Тяговый электродвигатель (ТЭД) — электрический двигатель, предназначенный для приведения в движение электротранспорта(электровозов, электропоездов и другого моторвагонного подвижного состава, тепловозов, трамваев, троллейбусов, автобусов, электромобилей, электроходов, дирижаблей, легковых и большегрузных автомобилей с электроприводом, танков и машин на гусеничном ходу с электропередачей (например, дизель-электрические бульдозеры), подъёмно-транспортных машин, самоходных кранов и т. п.).

Конструктивная специфика ТЭД Основное отличие ТЭД от стационарных электродвигателей большой мощности заключается в условиях монтажа двигателей и ограниченном месте для их размещения. Это привело к специфичности их конструкций (ограниченные диаметры и длина, многогранные станины, специальные устройства для крепления и т. п.). Тяговые двигатели городского и железнодорожного транспорта, а также двигатели мотор-колёс автомобилей эксплуатируются в сложных погодных условиях, во влажном и пыльном воздухе. Также в отличие от электродвигателей общего назначения ТЭД работают в самых разнообразных режимах (кратковременных, повторно-кратковременных с частыми пусками), сопровождающихся широким изменением частоты вращения ротора и нагрузки по току (при трогании с места может в 2 раза превышать номинальный). При эксплуатации тяговых двигателей имеют место частые механические, тепловые и электрические перегрузки, тряска и толчки. Поэтому при разработке их конструкции предусматривают повышенную электрическую и механическую прочность деталей и узлов, теплостойкую и влагостойкую изоляцию токоведущих частей и обмоток, устойчивую коммутацию двигателей. Кроме того ТЭД шахтных электровозов должны удовлетворять требованиям, относящимся к взрывозащищённому электрооборудованию.

Тяговые двигатели должны иметь характеристики, обеспечивающие высокие тяговые и энергетические свойства (особенно КПД) подвижного состава.

Развитие полупроводниковой техники открыло возможности перехода от двигателей с электромеханической коммутацией к бесколлекторным машинам с коммутацией при помощи полупроводниковых преобразователей.

Из-за тяжёлых условий работы и жёстких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования.

Классификация В России вращающиеся тяговые электродвигатели регулируются ГОСТ 2582—2013 (кроме аккумуляторных погрузочно-разгрузочных машин, электротягачей, электротележек и теплоэлектрических автотранспортных систем). Тяговые электродвигатели классифицируют по: роду тока: постоянного (в том числе выпрямленного многофазного пульсирующего до 10 %), пульсирующего (в том числе выпрямленного однофазного пульсирующего более 10 %), переменного; типу: ДПТ (с последовательным возбуждениемШирокое применение электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением в качестве ТЭД обусловлено тем, что они имеют оптимальную для транспортных средств тяговую характеристику — большой крутящий момент при малом числе оборотов в минуту, и наоборот, относительно малый крутящий момент при номинальной скорости вращения якоря. Число оборотов легко регулируется последовательным включением реостата или изменением напряжения на зажимах двигателя. Направление вращения легко меняется (как правило, переключается полярность обмотки возбуждения)., с независимым возбуждениемКоллекторные двигатели постоянного тока с независимым возбуждением применяются на современных транспортных средствах с микропроцессорной системой управления. Независимое возбуждение позволяет снизить потери мощности на реостатах, уменьшить рывки тяги при переключении контакторов. Подробности есть в статье 2ЭС6#Электрическая часть.), синхронные, асинхронные;

типу подвешивания ТЭД: опорно-осевое, опорно-рамное; способу питания электроэнергией: от контактной сети, от бортового источника питания (аккумулятор, дизель-генератор, топливный элемент и др.); конструкции: коллекторные и бесколлекторные (бесконтактные, вентильные), вращающиеся (цилиндрические и торцевые) и линейные (цилиндрические и плоские); режиму работы: работающие в продолжительном режиме, работающие в кратковременном режиме (рабочий период 15-90 минут), работающие в повторно-кратковременном режиме (продолжительность включения 15-60 %); степени защиты (в соответствии с ГОСТ 14254); климатическому исполнению (в соответствии с ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543); способу охлаждения: с независимой вентиляцией, с самовентиляцией, обдуваемые, с естественным охлаждением.

Эксплуатационные свойства Эксплуатационные свойства тяговых двигателей могут быть универсальными, то есть присущими всем видам ЭПС, и частными, то есть присущими ЭПС определённых видов. Некоторые эксплуатационные свойства могут быть взаимопротиворечивыми.

Пример частных свойств: высокая перегрузочная способность двигателей, необходимая для получения высоких пусковых ускорений пригородных электропоездов и поездов метрополитена; возможность продолжительной реализации наибольшей возможной силы тяги для грузовых электровозов; низкая регулируемость ТЭД пригородных поездов и поездов метрополитена в сравнении с ТЭД электровозов.

Устройство ТЭД

Тяговый электродвигатель, по сути, представляет собой электродвигатель с передачей вращающего момента на движитель транспортного средства (колесо, гусеницу или гребной винт), чаще всего через редуктор, так например у электровозов, тепловозов с электрической передачей и МВПС цилиндрические зубчатые редукторы (закрытые в литые корпуса), ТЭД и колесная пара являются единым узлом, которая для обслуживания снимается с локомотива или моторного вагона МВПС как единое целое, и дальше подвергается разборке для обслуживания.

