Тяговый электродвигатель: назначение и применение

Что такое электролитическая диссоциация

Как известно, электрический ток представляет собой направленное движение свободных электронов или ионов, то есть заряженных частиц. В растворах электролитов, проводящих ток, за это ответственны свободные ионы.

В 1882 г шведский химик С. Аррениус, изучая свойства растворов электролитов, заметил, что в них содержится больше частиц, чем было в сухом веществе. Например, в растворе хлорида натрия 2 моля частиц, а в сухом NaCl всего 1 моль.

Это позволило исследователю сделать вывод, что при растворении таких веществ в воде в них появляются свободные ионы. Так были заложены основы теории электролитической диссоциации (ТЭД) — в химии она стала одним из важнейших открытий.

Электролитическая диссоциация — это процесс, при котором молекулы электролита взаимодействуют с водой или другим растворителем и распадаются на ионы. Он может быть обратимым или необратимым. Обратный процесс называется моляризацией.

Благодаря диссоциации растворы электролитов приобретают способность проводить электричество. Сванте Аррениус не мог объяснить, почему разные вещества сильно различаются по электропроводности, но это сделал Д. И. Менделеев.

Он подробно описал процесс распада электролита на ионы, что объясняется его взаимодействием с молекулами воды (или другого растворителя).

Схема электролитической диссоциации: КА ⇄ К+ (катион) + А- (анион).

Уравнение диссоциации на примере хлорида натрия: NaCl ⇄ Na+ + Cl-.

Говорите правильно Иногда вам может встретиться фраза «теория электрической диссоциации», но так говорить не стоит. В этом случае можно было бы подумать, что растворение молекул на ионы происходит за счет действия электрического тока.

На самом деле процесс диссоциации не зависит от того, протекает в данный момент ток через раствор или нет. Все, что нужно, это контакт электролита с водой (растворителем).

Появление и развитие тяговых устройств

В самом начале, когда электротранспорт только начинал эксплуатироваться, на все виды подвижного состава устанавливались коллекторные двигатели. При этом передача энергии осуществлялась по простейшей схеме, чтобы устройствами можно было легко управлять в любом режиме работы.

Технические и механические характеристики полностью соответствовали всем требованиям транспортных спецификаций.

Однако в процессе эксплуатации тяговый двигатель постоянного тока обнаружил ряд недостатков. В первую очередь это сам коллектор, оснащенный подвижными контактами – щетками, которые требуют регулярного обслуживания.

Принятые меры по снижению искрения, повышению надежности переключения значительно усложнили конструкцию двигателя. В результате габариты заметно увеличились, а максимальная скорость вращения осталась на прежнем уровне.

Направление энергетики на основе быстродействующих полупроводников развивалось постепенно. Это позволило заменить реостатную систему, применяемую в коллекторных агрегатах, импульсной системой, отличающейся повышенной надежностью и экономичностью. Позже в качестве приводного механизма в парах вагонов стали устанавливать асинхронный тяговый двигатель.

Основными проблемами, возникающими при эксплуатации асинхронных двигателей, являются сложные регулировки. Определенные трудности возникают при использовании электрического торможения, когда для этих целей применяют двигатели на основе короткозамкнутого ротора.

В этот период продолжается разработка более современных тяговых приводов на основе синхронных агрегатов, где установлен ротор с постоянными магнитами.

Поскольку они являются сборными единицами, которые до сих пор широко используются на железнодорожном транспорте, их общее устройство и порядок работы следует рассмотреть более подробно.

Оборудование электровоза

Электровозы обеих систем обычно имеют унифицированный кузов, в котором размещается все оборудование. Пассажирские электровозы имеют свои особенности по конструкции кузова.

Токоприемник

На крыше электровозов размещают токоприемники — это трубчатая конструкция, поверх которой закрепляется пантографный рельс, через каретку в салазки устанавливаются углеродные или углекерамические вставки, которые скользят по контактной сети, передают ток к пантографу и к силовым цепям.

Вместо карбоновых вставок можно использовать другие материалы. На токоприемниках электровозов постоянного тока обычно устанавливают два ползуна для улучшения токосъема. Пантограф поднимается по мере подачи воздуха из контуров управления в пневмоцилиндр, преодолевая усилие возвратных пружин.

