НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

Материалы.В электрических машинах используются конструк­ционные, активные и изоляционные материалы.

Конструкционные материалы применяются для восприятия и пере­дачи механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты, нажимные шайбы и др.), для них используют сталь, цветные материа­лы и их сплавы, пластмассы.

Активные материалы делятся на проводниковые и магнитные, из них изготавливают активные части машины обмотки и сердечники магнитопроводов. Проводниковые материалы в большинстве слу­чаев — это электролитическая медь и рафинированный алюминий или их сплавы.

Для изготовления магнитопроводов применяется листовая элек­тротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая сталь и иногда чугун.

Изоляционные материалы используют для изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали. Они должны иметь высокую электричес­кую и механическую прочность, нагревостойкость и теплопровод­ность, малую гигроскопичность и толщину. Нагревостойкость изоляционных материалов решающим образом влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. Государственный стандарт на тяговые электрические машины  предусматривает пять классов нагревостойкости изоляции — А, Е, В, F и Н.  В тепловозных тяговых машинах исполь­зуются изоляции классов В, F и Н.

Класс В объединяет изоляционные материалы на основе не­органических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагре­востойкости органического происхождения. Сюда относятся мате­риалы на основе тонкой щипаной слюды — микалента, микафолит, миканит, а также слюдинитовые материалы. К классу В принад­лежат различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, фторопласт-3, некоторые полиуретано-вые смолы и др.

К классу F относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с использованием органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими и другими смолами с высокой нагревостойкостью.

Класс Н включает в себя материалы на основе слюды, стекло­волокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими, поли-органометаллосилоксановыми и другими нагревостойкими смолами. Такие смолы применяются при изготовлении миканита, слюдинита, стекломиканита, стекломикаленты, стеклослюдинита, стеклолако-ткани и стеклотекстолита. К классу Н также относится изоляция на основе фторопласта.  

На тяговых машинах более мощных  тепловозов применена изоляция классов F и Н.

Тяговые электрические машины тепловозов должны быть работо­способными в условиях повышенной вибрации, многократных и одиночных ударах, при высоте до 1200 м над уровнем моря, при температуре окружающего воздуха от минус 50 до плюс 40 °С в тени для умеренного исполнения У, а для особо холодных районов (исполнение ХЛ) — от минус 60 до плюс 40 °С, при резких изме­нениях температуры (на 20—30 °С в течение 2—3 ч), выпадении росы, в запыленном, влажном воздухе

Для повышения электрической и механической прочности, долговечности и моно­литности изолированные обмотки машин, расположенные на сердеч­никах, пропитывают в термореактивном лаке и запекают. Откры­тые поверхности обмоток и других деталей машин покрывают электроизоляционной эмалью и сушат при высокой температуре. Лобовые части обмоток якорей в большинстве случаев закрепляют бандажами, выполненными из высокопрочной и теплостойкой стеклобандажной ленты, пропитанной термореактивным лаком. Щеткодержатели размещают точно относительно оси якоря и рабочей поверхности коллекторных пластин и надежно прикрепляют к кронштейнам или брикетам; для этого привалочные поверхности выполняют рифлеными (гребен­чатыми). Постоянное нажатие на щетки обеспечивается использо­ванием рулонных пружин из специальной ленты

Нагревание электрических машин. Для тепловозных тяговых электро-двигателей и тяговых генераторов установлен продолжи­тельный номинальный режим. Продолжительный режим тягового  электродвигателя определяется наибольшим током, который не  вызывает превышения температур частей электродвигателя выше допустимых, установленных при работе его на испы­тательном стенде неограниченно долго при номинальном напряже­нии и требуемом охлаждении.

