Впервые конструкция трёхфазного асинхронного двигателя была разработана, создана и опробована нашим русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году. Конструкция асинхронного двигателя оказалась очень удачной и является основным видом конструкции этих двигателей до настоящего времени. Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.
Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой только первичная обмотка получает питание от электрической сети, а вторая обмотка замыкается накоротко или на электрическое сопротивление. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота зависит от угловой скорости вращения ротора.
Тяговые двигатели, установленные на вагонах 81-760/761 асинхронные, трехфазные, четырехполюсные с короткозамкнутым ротором. Электродвигатели относятся к классу самовентилируемых.
Охлаждение тягового двигателя осуществляется по принципу самовентиляции. Использование вентилятора нагнетателя поддерживает повышенное внутреннее давление, что снимает необходимость использования фильтра для удаления пыли. Пыль, содержащаяся в воздухе, выбрасывается через специальное отверстие центробежной силой нагнетающего вентилятора, отделяясь при этом охлаждающего воздуха внутри двигателя, что снижает проникновение пыли внутрь двигателя. Дополнительный вентилятор небольшого размера установлен для охлаждения блока датчика скорости («HITACHI» (HS35533-01RB)).
Асинхронная электрическая машина характеризуется тем, что при ее работе возбуждается вращающееся магнитное поле, которое вращается асинхронно относительно скорости вращения ротора.
Двигатели могут работать как электродвигателями, так и генераторами (Принцип обратимости электрических машин). В режиме двигателя электрическая энергия, потребляемая от контактной сети, преобразуется в механическую развивая, при этом вращающий момент на валу двигателя. В генераторном режиме двигатель преобразует, приведенную к валу механическую энергию от вращения колесных пар в электрическую, которая может быть вновь возвращена в контактную сеть (рекуперативное торможение).
При отсутствии рекуперации энергия гасится на тормозном реостате (сопротивлении).
Рис. 68. Статор
Тяговый двигатель состоит из: статора, ротора, двух подшипниковых щитов, вентилятора.
Статор 5 (неподвижная часть) – предназначен для укладки в него двухслойной обмотки. Основное назначение обмотки статора — создание в машине вращающего магнитного поля. Обмотка статора представляет собой трехфазную обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трехфазного тока. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.
Имеет форму полого цилиндра, собранного из пластин электротехнической стали, толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака, что обеспечивает уменьшение потерь от вихревых токов. Фазные обмотки, которые возбуждают вращающее магнитное поле, размещаются в пазах на внутренней стороне сердечника статора. Обмотка статора подсоединяется к 3-х фазному источнику переменного тока – инвертору.
Рис. 69. «Беличья клетка»
Ротор 4 (вращающаяся часть) – короткозамкнутый. Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличьей клеткой» из-за внешней схожести конструкции. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие медные кольца. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы. В них закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами). Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора – из электротехнической стали.
Ротор тягового двигателя
«HITACHI» (HS35533-01RB) изготовлен из алюминия методом литья под давлением. Материал ротора – чистый алюминий, заливаемый в жидком виде под давлением в пазы, изготовленные из холоднокатаной углеродистой стали толщиной 0.5 мм. Вал двигателя выполнен из хромированной молибденовой стали (SCM435). Радиальные вентиляторы охлаждающего воздуха изготовлены литьём из алюминиевого сплава и фиксируются на валу болтами.
Рис. 70. Ротор
Ротор насажен на вал тягового двигателя. Вал тягового двигателя изготавливается из высоколегированной стали и имеет несколько шеек различной длины и диаметров для посадки на них подшипниковых щитов, сердечника ротора и зубчатого колеса для импульсного датчика частоты вращения (ДЧВ). Подшипниковые щиты» устанавливаются в статор с двух сторон. Подшипники щитов опираются на вал тягового двигателя.
Рис. 71. Устройство двигателя: 1 – защитная сетка с пластиной, 2 – щит подшипниковый ( сборка), 3 – подшипник роликовый, 4 – ротор, 5 – статор, 6 – клица, 7 – щит подшипниковый (сборка), 8 – защитная сетка с пластиной, 9 – подшипник шариковый, 10 – колесо зубчатое, 11 – пластина, 12 – крышка подшипниковая, 13 – крышка коробки выводов, 14 – коробка выводов.
Асинхронные двигатели для вагонов метрополитена, выпускаемые разными заводами-изготовителями, конструктивно аналогичны, т.к. созданы на основе двигателя ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо». Двигатели имеют принципиально одинаковое устройство: габариты, конструкционные размеры, обмоточные данные и др.