При опускании пантографа воздух из баллона выходит в атмосферу и возвратные пружины опускают пантограф на крышу. Неисправный пантограф можно отключить от цепи ручным разъединителем.

Вспомогательные машины

Следует отметить, что воздух для любого электровоза является очень важным элементом в его работе. Без воздуха нельзя поднять токоприемник, нельзя подключить силовые контакты и т д. Все электровозы имеют вспомогательные компрессоры, способные накачать давление в контурах управления до величины, необходимой для подъема токоприемника.

Электровозы обеих действующих систем имеют электровентиляторы для охлаждения ТЭД и других агрегатов, моторные компрессоры для нагнетания воздуха в главные баки локомотива, а оттуда во все системы электровоза и автоматические тормоза поезда.

Все электровозы управляются контроллерами (различной конструкции) из кабины и оснащены всем необходимым оборудованием для движения поезда (прожекторы, машинистские краны — исх 395 и исх 254, КВ и УКВ радиостанции, буферные фонари, ванная комната и так далее).

На крыше электровозов, кроме упомянутых выше токоприемников, располагаются жалюзи вентиляторов, антенны, изоляторы, шунты, токопроводящие шины и другое оборудование. Пассажирские электровозы оборудованы системами обогрева пассажирских вагонов (3000 В).

Назначение и устройство станины

Каждый тяговый двигатель снабжен рамой, которая в основном используется в качестве магнитопровода, через который проходят магнитные потоки главных и вспомогательных полюсов. Он же служит местом расположения и крепления стоек и защиты штока.

При наличии больших нагрузок каркас обычно отливают из стали или сваривают из толстых листов электротехнической стали. Такая конструкция создает необходимую механическую стабильность и высокую магнитную проницаемость.

Стенки обычно имеют толщину, обеспечивающую установленный уровень магнитной индукции, а ее размеры ориентированы на сечение основных полюсов и составляют не менее 50 % от этого размера.

На рисунке показано положение корпуса (1) по отношению к другим частям и компонентам — полюсному сердечнику (2), катушке обмотки возбуждения (3) и полюсному башмаку (4). Между всеми элементами и анкером имеется воздушный зазор (5).

Размеры диаметра с внутренней стороны станины рассчитываются так, чтобы в этом пространстве можно было разместить якорь, главные и вспомогательные полюса и их обмотки.

Тяговый двигатель локомотива может иметь стальную литую раму уменьшенного веса и уменьшенного поперечного сечения, ориентированную к осям главных полюсов. Это дает возможность равномерно распределить магнитный поток, поступающий на раму от основного полюса.

Механизм электролитической диссоциации

При контакте с водой или другими растворителями все вещества с ионной связью подвергаются диссоциации. Вещества с ковалентной полярной связью также могут распадаться на ионы, которые под действием воды становятся ионными, а затем разрушаются.

Механизм диссоциации электролита удобно рассмотреть на примере хлорида натрия NaCl. Кристаллическая решетка образована катионами натрия Na+ и анионами хлора Cl-, которые удерживаются вместе за счет ионной связи. При растворении в воде каждый кристалл хлорида натрия окружен его молекулами.

Обратите внимание, что молекулы воды являются диполями. На одном конце они несут атомы водорода с частичным положительным зарядом, а на другом — атомы кислорода с частичным отрицательным зарядом.

Соответственно атомы кислорода притягиваются к катионам натрия, а атомы водорода – к анионам хлора. Это электростатическое притяжение ослабляет и в конечном итоге разрывает ионную связь между натрием и хлоридом. Вещество диссоциирует на ионы.

После разложения хлорида натрия образовавшиеся ионы Na+ и Cl- окружают молекулы воды, создавая гидратную оболочку. Ионы с такой оболочкой называются гидратированными.

Если вместо воды использовать другой растворитель, например этанол, молекулы образуют сольватную оболочку. В этом случае ионы называются сольватированными.

Электролиты и неэлектролиты

Хотя электролитическая диссоциация происходит независимо от действия электрического тока, между этими явлениями существует связь. Чем выше способность вещества расщепляться на ионы при взаимодействии с растворителем, тем лучше оно проводит электричество. По этому критерию известный физикохимик М. Фарадей различал электролиты и неэлектролиты.

Электролиты — вещества, которые после диссоциации на ионы в растворах и расплавах проводят электрический ток. Обычно в их молекулах имеются ионные или полярные ковалентные связи.

