4 размером 25х32х64 мм с резиновыми амортизаторами. Давление пружины на щетку обеспечивается в пределах 16—20 Н (1,6—2,0 кгс).

Тяговый электродвигатель (рис. 112, 113) предназначен для привода колесных пар тепловоза через одноступенчатый прямозубый редуктор. Как правило, в качестве тяговых электродвигателей используют электрические машины постоянного тока с последовательным возбуждением, нашедшие признание в локомотивостроении благодаря характеристикам, обеспечивающим автоматическое регулирование вращающего момента от частоты вращения и наиболее близко соответствующим требуемым тяговым параметрам локомотива.  

Рис 112. Тяговый электродвигатель ЭД-118А 1, 21 - трубки для добавления смазки в подшипники якоря; 2, 17 - крышки подшипника; 3, 19 - подшипники роликовые; 4 - упорное кольцо; 5 - дистанционное кольцо; 6, 16 - малый и большой подшипниковые щиты; 7 - коллектор; 8 - щеткодержатель; 9 - якорь; 10 - обмотка якоря; 11, 15 - теклобандажи; 12 - сердечник якоря; 13, 14 - добавочный и главный полюсы; 18 - лабиринтное уплотнение; 20 - свободный конец вала; 22 - вкладыши моторно-осевого подшипника; 23 - корпус моторно-осевого подшипника; 24 - механизм смазывающего фитиля моторно-осевого подшипника; 25 - остов.
Рис 113. Тяговый электродвигатель ЭД-118А 1, 21 - трубки для добавления смазки в подшипники якоря; 2, 17 - крышки подшипника; 3, 19 - подшипники роликовые; 4 - упорное кольцо; 5 - дистанционное кольцо; 6, 16 - малый и большой подшипниковые щиты; 7 - коллектор; 8 - щеткодержатель; 9 - якорь; 10 - обмотка якоря; 11, 15 - теклобандажи; 12 - сердечник якоря; 13, 14 - добавочный и главный полюсы; 18 - лабиринтное уплотнение; 20 - свободный конец вала; 22 - вкладыши моторно-осевого подшипника; 23 - корпус моторно-осевого подшипника; 24 - механизм смазывающего фитиля моторно-осевого подшипника; 25 - остов.

К недостаткам таких электродвигателей следует отнести их склонность к значительному повышению частоты вращения при сбросе нагрузки, например при боксовании колесных пар тепловоза, что требует создания защитных устройств, как правило, в виде электрических схем. Схемы защиты от боксования будут тем сложнее, чем полней используется сцепная масса при реализации тяговой силы.

На тепловозе 2ТЭ116 установлено шесть тяговых электродвигателей, по одному на каждую ось. Две ступени возбуждения и гиперболическая зависимость напряжения от тока на зажимах тягового генератора обеспечивают изменение частоты вращения тягового электродвигателя в широком диапазоне. Работа тягового электродвигателя в диапазоне от максимально допустимого до длительного тока возможна кратковременно и является пусковой зоной для локомотива.

На тепловозе 2ТЭ116 применяется тяговый электродвигатель ЭД-118А, который в дальнейшем заменяется тяговым электродвигателем ЭД-125Б.

Оба электродвигателя представляют собой четырехполюсную электрическую машину постоянного тока с последовательным возбужде­нием, одним свободным конусным концом вала, принудительной вентиляцией, обеспечивающей работу в пределах рабочих характеристик при окружающей температуре от + 40 до —50 'С.

Магнитная система электродвигателей состоит из литого восьмигранной формы остова 25 с установленными на нем главными 14 и добавочными 13 полюсами, а также щеткодержателями 8. Остов выполняет роль магнитопровода как для главных, так и для добавочных полюсов, а также имеет горловины для установки подшипниковых щитов, моторно-осевую часть и носики для крепления электродвигателя на тележке тепловоза. Остов имеет четыре люка, три из которых предназначены для обслуживания коллектора, щеткодержателей и щеток, а один для подачи охлаждающего воздуха. Восьмигранная форма остова при четырехполюсной системе позволяет реализовать больший момент вращения по сравнению с традиционным круглым остовом, вписанным в определенное пространство.

Главные полюсы 14 крепятся к остову тремя болтами из стали 40Х. Сердечник набирается по длине из штампованных листов низкоуглеродистой стали. Конфигурация сердечника со стороны якоря определяется необходимостью обеспечить потенциальную устойчивость к круговому огню на коллекторе тягового электродвигателя. Кагушка полюса выполнена из шинной меди, намотанной плашмя в виде двух полюсных шайб. Размер меди ЭД-118А — 8х25мм, ЭД-125Б — 7х30 мм. Изоляция катушки и сердечника выполнена из изоляционных материалов класса F. Сердечник с установленной катушкой пропитывают в эпоксидном компаунде типа «Монолит-2»; он представляет собой неразъемную конструкцию, устойчивую к вибрациям и температурным воздействиям, и обеспечивает весьма высокую влагостойкость изоляции катушек. Выводы катушек выполнены из медного уголкового профиля и припаяны к виткам катушки серебросодержащим припоем.