Так как тяговые машины тепловоза работают при резко меняющихся нагрузках, то и температура этих машин достигает предельной при сравнительно небольшой нагрузке в течение длительного времени, или при очень большой нагрузке в течение короткого промежутка времени. Соответственно этому различают ток продолжительного режима и максимальный кратковременный

Ток продолжительного режима- наиболь­ший ток при номинальном режиме работы электрической машины при котором предельно допустимое превышение температур обмоток над температурой охлаждающего воздуха (перегрев) дости­гает установившегося значения, соответствующего данному классу изоляции.

Предельно допустимые превышения температур обмоток при продолжительном режиме тяговых машин следую­щие

Процесс нагревания обмоток электрических машин происходит постепенно. При больших перегревах происходит разрушение изоляции. Всякая электрическая машина характеризуется данными номинального режима: мощностью, напря­жением, током и частотой вращения якоря.

Охлаждение электрических машин.Номинальная мощность машины зависит от применяемого класса изоляции и интенсивности охлаждения. От машины можно получить тем большую мощность (без недопустимого перегрева ее частей), чем выше интенсивность охлаж­дения. Для интенсивной отдачи теплоты в тепловозных электри­ческих машинах применены две системы охлаждения: независимая (принудительная) и самовентиляция. При независимой системе охлаждения устанавливают специаль­ный вентилятор, подающий охлаждающий воздух в машину со стороны коллектора и выбрасывающий его со стороны задних лобовых частей обмотки якоря или, наоборот, нагнетающий его со стороны лобовых частей и выбрасывающий со стороны коллектора. По первому типу устроено охлаждение тепловозных тяговых электро­двигателей по второму — тяговых генераторов мощных тепловозов. Независимая вентиляция является наиболее эффективной, так как позволяет применить высокопроизводитель­ный вентилятор. При самовентиляции вентиляторное колесо, наса­женное на вал якоря, всасывает воздух со стороны коллектора и выбрасывает его наружу.

Все тепловозные машины имеют параллельную вентиляцию, т. е. один поток охлаждающего воздуха омывает поверхность коллектора, щеток, обмоток главных и добавочных полюсов, а также частично обмотку и сердечник якоря. Второй поток охлаждает коллектор изнутри, проходит по аксиальным (в осевом направлении) или радиальным вентиляционным каналам сердечника якоря электричес­кой машины и выбрасывается наружу). В зависимости от этого различают осевую и радиально-осевую системы охлажде­ния.

Схемы независимой системы охлаждения:

о — аксиально-осевая; б — радиально-осевая; 1— коллектор; 2— корпус (остов); 3— входное вентиляционное отверстие; 4— добавочный полюс; 5— главный полюс; 6— выходное отвер­стие; 7— задние лобовые части обмотки якоря; 8— якорь; 9—вал

Тяговые электрические машины тепловозов должны быть работо­способными в условиях повышенной вибрации, многократных и одиночных ударах, при высоте до 1200 м над уровнем моря, при температуре окружающего воздуха от минус 50 до плюс 40 °С в тени для умеренного исполнения У, а для особо холодных районов (исполнение ХЛ) — от минус 60 до плюс 40 °С, при резких изме­нениях температуры (на 20—30 °С в течение 2—3 ч), выпадении росы, в запыленном, влажном воздухе

ТЯГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ .

Тяговые генераторы предназначены для преобразования механической энергии дизеля в электрическую, которая передается тяговым электродвигателям. Кроме того, в момент пуска дизеля генераторы постоянного тока работают кратковременно в режиме электродвигателя с последо­вательным возбуждением, приводящего во вращение коленчатый вал дизеля.

Электрические машины постоянного тока условно можно разделить на четыре узла:

1.Магнитная система(станина и полюсы.)

2.Якорь (вал, сердечник, обмотка якоря, коллектор)

3.Подшипниковые узлы ( щиты, подшипники, уплотнения)

4.Щеточный аппарат (щетки, щеткодержатели, кронштейны, изоляторы, траверсы)

Станина генератора опирается лапами на поддизельную раму, а вал якоря генератора жестко или через полужесткую муфту соединен с коленчатым валом дизеля.

