Устройство тягового двигателя
Все тяговые двигатели постоянного тока имеют в основном одинаковое устройство. Двигатель состоит из остова 1 (рис. 40, а), четырех главных и четырех добавочных полюсов, якоря 8, подшипниковых щитов 4, 10, щеточного аппарата 5, вентилятора 9.
Остов двигателя. Он выполнен из электромагнитной стали, имеет цилиндрическую форму и служит магнитопроводом. Для жесткого крепления к поперечной балке рамы тележки на остове предусмотрены три прилива-кронштейна и два предохранительных ребра (см. рис. 26).
В остове имеются отверстия для крепления главных и добавочных полюсов, вентиляционные и коллекторные люки. Из остова двигателя выходят шесть кабелей: Я и ЯЯ, К и КК, Н и НН(рис. 41). Торцовые части остова закрыты подшипниковыми щитами. На остове укреплена паспортная табличка с указанием завода-изготовителя, заводского номера, массы, тока, частоты вращения, мощности и напряжения.
Рис. 40. Продольные разрезы тягового двигателя {а) и его якоря (б)
Главные полюсы.
Они предназначены для создания основного Магнитного потока Главный полюс состоит из сердечника 7 (см. рис. 40, а) и катушки 6. Катушки всех главных полюсов соединены последовательно и составляют обмотку возбуждения. Сердечник набран из листов электротехнической стали толщиной 1,5 мм для Уменьшения вихревых токов. Перед сборкой листы прокрашивают изоляционным лаком, сжимают прессом и скрепляют заклепками. Часть сердечника, обращенная к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для
б
Рис. 41. Схема ввода (а) и соединения кабелей (б) двигателя:
Я и ЯЯ — начало и конец обмотки якоря; Н и НН — начало и конец обмотки подмагничивания; К и КК — начало и конец обмотки возбуждения поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре.
В тяговых двигателях ДК-108А, установленных на вагонах Е (по сравнению с ДК-104 на вагонах Д), увеличен зазор между якорем и главными полюсами, что, с одной стороны, дало возможность увеличить скорость в ходовых режимах на 26 %, а с другой стороны, уменьшилась эффективность электрического торможения (медленное возбуждение двигателей в генераторном режиме из-за недостаточного магнитного потока).
Главный полюс крепится к остову двумя болтами, которые ввертывают в квадратный стержень, расположенный в теле сердечника.
Добавочные полюсы. Они предназначены для создания дополнительного магнитного потока, который улучшает коммутацию и уменьшает реакцию якоря в зоне между главными полюсами. По размерам они меньше главных полюсов и расположены между ними. Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки.
Сердечник выполнен монолитным, так как вихревые токи в его наконечнике не возникают из-за небольшой индукции под добавочным полюсом.
Крепится сердечник к остову двумя болтами. Между остовом и сердечником для меньшего рассеяния магнитного потока установлена диамагнитная латунная прокладка.
Катушки добавочных полюсов соединены последовательно одна с другой и с обмоткой якоря.
Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь (рис. 42), состоящий из сердечника 4, обмотки, коллектора 7 и вала 1. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали 2 толщиной 0,5 мм.
Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого лаком. В каждом листе имеется отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал, вентиляционные отверстия и пазы для укладки обмотки якоря 6. В верхней части пазы имеют форму ласточкиного хвоста. Листы насаживают на вал и фиксируют шпонкой. Собранные листы прессуются между двумя нажимными шайбами 3 и 5.
Обмотка якоря 20 (см. рис. 40, б) состоит из секций, которые укладывают в пазы сердечника 18 и пропитывают асфальтовым и бакелитовым лаками.
Чтобы обмотка не выпадала из пазов, в пазовую часть забивают текстолитовые клинья 17, а переднюю и заднюю части обмотки укрепляют проволочными бандажами 19, которые после намотки пропаивают оловом.
Назначение коллектора 12 машины постоянного тока в различных режимах работы неодинаково. Так, в генераторном режиме коллектор служит для преобразования переменной электродвижущей силы (э.д.с.), индуцируемой в обмотке якоря, в постоянную э.д.с. на щетках генератора, в двигательном — для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря, чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону.
Рис. 42. Сердечник якоря (а) и якорь в процессе сборки (б)
Коллектор состоит из втулки, коллекторных медных пластин 14, нажимного конуса. Коллекторные пластины изолированы друг от друга миканитовыми пластинами, от втулки и нажимного конуса — изоляционными манжетами 13. Рабочую часть коллектора, имеющую контакт со щетками, протачивают на станке и шлифуют.
Чтобы при работе щетки не касались миканитовых пластин, коллектор подвергают «продорожке». При этом миканитовые пластины становятся ниже коллекторных примерно на 1 мм. Со стороны сердечника в коллекторных пластинах предусмотрены выступы 15 с проре зью для впаивания проводников обмотки якоря. Коллекторные пластины имеют клинообразное сечение, а для удобства крепления — форму «ласточкин хвост». Коллектор насаживают на вал якоря прессовой посадкой и фиксируют шпонкой.
Вал якоря 21 имеет разные посадочные диаметры. Кроме якоря и коллектора, на вал напрессована стальная втулка вентилятора Внутренние кольца подшипников и подшипниковые втулки насажены на вал в горячем состоянии.
Подшипниковые щиты. В щитах 4, 10 (си. рис. 40, а) установлены шариковые или роликовые подшипники — надежные и не требующие большого ухода. Со стороны коллектора стоит упорный подшипник 3; его наружное кольцо упирается в прилив подшипникового щита. Со стороны тяговой передачи установлен свободный подшипник 11, который позволяет валу якоря удлиняться при нагреве Для подшипников применяют густую консистентную смазку.
Подшипниковые щиты крепят к обеим сторонам остова.
Щеточный аппарат. Для соединения коллектора двигателя с силовой цепью вагона используют электрографитные щетки марки ЭГ-2А, которые обладают хорошими коммутирующими свойствами, высокой механической прочностью и способны выдерживать большие перегрузки. Щетки представляют собой прямоугольные призмы размером 16 х 32 х 40 мм. Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору для обеспечения надежного контакта.
Щетки устанавливают в обоймы, называемые щеткодержателями, и соединяют с ними гибкими медными шунтами: в каждом щеткодержателе по две щетки, число щеткодержателей — четыре.
Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный не обеспе чивает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие не должно превышать 25 Н (2,5 кгс) и быть менее 15 Н (1,5 кгс).
Щеткодержатель укрепляют на кронштейне и с помощью двух шпилек, запрессованных в кронштейн, крепят непосредственно к под-, шипниковому щиту. Кронштейн от щеткодержателя и подшипникового шита изолируют фарфоровыми изоляторами. Для осмотра коллектора и щеткодержателей в остове двигателя имеются люки с крышками 2 (см. рис. 40), обеспечивающими достаточную защиту от проникновения воды и грязи.
Вентилятор. В процессе работы необходимо охлаждать двигатель, так как с повышением температуры его обмоток снижается мощность двигателя.
Вентилятор 9 состоит из стальной втулки и силуминовой крыльчатки, скрепленных восемью заклепками. Лопатки крыльчатки расположены радиально для выброса воздуха в одном направлении. Вентилятор вращается вместе с якорем двигателя, создавая в нем разрежение. Потоки воздуха засасываются внутрь двигателя через отверстия со стороны коллектора. Часть воздушного потока омывает якорь, главные и добавочные полюса, другая проходит внутри коллектора и якоря по вентиляционным каналам 16. Воздух выталкивается наружу со стороны вентилятора через люк остова.
Контрольные вопросы 1. Перечислите основные элементы конструкции тягового двигателя.
2. Каково назначение главных полюсов машины постоянного тока?
3. Как устроен якорь тягового двигателя?
4. Каково назначение добавочных полюсов?
5. Для чего предназначен коллектор машины постоянного тока?
6. Каково назначение щеточного аппарата?
7. Каким образом осуществляется вентиляция тягового двигателя?
⇐Тяговые двигатели.
Мотор-компрессоры | Электропоезда метрополитена | Работа тягового двигателя⇒
Тяговый электродвигатель: устройство и принцип работы
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрический ток и наоборот. Подавляющее большинство электрических устройств работают по простой схеме: под действием механической энергии вырабатывается электричество, которое в свою очередь вызывает движение станков, машин, механизмов, подвижного состава. В транспортной отрасли хорошо известен тяговый электродвигатель, приводящий в действие колесные пары вагонов. Использование их в режиме генератора дает возможность затормозить состав. Процесс торможения происходит за счет нагрузки, образующейся в процессе превращения механической энергии состава, находящегося в движении, в электрический ток.
Появление и развитие тяговых устройств
В самом начале, когда электрический транспорт только начал использоваться, на всех видах подвижного состава устанавливались коллекторные тяговые электродвигатели.
При этом передача энергии осуществлялась по самой простой схеме, поэтому агрегатами можно было легко управлять в любом рабочем режиме. Технические и механические характеристики полностью отвечали всем требованиям транспортной специфики.
Тем не менее, в процессе эксплуатации тяговый электродвигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь, это сам коллектор, оборудованный подвижными контактами – щетками, требующий регулярного технического обслуживания. Принимаемые меры по снижению искрения, повышению надежности коммутации, во многом усложнили устройство двигателя. В результате, его размеры заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.
Постепенно развивалось направление силовой техники на основе быстродействующих полупроводников. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. В дальнейшем, в вагонных парах стал устанавливаться асинхронный тяговый двигатель в качестве приводного механизма.
Основными проблемами, с которыми пришлось столкнуться при эксплуатации асинхронных двигателей, считаются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей служат моторы на основе короткозамкнутого ротора. В данный период идет разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, в которых установлен ротор на постоянных магнитах.
Поскольку на железнодорожном транспорте до сих пор широко используются именно коллекторные агрегаты, следует более подробно рассмотреть их общее устройство и порядок работы.
Коллекторный агрегат на постоянном токе
Любой коллекторный агрегат является своеобразной электрической машиной, которая в зависимости от своего предназначения выполняет функции генератора или электродвигателя. Отличительной чертой этих устройств считается соединение якорной обмотки с коллектором.
Основным источником питания коллекторных движков служит постоянный ток.
Сейчас уже выпускаются модификации многофункциональных агрегатов с невысокой мощностью, способных работать не только от постоянного, но и от переменного тока.
Стандартный тяговый электродвигатель состоит из коллектора (1), щеток (2), сердечника ротора или якоря (3), сердечника главного полюса (4), обмотки возбуждения (5), станины (6). Кроме того, сюда же включены подшипниковый щит (7), вентилятор (8), якорная обмотка (9).
Все детали соединяются в несколько конструктивных элементов. Прежде всего, это магнитная система, под влиянием которой появляется магнитное поле, а также якорь с обмоткой, вращающийся с помощью подшипников. Коллектор и другие детали разъединяются между собой воздушной прослойкой.
В агрегатах постоянного тока возникновение магнитного поля происходит с участием обмоток возбуждения. Они располагаются на полюсных сердечниках и подключены к постоянному току. Количество полюсов может быть разным, в зависимости от мощности двигателя и его использования в транспортной единице.
Их число чаще всего находится в рамках от 2 до 12. Стандартная магнитная система представляет собой монолитную металлическую станину, в которой присутствуют съемные шихтованные сердечники. Чтобы понять, как взаимодействуют узлы и детали между собой, необходимо более подробно рассмотреть устройство каждого компонента.
Назначение и устройство станины
Каждый тяговый электродвигатель оборудуется станиной, используемой прежде всего в качестве магнитопровода, по которому осуществляется прохождение магнитных потоков основных и дополнительных полюсов. Еще она служит местом расположения и крепления полюсов и подшипниковой защиты.
При наличии больших нагрузок станина обычно бывает отлита из стали или сварена из толстых электротехнических стальных листов. Благодаря такой конструкции создается требуемая механическая устойчивость и высокая магнитная проницаемость. Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на поперечное сечение главных полюсов и составляют не ниже 50% этого размера.
На представленном рисунке отмечено расположение станины (1), относительно других деталей и компонентов – сердечника полюса (2), катушки обмотки возбуждения (3) и полюсного башмака (4). Между всеми элементами и якорем существует воздушная прослойка (5). Размеры диаметра изнутри станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве мог разместиться якорь, полюса главные и дополнительные и их обмотки.
Тяговый электродвигатель локомотива может иметь стальную литую станину с уменьшенной массой и пониженным поперечным сечением, ориентированным на оси главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий к станине от главного полюса.
Частично станина, не выполняющая функции магнитопровода, образует коллекторное пространство с незначительной толщиной стенок, достаточной для обеспечения необходимой механической прочности. В некоторых конструкциях это место закрывается отдельными ребрами жесткости, прикрытыми тонким защитным кожухом.
Главные полюса
Тяговый электродвигатель, работающий на постоянном токе, включает в свою конструкцию обмотку возбуждения, где и появляется магнитодвижущая сила, создающая, в свою очередь, магнитное поле. В состав обмотки входят катушки, надеваемые на сердечники основных полюсов. На стороне сердечника, направленной к якорю, устанавливается полюсный наконечник, он же башмак. С его помощью осуществляется равномерное распределение магнитного потока по всей поверхности якоря. Перечисленные детали отмечены на предыдущем рисунке вместе со станиной.
На практике довольно редко используется схема, включающая в себя полюсный сердечник и полюсный башмак. Как правило, они объединяются в единое целое и образуют главный полюс. За счет этого в сердечнике полюса наступает снижение вихревых потоков, вызываемых действием пульсаций магнитной индукции в наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря.
Для сборки полюса используются стальные лакированные листы, которые затем попадают под пресс высокого давления. Сквозь сердечник пропускаются болты или специальные заклепки, чтобы стянуть всю конструкцию. Их равномерное распределение позволяет успешно выдерживать упругость сжатых полос. Крепление полюсов к станине осуществляется с помощью болтов или шпилек.
Назначение и устройство добавочных полюсов
Каждый тяговый электродвигатель мощностью более 1 кВт оборудуется дополнительными полюсами, для того чтобы снизить количество искр, появляющихся на щетках. Их устройство очень простое, включающее в себя сердечник (1) и катушку (2), где использован медный проводник в изоляции. Его сечение рассчитывается по рабочему току двигателя, поскольку эта катушка и обмотка якоря последовательно подключаются друг к другу.
Стальной сердечник изготавливается в виде монолитной конструкции, по причине отсутствия в нем вихревых токов, так как магнитная индукция имеет очень малую величину. Местом монтажа дополнительных полюсов определен промежуток между главными полюсами, а крепление к станине выполняется специальными болтами. Величина воздушной прослойки под ними существенно превышает зазор под главными полюсами. Его регулировка выполняется при помощи специальных пластин из материалов магнитного или немагнитного типа, а окончательная величина определяется, когда тяговый двигатель постоянного тока настраивается на коммутацию при достижении минимального количества искр.