Неэлектролиты – вещества, не распадающиеся на ионы в растворах и расплавах, а потому не обладающие проводимостью в растворенном виде. Для них характерны ковалентные неполярные или слабополярные связи.

Эволюция тяговых электромоторов

Попытки создания электрических тяговых двигателей относятся к закату паровых машин. Первый действующий экземпляр такой электростанции появился в 1879 г. (паровоз Сименса), а через год была создана первая станция городского транспорта (Пироцкий трамвай). В 1890 году электровоз лондонского метро был оснащен первым безредукторным тяговым электродвигателем.

Все эти попытки нельзя назвать успешными. Перед конструкторами стояло множество задач, решить которые при тогдашнем уровне развития техники было крайне сложно. В частности, такие двигатели имели большой вес и габариты при относительно небольшой мощности.

Во-вторых, было трудно обеспечить прирост мощности, необходимый для транспортного средства. Конечно, КПД таких тяговых двигателей был довольно низким.

Значительный прогресс был достигнут в 10-40-х годах прошлого века, когда электровозостроение стало самостоятельной отраслью машиностроения, а параллельный кривошипный привод уступил место осевой опоре. Но настоящим прорывом стало изобретение полупроводников.

Использование быстродействующей элементной базы вместо массивных и малошумящих реостатных схем позволило перейти от тяговых электродвигателей коллекторного типа к импульсным двигателям, которые отличаются значительно более высоким КПД, экономичностью и повышенной надежностью.

Началась эксплуатация асинхронных тяговых двигателей (ТЭД), хотя и здесь предстояло решить немало трудностей. Например с электрическим торможением при использовании приводов с короткозамкнутым ротором, и вообще с регулировками.

В последнее время активно ведется разработка и внедрение электрических синхронных тяговых двигателей как более перспективных, использующих ротор с постоянными магнитами.

Особенности конструкции ТЭД

Мощные стационарные электродвигатели конструктивно намного проще тяговых аналогов, что в целом понятно. Им не приходится работать в таких тяжелых условиях, установка таких двигателей не требует сложных решений, нет жестких требований к габаритам.

Для ТЭД необходимо было разработать специальные станины и другое оборудование для крепления, конструкторам приходилось считаться с ограничениями двигателей по длине и диаметру. Следует также учитывать, что тяговые электродвигатели железнодорожного и пассажирского транспорта, а также автомобилей вынуждены «работать» в крайне неблагоприятных условиях.

Это как погодные факторы (влияние влаги, пыли, колебания температуры), так и дорожные факторы, когда эффект ТЭД меняется быстро и разнонаправленно, при частых запусках двигателя. Так, в пусковом режиме токи могут превышать номинальные в два и более раза.

Тяговые электродвигатели вынуждены работать в условиях тряски и постоянных ударов, в режимах повышенных механических, электрических и тепловых нагрузок. Поэтому при разработке двигателей большое внимание уделяется повышению механической прочности деталей и их соединений и надежности электрических узлов, улучшению изоляции токоведущих элементов (в части тепло- и влагозащиты), обеспечению надежности замены всех части двигателя.

Есть и определенная отраслевая специфика. Так для тяговых электродвигателей, установленных на моих электровозах, необходимо обеспечить выполнение требований по защите от возможности возгорания или взрыва.

В свете вышеизложенного ТЭД относят к электродвигателям ограниченного применения.

Классификация тяговых электромоторов

В настоящее время применяются как электродвигатели, работающие на постоянном токе, так и варианты, где источником электроэнергии является активный переменный ток. Существуют также тяговые двигатели, работающие на пульсирующем токе.

Рассмотрим другие классификаторы TED.

Тип:

• синхронные электродвигатели;
• ТЭД последовательного возбуждения;
• Асинхронные тяговые двигатели.

По источнику питания:

• автономный (аккумулятор, топливный элемент, генератор);
• контактная сеть (электропоезда, метро, ​​троллейбусы).

По текущему режиму работы:

• кратковременный (один рабочий цикл — 20-80 минут);
• долгоиграющий;
• повторно-кратковременный.

По дизайну:

• бесщеточные (клапанные или бесконтактные) тяговые двигатели;
• собирает ТЭД;
• вращающийся;
• линейный.