 Тяговый генератор тепловоза ЧМЭ3 типа TD 802.

Генератор TD 802-десятиполюсная электрическая машина по­стоянного тока с независимым воз­буждением и самовентиляцией. Станина 9 является частью магнитопровода ма­шины и поэтому изготовлена из стали с хорошей магнитной проводимостью. Для монтажа генератора на раме ди­зеля с обеих сторон станины приваре­ны лапы 28 и втулки 27 с резьбой под болты К станине приварены восемь кронштейнов 25 для крепления заднего щита 2. На станине укреплены десять главных 7 и десять добавочных 24 по­люсов.

а — продольный разрез; б — поперечный разрез; в — главный полюс и его крепление; г — добавочный полюс; /— обмотка якоря; 2 — задний щит; 3 — фланец; 4 — диск; 5 — задний обмоткодержатель; 6 — вентиляторное колесо; 7 — главный полюс; 8 — барабан; 9 — станина; 10 — уравнительное соединение; 11,27 — втулки; 12 — комплект щеткодержателей; 13 — подшипниковый щит, 14 — шкив; 13 — шайба; 16 — вал; 17 — роликовый подшипник; 18— траверса; 19 — коллектор; 20, 30 — ребра; 21 — ступица; 22 — передняя нажимная Шайба,- 23 — сердечник якоря; 24 — добавочный полюс; 25 — кронштейн; 26 — текстолитовое кольцо; 28 — лапа; 29,36 — пластины; 31— катушка независимой обмотки; 32 — катушка пусковой обмотки; 33 — болт; 34 —стержень; 33 — сердечник главного полюса; 37 — заклепка; 38 — катушка добавочного полюса; 39 — сердечник добавочного полюса; 40 — вывод катушки; а — кольцевая канавка; б, в — радиальное и осевое отверстия; г — продольный паз; д — резьбо­вое отверстие.

Каждый полюс закреплен дву­мя болтами 33 . Для уменьше­ния вихревых токов сердечник 35главного полюса набран из листов электротехнической стали. Листы сердечника вместе с пластина­ми спрессованы и стянуты четырьмя заклепками 37. В центральное отвер­стие сердечника запрессован стальной цилиндрический стержень 34 . Каждый из главных полюсов имеет две катушки. Катушка 32 пусковой обмотки, предназначенной для созда­ния основного магнитного потока при пуске дизеля, выполнена из четырех витков полосовой меди, изолирован­ных друг от друга. Катушка 31 независимой обмотки, создающей магнитный поток при работе генератора под на­грузкой, имеет 63,5 витка медного изо­лированного провода прямоугольного сечения. Катушки пусковой обмотки соединены перемычками из полосовой меди, а катушки независимой обмотки — перемычками из многожильного мед­ного провода

Сердечник 39 добавочного по­люса выстроган из стального листа и заужен со стороны, обращенной к яко­рю. Он имеет два резьбовых отверстия д под крепежные болты и четыре про­дольных паза г для крепления катушки. Катушка 38 добавочного полюса имеет 9,5 вит­ков полосовой меди, намотанных в два слоя.При сборке добавочного полюса крепление катушки обеспечи­вается заливкой изоляционной массы между катушкой и сердечником. Маг­нитный поток, создаваемый добавоч­ными полюсами, уменьшает искрение под щетками во время работы генера­тора, т. е. улучшает коммутацию ма­шины.