В конце XIX века было создано несколько моделей безредукторных ТЭД, когда якорь насаживается непосредственно на ось колёсной пары. Однако даже полное подрессоривание двигателя относительно оси не избавляло конструкцию от недостатков, приводящих к невозможности развить приемлемую мощность двигателя. Проблема была решена установкой понижающего редуктора, что дало возможность значительно увеличить мощность и развить достаточную для массового применения ТЭД на транспортных средствах силу тяги.

Помимо основного режима тяговые электродвигатели могут работать в режиме генератора (при электрическом торможении, рекуперации).

Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуска-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. Вначале регулирование силы тока осуществлялось за счёт подключения дополнительных резисторов и изменения схемы коммутации силовых цепей (при наличии нескольких ТЭД — переключения их по мере разгона с последовательного соединения на последовательно-параллельное, и далее на параллельное). С целью уйти от бесполезной нагрузки и повысить КПД стали применять импульсный ток, регулировка которого не требовала резисторов. В дальнейшем стали использоваться электронные схемы, обслуживаемые микропроцессорами. Для управления данными схемами (вне зависимости от их устройства) применяются контроллеры, управляемые человеком, определяющим требуемую скорость транспортного средства.

Материалы, применяемые в электрических машинах, при нормальных и аварийных режимах работы должны соответствовать ГОСТ 12.1.044.

Значение сопротивления изоляции обмоток устанавливают в соответствующей нормативно-технической документации или в рабочих чертежах. Для городского электротранспорта после испытаний на влагостойкость сопротивление должно быть не менее 0,5 МОм.

Вибрация, создаваемая ТЭД, должна устанавливаться по ГОСТ 20815 в соответствующей нормативно-технической документации.

Характеристики

Как правило, определяются следующие характеристики ТЭД:

Электромеханические (типовые) зависимости от тока якоря частоты вращения вращающего момента КПД Электротяговые зависимости от тока якоря окружной скорости движущих колёс ПС силы тяги КПД на ободе движущих колёс ПС Тяговые Тепловые (зависимость температур отдельных частей ТЭД от времени при различной силе тока); Аэродинамические (характеризуют обдув двигателя).

Остов В ТЭД постоянного и пульсирующего тока остов выполняет функции массивного стального магнитопровода (статора) и корпуса — основной несущей и защитной части машины.

Остовы четырёхполюсных двигателей чаще выполняются гранёными. Это обеспечивает использование габаритного пространства до 91-94 %. Обработка такого остова сложна, а масса превышает массу цилиндрического остова. Технология изготовления цилиндрических остовов проще, а точность изготовления более высока. Однако использование габаритного пространства при цилиндрической форме остова не превышает 80-83 %. На остове крепят главные и добавочные полюса, подшипниковые щиты, моторно-осевые подшипники (при опорно-осевом подвешивании двигателя). Для двигателей большой мощности всё чаще применяют остовы цилиндрической формы.

Для двигателей подвижного состава железных дорог существуют ограничения по размерам. Так длина двигателя по наружным поверхностям подшипниковых щитов при ширине колеи 1520 мм равна 1020—1085 мм в случае двусторонней передачи и 1135—1185 мм в случае односторонней.

Различают четырёхполюсные двигатели с вертикально-горизонтальным и диагональным расположением главных полюсов. В первом случае обеспечивается наиболее полное использование пространства (до 91—94 %), но масса остова больше, во втором это пространство используется несколько хуже (до 83—87 %), но заметно меньше масса. Остовы цилиндрической формы при низком использовании габаритного пространства (до 79 %), но при равных условиях имеют минимальную массу. Цилиндрическая форма остова и диагональное расположение полюсов обеспечивают почти одинаковую высоту главных и добавочных полюсов.

У бесколлекторных ТЭД сердечник статора полностью шихтован — набран и спрессован из изолированных листов электротехнической стали. Его скрепляют специальными стяжками-шпонками, закладываемыми в наружные пазы в нагретом состоянии. Функции несущей конструкции выполняет литой или сварной корпус, в котором закреплён комплект статора.

Остовы ТЭД обычно изготавливают литыми из низкоуглеродистой стали 25Л. Только для двигателей подвижного состава электротранспорта с использованием реостатного торможения как рабочего применяют сталь с большим содержанием углерода, обладающего большей коэрцитивной силой. На двигателях НБ-507 (электровоз ВЛ84) применены сварные остовы. Материал остова должен обладать высокими магнитными свойствами, зависящими от качества стали и отжига, иметь хорошую внутреннюю структуру после литья: без раковин, трещин, окалины и других дефектов. Предъявляют также высокие требования к качеству формовки при отливке остова.

За пределами магнитного ярма конфигурация остова может сильно отличаться от конфигурации магнитного ярма из-за устройств подвешивания, вентиляции и др. По соображениям технологии толщина стенок отливки остова должна быть не менее 15-18 мм.

От типа привода зависят устройства на остовах для подвешивания двигателя к раме тележки. Предусматриваются также предохранительные кронштейны для предотвращения выхода двигателя за пределы габарита и падения на путь при разрушении подвески. Для подъёма и переноски остова или собранного тягового двигателя в верхней части остова предусмотрены проушины.

В торцовых стенках остова имеются отверстия со стороны, противоположной коллектору,— для выхода охлаждающего воздуха, со стороны коллектора — для крепления щёткодержателей. Охлаждающий воздух в остов подаётся через специальные отверстия чаще всего со стороны коллектора, а иногда с противоположной стороны.