Тип охлаждения:

• взорван;
• автономная вентиляция;
• естественная вентиляция;
• самовентиляция.

Кроме того, тяговые двигатели классифицируют по климатическому исполнению (нормы приведены в ГОСТ 15150/15543) и по степени защиты.

Читайте также: Удельное сопротивление меди, алюминия, нихрома, стали и других проводников

Состав и принцип функционирования коллекторного ТЭД

Особенностью коллекторного двигателя является его способность работать в двух режимах: как собственный тяговый двигатель или как генератор электроэнергии. Такая коммутация обеспечивается схемой, в которой обмотка якоря двигателя соединена с коллектором. В большинстве случаев коллекторный тяговый двигатель питается от цепи постоянного тока.

Уже сегодня достаточное распространение получили модификации электродвигателей, как правило, малой мощности, способные работать как на постоянном, так и на переменном токе.

Типовой коллекторный ТЭД состоит из следующих частей:

• коллектор (1);
• щеточный узел (2);
• сердечник главного полюса (14);
• обмотки возбуждения (5);
• склад (7).
• монолитный стальной каркас (6);
• вентилятор (8);
• анкерный сердечник (3);
• обмотки ротора (9);

Конструктивно эти разные части тягового двигателя образуют несколько укрупненных узлов. Наиболее важной можно назвать магнитную систему, создающую магнитное поле, без которого невозможна работа электродвигателя любого типа.

Другим важным элементом, отвечающим за преобразование колебательного магнитного поля во вращательное движение вала двигателя, является якорь с обмоткой вместе с подшипниковым узлом.

Между коллектором и остальной частью тягового двигателя имеется воздушный зазор. Обмотки возбуждения отвечают за формирование магнитного поля в ТЭД постоянного тока. Физически они расположены на жилах основного полюса и питаются от источника постоянного тока.

Количество пар полюсов в тяговом двигателе может варьироваться от 1 до 6, в зависимости от типа транспортного средства и мощности тягового двигателя. Магнитная система представляет собой монолитный стальной каркас, соединенный съемными сердечниками.

Чтобы понять принципы работы коллекторного ТЭД, рассмотрим устройство и работу каждого из описанных элементов.

Станина

Основное назначение каркаса — обеспечить место для циркуляции магнитных полей, создаваемых вблизи полюсов, основного и дополнительного. То есть станина выполняет роль магнитопровода, и именно к ней крепятся именно эти полюса и корпус подшипника.

Поскольку рама тягового электродвигателя подвергается высоким механическим нагрузкам, ее изготавливают из стали методом цельного литья или из листов электротехнической стали большой толщины. Помимо механической прочности такая конструкция обеспечивает необходимую степень магнитной проницаемости.

Для поддержания магнитной индукции на нужном уровне стенки станины имеют определенную толщину, а размеры устройства рассчитывают так, чтобы они составляли не менее 50 % площади поперечного сечения основных полюсов.

В ТЭД электровоза рама обычно литая и характеризуется уменьшенной массой. Кроме того, он имеет уменьшенное сечение, что необходимо для более равномерного распределения магнитного потока за счет ориентации основных полюсов на оси.

Части каркаса, отключенные от циркуляции магнитных потоков, играют роль собирающей камеры и имеют меньшую толщину стенки, но достаточную для выдерживания больших механических нагрузок. Иногда для повышения прочности здесь могут присутствовать ребра жесткости, прикрытые сверху защитной втулкой из тонкой стали.

Главные полюса

Источником магнитодвижущей силы в типичном тяговом двигателе постоянного тока является обмотка возбуждения, состоящая из катушек, установленных на сердечниках главных полюсов.

Со стороны якоря на сердечник насажен кусок стержня, называемый башмаком. Его задача — равномерно распределить вектор магнитного потока по всей поверхности якоря. На предыдущем рисунке эти элементы присутствуют в том же узле, что и рама.

В большинстве коллекторных ТЭД сердечник стержня совмещен с башмаком стержня, и такой узел называется главным полюсом. Дизайны, размещенные отдельно, встречаются редко.

Целью объединения сердечника и башмака в единый элемент является минимизация вихревых магнитных потоков, возникающих на наконечниках в результате волн магнитной индукции, которые, в свою очередь, обусловлены геометрией зубьев якоря.