Соединены катушки между собой гибкими шинами, которые кре­пятся к остову с помощью стальных ленточек через резиновую втулку к скобе.

Добавочные полюсы 13 крепятся к остову тремя болтами из стали 40Х. Сердечник дополнительного полюса выполняется из полосы проката стали Зсп. Форма и размеры сердечника как со стороны якоря, так и со стороны остова выбраны из условия обеспечения наилучшей коммутации во всем диапазоне работы тягового электродвигателя. Катушка полюса выполнена из шинной меди, намотанной на ребро. Размер меди ЭД-118А — 6х30 мм, ЭД-125Б — 5,6х30 мм. Изоляция выполнена так же, как и для главного полюса. Выводы катушки выполнены из шинной меди и в сочетании со стальной полурамкой толщиной 5 мм, заделанной посередине высоты катушки, образуют устойчивую к вибрационным нагрузкам конструкцию.

Соединены катушки между собой проводами, которые крепятся к остову так же, как и шины главных полюсов.

Добавочные полюсы в сочетании со щетками обеспечивают нормальную коммутацию без подгаров коллектора и щеток.

На схеме внутренних соединений (рис. 114) стрелками показано направление протекания тока, при котором полюсы будут иметь обо­значенные на схеме полярности, а якорь — обозначенное направление вращения. Сплошные линии — соединения со стороны коллектора, штриховые — с противоположной коллектору стороны. В таблице рисунка приведены внешние соединения выводных проводов для получения направления вращения. Пересоединения, выполняемые на тепловозе реверсором при повороте рукоятки контроллера машиниста, позволяют изменить направление движения тепловоза. Схема изображена со стороны коллектора.  

Рис. 114. Схема внутренних соединений тягового электродвигателя ЭД-118А  

Якорь 9 (см. рис. 112) представляет собой вращающуюся часть электродвигателя и сконструирован с учетом воздействия на его узлы в эксплуатации высоких температур и значительных вибрационных и механических нагрузок. Состоит он из сердечника 12, набранного из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, удерживаемого с обеих сторон нажимными шайбами, и коллектора 7. В пазы сердечника уложена простая петлевая обмотка 10 с уравнительными соединениями. Концы обмотки и уравнительных соединений впаяны в петушки коллектора серебросодержащим припоем ПСр2,5 (ЭД-118А) или приварены к петушкам коллектора неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного газа (ЭД-125Б).

В электродвигателе ЭД-118А коллектор, нажимные шайбы и сердечник посажены на вал с натягом. В электродвигателе ЭД-125Б эти элементы посажены на специальную промежуточную втулку, в которую затем запрессовывается вал. Последнее позволяет производить смену вала в эксплуатации. До укладки обмотки в пазы сердечник балансируется статически. Конец вала якоря 20, противоположный коллектору, выполнен конусным и предназначен для горячей посадки ведущей шестерни тягового редуктора.

Обмотка якоря 10 крепится в пазах сердечника стеклотекстолитовыми клиньями, а вне сердечника—в передней и задней лобовых частях стеклобандажами 11 и 15. Изоляция якоря ЭД-118А класса Р, ЭД-125Б — класса Н. Обмотка якоря ЭД-118А выполнена из провода марки ПЭТВСД 1,7х6,3, корпусная изоляция из стеклослюдинитовой ленты ЛСПЭ 934, в ЭД-125Б — провод медный 4,5х9,5 с нанесенной полиамидной изоляцией, корпусная изоляция из полиамидной пленки ПМА.

Коллектор 7 арочного типа собран из штампованных пластин коллекторной меди с присадкой серебра или кадмия и миканитовых пластин толщиной 1,2 мм для ЭД-118А и 1,5 мм для ЭД-125Б. Между комплектом пластин, втулкой и конусом устанавливают миканитовые манжеты. Конус и втулку стягивают между собой либо коллекторными болтами (ЭД-118А), либо гайкой с пружинным кольцом (ЭД-125Б). С целью исключения возможности проникновения влаги во внутреннюю полость коллектора последний проверяют на герметичность.

Якорь 9 устанавливают в остове 25 на подшипниках качения 8092417К1М со стороны коллектора и 8032330К2М (ЭД-118А) или 8032332Л1М (ЭД-125Б) со стороны привода, которые запрессовывают в подшипниковые щиты 6 и 16. Тяговый электродвигатель ЭД-118А имеет польстерную систему смазки моторно-осевого подшипника, ЭД-125Б — принудительную циркуляционную систему смазки моторно-осевых подшипников.