Якорь и коллектор
В состав якоря входит вал, сердечник, обмотки и коллектор. Конфигурация сердечника выполнена в форме цилиндра, а сам он изготовлен из тонких штампованных листов электротехнической стали. Для изоляции листов используется лак или бумага. В сжатом виде после сборки сердечник фиксируется нажимными шайбами. Благодаря устройству сердечника, удается компенсировать влияние вихревых токов и снизить в нем утечку электроэнергии. Охлаждение ТЭД выполняется за счет специальных каналов вентиляции, устроенных в сердечнике.
Для якорных обмоток используется медный проводник круглого или прямоугольного сечения. Он закладывается в выемки сердечника и качественно изолируется от него. Вся обмотка делится на секции, концы каждой из них соединяются с коллектором путем пайки.
В конструкцию каждого коллектора входит активная составляющая и система крепления. Изоляция медных коллекторных пластинок (7) выполняется с помощью специальных прокладок. Провода якорной обмотки припаиваются к выступу в конце элемента (5). Край пластин, расположенный снизу (6) после сборки зажимается с помощью двух нажимных колец (3). Эти кольца также изолируются, а сама изоляция утапливается на 1,5 мм внутрь скользящей поверхности коллектора.
Тяговые электродвигатель асинхронного типа
На железнодорожном транспорте асинхронный тяговый двигатель долгое время не мог использоваться из-за отсутствия в электроснабжении подвижного состава переменного трехфазного тока. Постепенно развивающееся электротехническое производство позволило создать и усовершенствовать электронику полупроводникового типа.
Таким образом, были созданы преобразователи тока и напряжения, обладающие мощностью, достаточной, чтобы обеспечить энергией асинхронный тяговый двигатель. Ведущую роль в этом деле сыграли мощные транзисторы.
Данные устройства оказались просты и надежны в эксплуатации. У них заметно снизились габаритные размеры и вес в сравнении с двигателями постоянного тока. Асинхронный тяговый двигатель не требует особого технического обслуживания, способен переходить в генераторный режим без специального переключения, а лишь под действием повышенной частоты вращения ротора. Подобная схема существенно упрощает использование системы электрического торможения.
Как устроен тяговый электродвигатель?
Исходя из того, что уровень продаж электромобилей не только в Украине, но и во всем мире безудержно возрастает, у двигателя внутреннего сгорания появился довольно серьезный конкурент. Много автолюбителей предпочитают электрический привод, и не мудрено, он и экономичнее и экологичнее. К слову, на сегодня, электродвигатель удивляет нас своим разнообразием. Мы не будем углубляться и говорить о всех его видах, а сделаем акцент именно на тяговом электродвигателе. Многие автоконструкторы, несомненно, станут утверждать о том, что данная силовая установка уже активно эксплуатируется на электровозах, электропоездах, большегрузных автомобилях с электроприводом, и даже на танках и самоходных кранах. Они будут совершенно правы.
Исходя из вышеперечисленных транспортных средств, тяговой электродвигатель является мощным силовым агрегатом. Так к чему же мы упоминали электромобили? Как оказалось, они тоже оборудуются данной силовой установкой, которая «зажила» среди конструкторов электромобилей довольно высокую популярность. Что ж, давайте познакомимся с конструкцией данного мотора, а также рассмотрим принцип его работы и возможные неисправности. Итак начнем…
1. Устройство тягового электродвигателя
Главным отличием тягового электродвигателя от стандартных электродвигателей с большой мощностью являются условия монтажа данных двигателей, а также ограниченное место для их размещения. Исходя из этого, конструкция тягового электродвигателя крайне специфическая. Как правило, диаметр и длина такого мотора ограничены, движок имеет многогранные станины, индивидуальные устройства для крепления и многое другое.
К тому же, тяговые электродвигатели железнодорожных и городских транспортных средств приводятся в эксплуатацию в довольно сложных погодных условиях, в пыльном и влажном воздухе. Исходя из этого, разработчики конструкции тяговых электродвигателей обязательно располагают на усовершенствованную электрическую и механическую прочность узлов и деталей, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих обмоток и частей, устойчивую коммутацию двигателей. Итак, давайте детально рассмотрим, из чего же состоит тяговой электродвигатель, и сделаем краткую характеристику каждого из составляющих. Если говорить в целом, можно сказать, что как и любые другие двигатели с постоянным током, тяговой электродвижок состоит из якоря, щеткодержателя и щетки, а также из остова с полюсами.
Теперь обо всех деталях по порядку. Якорь тягового электродвигателя состоит из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Вал якоря, как правило, изготавливают из специальной стали с повышенным качеством. Но, как показывает практика, валы тоже «стареют» и их приходится менять. Исходя из этого, листы сердечника собирают не на валу, а непосредственно на специальной втулке. В таком случае, данная конструкция способствует выпрессовыванию вала из втулки, при этом не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Как правило, одним из основных и достаточно важных и ответственных узлов в данном двигателе является коллектор. Он является частью, которая терпит наибольшие нагрузки в электрическом отношении. В основном условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей. Коллекторы современных тяговых двигателей имеют в диаметре свыше 800 мм, число пластин составляет 600.
Щетки и щеткодержатели в тяговом электродвигателе являются одним целым. Сквозь щетки, которые установлены на щеткодержателях, проходит электрический ток, который подводится прямиком к обмотке якоря тягового двигателя. Материалом, из которого изготавливаются щетки для тяговых электродвигателей, является графит, который получают при нагревании антрацита, сажи, кокса в электрической печи. За счет материала, из которого сделаны щетки, они получили название электрографитизированных. Во время изготовления таких деталей, конструкторы прослеживают за тем, чтобы они характеризировались высоким переходным сопротивлением и низким коэффициентом трения, а также обладали упругостью и износоустойчивостью.
В свою очередь, конструкция щеткодержателя включает в себя корпус и кронштейн, соединённые между собой с помощью болта. Для того чтобы крепление и электрический контакт корпуса и кронштейна был более надежным и тесным, соприкасающиеся поверхности имеют рифлёную поверхность. Очень важно, чтобы щеткодержатель находился в изоляции от остова электродвигателя. Поэтому кронштейны щеткодержателей крепятся к остову или подшипниковым щитам с использованием изоляторов.
Теперь поговорим об остове. В составе тягового электродвигателя остов одновременно выполняет роль магнитопровода, так как к нему крепятся главные и дополнительные полюса. Как правило, остов должен проделывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока. Исходя из этого, его изготавливают из стали, которая обладает хорошими магнитными свойствами.
2. Как работает тяговой электродвигатель
Как правило, современный электромобиль комплектуется электрическим двигателем, который может быть как постоянного, так и переменного тока. Основной задачей какого-либо электрического двигателя является передача крутящего момента на движитель электромобиля. Тяговой электродвигатель работает по определенному принципу, который основывается на том, что образуемое обмоткой статора вращающееся магнитное поле наводит ток в короткозамкнутой обмотке ротора и под воздействием электромагнитных сил заставляет ротор вращаться.
Рассмотрим, как это все происходит на действии. Итак, как правило, в магнитное поле (в данном случае оно создается благодаря постоянному магниту) помещают якорь с обмотками — обмотку из медной изолированной проволоки. В свою очередь, от какого-либо источника тока поступает постоянный ток, который проходит по обмотке. После этого, вокруг проводника, который проводит через себя электрический ток, возникает магнитное поле. Помимо магнитного поля, которое образуется благодаря току, протекающему через проводник, существует еще и магнитное поле постоянного магнита. Они воздействуют между собой и в результате образуется сила, которая стремится повернуть проводник в определенную сторону.
Куда будет направлено действие этой силы (а следовательно, и направление вращения) можно определить воспользовавшись правилом левой руки. Следуя правилу, если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные силовые линии (из северного полюса магнита в южный), а пальцы разместить в сторону направления движения тока, проходящего через проводник, то отставленный в сторону большой палец покажет направление движения проводника.
В итоге, рамка поворачивается против часовой стрелки вплоть до того времени, пока не займет определенную позицию. В последнем случае, ток по ее цепи проходить не будет, но все же, даже тогда она будет двигаться по инерции до тех пор пока не займет соответствующего положения. В данном положении, по рамке опять пройдет ток в прежнем направлении, что говорит о том, что он будет производить магнитное поле, которое во время взаимодействия с полем магнита, будет стремиться к поворачиванию рамки против часовой стрелки. И тут приходит на помощь коллектор. Как правило, коллектор, который предназначается для поддержания направления тока в обмотке электродвигателя при ее оборачивании неизменимым, состоит из двух медных полуцилиндров, которые располагаются в изоляции друг от друга и дотрагиваются до щеток.
Если бы его не было, то рамка, после того как она займет определенное положение, должна будет сделать остановку, так как, согласно правилу левой руки, сила взаимодействия магнитных полей рамки и магнита будет стремиться возвратить рамку в определенную позицию. В интернете существует много схем, на которых этот процесс представлен наглядно. Теперь давайте разбираться, каких неисправностей и поломок тягового электродвигателя нужно ждать и как провести разумную диагностику поломки. Читаем ниже.
3. Неисправности тягового электродвигателя
Прежде, чем детализировать примеры неисправностей тягового электродвигателя, важно сказать, что все неисправности электрических автомобилей, можно в целом разделить на поломки электрических и механических частей. Нас более всего интересует электрическая часть, поэтому говоря о неисправностях, мы должны обязательно упомянуть понижение сопротивления изоляции, механические разрушения, старение изоляции, пробои.
Если говорить о токопроводящих проводах, частыми неисправностями последних являются трещины и надломы, износ, перегрев и расплавление контактных соединений. Говоря о механических частях, неисправностями есть трещины валов якорей и подшипниковых щитов, уменьшение посадки малого зубчатого колеса на конусной части вала и внутренних колец подшипников на шейках вала якоря тягового движка, крышки моторно-осевых подшипников, деформирование горловин остовов и ослабление подшипниковых щитов в остовах, износ вкладышей и деформирование деталей моторно-осевых подшипников, ослабление болтов, крепящих полюсы, разрушение сепараторов подшипников, щеткодержатели, просадка и поломка пружин подвески тяговых двигателей.
В следствии загрязнения и увлажнения поверхности, а также попадания в электромобиль, влаги, пыли и масла, часто происходит снижение сопротивления изоляции токопроводящих частей. Для восстановления защитных свойств изоляции нужно проделать качественную очистку поверхности изоляции, а затем вскрыть эмалью. Также нужно всегда помнить, что достаточно глубокое проникновение влаги затребует дополнительного обсушивания.
В большинстве случаев, при довольно значительном понижении сопротивления изоляции, или же при каких-либо механических повреждениях изоляции и межвитковых замыканиях в катушках, но только довольно реже, происходят пробои изоляции обмоток на корпус. Такое может произойти и в случае замыкания между двумя изолированными проводниками или старения изоляции. Если диагностика проблемы показывает именно на данную неисправность, для того чтобы ее устранить, нужно настроиться на ремонт, или же заменить катушку (обмотку).
Еще одной неисправностью тягового двигателя может быть искрение на коллекторе, которое, в зависимости от степени загрязнении и замасливании коллектора, может быть разной интенсивности. Пиковой точкой искрения является образования на коллекторе кругового огня – мощной дуги, которая производит замыкание между разноименными щетками. В момент образования такой дуги, может случиться переброс ее на корпус. При этом происходит оплавление деталей автомобиля, которые попали в область огненной дуги. Помимо загрязнения и ненадлежащего обслуживания коллекторно-щеточного узла существуют и другие причины возникновения данной неисправности. Среди них можно выделить неравномерную выработку коллектора или же механические повреждения, а также сильное скопление угольной пыли в межламельных канавках.
С какой стороны обойти данную проблему? Для начала эксперты советуют про диагностировать уровень интенсивности перекрытия. Как правило, в некоторых случаях можно обойтись только очисткой и промывкой коллектора и щеточного аппарата, а также заменой щеток, которые вышли уже из строя. В этом же случае возможен и продув коллекторной камеры сухим сжатым воздухом. В других, более сложных случаях, потребуется ремонт и замена всех деталей и узлов, которые вышли из строя.
Также вы можете обнаружить незначительные подгары, или неглубокие задиры на коллекторе, которые можно удачно устранить зачисткой и шлифованием коллектора, которое, как правило, производят брусками или мелким шлифовальным полотном, находящимся на деревянной колодке с профилем, который должен соответствовать диаметру коллектора. Каждому автолюбителю важно не забывать, что во время какой-либо механической обработки верхнего слоя коллектора, с него «сдирается» оксидная пленка (политура), а это может стать причиной ухудшения коммутации. В связи с этим, нужно знать о зачищении и полировке рабочей поверхности коллектора, в том случае, когда удаление загрязнения или подгара чистой салфеткой, раньше смоченной в техническом спирте или в авиационном бензине стает невозможным.
Можно судить о нормальном состоянии коллектора тогда, когда все коллекторные пластины обладают одинаковым цветом от светло-коричневого до блестяще-черного с разнообразными оттенками, которые, в свою очередь, зависят от марки щеток и меди, а также частоты вращения якоря, относительной влажности воздуха, температуры коллектора, плотности тока и других характеристик. Если говорить о политуре, можно сказать что, в зависимости от шероховатости поверхности коллектора и марки щеток она может нарабатываться за несколько часов или суток. Важно отметить, что применяемые на тяговых генераторах двухходовые обмотки способны создать на верхнем слое коллектора различную расцветку коллекторных пластин, а именно две темные и одна светлая или одна светлая и одна темная.
В том случае, когда коллектор обладает глянцевой политурой, то расцветка, которая чередуется не буде вызывать подгара. Когда же прослеживается изменение поверхности коллектора, которая становится матовой, подгары коллекторных пластин становятся неизбежными. Причины нарушения коммутации можно разделить на два типа: электрического и механического характера. Если говорить о первых, о можно упомянуть о сдвиге щеток с нейтрали, нарушении цепи обмотки добавочных полюсов, в частности, ослаблении межкатушечных соединений, работе при неисправных (сколотых или сильно изношенных) щетках, вибрации щеток и тд. Во время эксплуатации щеток важно следить, чтобы износ последних не переваливал за половину.
К причинам механического характера можно отнести отклонение в процессе эксплуатации от правильной формы коллектора(эксцентричность, эллиптичность,местные биения ). Помимо этого на рассмотрение можно взять и его повреждение при попадании каких-либо посторонних предметов. Устранить плохую коммутацию можно лишь поделав качественную диагностику ее возникновения. Если же вы обнаружили отклонения в форме или же повреждение коллектора, вам следует проделать проточку.
