Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Петербургский государственный

университет путей сообщения

Kaфeдpa "Элeктpичecкaя тягa"

Характеристики тяговых электродвигателей

постоянного тока

Meтoдичecкиe укaзaния

к лaбopaтopнoй paбoтe № 31

CAHKT-ПETEPБУPГ

2011

Тяговый электродвигатель преобразует электрическую энергию, потребляемую из контактной сети, в механическую энергию движущегося поезда.

Характеристики тягового электродвигателя определяют показатели работы всей электрифицированной железной дороги в целом.

Целью работы является изучение физических основ работы тяговых электродвигателей постоянного тока, формирование понятий об их характеристиках и ознакомление с основными элементами их конструкции.

1. Основные элементы конструкции.

На рис.1 приведены продольный и поперечный разрезы электродвигателя постоянного тока. Электродвигатель постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (остов с полюсами), предназначенной, в основном, для создания магнитного потока, и вращающейся части (якорь), в которой происходит преобразование электрической энергии в механическую.

Рис.1

Остов 1 цилиндрической (или восьмигранной) формы, отлитый из стали, является частью магнитной системы электродвигателя. На остове закреплены полюса, которые служат для создания магнитного потока. Каждый полюс состоит из стального сердечника 2 и обмотки возбуждения 3, из изолированного провода. Тяговые электрические машины обычно имеют две или три пары полюсов. Обмотки полюсов соединяют между собой так, чтобы при протекании тока по этой цепи северные и южные магнитные полюса чередовались.

Направление магнитного потока в полюсах и остове показано на рис.1.

Якорь электродвигателя состоит из стального цилиндрического сердечника 4, насаженного на вал 5, и коллектора 7. По окружности сердечника 4 имеются продольные пазы 6, в которых расположены изолированные проводники, образующие обмотку якоря.

При работе электродвигателя, по всем проводникам обмотки якоря протекают токи, причем направление их таково, что все силы взаимодействия тока и магнитного потока полюсов стремятся вращать якорь в одну сторону.

Коллектор 7 состоит из радиально расположенных медных пластин изолированных друг от друга. К каждой коллекторной пластине припаяны проводники обмотки якоря. Обмотка якоря соединена с внешней цепью через угольно-графитовые стержни 8, называемые щетками. Щетки установлены в неподвижных щеткодержателях 9. Под действием пружин щетки прижаты к коллектору и при вращении якоря скользят по его цилиндрической поверхности.

Вал якоря опирается на подшипники 10, смонтированные в подшипниковых щитах 11. Щиты прикреплены болтами к остову 1.

Выступающий конец вала 5 при помощи зубчатой передачи передает вращение на движущие колеса электровоза.

2. Вращающий момент электродвигателя.

На рис.2 показана электрическая машина с двухполюсной магнитной системой. В обмотки якоря выделены два последовательно соединенных проводника подключенные к двум пластинам коллектора.

Как известно из курса физики, на прямолинейный проводник с током I₁, находящийся в однородном магнитном поле, действует сила электромагнитного взаимодействия F₁, определяемая законом Ампера:

F1 = BI1lsin,

(1)

где B – магнитная индукция;

l – длина участка проводника, взаимодействующего с магнитным полем;

 – угол между проводником и вектором .

Как следует из рисунка 2,  = 90 и sin = 1. Магнитная индукция B равна отношению магнитного потока Ф к площади полюса S_п:

.

(2)

В свою очередь, площадь одного полюса равна площади одной цилиндрической поверхности якоря, делённой на число полюсов электродвигателя,

.

(3)

Здесь р – число пар полюсов электродвигателя.

Р ис.2

Пусть обмотка якоря состоит из N проводников, соединенных между собой последовательно и параллельно, причем число пар параллельных ветвей обмотки якоря равно a.

Ток I₁ в проводнике обмотки якоря равен току электродвигателя I, делённому на число параллельный ветвей обмотки якоря 2a:

.

(4)

Вращающий момент M электродвигателя, созданный всеми проводниками обмотки якоря, равен произведению силы F₁ на её плечо относительно оси якоря D_я/2 и на общее число проводников N в обмотке якоря:

.

(5)

Подставляя в формулу (5) выражения (1)-(4), получим:

.

(6)

Это выражение можно записать более кратко:

M = CФI,

(7)

где C_ – постоянный коэффициент, характеризующий обмотку якоря электрической машины:

.

(8)

Из выражения (7) можно сделать следующие выводы:

1. Вращающий момент электродвигателя пропорционален току и магнитному потоку.

2. Вращающий момент не имеет прямой зависимости от скорости вращения якоря, поэтому при I ≠ 0 и Ф ≠ 0 электродвигатель развивает вращающий момент даже при неподвижном якоре, это очень важно для трогания поезда с места.

3. Направление силы F₁ и, следовательно, направление вращения якоря определяется по правилу левой руки.

4. Для изменения направления вращения электродвигателя необходимо изменить направление тока в обмотке якоря, оставив прежним направление магнитного потока возбуждения, или же изменить направление магнитного потока возбуждения, сохранив прежним направление тока в обмотке якоря.