Основные стойки собраны из стальных листов, обработанных прессом высокого давления. Для усиления сердечника используются болты или усиленные заклепки. Они также помогают уменьшить натяжение металлических резинок. Основные стойки крепятся к раме болтами или шпильками.

Добавочные полюса

Искры – довольно неприятный побочный эффект, характерный для всех тяговых двигателей мощностью более 1000 Вт. Для его уменьшения используются дополнительные полюса. Их конструкция довольно проста и включает в себя сердечник, вокруг которого намотан изолированный медный провод.

Сечение сердечника рассчитывается по отношению к току двигателя, так как обмотки якоря и сердечника соединены параллельно.

Сердечник классического тягового электродвигателя представляет собой монолитную стальную конструкцию, в которой из-за малой магнитной индукции практически отсутствуют паразитные вихревые токи. Дополнительные стойки устанавливаются между основными и крепятся к стене болтами. Толщина воздушной подушки под ними сделана значительно большей, чем зазор под основными стойками.

Регулировка дополнительного полюса осуществляется с помощью специальных пластин из магнитных и немагнитных материалов, при этом окончательный результат фиксируется, когда ТЭМ постоянного тока демонстрирует минимальный уровень искрообразования в результате переходных испытаний в электродвигателе.

Якорь и коллектор

Назначение якоря пояснять не нужно — он преобразует энергию магнитного поля во вращательное движение. Конструктивно якорь состоит из вала двигателя, коллектора, сердечника и обмотки якоря.

Поскольку сердечник расположен на валу, он имеет цилиндрическую форму и состоит из листов электротехнической стали, изготовленных методом штамповки. В качестве изолирующего слоя используется лак или электроизоляционная бумага. Пластины сжимаются и фиксируются с помощью моек высокого давления.

Форма сердечника позволяет уменьшить утечку электроэнергии за счет компенсации влияния паразитных токов, повышая КПД электродвигателя.

Для охлаждения двигателя, нагревающегося за счет трения подшипников и в результате явления магнитной индукции, в сердечнике выполнены специальные вентиляционные каналы.

Обмотка якоря тягового двигателя выполнена из медной проволоки, размещена в пазах в сердечнике и изолирована от стенок с помощью специальных прокладок. Обмотка якоря состоит из отрезков, концы каждого такого отрезка припаяны к коллектору.

Тяговой электродвигатель асинхронного типа

Мы рассмотрели состав и принцип работы коллекторного ТЭД постоянного тока, так как он является наиболее распространенным. Асинхронные тяговые двигатели долгое время не применялись из-за отсутствия трехфазной контактной сети, но со временем все технические трудности, препятствующие строительству такого типа электроснабжения подвижного состава, были устранены. Этому способствовало и бурное развитие элементной базы полупроводников.

Мощные транзисторы легли в основу преобразователей напряжения/тока, что позволило добиться электрических характеристик, достаточных для питания асинхронных ТЭД.

Конструктивно такие двигатели оказались достаточно компактными и очень надежными, не требуют частого обслуживания, что является одним из основных недостатков двигателей коллекторного типа.

Кроме того, переход в режим выработки электроэнергии здесь осуществляется без применения специальных сложных устройств, только за счет повышенной скорости вращения вала ротора тягового двигателя. Такая конструкция значительно упрощает использование устройства, отвечающего за электрическое торможение двигателя.

Также упрощен ремонт электротяговых двигателей тепловозов асинхронного типа, такими двигателями оснащаются скоростные поезда «Сапсан» и «Ласточка».

Тяговые двигатели НБ-418К6 устанавливаются на большинство моделей электровозов для дома.

Особенности, плюсы и минусы автомобильных ТЭД

Прорыв в области тяговых аккумуляторов значительно увеличил спрос на электромобили с тяговыми двигателями переменного тока.

В большинстве случаев это асинхронные двигатели, у которых частота вращения ротора не соответствует частоте изменения потенциала напряжения и, следовательно, магнитного поля. Достаточно сказать, что Tesla S и X оснащены трехфазными асинхронными тяговыми двигателями.

Их еще называют индукционными, так как их электромагнитная сила индуцируется в роторе по закону Ленца. Асинхронные двигатели устанавливаются на БЕЛАЗ-549 грузоподъемностью 75 тонн.