Можно говорить и о такой неисправности как, распайка петушков коллектора, которая возникает в период чрезмерного перегрева машины (длительные перегрузки, нарушение вентиляции ) или как в следствии перекрытия. Данную проблему можно исправить только отремонтировав якорь.
Как правило, те места изоляции, которые подвергались повреждениям, проходят проверку на прочность, а также специалисты проводят измерения их сопротивления постоянному току. Восстановить изоляцию соединительных и выводных шин можно с помощью наложения стеклоленты и стеклолакоткани, которые предварительно пропитывают в изоляционном лаке, заранее нанесенным на шину перед ее изолировкой. Важно не забывать о такой неисправности тягового двигателя как перегрев моторно-осевых подшипников. Эта проблема возникает при низком уровне количества смазки, или же ее обводнении. Возможны случаи и с довольно явным перекосом колесной пары, а также с большим зазором «на масло», которые также являются причинами данной неисправности.
Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.
Назначение, устройство тягового электродвигателя НБ-418К — Мегаобучалка
Тяговый двигатель предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую, передаваемую с вала двигателя на колесную пару. Привод каждой колесной пары электровоза индивидуальный. Малые шестерни смонтированы на концах вала двигателя, а большие— на оси колесной пары.
Конструкция. Двигатель защищенного исполнения состоит из остова, якоря, траверсы, подшипниковых щитов и кожуха Остов двигателя стальной цилиндрической формы служит одновременно магнитопроводом (рис. 29). На нем укреплены по шесть главных и дополнительных полюсов, поворотная траверса и щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь двигателя. С наружной поверхности остов имеет приливы для крепления букс моторно-осевых подшипников, подвески двигателя, коробки выводов и предохранительные. На остове имеются рым-болты для транспортировки двигателя и кантования остова при монтаже и демонтаже. Со стороны коллектора имеются два люка, предназначенных для осмотра щеточного аппарата и коллектора, и один вентиляционный люк для входа воздуха. Выход вентилирующего воздуха осуществлен со стороны, противоположной коллектору, через специальный кожух, укрепленный на подшипниковом щите и остове.
Крышка верхнего коллекторного люка укреплена на остове специальным пружинным замком, нижнего — болтами М20 и специальным с цилиндрической пружиной.
Рис. 29. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы тягового электродвигателя
НБ-418К6:
1,5 — щиты подшипниковые; 2 — поворотная траверса щеткодержателей, 3 — остов, 4 — якорь, С — сердечник гл мото полюса; 7 — катушка дополнительного полюса; 8 — катушка главного полюса
На остове смонтирована коробка выводов Электрический мон* таж этой коробки выполнен проводами марки РКТМ-4000 сечением 95 мм2 с одним наконечником на два провода. Кабели укреплены на пальцах (опорных изоляторах), опрессованных пресс-массой АГ-4. Крепление пальцев к остову резьбовое на белилах цинковых густотертых МА-011 ГОСТ 482—67. Пальцы монтируют специальным ключом. Условное обозначение выводных кабелей выбито на металлической пластинке стеклопластиковой крышки. Внутри коробки выводов со стороны входа силовых кабелей условное обозначение написано красной эмалью, высота букв не менее 20 мм. После монтажа силовых кабелей коробку выводов закрывают стеклопластиковой крышкой с уплотняющими резиновыми клицами.
Сердечники главных полюсов, шихтованные из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм, скреплены заклепками и укреплены на остове» каждый тремя болтами МЗО. Катушка главного полюса, имеющая 11 витков, намотана на ребро из мягкой шинной меди размером 4X65 мм, изогнута по радиусу для обеспечения прилегания к внутренней поверхности остова.
Между сердечником главного полюса и остовом имеется одна стальная прокладка толщиной 0,5 мм, которая предохраняет изоляцию катушки от механических повреждений. Корпусная изоляция состоит из пяги слоев стеклоыикаленты толщиной 0,13 мм и одного слоя стеклоленты толщиной 0,2 мм, уложенных с перекрытием в половину ширины лепты (вполуперекрышу). Межвитковая изоляция — асбестовая бумага толщиной 0,3 мм в два слоя.
Для улучшения рабочих характеристик двигателя применена компенсационная обмотка, расположенная в пазах, проштампованных в наконечниках главных полюсов, и соединенная последовательно с обмоткой якоря. Компенсационная обмотка состоит из шести катушек по шесть витков каждая, намотанных из прямоугольной проволоки МГМ сечением 4,4X35 мм. В каждом пазу расположено по два стержня. Корпусная изоляция состоит из четырех слоев мика тенты толщиной 0,1 мм и одного слоя стеклоленты толщиной 0,1 мм, уложенных вполуперекрышу. Витковая изоляция— один слой микаленты 0,1 мм, уложенной вполуперекрышу. Крепление обмотки в пазах — клиньями из текстолита марки Б.
Сердечники дополнительных полюсов, шихтованные из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, скреплены заклепкой и укреплены на остове каждый тремя болтами М20. Для обеспечения надежной коммутации двигателя в переходных режимах между остовом и сердечниками дополнительных полюсов предусмотрены текстолитовые прокладки толщиной 7 мм». Катушки дополнительных полюсов намотаны из медной проволоки размером 12,5X12,5 мм по восемь витков каждая. Изоляция этих катушек аналогична изоляции катушек главных полюсов. Схема электрических соединений полюсьых катушек электродвигателя приведена на рис. 30.
Щеточный аппарат тягового двигателя состоит из траверсы с поворотным механизмом, шести кронштейнов и шести щсткодержате-
лей Траверса стальная швеллерного сечения, разрезная, имеет по наружному ободу зубчатый венец, входящий в зацепление с шестерней поворотного механизма. В остове траверса застопорена фиксатором, установленным против верхнего коллекторного люка, и прижата к подшипниковому щиту двумя стопорными устройствами (рис. 31).
Электрическое соединение траверсы с обмотками электродвигателя выполнено двойным проводом РКГМ-4000 сечением 95 мм2 и гибким шунтом. Кронштейны щеткодержателя разъемные (из двух половин) закреплены болтами М16 на двух изоляционных пальцах, установленных на траверсе. Изоляционные пальцы представляют собой шпильки, опрессованные пресс-массой АГ-4. Щеткодержатель имеет три цилиндрические пружины растяжения, закрепленные одним концом на оси, вставленной в отверстие корпуса щеткодержателя, другим — на оси на нажимном пальце с помощью регулирующего винта, которым одновременно регулируют натяжение пружины. Кинематика нажимного механизма выбрана так, что нажимной палец обеспечивает практически постоянное нажатие на щетку. Кроме того, при наибольшем допустимом износе щетки давление нажимного пальца на нее автоматически прекращается. Это позволяет предотвратить повреждение рабочей поверхности коллектора шунтами сработанных щеток. В окна щеткодержателя вставлены три разрезные щетки ЭГ-61.
Крепление щеткодержателя к кронштейну осуществлено шпилькой и гайкой. Для более надежного крепления и регулировки положения кронштейна относительно рабочей поверхности по высоте при износе коллектора на корпусе щеткодержателя и кронштейне предусмотрены гребенки.
Якорь двигателя состоит из коллектора, обмотки, вложенной в пазы сердечника, набранного в пакет из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, стальной втулки, зад-
ней и передней нажимных шайб, вала. В сердечнике есть два ряда аксиальных отверстий для прохода вентилирующего воздуха. Передняя нажимная шайба одновременно служит корпусом коллектора. Все детали якоря собраны на общей втулке коробчатой формы, запрессованной на вал, что обеспечивает возможность замены якоря
Обмотка якоря состоит из 87 катушек и 58 секционных уравнителей, концы которых впаяны в петушки коллектора. В каждой катушке имеется четыре отдельных стержня из медной прямоугольной проволоки МГМ сечением 3,53X6,9 мм, изолированных одним слоем вполуперекрышу микаленты толщиной 0,1 мм. Корпусная изоляция катушки в пазовой части — четыре слоя вполуперекрышу микаленты толщиной 0,1 мм. Покровная изоляция — один слой встык стеклоленты толщиной 0,1 мм.
Уравнители изготовлены из медной прямоугольной проволоки МГМ сечением 1,68X4,7 мм. Каждая секция уравнителя имеет три стержня, изолированных друг от друга одним слоем вполуперекрышу микаленты толщиной 0,1 мм. Покровная изоляция секции уравнителей выполнена одним слоем вполуперекрышу стеклоленты толщиной 0,1 мм. Пазовая часть обмотки якоря укреплена текстолитовыми клиньями, лобовые части — стеклобандажами.
Коллектор тягового двигателя с диаметром рабочей поверхности 520 мм набран из 348 медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Коллекторная пластина имеет приварной петушок От нажимного конуса и корпуса коллектора пластины изолированы миканитовыми манжетами и цилиндром.
Конструкция тяговых двигателей постоянного тока
КОНСТРУКЦИЯ тяговых двигателей постоянного ТОКА [1] [c.468]КОНСТРУКЦИЯ тяговых ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА [c.469]
На электровозах переменного тока со статическими преобразователями тяговые двигатели пульсирующего тока по конструкции мало отличаются от двигателей электровозов постоянного [c.214]
Тяговые электродвигатели должны обеспечивать в условиях жестко ограниченного габарита широкий диапазон изменения частоты вращения, значительные вращающие моменты, надежно работать в условиях многократных и одиночных ударов, вибрации (неизбежных при движении тепловоза) и изменения температуры окружающей среды в диапазоне от — 50 до+ 40° С, а в специальном исполнении от — 60 до + 40° С. В тяговые электродвигатели через неплотности и выходные отверстия для охлаждающего воздуха может попадать снег (особенно на стоянках), песок и пыль, поэтому конструкция всех узлов двигателей должна обеспечивать их герметичность. Все двигатели постоянного тока имеют независимую вентиляцию осевого типа с подачей воздуха со стороны коллектора. [c.39]
Тяговые двигатели электровозов переменного тока, которые часто называют двигателями пульсирующего тока, по своей конструкции и схеме включения несколько отличны от обычных двигателей постоянного тока. Для снижения пульсационных потерь в магнитной системе машины обмотки возбуждения постоянно шунтированы активным сопротивлением как показано на рис. 39 и 41. [c.48]
Изменение магнитного потока, создаваемого главными полюсами тягового двигателя, также используют для регулирования частоты вращения якоря, а следовательно, и скорости движения. Этот способ регулирования не связан со значительными потерями энергии и поэтому широко применяется на ЭПС не только постоянного, но и переменного тока, а также на тепловозах. Магнитный поток можно регулировать, изменяя ток в обмотке возбуждения либо число витков обмотки, участвующих в создании магнитного потока. Последнее Приводит к усложнению конструкции тягового двигателя, так как необходимо иметь дополнительные отводы обмотки возбуждения, [c.78]
Для питания применяется постоянный ток при напряжении 500—600 в. Тяговые двигатели подвесного типа или — в новейших конструкциях — с независимой подвеской. Двигатели сериесные, редко применяются компаунд-ные для осуществления рекуперации. [c.442]
Максимальная скорость ограничивается максимальной конструктивной скоростью электроподвижного состава, зависящей от конструкции ходовых частей, и максимальной скоростью вращения тяговых двигателей, допустимой по прочности коллектора и креплений обмотки якоря. Нормально конструктивная скорость выше максимальной по двигателю. Последняя зависит от передаточного числа передачи и диаметра колёс. Максимальная скорость по двигателю для постоянного тока обычно равна 2v , а для современных быстроходных двигателей малой мощности (трамвай,троллейбус) она доходит до (2,5-н-З) г/ . [c.457]
Тяговые электродвигатели переменного тока. Асинхронные двигатели, особенно с короткозамкнутым ротором, из всех видов электродвигателей являются наиболее простыми по конструкции, дешевыми в изготовлении, самыми надежными в эксплуатации, требуют небольших затрат на обслуживание и ремонт, имеют минимальную массу на единицу мощности и высокий к. п. д. Учитывая тяжелые условия работы тяговых электродвигателей и рост секционной мощности тепловозов, использование асинхронных двигателей для тяги постоянно привлекало к себе внимание ученых и конструкторов подвижного состава. [c.45]
Кинематические схемы и конструкции передаточных механизмов при индивидуальном приводе в основном определяются способом подвешивания тяговых двигателей и описаны в разделе Подвижной состав постоянного тока . [c.570]
Конструкция тягового двигателя в значительной степени определяется системой его подвески на локомотиве и системой привода. Однако все тяговые двигатели постоянного тока имеют очень много общего. Их делают с последовательным возбуждением и закрытого типа. Тяговые двигатели, установленные на электровозах, как правило, имеют независимую вентиляцию. Основными частями тягового двигателя (см. рис. 113) являются остов, главные и дополнительные полюсы, якорь, щеткодержатели с кронштейнахми, два подшипниковых щита и шапки моторно-осевых подшипников (при опорно-осевой подвеске двигателей). [c.209]
Глава Тяговые двигатели охватывает все тяговые двигатели постоянного тока электроподвижного состава железных дорог Советского Союза. В ней приведены, основные конструктивные и расчетные дан 1ые тяговых двигателей (типов НБ-406А, ДПЭ-400, ДПЗ-340 и Др.), их характеристики (электротяговые, нагрузочные, тепловые и аэродинамические) и чертежи основных узлов. В конце главы описаны особенности конструкции двигателей различных модификаций. [c.7]
Согласно правилам Госгортехнадзора барабанные лебедки не должны применятся в лифтах, в которых скорость движения кабины превышает 0,63 м/с. Широкое распространение в лифтах находят лебедки с канатоведущими шкивами (рис. 6), в которых тяговая сила создается за счет трения между канатом и ручьем шкива. Передачи от электродвигателя к канатоведущему шкиву лебедки могут быть редукторные и безредук-торные. В редукторных лебедках вал шкива за счет применения зубчатых или червячных передач вращается со значительно меньшей частотой, чем вал электродвигателя. В безредуктор-ных лебедках канатоведущий шкив и шкив тормозного устройства размещаются на валу ротора тихоходного электродвигателя постоянного тока, работающего по так называемой схеме генератор — двигатель. Благодаря отсутствию механических передач конструкция безредукторной лебедки получается более компактной, несмотря на то, что тихоходный электродвигатель имеет значительно большие размеры, чем обычный электродвигатель той же мощности. Безредукторные лебедки получили йирокое применение при скоростях движения кабины от 2 м/с и выше. Для меньших скоростей предпочтительней редукторные лебедки. [c.318]
Наиболее характерными примерами модернизации отечественного тягового подвижного состава являются оборудование электровозов и электропоездов переменного тока кремниевыми (взамен ртутных) выпрямителями замена тяговых двигателей на электровозах постоянного и переменного тока на более мощные (электровозы ВЛ22, ВЛ60) улучшение конструкции тележек электровоза ВЛ8 и др. На тепловозах ТЭЗ, 2ТЭ10Л проводится тепловая модернизация за счет замены дизелей на более экономичные, а также улучшается конструкция тяговых электродвигателей для повышения их эксплуатационной надежности. Иногда модернизация той или иной техники не может дать должного эффекта. В этих случаях проводят реконструкцию или перевооружение данной отрасли техники. Так, например, взамен паровой тяги с 1956 г. на железных дорогах СССР начали широко внедрять электрическую и тепловозную тягу. [c.189]
Электродвигатели постоянного тока при целесообразно разработанной конструкции представляют собой идеальный тип тягового двигателя. Они имеют высокий к. п. д. в противоположность двигателям внутреннего сгорания, сила тяги и крутящий момент с уменьшением числа оборотов двигателя увеличиваются крутящий момент и число оборотов двигателя автомагически саморегулируются в широких пределах преодоление двигателем повышенного сопротивления качению происходит надежнее (если обеспечивается необходимое питание его электроэнергией) допускается кратковременная перегрузка, доходящая до трехкратного значения номинальной мощности рабочая температура-двигате.чя может ыспян ся в широких пределах [c.850]
Тяговые электродвигатели. По сравнению с другими электрическими машинами тяговые электродвигатели работают в более тяжелых условиях. Они размещены внутри рам тележек тепловоза, т. е. имеют офаниченные габаритные размеры, не защищены кузовом и при движении тепловоза подвержены постоянным динамическим воздействиям из-за неровности рельсового пути. Все это обусловливает особенности их конструкции (высокую прочность, герметичность, не допускающую зафязнения внутренних частей двигателя, усиленное охлаждение, большую способность к перефуз-кам и надежную изоляцию). На тепловозах установлены тяговые электродвигатели типа ТЕ-006, представляющие собой четырехполюсные машины постоянного тока с последовательным возбуждением, принудительной вентиляцией и опорно-осевой (трамвайной) подвеской. Применение двигателей с последовательным возбуждением позволяет получить хорошую тяговую характеристику тепловоза (наибольший вращающий момент на валах якорей создается при трогании с места и движении с минимальной скоростью). [c.202]
Конструкция и ремонт тягового электродвигателя ТЛ2К1
Конструкция и техническая характеристика тягового электродвигателя ТЛ-2К1, факторы, обусловливающие его износ. Алгоритм технологического процесса ремонта. Эффективность адекватной оптимизации ремонтных операций. Основы охраны труда. Экономический раздел.Краткое сожержание материала:
Размещено на
Введение
Электроподвижной состав железных дорог является важнейшей составной частью железнодорожного транспорта страны. Эффективность работы ЭПС во многом определяет и эффективность всей системы железнодорожного транспорта. Одним из показателей эффективности ЭПС является его надежность. Как следует из статистических данных МПС РФ, повреждаемость ЭПС все еще остается на достаточно высоком уровне. Число порч и неисправностей ЭПС на протяжении последних лет находится на уровне 1-2 случая на 1 млн. км пробега.