Между полюсами размещен якорь генератора, служащий для укладки проводников, в которых наводится электродвижущая сила (э. д. с). Якорь состоит из сварного корпуса с корот­ким валом, сердечника, обмотки и коллектора. Вал 16 запрессован в ступицу 21, соединен­ную восемью ребрами со стальным ба­рабаном 8. На барабане размещен сер­дечник 23, набранный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и восьми стальных листов тол­щиной 2 мм, расположенных по краям. Листы изолированы друг от друга ла­ком. В каждом листе сделаны 135 па­зов для укладки обмотки якоря и 72 вентиляционных отверстия диамет­ром 35 мм, расположенные по двумокружностям. При сборке листы сер­дечника напрессовывают на барабан со шпонкой до упора в задний обмоткодержатель 5 — стальное кольцо, со­единенное 32 приварными ребрами с барабаном. В собранном виде сердеч­ник удерживается отлитой из стали передней нажимной шайбой 22, кото­рая напрессована на барабан и допол­нительно застопорена кольцом.

В пазах сердечника уложена петле­вая обмотка якоря 1, состоящая из 135 катушек. Каждая катушка состоит из трех одновитковых секций, обмотка якоря имеет 405 витков, каж­дый виток выполнен в виде двух мед­ных изолированных стержней  пря­моугольного сечения, расположенных друг над другом. Катушка дополнительно изолируется стеклолентой 3. В каждый паз сначала укладывают ак­тивную сторону одной катушки, а поверх нее —активную сторону другой. Таким образом, все катушки размещены в 135 пазах. На дно паза и между катушками ставят изоляцион­ные прокладки.Стороны обеих катушек отделены от сердечника  па­зовой изоляцией. Шаг обмотки якоря по пазам 1 — 14. Шаг обмотки по коллектору 1—2 (начало и конец каждой одновитковой секции присоединены к двум соседним коллекторным пластинам), катушки укреплены в пазах сердечника якоря текстолитовыми клиньями. Передние и задние лобовые части катушек удерживаются бандажами, намотанными из стальной проволоки, Под передними лобовыми частями в выемке нажимной шайбы размещены уравнительные соединения 10 (270 медных перемычек с щагом по коллектору 2 — 83, 3 — 84, 5 — 86, 6 — 87 и т. д.).

  К ступице корпуса при помощи двух дисков приварена втулка 11, на которую напрессован коллектор 19 имеющий 405 медных пластин, соединенных перемычками с концами секций обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитовыми прокладками и укреплены в кольцевом пазу, образованном корпусом коллектора 7 и нажимной шайбой 5. Корпус и шайба спрессованы и стянуты 14 болтами 4 . Для изоляции медных пластин от корпуса коллектора и нажимной шайбы служат  две миканитовые манжеты 1и 3 имиканитовый цилиндр 6. Выступающий  конец передней манжеты закреплен веревочным бандажом и покрыт изоляционной эмалью.

С противоположной стороны к торцу барабана 8при­варен стальной диск 4, ккоторому прикреплено 16 болтами стальное вентиляторное колесо, имеющее 35 лопаток.

Дополнительная фиксация венти­ляторного колеса осуществляется двумя штифтами . В расточку диска 4 вставлен и приварен стальной цилиндрический фланец 3, соединенный двенадцатью болтами с фланцем коленчатого вала ди­зеля. Таким образом, седьмой корен­ной подшипник коленчатого вала яв­ляется одновременно и опорой якоря. Другой опорой якоря является роли­ковый подшипник 17, установленный в подшипниковом щите 13 — сталь­ном фланце, к выступам которого при­варены десять наклонных ребер 20, соединяющих его со станиной.

В расточку щита вварено стальное кольцо с коническим отверстием под корпус подшипника 6 ко­торый после запрессовки в щит допол­нительно закрепляют восемью болта­ми. Со стороны коллектора роли­ковый подшипник 2 имеет уплотне­ние, образованное задней крышкой 3 и напрессованным на вал 4 лабиринт­ным кольцом 5. С противоположной стороны подшипник закрыт передней крышкой 11 имаслоотражательным диском 8, прикрепленным шестью болтами к напрессованному на вал кольцу 9. Крышки 3 и 11 отлиты из чугуна и стянуты восемью болтами 1, проходящими через отверстия в корпусе подшипника.