Синхронные электродвигатели в автомобилестроении используются реже, хотя в целом достаточно востребованы. Например, технология кондиционирования воздуха и многие насосные системы основаны на синхронных двигателях.

Но бывают моменты, когда синхронные ТЭД лучше асинхронных аналогов. В частности, они лучше используют энергию торможения автомобиля в целях утилизации, и такие автомобили вполне безопасны для буксировки, чего нельзя сказать об автомобиле с асинхронным двигателем.

Примером использования синхронного ТЭД является модель Renault Zoe. Здесь к электромагнитам подводится постоянный ток, а ЭДС возникает за счет изменения полярности магнитов статора (у ротора она неизменна).

Разговоры о будущем электромобилей не лишены оснований. Большинство технических трудностей преодолено, инфраструктура для зарядки аккумуляторов развивается быстрыми темпами, а конструкция самих двигателей постоянно совершенствуется.

Преимущества автомобильных электродвигателей

Подумайте, почему TED лучше, чем бензиновые/дизельные двигатели:

• в отличие от двигателя внутреннего сгорания, тяговый электродвигатель не требует пробуксовки вала при увеличении числа оборотов: максимальный крутящий момент возникает сразу после включения электродвигателя. Так что чистому электромобилю стартер не нужен, и сцепление тоже, а ДВС без них не работает;
• второй момент — простая реализация реверса в тяговом электродвигателе. Для включения задней передачи достаточно поменять полярность подключения к тяговому двигателю. И никаких коробок передач;
• для автомобиля с электродвигателем КПД достигает 95%, что даже теоретически недостижимо для двигателя внутреннего сгорания;
• электрическая тяга для автомобилей во много раз компактнее и легче двигателя внутреннего сгорания, что является существенным плюсом в наш век миниатюризации;
• в автомобилях, оснащенных бензиновым или дизельным двигателем, при торможении вся кинетическая энергия идет даже не впустую, а на повреждение, нагревая колодки и способствуя более быстрому износу. Возможность использования электродвигателя в качестве генератора в режиме рекуперации выгодна, так как при торможении электроэнергия не тратится впустую, а преобразуется в форму, способную питать тяговую батарею. Этот эффект особенно заметен в горных районах;
• зарядка тяговых аккумуляторных батарей требует меньше средств, чем тратится на углеводородное топливо, и эта тенденция со временем будет только усиливаться;
• электродвигатель работает практически бесшумно;
• принудительное охлаждение тягового двигателя в большинстве случаев не требуется, хотя и допускается;
• нельзя не упомянуть экологический фактор, который многими преподносится как важнейший.

Недостатки

Хотя история электромобилей насчитывает не одно десятилетие, массовое распространение ограничивалось несовершенством аккумуляторов — их требовалось много, что увеличивало вес автомобиля, они быстро садились и медленно заряжались.

Но технологии производства автомобильных гелевых аккумуляторов постоянно совершенствуются, и нынешнее поколение вполне может обеспечить общий пробег в пределах 150-200 тысяч километров. Что касается мощности электродвигателей, то они уже не аутсайдеры и практически не уступают по этому показателю двигателям внутреннего сгорания.

Сегодня самым большим недостатком электромобилей считается неразвитая инфраструктура для зарядки аккумуляторов, но в США, странах Скандинавии и многих странах Западной Европы она уже де-факто решена.

В странах бывшего СССР с этим намного хуже. Даже утроение количества таких АЗС в России за два года, с 2018 по 2020 год, не изменило ситуацию. И если в Москве зарядить аккумулятор уже не проблема, то даже в других городах-миллионниках это сделать гораздо сложнее, не говоря уже о регионах.

Основные положения теории электролитической диссоциации

Вот мы и выяснили, что такое диссоциация в химии, а теперь хотим повторить ключевые моменты:

• При взаимодействии с водой или другими растворителями в электролитах химическая связь между частицами разрывается и они распадаются на ионы — происходит электролитическая диссоциация.
• Под действием электрического тока катионы перемещаются к положительно заряженному электроду, анионы — к отрицательно заряженному. Раствор электролита является электропроводным.
• Степень диссоциации зависит от типа электролита и внешних условий. Для сильных электролитов это необратимо; для слабых электролитов это обратимая реакция.
• Химические свойства электролитов соответствуют свойствам образующихся при диссоциации ионов.