Важнейшим элементом ЭПС являются его тяговые электродвигатели (ТЭД). Как следует из многочисленных исследований различных авторов, ТЭД является одним из элементов конструкции ЭПС, ограничивающих эксплуатационную надежность последнего. И в настоящее время, на протяжении последних шести лет, число порч и неисправностей ТЭД устойчиво находится на уровне (22 — 24)% от общего числа повреждений ЭПС. Поэтому, задача повышения надежности ТЭД, во многом определяющей надежность ЭПС, и в настоящее время является актуальной.
Высокая повреждаемость ТЭД в эксплуатации порождается действием различных факторов. Основным же из них является низкое качество ремонта двигателей в локомотивных депо и на локомотиворемонтных заводах. Повреждаемость ТЭД, вызванная действием именно этого фактора, превышает 50% от общего количества отказов ТЭД.
Низкое качество ремонта ТЭД может быть связано как с несовершенством технологий ремонта, так и с нарушениями технологической дисциплины при производстве работ. Однако, в любом случае, число случаев выдачи на линию ТЭД с не выявленными дефектами должно быть сведено к минимуму. Эту задачу решает система послеремонтных испытаний ТЭД. Поэтому, высокий процент отказов ТЭД на линии, по причине низкого качества ремонта, однозначно свидетельствует о неэффективности существующей системы послеремонтного контроля технического состояния ТЭД. Тяговые электродвигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и дефектов. Одной из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является нарушение нормальной коммутации и возникновение «кругового огня по коллектору». Как известно, среди различных причин, способных привести к данному повреждению двигателя во время эксплуатации, одной, из наиболее мощных причин возникновения «круговых огней» является неточная установка щеток тягового двигателя на нейтрали. Помимо ухудшения условий коммутации, сдвиг щеток с нейтрали вызывает расхождение электромеханических характеристик отдельных тяговых электродвигателей электровоза. Это приводит к неравномерной токовой нагрузке отдельных двигателей, что, в конечном итоге, снижает тяговые возможности электровоза. Кроме этого, токовая перегрузка тягового двигателя является еще одним провоцирующим фактором возникновения «круговых огней». Неравномерное распределение токов тяговых электродвигателей способно, так же, вызывать неверную работу современных автоматических систем управления ЭПС.
Конструкция тягового двигателя должна обеспечивать высокую степень использования активных и конструктивных материалов машины. Все узлы и детали электродвигателя рассчитываются на высокую механическую прочность при динамических нагрузках во время движения электровоза. Конструкция тягового двигателя должна предусматривать удобное техническое обслуживание, а также легкость замены некоторых деталей.
1. Характеристика тягового электродвигателя ТЛ-2К1
1.1 Назначение тягового электродвигателя ТЛ-2К1
Тяговый электродвигатель постоянного тока ТЛ-2К1 предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую в тяговом режиме, а в рекуперативном режиме—для преобразования механической инерционной энергии электровоза в электрическую. Вращающий момент с вала якоря электродвигателя передается на колесную пару через двустороннюю одноступенчатую цилиндрическую косозубую передачу. При такой передаче подшипники электродвигателя не получают добавочных нагрузок по аксиальному направлению. Подвешивание электродвигателя опорно-осевое. С одной стороны он опирается моторно-осевыми подшипниками на ось колесной пары электровоза, а с другой — на раму тележки через шарнирную подвеску и резиновые шайбы.
Рис 1.1 Общий вид тягового электродвигателя ТЛ2К-1: 1-гайка специальная с пружинной шайбой; 2- вал якоря; 3- трубка для смазки якорных подшипников; 4- крышка верхнего смотрового люка; 5 — большой выхлопной кожух; 6 — малый выхлопной кожух; 7,8 — букса и вкладыш моторно-осевого подшипника; 9 — нижние смотровые люки
1.2 Конструкция и техническая характеристика тягового электродвигателя ТЛ-2К1
Тяговый электродвигатель ТЛ-2К1 состоит из остова, якоря, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.
Остов представляет собой отливку из стали марки 25Л-П цилиндрической формы и служит одновременно магнитопроводом. К нему прикреплены шесть главных и шесть дополнительных полюсов, поворотная траверса с шестью щеткодержателями и щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь электродвигателя. Установку подшипниковых щитов производят в такой последовательности: собранный остов с полюсными и компенсационными катушками ставят стороной, противоположной коллектору, вверх. Индуктивным нагревателем нагревают горловину до температуры 100— 150 °С, вставляют и крепят щит восемью болтами М24 из стали 45. Затем поворачивают остов на 180°, опускают якорь, устанавливают траверсу и аналогично описанному выше вставляют другой щит и крепят его восемью болтами М24. С наружной поверхности остов имеет два прилива для крепления букс моторно-осевых подшипников, прилив и съемный кронштейн для подвешивания электродвигателя, предохранительные приливы для транспортировки.
Со стороны коллектора имеются три люка, предназначенных для осмотра щеточного аппарата и коллектора. Люки герметично закрываются крышками.
Крышка верхнего коллекторного люка укреплена на остове специальным пружинным замком, крышка нижнего люка — одним болтом М20 и специальным болтом с цилиндрической пружиной, а крышка второго нижнего люка — четырьмя болтами М12.
Для подвода воздуха имеется вентиляционный люк. Вентилирующий воздух выходит со стороны, противоположной коллектору, через специальный кожух, укрепленный на подшипниковом щите и остове. Выводы из электродвигателя выполнены кабелем марки ППСРМ-1-4000 площадью сечения 120 мм2. Кабели защищены брезентовыми чехлами с комбинированной пропиткой. На кабелях имеются ярлычки из иолихлорвиниловых трубок с обозначением ЯЯ, К и КК. Выводные кабели Я и ЯЯ соединены с обмотками якоря, дополнительных полюсов и с компенсационной, а выводные кабели К и КК соединены с обмотками главных полюсов.
Рис.1.2 Схемы соединения катушек полюсов со стороны коллектора (а) и противоположной (б) тягового электродвигателя
Сердечники главных полюсов набраны из рулонной электротехнической стали марки 2212 толщиной 0,5 мм, скреплены заклепками и укреплены на остове четырьмя болтами М24 каждый. Между сердечником главного полюса и остовом имеется одна стальная прокладка толщиной 0,5 мм. Катушка главного полюса, имеющая 19 витков, намотана на ребро из мягкой ленточной меди Л ММ размерами 1,95X65 мм, изогнута по радиусу для обеспечения прилегания к внутренней поверхности остова. Корпусная изоляция состоит из семи слоев стеклослюдинитовой ленты ЛСЭП-934-ТПл 0,13X30 мм (ГОСТ 13184 — 78*) с полиэтилене-рефталагной пленкой на лаке марки ПЭ-934 и двух слоев ленты технической лавсановой термоусаживающейся толщиной 0,22 мм (ТУ 17 ГССР 88-79). Один слой лавсановой ленты, промазанный лаком КО-919 (ГОСТ 16508 — 70), наматывают в середине слоев корпусной изоляции, а второй — в качестве восьмого слоя корпусной изоляции. Ленты наматывают с перекрытием в половину ширины.
Междувитковая изоляция выполнена из асбестовой бумаги в два слоя толщиной 0,2 мм каждый, пропитанной лаком КО-919 (ГОСТ 16508 — 70). Витковую и корпусную изоляции полюсных катушек выпекают в приспособлениях согласно разработанному технологическому процессу. Для улучшения рабочих характеристик электродвигателя применена компенсационная обмотка, расположенная в пазах, проштампованных в наконечниках главных полюсов, и соединенная с обмоткой якоря последовательно. Компенсационная обмотка состоит Из шести катушек, намотанных из мягкой прямоугольной медной проволоки ПММ размерами 3,28X22 мм, имеет 10 витков. В каждом пазу расположено по два витка. Корпусная изоляция состоит из шести слоев стеклослюдинитовой ленты ЛСЭК-5-СПл толщиной 0,11 мм (ГОСТ 13184 — 78*) и одного слоя ленты технической лавсановой термоусаживающейся толщиной 0,22 мм (ТУ 17 ГССР 8-78), уложенных с перекрытием в половину ширины ленты. Витковая изоляция имеет один слой стеклослюдинитовой ленты той же марки, она уложена с перекрытием в половину ширины ленты. Компенсационная обмотка в пазах закреплена клиньями из текстолита марки Б. Изоляция компенсационных катушек выпекается в приспособлениях. Сердечники дополнительных полюсов выполнены из толстолистового проката или поковки и укреплены на остове тремя болтами М20. Для уменьшения насыщения дополнительных полюсов между остовом и сердечниками дополнительных полюсов предусмотрены диамагнитные прокладки толщиной 7 мм. Катушки дополнительных полюсов намотаны на ребро из мягкой медной проволоки ПММ размерами 6X20 мм и имеют 10 витков каждая. Корпусная и покровная изоляции этих катушек аналогичны изоляции катушек главного…
Конструкция и технические характеристики электромобилей 1960-х годов — Часть 8 из 11: Электромеханические характеристики тягового электродвигателя
На рис. 5 приведены электромеханические характеристики типичного тягового электродвигателя, применяемого на электромобилях фирмы Smith грузоподъемностью от 762 кг до 2,0 т. Электродвигатель при напряжении 72 В имел в часовом режиме мощность 12,25 л. с. (9,0 кВт), а при напряжении 60 В — 10,25 л. с. (7,5 кВт). Два таких двигателя, соединенных последовательно и питающихся от батареи напряжением 144 В, применялись для электромобилей большой грузоподъемности (6,0 т). Двигатель был самовентилируемый. Корпус и крышки были из стали, причем корпус цилиндрический с фланцем для крепления на шасси.
В 1960-х годах распространение получил привод от одного двигателя, который обладал следующими преимуществами перед приводом от двух двигателей: простота конструкции; возможность применения автомобильного заднего моста с карданной передачей; меньший вес и больший КПД, так как необходимая мощность была сосредоточена в одном агрегате.
Рис. 5. Электромеханические характеристики тягового электродвигателя электромобиля.
Электродвигатель чаще всего помещался между продольными балками рамы впереди батареи. Такое расположение двигателя хорошо видно на рис. 2.
Наиболее распространенной конструкцией передачи к ведущим колесам электромобиля являлось применение автомобильного заднего моста с карданной передачей. Однако отношение скорости вращения карданного вала к скорости вращения колес, было выше чем в приводе автомобиля. Такое увеличенное отношение чаще всего достигалось за счет установки дополнительной пары цилиндрических шестерен. Понижающая червячная передача применялась редко, так как она обладала более низким КПД
Некоторые трехколесные модели электромобилей делались с цепной передачей. В этом случае тяговый электродвигатель монтировался на подрамнике над задней осью. Привод от электродвигателя осуществлялся через сдвоенную цепную передачу, установленную в кожухе, и главную передачу.
Общее передаточное отношение от электродвигателя к колесам обычно колебалось между 12:1 и 15:1.
В условиях эксплуатации возникала необходимость в регулировании скорости электромобиля водителем, т. е. в получении различных скоростей при одной и той же силе тяги.
Так как на электромобилях в 1960-х годах преимущественно применялись сериесные электродвигатели постоянного тока, то скорость можно было регулировать либо изменением подводимого к нему напряжения, либо же изменением величины его магнитного потока.
Регулирование скорости посредством изменения поля возбуждения двигателя давало возможность как понижения (путем усиления поля), так и повышения скорости (путем ослабления поля). Однако эти методы регулирования скорости не нашли широкого применения на электромобилях.