Рис. 72. Асинхронные тяговые электродвигатели для вагонов метрополитена
Впервые в отечественном массовом производстве применение асинхронных двигателей в качестве тяговых было применено на вагонах метрополитена моделей 81-740/741 и на части вагонов модели 81-720/721, а в дальнейшем на вагонах модели 81-760/761. Отечественной промышленностью налажен выпуск асинхронных электродвигателей для вагонов метрополитена.
Устройство тягового двигателя
В настоящее время вагоны могут комплектоваться двигателями:
- ТАД 280М 4У2 производства АЭК «Динамо»;
- ДАТЭ-170 4У2 производства «ООО Электротяжмаш-Привод» г. Лысьва;
- ТАДВМ-280 4У2 производства ОАО «НИПТИЭМ» г. Владимир;
- ДАТМ-2У2 производства «ОАО Псковский электромашиностроительный завод»;
- ДТА 170 У2 АО «Рижский электромашиностроительный завод»;
- ТА 280 4МУ2 производства ОАО «ELDIN» (Ярославский электромашиностроительный завод).
Рис. 73. ДАТМ-2У2, ДТА-170 У2, ТАДВМ- 280 4У2
Питание электродвигатели получают от преобразователей в составе КАТП-1 или КАТП-2 производства «ОАО Метровагонмаш». Первые комплекты асинхронного привода на вагонах метрополитена были иностранного производства «HITACHI» (HS35533-01RB) и «ALSTOM».
Рис. 74. Клеммная коробка
Вентиляция
По конструкции двигатель является самовентилируемым. Под действием вращающегося вентиляторного колеса наружный воздух поступает через отверстия в подшипниковом щите, обтекает лобовые части обмотки статора как со стороны соединений, так и со стороны привода, а так же сердечники статора и ротора и выбрасывается наружу через вентиляционные отверстия станины со стороны привода.
Основные параметры двигателя:
Мощность часового режима - 170 кВт Номинальный режим работы - повторно-кратковременный S 2-60 мин. (с длительностью рабочего периода неизменной нагрузки 60 мин.) Номинальное линейное напряжение - 530 В Номинальная частота тока - 43 Гц Максимальная частота тока - 120 Гц Номинальный линейный ток - 237 А Номинальная частота вращения - 1290 об/мин. Максимальная частота вращения - 3600 об/мин. Номинальное скольжение - не менее 1,5 % КПД - 0,92 Перегрузочная способность (Mmax/Мном) - 3,5 Шаг по пазам обмотки статора - 1-12 Масса двигателя - 765 кг.
Возможные неисправности тяговых асинхронных двигателей.
| Неисправность, внешние проявления | Вероятная причина |
| При подаче на двигатель напряжения через выключатель – двигатель не включается. | Отсутствие напряжения на двигателе. Неисправен коммутационный аппарат. |
| Низкое сопротивление изоляции, ниже 1,5 МОм. | Повышенное увлажнение изоляции, механическое повреждение изоляции, естественное старение изоляции из-за нарушения режимов работы двигателя. |
| Повышенный нагрев обмоток статора. | Двигатель перегружен, нарушен режим работы двигателя, засорение вентиляционных решеток, межвитковое замыкание в статоре. |
| Перегрев подшипников. | Загрязнение смазки, избыток или недостаток смазки, загрязнение подшипников при сборке, некачественная сборка подшипникового узла, установленный подшипник по радиальному зазору не соответствует установленному изготовителем, разрушение деталей подшипника. |
Датчик частоты вращения ротора двигателя (ДЧВ)
Датчик предназначен для измерения числа оборотов вала якоря тягового двигателя.
Рис. 75. Датчик частоты вращения ротора двигателя
Измерительная головка установлена рядом с зубчатым колесом на не приводном конце вала двигателя. Чувствительный измерительный элемент головки определяет момент прохождения зубца рядом с ним. Каждый раз, когда зубец колеса проходит перед элементом, выход датчика меняет состояние. Таким образом, на выходе датчика образуется последовательность электрических импульсов, частота следования которых пропорциональна частоте вращения вала двигателя.
Датчик частоты вращения ротора двигателя устанавливается на каждом тяговом двигателе. Сигналы ДЧВ о частоте вращения двигателей используются в блоке управления тяговым приводом (БУТП-2) для управления силовым инвертором и защиты привода от буксования и юза.
Датчик состоит из измерительной головки в стальной оболочке (1), проводника (2) и разьема соединителя. Стальная оболочка с фланцем крепления позволяет устанавливать датчик в специальный корпус на тяговом двигателе.