Все части: 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11
Вытяжные вентиляторы в Москве — купить вытяжные вентиляторы по низким ценам сюда.Тенденции в области проектирования тяговых двигателей для транспортных средств
В связи с неуклонно возрастающими темпами расширения электрификации транспортных средств отрасль начинает готовить элементы для многомиллиардной трансформации разработки силовых агрегатов.
КомпанияFord заявила, что к 2022 году намерена разместить в выставочных залах около 40 электрифицированных моделей, в том числе 16 совершенно новых электромобилей с аккумуляторной батареей. По прогнозам Honda, к 2030 году на электрифицированные автомобили будет приходиться две трети мировых продаж компании. General Motors планирует к 2023 году 20 электрифицированных моделей во всем мире.Даже Ferrari присоединяется к маршу. По мере того, как список растет, становится ясно, что через несколько лет электрификация силовых установок перестанет быть новостью как таковой. Затем диалог перейдет к ключевым отличиям в дизайне, проектировании и производстве, влияющих на эффективность.
Bosch, например, в начале 2019 года принял на себя полное владение и контроль над своим совместным предприятием по разработке электродвигателей EM-motiv с Daimler, поскольку поставщик стремится управлять полным профилем эффективности электродвигателя, от аккумуляторной батареи до силовой электроники и двигателей. .Компания считает, что одна только оптимизация системного терморегулирования может увеличить запас хода электромобиля (EV) на целых 20%.
«В конце концов, — говорится в недавнем сообщении компании Bosch, — доступный запас хода является ключом к прорыву в электромобильности».
Индивидуальный дизайн
Для электромобилей обсуждение часто, кажется, сосредоточено на емкости аккумулятора, но приводной двигатель является таким же важным фактором, как и двигатель в обычной трансмиссии.Мощность и КПД электродвигателя взаимосвязаны, и то, как эти характеристики приспособлены для автомобильной тяги, является вопросом увеличения инвестиций в инженерные разработки.
Два основных типа тяговых двигателей переменного тока, с постоянными магнитами и индукционные, имеют преимущества и ограничения для автомобильных приложений. Многие автопроизводители и поставщики отдают предпочтение двигателям с постоянными магнитами, потому что они обычно более эффективны. Honda, Toyota, GM и BMW, а также многие крупные поставщики в настоящее время используют двигатели с постоянными магнитами в серийных автомобилях.
Асинхронные двигателипеременного тока могут быть предпочтительнее, если важна выходная мощность, но они менее эффективны. Tesla, которую многие считают лидером технологий и разработок электромобилей, использует асинхронные двигатели переменного тока для своих более крупных и более ориентированных на производительность автомобилей Model S и Model X, но выбрала приводные двигатели с постоянными магнитами для своей последней (и меньшей) Model 3.
Многие в прошлом рассматривали асинхронные двигатели как более согласованные с электромобилями, которые либо больше и тяжелее, либо ориентированы на высокую производительность, но двигатели с постоянными магнитами не ограничиваются меньшими, ориентированными на эффективность транспортными средствами.Хотя стартап электромобилей Rivian раскрыл скудные подробности своей интригующей новой платформы для своего электрического пикапа R1T и спортивного внедорожника R1S, представитель компании действительно подтвердил Automotive Engineering, что ее приводные двигатели — по одному на каждое колесо, объединены в уникальный цельный сдвоенный двигатель. мотор / трансмиссия спереди и сзади — конструкция с постоянными магнитами.
Квест материалов
Крупные производители с осторожностью относятся к двигателям с постоянными магнитами, поскольку они традиционно полагаются на тяжелые редкоземельные элементы.Преобладающая часть этих материалов в настоящее время поступает из Китая, в котором также находится от 35 до 40% мировых запасов редких земель, таких как неодим и диспрозий. Оба имеют решающее значение для всех видов магнитных изделий.
Магниты, используемые в автомобильных двигателях, обычно нацелены на высокую коэрцитивную силу или способность сохранять намагниченность при высоких температурах, которые могут быть обычными в автомобильных приложениях. Редкоземельные материалы придают дополнительную коэрцитивную силу; часто около 30% элементов, используемых в магнитах, являются редкоземельными элементами.
В середине 2016 года Honda Motor Co. и Daido Steel Ltd. объявили о первом промышленном применении нового магнитного материала для электромобилей. Этим материалом был горячедеформированный неодим, и он впервые был использован для тягового двигателя с постоянными магнитами новой конструкции для компактного минивэна Freed Sport Hybrid 2017 года.
Горячедеформированный неодим не требует введения «тяжелых» редкоземельных элементов диспрозия или тербия для достижения высокой термостойкости, необходимой для тяговых двигателей.
В последних моделяхHonda Insight и Accord Hybrid используется гибридная конструкция третьего поколения компании с двумя двигателями (тяговый двигатель и двигатель-генератор); Компания сообщила, что в магнитах обоих двигателей не используются тяжелые редкоземельные металлы.Для Insight Hybrid тяговый двигатель развивает заявленные 129 л.с. и 197 фунт · фут (267 Н · м).
В аналогичном ключе Toyota заявила в прошлом году, что разработала новый термостойкий магнит с пониженным содержанием неодима для электродвигателей. «В новом магните используется значительно меньше неодима, редкоземельного элемента, и он может использоваться в условиях высоких температур», — говорится в сообщении компании.
В новых магнитах не используется тербий или диспрозий, «необходимые для высокотермостойких неодимовых магнитов», — заявила Тойота, добавив: «Часть неодима была заменена лантаном и церием, которые являются дешевыми редкоземельными элементами, что снизило их количество. неодима, используемого в магните.”
Использование лантана и церия — как распространенных, так и недорогих редкоземельных элементов — позволяет поддерживать высокую термостойкость и минимизировать потерю коэрцитивной силы, считают инженеры Toyota.
В США Агентство перспективных исследовательских проектов — Энергетика (ARPA-e, часть Министерства энергетики США) начало свою программу REACT (Редкоземельные альтернативы в критических технологиях) по разработке недорогих и надежных альтернатив редкоземельным элементам. . Программа REACT за последнее десятилетие помогла профинансировать несколько усилий по разработке двигателей для электромобилей с использованием магнитов из не редкоземельных элементов.
Более глубокое проектирование каждого аспекта конструкции двигателя, несомненно, повысит эффективность, мощность и надежность. Honda, GM (в своем Bolt EV) и другие получили солидные результаты от использования провода квадратного сечения для обмоток статора, поскольку было определено, что квадратный провод «гнездится» более эффективно, обеспечивая повышенную плотность на заданной площади. Некоторые источники говорят, что техника намотки также может существенно повлиять на мощность и эффективность двигателя.
Варианты размещения
Для чистых электромобилей тяговые двигатели обычно приводят в движение ось или, в некоторых случаях, как у Rivian, отдельные колеса.Но для гибридизации существует множество вариантов того, где в трансмиссии электродвигатель может выполнять свою работу.
Ранние попытки «мягкой» электрификации заключались в размещении двигателей / генераторов для воздействия на переднюю часть коленчатого вала двигателя, обычно соединенного приводным ремнем, в так называемом месте «P0». Электрическая машина может постепенно перемещаться назад в трансмиссии, как правило, для увеличения степени влияния на коленчатый вал двигателя или ведущие колеса. Местоположение P3 объединяет электрическую машину с трансмиссией, в то время как местоположение P4 указывает на электродвигатель, приводящий в движение ось, механически не связанную с двигателем внутреннего сгорания.
Корпус для тяговых двигателей в колесах изготовлен компанией Protean Electric, чьи системы колесных двигателей Pd16 и Pd18 комплектуются ободом опорного колеса — синхронная машина с постоянными магнитами находится во внешнем роторе. В блоки также интегрированы силовая и управляющая электроника. Protean нацеливает свои колесные двигатели на автономные шаттлы, а Pd18 используется в самоуправляемых шаттлах «Olli» Local Motors.
В качестве моста к электромобилям отраслевые источники проектируют все более сложные конструкции для включения электрификации в обычные трансмиссии.По мере того, как электродвигатели проходят различные ступени «P», соответствующие преимущества заключаются в функциях повышения эффективности и производительности, таких как «плавное движение» с разъединением привода, «заполнение» крутящего момента для маскировки отставания в наддуве двигателя и плавное переключение передач, а также все остальное. -колесный привод через полностью автономные «электронные мосты».
Продолжить чтение »Современный дизайн тягового двигателя | Программное обеспечение Siemens Digital Industries
Электрификации транспортной отрасли уделяется большое внимание.Прогнозы рынка предсказывают быстрый рост спроса на альтернативы автомобилям с двигателями внутреннего сгорания в течение следующих нескольких десятилетий. Последствия этих тенденций широко распространены для всех сегментов индустрии xEV, включая производителей компонентов трансмиссии, поставщиков и интеграторов.
В этом техническом документе мы рассматриваем текущее состояние и будущее направление проектирования тяговых двигателей с учетом отраслевых тенденций, проблем и решений, а также то, как решения для моделирования и тестирования могут поддержать инженерные инновации в этих областях.
Основные аспекты проектирования тяговых двигателей для электромобилей
В этом техническом документе обсуждаются инженерные, симуляционные и вычислительные задачи сквозного процесса проектирования тяговых двигателей для гибридных и электрических транспортных средств (xEV). Каждый из этих аспектов обсуждается применительно к типичному V-циклу, от концепции дизайна до создания прототипа. Ключевые инженерные задачи включают разработку высокопроизводительных, отказоустойчивых, надежных и недорогих машин с высокой удельной мощностью.
Роль моделирования и моделирования в конструировании тяговых двигателей
Внедрение нового интегрированного рабочего процесса проектирования и разработки с использованием современных инструментов моделирования будет играть центральную роль в достижении этих целей. В этом документе рассматриваются основные преимущества, заложенные в современный набор инструментов программного обеспечения Simcenter, предназначенный для решения текущих и будущих задач проектирования тяговых двигателей.
Ускорьте разработку высокопроизводительных тяговых двигателей с помощью линейки Simcenter
Ключевые вопросы и элементы, которые рассматриваются:
- Будет ли спрос на разработку новых и улучшенных тяговых двигателей соответствовать общему росту отрасли?
- Каковы технические проблемы и возможности нового поколения инженеров-проектировщиков тяговых двигателей?
- Какие подходящие решения для вычислений и моделирования могут позволить сегодняшним дизайнерам решать инженерные задачи будущего?
(PDF) Анализ и разработка высокопроизводительного тягового двигателя для большегрузных автомобилей
Energies 2020, 13, 3150 13 из 14
В материалах 15-й Международной конференции по электрическим машинам и системам (ICEMS) 2012 г.,
Саппоро, Япония, 21–24 октября 2012 г .; стр.2–5.
10. Yeo, H.-K .; Ро, Ж.-С. Новый метод анализа эффектов вылета в машинах с поверхностным монтажом на постоянных магнитах
. IEEE Access 2019, 7, 148453–148461.
11. Lee, Y.-S .; Kim, K.-T .; Park, J.-H .; Ли, С.-Дж .; Chung, T.-K .; Ро, Ж.-С. Анализ характеристик и конструкция нового высокочастотного коаксиального трансформатора оболочечного типа
. ИЭПП Электр. Power Appl. 2019, 13, 2027–2034.
12. Хан, С .; Бухари, S.S.H .; Ро, Ж.-С. Проектирование и анализ двухъярусной синхронной машины без сердечника без сердечника с постоянным магнитным потоком
для низкоскоростных приложений.IEEE Access 2019, 7, 173848–173854.
13. Liu, G .; Xu, G .; Zhao, W .; Du, X .; Чен, К. Повышение крутящего момента двигателя с постоянными магнитами
за счет использования конфигурации гибридного ротора. IEEE Trans. Energy Convers. 2017, 32, 953–962.
14. Yang, Y .; Castano, S.M .; Yang, R .; Каспрзак, М .; Билгин, Б .; Sathyan, A .; Dadkhah, H .; Эмади, А. Дизайн и
Сравнение топологий двигателей с внутренними постоянными магнитами для тяговых приложений. IEEE Trans. Трансп.
Электр.2016, 3, 86–97.
15. Rashidaee, S .; Голамян С.А. Снижение крутящего момента в двигателях IPM с помощью метода конечных элементов Тагучи и
. Int. J. Comput. Sci. Англ. Surv. 2011, 2, 1–10.
16. Mun, J.-M .; Park, G.-J .; Seo, S .; Kim, D.-W .; Kim, Y.-J .; Юнг, С.-Й. Конструктивные характеристики IPMSM с широким диапазоном постоянной скорости
для тяги электромобилей. IEEE Trans. Magn. 2017, 53, 1.
17. Zhang, J .; Wen, X .; Ван, Ю.; Ли В. Моделирование и анализ нелинейных синхронных двигателей с внутренним постоянным магнитом
с учетом эффектов насыщения и перекрестного намагничивания. В материалах конференции и выставки по электрификации транспорта
IEEE 2016, Азиатско-Тихоокеанский регион (ITEC Asia-Pacific), Пусан, Корея,
, 1–4 июня 2016 г .; С. 611–615.
18. Liu, Y.-X .; Li, L .; Cao, J.-W .; Солнце, З .; Вс, З.-Я .; Чжан, Ж.-П. Оптимизация конструкции двигателей с постоянными магнитами для кратковременных перегрузок
с учетом нелинейного насыщения.Энергия 2018, 11, 3272.
19. Габдуллин Н .; Ро, Ж.-С. Новый метод нелинейной переходной энергии пути для аналитического анализа непериодической и нелинейной динамики электрических машин
во временной области. IEEE Access 2019, 7,
37833–37854.
20. Sim, M.-S .; Ро, Ж.-С. Анализ вихретокового тормоза для исполнительного механизма высоковольтной цепи постоянного тока
выключатель. ИЭПП Электр. Power Appl. 2019, 13, 1387–1391.
21.Ştirban, A .; Tutelea, L .; Iles-Klumpner, D .; Болдеа, И. Анализ методом конечных элементов неоднородной щели концентрированных катушек
(6 + 6/8) IPMSM, питаемых трапециевидным током. В материалах 11-й Международной конференции по оптимизации электрического и электронного оборудования
, Брашов, Румыния, 22–24 мая 2008 г .; С. 45–53.
22. Zhu, Z.Q .; Wu, D .; Ге, X. Исследование искажения напряжения во внутреннем постоянном магните с дробной щелью
Машины с различными комбинациями чисел пазов и полюсов.IEEE Trans. Energy Convers. 2016, 31,
1192–1201.
23. Ge, X .; Чжу, З.К. Чувствительность производственных допусков к крутящему моменту зубчатого зацепления во внутренних машинах с постоянным магнитом
с различными комбинациями номеров пазов и полюсов. IEEE Trans. Ind. Appl. 2017, 53, 3557–
3567.
24. Tangudu, J.K .; Jahns, T.M .; Бон, Т. Проектирование, анализ и минимизация потерь машины IPM
с концентрированной обмоткой с дробным пазом для тяговых приложений.В материалах конгресса и выставки по конверсии IEEE Energy
2011 г., Феникс, Аризона, США, 17–22 сентября 2011 г .; С. 2236–2243.
25. Габдуллин Н .; Ро, Ж.-С. Энергоэффективный, экологичный магнитный контактор с нулевым удержанием энергии для
промышленных и транспортных приложений. IEEE Trans. Veh. Technol. 2020, 69, 5000–5011.
26. Lim, M.-S .; Chai, S.-H .; Hong, J.-P .; Разработка бессенсорного IPMSM на основе значимости с концентрированной обмоткой
для тяги электромобилей.IEEE Trans. Magn. 2015, 52, 1–4.
27. Alsawalhi, J.Y .; Судхофф, С. Оптимизация конструкции синхронных машин с асимметричным явным постоянным магнитом
. IEEE Trans. Energy Convers. 2016, 31, 1315–1324.
28. Lee, K.-D .; Lee, J .; Ли, Х.В. Расчет индуктивности двигателя с постоянным магнитом
с концентрацией магнитного потока по схеме нелинейного магнитного эквивалента. IEEE Trans. Magn. 2015, 51, 1.
29. Liang, J .; Parsapour, A .; Ян, З .; Кайседо-Нарваэс, К.; Moallem, M .; Фахими, Б. Оптимизация профиля воздушного зазора
во внутренних синхронных двигателях с постоянными магнитами для уменьшения пульсаций крутящего момента. IEEE Trans.
Пр. Electrif. 2019, 5, 118–125.
30. Maema, A .; Shimomura, S .; Коно, М. Математическая модель, учитывающая пространственные гармоники воздушного зазора в IPMSM.
В материалах 19-й Международной конференции по электрическим машинам и системам (ICEMS), Чиба,
Япония, 13–16 ноября 2016 г .; стр.1–6.
Заряженных электромобилей | Как обеспечить, чтобы магниты тяговых двигателей электромобилей не выходили за пределы их рабочих пределов
Как избежать размагничивания двигателя : Джон Ванджику, технический специалист Mentor Graphics, объясняет цели подробного анализа конструкции тягового двигателя.
Неодимовые постоянные магниты используются в тяговых двигателях электромобилей из-за их мощных магнитных полей и относительно сильного сопротивления размагничиванию, но они имеют тенденцию терять свой магнетизм при воздействии чрезмерных рабочих температур, противодействующих магнитных полей или электрических неисправностей.Это может привести к временной потере крутящего момента или, в тяжелых случаях, к преждевременному отказу двигателя.
Как инженеры могут гарантировать, что магниты двигателя не ухудшатся из-за этих факторов? Charged поговорил с Джоном Ванджику, техническим специалистом в Mentor Graphics, дочерней компании Siemens, и он провел нас через подробный анализ размагничивания тягового двигателя, который он недавно завершил.
«Одним из основных материалов, используемых в тяговом двигателе, является постоянный магнит», — сказал Ванджику Charged .«Но это его ахиллесова пята: она деградирует при превышении допустимой температуры. Таким образом, для высокотемпературных операций, если двигатель перегружен или возникает неисправность, он размагничивается, и способность этой машины генерировать крутящий момент теряется. Это может быть мгновенным или постепенным, когда мощность двигателя со временем снижается ».
Определение срока службы, нагрузки и рабочего цикла двигателя
«Для нашего анализа, — продолжил Ванджику, — мы используем профиль скорости вращения FreedomCAR 2020 (показанный на рисунке 1) в качестве ориентира для срока службы двигателя.Чтобы соответствовать техническим характеристикам транспортного средства, тяговый двигатель должен выдерживать 30 кВт непрерывной мощности и обеспечивать максимальную мощность 55 кВт в течение не менее 18 секунд. В этих условиях двигатель должен прослужить не менее 15 лет или 300 000 км (около 190 000 миль), что составляет срок службы транспортного средства ».
В идеале инженеры хотели бы, чтобы электромотор был разработан для удовлетворения требований пикового крутящего момента, но для этого потребовался бы большой, тяжелый и дорогой мотор — тройка нежелательных качеств для трансмиссии электромобилей.Ванджику сказал нам, что предпочтительнее двигатель меньшего размера, более легкий и менее дорогой — тот, который способен эффективно работать в непрерывном режиме и иногда может быть перегружен, когда требуется быстрое ускорение. Однако для этого потребуется активное охлаждение, чтобы гарантировать, что двигатель не превысит свою максимальную рабочую температуру при переводе в состояние перегрузки. Как мы увидим на примере Ванджику, чрезмерная температура и перегрузка могут необратимо повредить тяговый двигатель.
На рис. 2 показан пример агрессивного режима движения с высоким ускорением, который приводит к прерывистой нагрузке тягового двигателя.Колебания нагрузки от 0 до 200 секунд и от 500 до 600 секунд вызовут температурный цикл, который ускоряет старение. Таким образом, рабочий цикл двигателя является важным фактором при анализе надежности.
Изоляция и пределы температуры
«При постоянной скорости двигатель установит стабильную температуру, потому что нет инерционных нагрузок», — пояснил Ванджику. «В режиме круиз-контроля вам в основном нужно преодолевать силу сопротивления, чтобы поддерживать скорость.Но когда вы ускоряетесь или замедляетесь, в игру вступает инерция. Следовательно, класс изоляции и тепловая конструкция двигателя имеют решающее значение для двигателей с периодической нагрузкой, таких как тяговые двигатели ».
«Это связано с тем, что предел температуры двигателя определяет его максимальный крутящий момент и срок службы», — продолжил он. «Итак, проектировщик выбирает класс изоляции в соответствии с бюджетом и ожидаемым сроком службы двигателя, который, в свою очередь, определяет самую высокую рабочую температуру, как показано на Рисунке 3a.Для нашего обсуждения мы выберем изолятор класса H, срок службы которого составляет 20 000 часов, если его температура не превышает 180 ° C ». (Примечание: 20 000 часов эквивалентны вождению в среднем 3,5 часа в день в течение примерно пятнадцати лет.)
Обычно срок службы двигателя зависит от класса изоляторов, из которых он изготовлен. Рисунок 3a говорит нам:
- Для заданного предела температуры обмотки, чем выше класс, тем больше срок службы.
- По мере увеличения температуры обмотки данного класса срок службы уменьшается в геометрической прогрессии. (Обратите внимание, что по оси Y отложена логарифмическая шкала.) В этом случае на каждые 10 ° C повышения температуры срок службы изолятора сокращается вдвое.
«Класс изоляции основан на самом низком классе изоляторов, используемых для изготовления двигателя, таких как покрытие эмалью для проводов, вкладыши, пропитывающий лак и т. Д.», — пояснил Ванджику. «В дополнение к этому, марки с постоянными магнитами имеют свои собственные пределы рабочих температур.Поскольку большинство тяговых двигателей электромобилей представляют собой двигатели с постоянными магнитами из-за их более высокой плотности мощности, эффективности и коэффициента мощности, температурный предел должен учитывать как класс изоляции, так и материал постоянного магнита ».
«Предполагается, что тяговые электродвигатели электромобилей будут работать при температуре окружающей среды от -40 до 105 ° C», — добавил он. То есть впечатления от поездки не должны зависеть от местоположения. «Рисунок 3b показывает, что с повышением температуры окружающей среды допустимое повышение температуры (из-за нагрузки) уменьшается.Таким образом, чтобы выдерживать одинаковые моменты нагрузки при более высоких температурах окружающей среды, двигатель должен иметь соответствующее охлаждение, чтобы поддерживать температуру обмотки ниже 180 ° C ».
Размагничивание
Для уменьшения веса в большинстве электромобилей используются двигатели с постоянными магнитами, а не асинхронные двигатели. Однако магнитные материалы разрушаются не только с повышением температуры, но и в сильных противоположных полях, таких как магнитное поле, индуцированное катушками статора, которое увеличивается при более высоких скоростях (ослабление поля), перегрузках и неисправностях.
Ванджику описал рисунок 4a, на котором показана зависимость плотности потока (B) от коэрцитивной силы (H) при различных температурах. «Мы можем видеть характеристику размагничивания этого конкретного материала. Пунктирные линии представляют линейную модель, в которой предполагается, что магнитное поле восстановится после устранения коэрцитивной силы. Однако сплошные линии указывают на то, что существует точка невозврата — «изгиб» кривой, в которой магнит будет необратимо поврежден. При более высоких температурах колено достигается с меньшей силой принуждения.”
Другими словами, чем выше температура, тем легче необратимо повредить магнит из-за коэрцитивных сил, вызванных противоположными магнитными полями.
«Рисунок 4b, — продолжил он, — показывает изменение характеристики магнита при приложении к нему встречного синусоидального поля. В каждом полупериоде внешнее поле выталкивает магнит за колено, заставляя его отскакивать с новой, но более низкой характеристикой, что указывает на потерю намагниченности ».
Мы видим, что материал магнита влияет на максимальную рабочую температуру двигателя, что, в свою очередь, ограничивает его максимальный крутящий момент.Поскольку для тяговых двигателей большой мощности потеря намагничивания является постоянной, инженеры должны убедиться, что их двигатели могут выдерживать увеличение пиковой нагрузки, а также повышение температуры, чтобы предотвратить размагничивание.
Анализ размагничивания
«Оценка электромагнитной надежности должна включать реалистичный анализ размагничивания, который учитывает влияние как тока, так и температуры при нормальных нагрузках, кратковременных перегрузках (например, до 18 секунд) и работе с увеличенной скоростью», — пояснил Ванджику.«В следующем анализе мы использовали программное обеспечение Simcenter MAGNET от Siemens для моделирования различных сценариев для двигателя, аналогичного Toyota Prius 2010 года выпуска. Модель была уменьшена до двумерного полюса, показанного на рисунке 5, и проанализирована в рабочих точках, указанных в таблице ».
Сценарий 1: Пик спроса
Цель этого анализа — убедиться, что магниты не ухудшаются из-за максимального крутящего момента. В этом случае постоянный крутящий момент 100 Нм (с двигателем, выдающим 30 кВт) был увеличен до пикового значения 200 Нм (толкнув двигатель до 60 кВт), путем увеличения тока, как показано на рисунке 6a, с соответствующим увеличением. в крутящем моменте.Используются две модели магнитов: линейная без размагничивания и необратимая модель с размагничиванием. В этом сценарии температура обмотки поддерживается постоянной на уровне 120 ° C.
Ванджику интерпретировал рисунок 6c: «Мы можем видеть состояние магнита до и после увеличения тока. На 5 мс двигатель работает в непрерывном режиме, а магниты не размагничиваются. Но через 20 мс, что происходит после того, как ток достигает своего пика, двигатель испытывает частичное размагничивание, что снижает крутящий момент на 4%.”
Итак, что случилось с магнитами в частично размагниченных областях? Ванджику сказал нам, что для анализа были взяты образцы полей B и H в выбранной точке частично размагниченной области. Отобраны пробы на всех трех ступенях разгона:
- Первая ступень — это непрерывный режим работы, в котором магнит имеет одну и ту же характеристику как для линейной, так и для необратимой моделей, как показано на рисунке 6e.
- Во время второй стадии, на которой ток нарастает, необратимая модель размагничивания показывает, что прогрессивное размагничивание происходит, когда материал опускается ниже колена и отскакивает с новой, но более низкой характеристикой.
- Наконец, на третьем этапе мы можем видеть, что ток стабилизируется на более высоком значении, а магнит отскакивает с еще более низкой характеристикой.
Во всех полевых условиях при постоянной температуре линейная модель без размагничивания, учитывающая только температуру, будет отклоняться от той же характеристики, что переоценивает характеристики двигателя в условиях пика и отказа. Очевидно, что модель необратимого размагничивания более точна, поскольку она учитывает размагничивание как по полю, так и по температуре, а также историю намагничивания, показанную на рисунке 6e.Это причина того, что тяговые двигатели следует анализировать при любых условиях, особенно при ускорении, которое требует кратковременной перегрузки двигателя.
Сценарий 2: Тепловой и пиковый спрос
Это условие аналогично сценарию 1 с точки зрения профиля тока, связанного с более высоким требованием крутящего момента, но также учитывает тепловые эффекты. В этом случае более высокая температура (150 ° C) опускает колено магнита, как видно на нелинейных кривых на рисунке 4a, что вызывает непоправимое повреждение даже раньше, чем в предыдущем сценарии.
«Для линейной модели без размагничивания влияние температуры минимально: общее снижение крутящего момента примерно на 2% (рис. 7a)», — отметил Ванджику. «Это связано с небольшой разницей в характеристиках магнита при двух температурах, как показано стрелками на рисунке 4a. Помните, что эта модель не учитывает размагничивание поля, поэтому она всегда отталкивается от одной и той же характеристики для данной температуры ».
Однако Ванджику сказал, что в модели необратимого размагничивания влияние как более высокой температуры, так и более высокого тока является значительным: снижение крутящего момента на 27%, как показано на Рисунке 7b.Это связано с тем, что сочетание более высоких температур и размагничивающих токов значительно снижает поле, необходимое для размагничивания магнитов, и это усугубляется выбором магнитов, устойчивых к низким температурам.
Ванджику пояснил: «На рисунках 7c и 7d мы видим, что за 5 мс магниты не размагничиваются значительно, но за 20 мс сильное размагничивание приводит к потере крутящего момента на 27%. Если бы этот двигатель был в поле, он бы преждевременно вышел из строя. Следовательно, пиковая работа тягового двигателя должна быть проверена при ожидаемых повышенных температурах.”
Сценарий 3: Короткое замыкание
Wanjiku проиллюстрировал ситуацию, в которой короткое замыкание может привести к размагничиванию. «На рисунке 8a мы видим, что короткое замыкание 5 мс произошло на 10 мс. На рисунках 8a и 8b показаны соответственно обратная ЭДС фазы A и токи трехфазного короткого замыкания ».
«Подобно более сильному току размагничивания, который мы видели в первом сценарии, — заметил он, — на 5 мс размагничивания не происходит; но через 20 мс происходит частичное размагничивание после короткого замыкания (рисунки 8c и 8d).Это эффективно снижает пиковую обратную ЭДС примерно на 8% (рис. 8а) ».
На первом этапе модели необратимого размагничивания и линейные модели без размагничивания возвращаются по одной и той же характеристике. Однако на втором этапе при быстром увеличении токов короткого замыкания в точке выборки происходит немедленное размагничивание. На третьей ступени материал вынужден отскочить при более низкой характеристике.
«В этом сценарии, — объяснил Ванджику, — на второй стадии нет прогрессивного размагничивания, а есть« скачок »в состояние более низкого намагничивания.Почему это важно при анализе неисправностей? Это означает, что как величина, так и время нарастания токов короткого замыкания определяют конечное состояние намагниченности, и это следует учитывать при смягчении последствий короткого замыкания ».
Цель этой работы — подчеркнуть важность тщательного анализа размагничивания, который точно воспроизводит условия эксплуатации и неисправности, позволяя инженерам определять рабочий диапазон тягового двигателя для эффективного мониторинга, управления и устранения неисправностей.
Изучая характеристики размагничивания неодимовых магнитов и факторы, которые могут разрушать их магнитные поля, разработчики тяговых двигателей электромобилей могут лучше понять краткосрочные и долгосрочные эффекты чрезмерного нагрева, повторяющихся перегрузок и внутренних коротких замыканий на двигателе. крутящий момент, эффективность и срок службы двигателя.
Для получения более подробной информации о работе Ванджику прочтите полный технический документ (Эффекты включения размагничивания постоянных магнитов в моделирование современных электрических машин для электромобилей), доступный здесь.
Эта статья появилась в Платном выпуске 49 — май / июнь 2020 г. — Подпишитесь сейчас .
Технология тяговых двигателей для сложных электромобилей
Изменение климата — одна из самых серьезных проблем, стоящих перед миром, и обезуглероживание нашей энергетической системы является важной частью решения этой проблемы. Чистый транспорт играет решающую роль в борьбе с изменением климата, поскольку на автомобили, поезда и самолеты, работающие на ископаемом топливе, приходится примерно четверть мирового потребления энергии и примерно такая же доля глобальных выбросов углекислого газа.Эти выбросы вредны как для окружающей среды, так и для здоровья человека.
Электромобили (ЭМ) могут способствовать обезуглероживанию как транспорта, так и электроснабжения. Это как от через , так и благодаря уменьшенным выбросам из выхлопной трубы, а также благодаря гибкости, которую батареи электромобиля могут предложить системе электроснабжения. Они предлагают источник неиспользованной гибкости, которая может принести значительные выгоды энергетическим системам.
Электрификация автомобильного транспорта способствует беспрецедентному уровню инноваций в области инновационных электрических тяговых технологий Приводные технологии .Новые архитектуры, лучшие материалы и передовые производственные процессы исследуются в ответ на разнообразные и требовательные требования автомобильного сектора. Заглядывая в будущее, ожидается, что электромобили начнут вытеснять традиционные силовые установки в следующие 5-10 лет, если предположить, что они станут конкурентоспособными по стоимости на основе общей стоимости владения.
С момента появления электромобилей в коммерчески доступных электромобилях были внедрены различные инновационные технологии электрического тягового привода для повышения эффективности и удельной мощности.Ожидается, что для будущих электромобилей необходимо будет значительно улучшить плотность мощности и характеристики привода тягового двигателя, чтобы увеличить пространство для пользователя в транспортном средстве, расширить диапазон и повысить рыночное признание.
Тяговый электродвигатель для транспортных средств Приводы, включающие тяговые электродвигатели и силовую электронику, являются ключевой технологией для передовых силовых установок транспортных средств. Конструкция тягового двигателя сталкивается с проблемами с точки зрения соответствия очень строгим показателям плотности мощности и эффективности преобразования, тем самым мотивируя исследование передовых материалов и производство следующего поколения легких сверхэффективных машин.Кроме того, чтобы проникнуть на рынок, эти технологии электрического тягового привода должны обеспечивать экономически жизнеспособные автомобильные решения.
SDT решает эти проблемы и является лидером в разработке легких и энергоэффективных двигателей, чтобы гарантировать, что каждый продукт, который они разрабатывают, является более экономичным, высокопроизводительным и экологически чистым решением для всех целевых секторов.
Технологические тенденции в электрических тяговых приводах:
Базовые конфигурации электрической тяги: Автомобильная промышленность разработала широкий спектр конфигураций электрической тяги для удовлетворения различных требований к производительности.Наиболее распространенные конфигурации автомобилей — это однодвигательный привод с механической трансмиссией и независимый привод на колеса (прямой привод или через редуктор). Исторически они фокусировались на гибридных электромобилях (HEV), но акцент сместился на полные электромобили (рис. 1 ). Электрическая тяга электрифицированного транспортного средства в первую очередь включает силовую электронику (инвертор, повышающий преобразователь и бортовое зарядное устройство) и тяговый двигатель, используемый для приведения в движение транспортного средства. Примерная схема электропривода для электрифицированного транспортного средства показана на рис. 2 .Батарея подключается к силовой электронике (инвертору), которая затем питает двигатель, подключенный к колесам автомобиля.
Разработка и производство тяговых электродвигателей должны постоянно совершенствоваться и совершенствоваться, чтобы обеспечить широкое проникновение электромобилей на рынок.
Технологические тенденции включают улучшение электродвигателей с особым упором на сокращение использования редкоземельных материалов внутри магнита ротора, поскольку на магниты приходится большая часть затрат на электродвигатель, но они необходимы для достижения целевых показателей производительности.Кроме того, основными тенденциями являются снижение стоимости, объема и веса при сохранении или увеличении производительности (более высокая эффективность при более высокой мощности) и надежности (срок службы 15 лет, 300 000 миль).
Пути к достижению этих тенденций включают усовершенствования топологии двигателя, усовершенствованную силовую электронику, передовые материалы, подход к проектированию обмоток, оптимизацию конструкции и метод надежной конструкции, а также модульные и масштабируемые конструкции. Они могут значительно снизить затраты на двигатель или радикально улучшить его характеристики.Обзор этих стратегий и решений для тяговых двигателей представлен ниже:
Усовершенствования топологии двигателя: производители электромобилей использовали многие типы электродвигателей, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в отношении компактности, эффективности, скорости, диапазона и надежности. В настоящее время основные производители электромобилей используют три основных типа двигателей: асинхронные, реактивные (SR) двигатели и двигатели с постоянным магнитом (PM) .
Асинхронный двигатель имеет долгую историю успешной эксплуатации в промышленных приложениях и зарекомендовал себя как прочная и надежная машина.Производители электродвигателей обладают обширными знаниями и опытом в области проектирования и изготовления асинхронных машин, которые могут быть легко применены к конструкции тягового двигателя.
ДвигателиSR предлагают более дешевый вариант, который легко производить. Они также имеют прочную конструкцию, которая может выдерживать высокие температуры и скорости. К основным препятствиям для больших объемов и недорогих двигателей SR относятся пульсация крутящего момента, доступность подходящих силовых преобразователей, а также низкий уровень шума, вибрации и жесткости.Все эти барьеры указывают на ограничения как для силовой электроники, так и для доступных топологий. Кроме того, двигатели SR менее эффективны, чем двигатели других типов, и требуют дополнительных датчиков и сложных контроллеров двигателей, что увеличивает общую стоимость системы электропривода. Однако ожидаемые улучшения в области силовых электронных систем и управления ими обеспечат ступенчатые изменения.
Двигатели с постоянными магнитами — наиболее популярный выбор, обеспечивающий максимальную эффективность и компактность. Энергоэффективность важна для электромобилей, чтобы оптимизировать эксплуатационное потребление энергии и максимально увеличить дальность поездки . По этим причинам первым классом двигателей, который следует рассматривать для приводов транспортных средств, должны быть двигатели с постоянными магнитами, использующие высокопроизводительные магниты. Благодаря энергетически «свободному» возбуждению, низкому реактивному сопротивлению основной гармоники и возможности иметь большое количество полюсов, машины с постоянным магнитом могут быть чрезвычайно легкими и высокоэффективными.
Сегмент тяговых двигателей средней и малой мощности демонстрирует возможности для альтернативных (без PM) топологий. SR и гибридные топологии PM / синхронного сопротивления представляют собой наибольший потенциал для будущих ступенчатых изменений в технологии.Однако оба они зависят от достижений в области управления и электроники по приемлемой цене. Кроме того, двигатели с постоянными магнитами также занимают ключевое место в этом диапазоне мощностей. Разработка автомобильных спецификаций и более легких асинхронных двигателей также может быть выгодна для транспортных средств городского типа в основном из-за ожидаемых затрат.
Большинство двигателей с постоянными магнитами, используемых в тяговых электромобилях, представляют собой роторы с внутренним постоянным магнитом (IPM) (Рисунок 4). Роторы IPM обладают магнитной отчетливостью, которая создает дополнительный крутящий момент реактивного сопротивления и дополнительно увеличивает удельную мощность.
Основным недостатком использования двигателей с постоянными магнитами является стоимость тяжелых редкоземельных материалов, используемых в двигателях с постоянными магнитами. Количество материала магнита, которое требуется для данной номинальной мощности, является ключевым соображением относительно стоимости. Стоимость материала магнита высока по сравнению со стоимостью других материалов, используемых в электродвигателях, и конструктивные особенности, которые сводят к минимуму или исключают необходимое количество материала магнита, являются важными факторами при выборе двигателя.
Advance Power Electronics: Силовая электроника автомобиля в первую очередь обрабатывает и контролирует поток электроэнергии в электромобилях.Силовая электроника имеет решающее значение для нескольких функций, но, пожалуй, наиболее важным из всех является главный инвертор, который преобразует батарею постоянного тока в трехфазный переменный ток для привода тягового электродвигателя. В основе устройств силовой электроники лежат технологии переключателей мощности (транзисторы), которые уже прошли более пяти поколений усовершенствований. Деятельность по развитию силовой электроники в первую очередь направлена на улучшение инверторов, поскольку они являются ключевым компонентом и оказывают наибольшее влияние на цели силовой электроники.Эти разработки направлены на уменьшение объема инверторов, уменьшение количества деталей за счет интеграции функций и снижение затрат. Сегодня кремниевые биполярные транзисторы с изолированным затвором (Si IGBT) доминируют в диапазоне средних мощностей, включая инверторы для электромобилей. Сейчас мы переходим к шестому поколению полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной (WBG): два наиболее часто используемых WBG-материала — это карбид кремния (SiC) для высоковольтных / силовых приложений и нитрид галлия (GaN) для низкоэнергетических применений. напряжение и мощность.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной (WBG) становятся все более популярными, поскольку они более эффективны, могут сократить количество деталей, могут выдерживать более высокие температуры, чем кремниевые компоненты, а снижение коммутационных потерь позволяет учитывать более высокую частоту коммутации, что может улучшить размер и эффективность систем. Возможность работы при более высоких температурах может снизить системные затраты за счет снижения требований к сложным системам управления температурным режимом. Таким образом, WBG предлагают значительные возможности для будущей рентабельной и высокопроизводительной силовой электроники электромобилей.
Преобразователи используются для увеличения (повышения) или уменьшения (понижения) напряжения аккумуляторной батареи (обычно от 200 В до 450 В) в соответствии с потребностями в напряжении двигателей и других систем транспортного средства. Если конструкция электродвигателя транспортного средства требует более высокого напряжения, например тяговый двигатель, потребуется повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Если компоненту требуется более низкое напряжение, например освещение, информационно-развлекательная система, ему потребуется понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, который снижает напряжение до уровня 12 В или 42 В. Кроме того, объединение тягового двигателя и силовой электроники в единый блок — это один из возможных путей для OEM-производителей снизить затраты и снизить требования к упаковке (вес внешних кабелей).В настоящее время проводятся исследования по совершенствованию преобразователей путем разработки топологий следующего поколения, которые более эффективны, сокращают количество деталей и позволяют создавать модульные масштабируемые устройства.
Современные материалы: Масса и размер, эффективность и надежность электрических машин определяются и гарантируются свойствами используемых в них материалов. Такие элементы, как электротехническая сталь, катушки или магнит и изоляция, могут составлять значительную часть общей массы. Электротехническая сталь (кремнистая сталь, ламинированная сталь или магнитомягкие материалы) является ключевым материалом при производстве электрических машин.Они образуют сердечники в электрических машинах и служат для концентрации и направления переменного магнитного поля, которое вызывает потери в стали (гистерезис и потери на вихревые токи). С 1800-х годов, когда железо было единственным доступным магнитомягким материалом, металлурги, материаловеды и другие периодически вводили улучшенные материалы. Изобретение кремнистой стали в 1900 году стало заметным событием для магнитомягких материалов. Такие материалы обеспечивают отличную технологичность и адекватные магнитные характеристики.Кремниевая сталь по-прежнему доминирует на мировом рынке мягких магнитов и является предпочтительным материалом для крупных электрических машин. Однако его низкое электрическое сопротивление приводит к большим потерям из-за вихревых токов, особенно при увеличении рабочих частот.
Как упоминалось ранее, внедрение полупроводников WBG позволяет электронике преобразования мощности и контроллерам двигателей работать на гораздо более высоких частотах. Это снижает требования к размерам пассивных компонентов (катушек индуктивности и конденсаторов) в силовой электронике и позволяет создавать более эффективные электрические машины с высокой скоростью вращения.Однако ни один из доступных сегодня магнитомягких материалов не может полностью раскрыть потенциал устройств на основе WBG. Это заставляет специалистов по материалам искать другие материалы для удовлетворения потребностей новых высокочастотных устройств.
Некоторые разрабатывают улучшения существующих материалов, в то время как другие ищут кардинально новые подходы. Потенциально полезные области включают экономичное введение дополнительных материалов, таких как кремний, кобальт, марганец, ванадий или хром, в электротехнические стали, а также изменение свойств для обеспечения производительности в определенных областях для более эффективного управления путями потока.В настоящее время ведется значительная исследовательская работа по усовершенствованию составов аморфных металлов, при этом основное внимание уделяется увеличению плотности потока насыщения этих материалов.
Высокоэффективные двигатели изготовлены из высококачественной кремнистой стали, которая обычно снижает гистерезис и потери на вихревые токи. Уменьшение толщины ламинации также снижает потери на вихревые токи. Толщина обычно находится в диапазоне от 0,20 мм до 0,65 мм. Толщина ограничена стоимостью изготовления и сложностью обращения с сердечником.Ведутся разработки с использованием более тонких слоев (0,1–0,2 мм) и оптимизации кристаллической структуры сталей с ориентированной зеренной структурой для улучшения свойств электротехнической стали.
Кремнистые стали доступны с различными покрытиями поверхности. К ним относятся неорганическая отделка с естественными оксидами, неорганическая изоляция, образованная лаком, нанесенным на поверхность материала, неорганическая изоляция, образованная химической обработкой, нанесенной на материал, и неорганическая / органическая изоляция, нанесенная на поверхность материала.Лучшие покрытия для электротехнической стали признаны перспективной областью развития и могут помочь в минимизации потерь и механических нагрузок.
Изоляционные материалы: Изоляционные материалы должны быть тщательно выбраны проектировщиком, чтобы предотвратить нежелательный электрический ток. Для правильного функционирования отдельные медные проводники в обмотках статора должны быть полностью изолированы от соседних проводников в той же катушке и от окружающего железа (называемого землей). Материал должен выдерживать не только приложенное напряжение, но и высокую температуру проводников, механические и электромеханические силы вибрации, влажность, химические вещества и истирание пылью и грязью.
Изоляция должна предотвращать электрический пробой между компонентами, но ее также следует использовать как можно реже. Меньше изоляции означает больше места для меди и лучший отвод тепла. Больше меди и лучшее рассеивание тепла улучшает максимальную мощность двигателя . Таким образом, в настоящее время существует значительная мотивация сделать изоляцию как можно более тонкой, но это приводит к другой проблеме, заключающейся в быстром переключении напряжения инвертором (в инверторах происходит высокая мгновенная скорость изменения напряжения (dV / dt)), это должно происходить как можно быстрее, чтобы минимизировать коммутационные потери — ускоряет пробой изоляции и вызывает протекание емкостных токов через подшипники.Это привело к разработке так называемого «инверторного» провода для двигателей, который изначально был просто более тяжелым применением изоляционного покрытия.
Двумя ключевыми критериями для оценки того, лучше ли изоляция обмотки нового двигателя, являются ее диэлектрическая прочность (или напряжение на единицу толщины, которое может выдержать изоляция) и ее коэффициент диэлектрических потерь, или степень нагрева, вызываемого потоком переменного тока через Это. Улучшения одного или обоих качеств не должны снижать максимально допустимую рабочую температуру или гибкость покрытия.
По мере увеличения напряжения в тяговых электрических приводах необходимы также лучшие изоляторы, отвечающие требованиям автомобильной прочности и стоимости. Улучшенные системы эмали и лака необходимы, чтобы помочь двигателю выдержать 300 000 миль пробега из-за высокого dV / dt от усовершенствованного переключения инвертора. Очевидно, что система изоляции должна быть спроектирована с учетом требований к надежности и долговечности, которые предъявляются к условиям окружающей среды в автомобилях.
Точно так же производительность электродвигателя может быть дополнительно оптимизирована за счет проводящих материалов.Обычные упаковочные материалы для двигателей (эпоксидные смолы, наполнители, изоляция обмоток, вкладыши с пазами) часто могут оказывать значительное сопротивление отводу тепла от двигателя. Существует потребность в увеличении теплопроводности и снижении контактного сопротивления нескольких элементов в пакете корпуса двигателя — теплопроводящих эпоксидных смол, наполнителей, а также изоляционных материалов обмоток, чтобы помочь увеличить удельную мощность, уменьшить занимаемую площадь и стоимость мотор при сохранении хорошей надежности.
Методы намотки: на статоре есть обмотки (катушки из медной проволоки), которые вставляются в пазы и соединяются для образования обмотки, чтобы образовывать магнитные полюса, когда на них подается ток.Методы намотки, включая распределенную, концентрированную и шпильку, позволяют повысить производительность и снизить потери в машине. Однако каждый подход должен эффективно рассеивать тепло, обеспечивая при этом повышенный коэффициент заполнения материала.
Статоры тяговых машин намотаны сосредоточенными или распределенными обмотками. Типичные примеры современных автомобильных статоров показаны на рисунке 5. Распределенные обмотки могут быть намотаны произвольно с прядями или стержнями, намотанными шпилькой.В последних серийных автомобилях использовалась шпилька с заводом, и это становится популярной тенденцией. Эта конструкция обмотки увеличила коэффициент заполнения паза более чем на 80%, уменьшила длину концевого витка, улучшила тепловые характеристики и предоставила возможность высокоавтоматизированного производственного процесса по сравнению с произвольной намоткой.
Концентрированные обмотки имеют более короткие концевые обмотки, что приводит к меньшим потерям в меди и меньшему объему, чем распределенные обмотки, причем последние обычно имеют более длинные концевые витки и, следовательно, более высокие потери Джоуля.Однако из-за богатого гармонического состава магнитодвижущей силы (MMF) концентрированная обмотка будет генерировать больше потерь в стали статора и ротора, а также больше потерь на вихревые токи в PM.
Для достижения долгосрочных показателей производительности и затрат, методы проектирования обмоток и производственные инновации позволяют использовать более высокие рабочие температуры, лучшее рассеивание тепловых потерь, более эффективное использование существующих материалов и более высокий коэффициент использования пространства (соотношение медного сечения к полное сечение обмоток).
Улучшенные инструменты моделирования, симуляции и надежного проектирования — Использование улучшенных возможностей моделирования, инструментов моделирования и проектирования улучшит производительность (более высокая эффективность при более высокой мощности), соотношение производительность / вес и может улучшить существующие технологии и ускорить внедрение новых. Например, мультифизическое моделирование позволяет моделировать несколько явлений, таких как тепловые, электрические и механические характеристики, вместе, что имеет решающее значение для ускорения разработки отдельных технологий трансмиссии.
Повышение температуры и тепловой расчет имеют решающее значение для тяговых двигателей. Очень точные оценки повышения температуры критических частей двигателя имеют решающее значение для его надежности. Понимание ключевых горячих точек в машине позволяет более целенаправленно управлять температурным режимом, а также использовать расширенные средства проектирования расчетов и точные наборы данных электрических машин (материалы, электрические, механические термические и т. Д.). Имея в виду такие критерии, мы можем определить оптимальную конструкцию двигателя.Соединив программное обеспечение для аналитического электрического проектирования, программное обеспечение для электрического проектирования по методу конечных элементов (FEM) и высокоточное трехмерное тепловое моделирование, можно точно смоделировать распределение температуры в машине. Основным преимуществом является возможность определять эксплуатационные потери с соответствующим влиянием на размер компонента, температуру и управление температурным режимом в компоненте.
Электрические и тепловые улучшения на 30% -50% могут быть достигнуты за счет аналитического понимания, более точного моделирования и оптимизации двигателей с помощью высокопроизводительных вычислений.Благодаря использованию передовых имитационных моделей и специалистов с большим опытом, результаты становятся доступными быстро, а производительность известна еще до начала тестирования, что сокращает время выполнения заказа и снижает затраты.
Модульные и масштабируемые конструкции — масштабируемые компоненты в больших объемах и по низкой цене отсутствуют. Стандартизация архитектур или другие средства для увеличения объемов производства меньшего количества конструктивных элементов. Абсолютная надежность компонентов и систем электрификации имеет далеко идущие последствия, в том числе на потребности в запасных частях и на то, как можно организовать их складирование.
Для максимальной масштабируемости серия модульных тяговых двигателей позволяет заменять или заменять модели компонентов. Этот подход фокусируется на компонентном дизайне, который затем может быть выбран на основе конкретных требований клиента, что позволяет создавать разнообразные и индивидуальные решения. Традиционно каждый двигатель может быть изготовлен по индивидуальному заказу , чтобы соответствовать индивидуальным техническим спецификациям, чтобы обеспечить гибкость настройки и конструкции, и , чтобы соответствовать конкретному автомобилю. Это неизбежно приводит к длительным срокам выполнения работ по проектированию, проектированию конкретных компонентов, логистике цепочки поставок для конкретных продуктов, обеспечению качества и созданию новых производственных линий .
SDT уделяет основное внимание внедрению передовых технологий в продукты, предназначенные для существующих коммерческих рынков электромобилей. SDT разработала модульные, высокопроизводительные, высокоэффективные, масштабируемые электродвигатели, работающие на несколько напряжений, со встроенной гибкостью, чтобы удовлетворить индивидуальные требования клиентов с помощью единой модульной конструкции. Их масштабируемый подход позволяет им быстро и с минимальными затратами доставлять продукты премиум-класса, оптимизированные для поддержки производства как в малых, так и в больших объемах.
Применяемый масштабируемый подход ориентирован на проектирование на основе компонентов, которое затем может быть выбрано на основе конкретных требований клиента, что позволяет использовать разнообразные и индивидуальные решения для быстрой и рентабельной доставки продуктов премиум-класса, которые обеспечивают: (i) оптимизацию производительности (ii) помощь уменьшить количество компонентов (iii) для модернизации основных компонентов двигателя для удовлетворения их потребностей в пространстве и производительности, а также для удовлетворения требований к экологической устойчивости и долговечности без значительного изменения конструкции.
Текущий и постоянно расширяющийся технологический портфель SDT предлагает решения для электромобилей. Разработка архитектур электродвигателей, сокращающих использование магнитов, и использование топологий машин, в которых не используются постоянные магниты (т. Е. Топологии индукции и переключаемого сопротивления SR и гибридные схемы PM / синхронного сопротивления), также были определены как многообещающие пути для будущих поэтапных изменений в технологии, направленных на сокращение автомобильной сектор использования редкоземельных элементов.
Кроме того, оценивайте и развивайте базу знаний для поддержки передовых технологических решений (таких как модульная конструкция) за счет повышения плотности мощности и эффективности этих машин, тем самым создавая новаторские конструкции и улучшая топологии рентабельных машин.
В настоящее время SDT работает над расширением ассортимента тяговых двигателей для удовлетворения целого ряда транспортных потребностей. Основное внимание уделяется развитию знаний и технологий (объективной информации о качестве), необходимых для разработки системы привода тягового двигателя, обеспечивающей гибкость нагрузки в будущем. Продолжаются усилия по дальнейшей стандартизации конструкции, повышению эффективности и надежности. Например, асинхронные двигатели обещают быть такими же эффективными, как и двигатель с постоянными магнитами, даже если одноточечный КПД асинхронного двигателя ниже, чем одноточечный КПД двигателя с постоянными магнитами.
SDT стремится усилить преимущества и минимизировать недостатки с помощью своих будущих продуктов с передовой технологией тяговых двигателей. Текущие технические ограничения, вероятно, будут увеличены, что позволит повысить рейтинги в будущем.
http://www.sdtdrivetechnology.co.uk
Интеграция FEM и существующих инструментов проектирования тяговых двигателей в повседневную инженерную среду
IEC 60027-4 Буквенные символы, используемые в электротехнике.Машины электрические вращающиеся.
IEC 60404-8-1 Спецификации для отдельных материалов. Магнитотвердые материалы.
Intens®. https://www.semafor.ch/en/products/intens/. Дата последней проверки: 22.10.2018.
Брауэр, М., Гермишуизен, Дж., Йокель, А., Кёрнер, О. (2004): Динамические короткие замыкания тяговых приводов: сравнение асинхронных двигателей с синхронными двигателями с постоянными магнитами. В материалах международной конференции по электрическим машинам.
Google ученый
Germishuizen, J., Kamper, M. (2009): Тяговая машина IPM с однослойными неперекрывающимися концентрированными обмотками. IEEE Trans. Ind. Appl., 45 (4), 1387–1394.
Артикул Google ученый
Germishuizen, J., Stanton, S., Delafosse, V. (2010): Интеграция FEM в повседневную среду проектирования для точного расчета характеристик двигателей IPM.Stud. Прил. Электромагнит. Мех., 34, 235–243.
Google ученый
Гермишуйзен, Дж., Таннер, Р. (2018): Расчет индуктивности двигателя с постоянными магнитами с использованием двумерных магнитных потоков. Int. J. Appl. Электромагнит. И мех., 57 (С1), 107–114.
Артикул Google ученый
Гермишуйзен, Дж., Таннер, Р. (2018): Ступенчатые решения по сравнению с фиксированным положением ротора для двухмерных карт потоковых связей при проектировании машин.В материалах международной конференции по электрическим машинам.
Google ученый
Хакбарт, М. (2016): Новый подход к расчету электрических токов в статоре, обмотках возбуждения и демпфера при трехфазном внезапном коротком замыкании для больших синхронных генераторов. E&I, Elektrotech. Инф.техн., 133 (2), 112–120.
Артикул Google ученый
Натех, С., Барбер, Д., Линдберг, Д., Больетти, А., Аглен, О. (2018): Обзор и тенденции в конструкции тяговых двигателей: системы первичной и вторичной изоляции. В материалах международной конференции по электрическим машинам.
Google ученый
Натех С., Линдберг Д., Браммер Р., Больетти А., Аглен О. (2018): Обзор и тенденции в конструкции тяговых двигателей: схемы электромагнитной системы и системы охлаждения.В материалах международной конференции по электрическим машинам.
Google ученый
Neubauer, M., Neudorfer, H. (2016): Оптимизация мостов ротора генераторов с постоянными магнитами для работы с неуправляемым выпрямителем. E&I, Elektrotech. Инф.техн., 133, 73–81.
Артикул Google ученый
Пресс, W.Х., Фланнери, Б. П., Теукольский, С. А., Веттерлинг, В. Т. (1992): Численные рецепты в ФОРТРАНЕ 77. Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
MATH Google ученый
Вильд, С., Нойдорфер, Х. (2016): Влияние геометрии охлаждающего канала, излучения и естественной конвекции на характеристики охлаждения тяговых асинхронных двигателей с высокими тепловыми нагрузками. E&I, Elektrotech. Инф.техн., 133 (2), 88–94.
Артикул Google ученый
Обзор различных аспектов проектирования тяговых двигателей для железнодорожного транспорта
В данной статье представлен обзор текущих топологий тяговых двигателей, доступных на рынке железных дорог, в трех частях.В первой части рассматриваются существенные аспекты электромагнитной конструкции тяговых двигателей железнодорожного транспорта, например: Обсуждаются размеры двигателя и конфигурации ротора. Сравниваются разные топологии, учитывая широкий спектр приложений. Плюсы и минусы каждой топологии в конкретных приложениях выделены на основе соответствующих требований к производительности. Во второй части статьи рассматриваются различные конфигурации охлаждения тяговых двигателей, распространенных на железных дорогах, где основное внимание уделяется решениям, основанным на воздушном охлаждении.В третьей части представлен обзор имеющихся систем изоляции тяговых двигателей. Обсуждаются две системы первичной изоляции, используемые в тяговых приложениях, с тепловыми классами H и N. Основное внимание в этой статье уделяется основным приложениям на железной дороге, включая легкорельсовый транспорт, метро, электропоезда, высокоскоростные поезда и локомотивы. Кроме того, тенденции развития тяговых двигателей в ближайшие годы представлены отдельно для электромагнитных, охлаждающих и изоляционных конструкций.
Электрические блоки
двигатель с постоянным магнитом
легкорельсовый транспорт
высокоскоростной поезд
двигатель с принудительной вентиляцией
самовентилируемый мотор.