Сила тяги, необходимая для движения поезда, при электрическом приводе формируется ТЭД в результате преобразования электрической энергии в механическую.

Для уяснения принципа действия электрической машины рассмотрим рис.1. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле помещён проводник длиной l (сечение которого изображено кружком), подключённый к внешнему источнику электрической энергии с напряжением U. Под действием подведённого напряжения по проводнику протекает ток i (направление тока показано стрелкой так, что виден конец стрелки). Физические процессы в данной системе определяются тремя фундаментальными законами физики.

а) б)

Рис.1. Электромагнит с помещённым в него проводником.

а) Магнитное поле полюсов при отсутствии тока;

б) Возникновение электромагнитной силы.

Основная часть.

Как я уже упомянул, физические процессы в данной системе (рис.1) определяются тремя фундаментальными законами физики.

Между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникают электромагнитные силы, которые, складываясь образуют результирующую силу f_Э, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля. Электромагнитная сила f_Э определяется законом Ампера - на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля действует сила, равная произведению силы тока i, индукции магнитного поля В и длины проводника l:

f_Э =i B l

Направление силы можно определить по правилу левой руки или как результат взаимодействия двух магнитных полей. На рис.1 (а) показано магнитное поле полюсов при отсутствии тока в проводнике. Как известно вокруг проводника с током возникает своё собственное круговое магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика. При этом справа от проводника, где силовые линии поля проводника совпадают с силовыми линиями внешнего магнитного поля, происходит сгущение силовых линий, слева от проводника, где силовые линии поля проводника направлены навстречу линиям внешнего поля, происходит разрежение силовых линий. Магнитные силовые линии обладают свойством упругости, напоминающим свойства резиновых нитей. Стремясь сократиться по длине, они будут выталкивать проводник из области сгущения силовых линий в сторону их разрежения, т.е. справа на лево, рис.1 (б). В результате возникает электромагнитная сила f_Э.

Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток с током и расположить его вертикально (рис.2 (а)), то применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы f_Э, действующие на них, будут направлены в разные стороны. В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М_Э, который вызывает поворот витка, в данном случае по часовой стрелке.

М_Э= f_Э Д cos б

где б - угол между направлением внешнего поля и плоскостью витка;

Д - расстояние между сторонами витка.

Виток будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока он не займёт положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля (б=90°). При таком положении через виток будет проходить наибольший магнитный поток. Следовательно, виток или катушка с током, внесённые во внешнее магнитное поле, всегда стремятся занять такое положение, чтобы через виток проходил максимальный магнитный поток. Свойство катушки с током поворачиваться в магнитном поле и послужило основанием для создания электродвигателя. Когда проводник под действием внешней силы (у генератора) или под действием электромагнитной силы (у двигателя) начинает перемещаться в магнитном поле в нём индуцируется ЭДС. Это явление называется электромагнитной индукцией. Индуктирование ЭДС в проводнике происходит независимо от того, включён ли он в какую-либо цепь или нет. Значение индуктируемой ЭДС определяется законом электромагнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим образом - индуктируемая ЭДС пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника l и скорости его перемещения и скорости его перемещения v в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля.

e=B l v

Если проводник движется под углом б к направлению поля, то

e=B l v sin б

При вращении витка в магнитном поле (рис.2) с постоянной скоростью v в нём будет индуктироваться переменная ЭДС. Максимум ЭДС будет соответствовать положению (а). ЭДС будет равна нулю в положении (б), когда проводник перемещается вдоль силовых линий, т.е. как бы скользит по ним.

а) б)

Рис.2. Рамка в магнитном поле.

Направление ЭДС определяется правилом правой руки. По этому правилу видно, что при изменении направления движения проводника будет изменяться и направление индуктируемой ЭДС.

Из закона сохранения энергии следует, что когда проводник перемещается под действием электромагнитной силы, то это соответствует отдаче проводником механической энергии. Это возможно только в том случае, если к проводнику будет подводиться электрическая энергия. Индуктируемая при этом в проводнике ЭДС должна быть направлена против приложенного напряжения и, следовательно, против тока, который протекает под действием напряжения. Таким образом, индуктируемая в проводнике ЭДС (при двигательном режиме), направлена против тока и препятствует его прохождению по проводнику.

Зависимость между напряжением и током определяется законом Ома для участка цепи, содержащего резисторы и источник ЭДС. Для этого случая он формулируется так - алгебралическая сумма ЭДС, действующих на рассматриваемом участке цепи, равна сумме падений напряжений на резисторах.

+U - e=I R

Зависимость между напряжением и током определяется законом Ома для участка цепи, содержащего резисторы и источник ЭДС. Для этого случая он формулируется так - алгебралическая сумма ЭДС, действующих на рассматриваемом участке цепи, равна сумме падений напряжений на резисторах.

+U - e=I R

Законы Ампера, Фарадея и Ома рассматривались применительно к отдельному проводнику, находящемуся в магнитном поле. При реализации рассмотренных законов для практических целей, т.е. при разработке конструкции электрической машины поступают следующим образом:

Для получения достаточно большого магнитного поля создают магнитную цепь, т.е. совокупность тел, служащих для сосредоточения магнитного поля в определённой части пространства. Магнитная цепь является одним из основных элементов устройств всякой электрической машины. Заметим, что наличие магнитной цепи является необходимым, но не достаточным условием наличия магнитного поля, которое характеризуется индукцией В (числом силовых линий на единицу площади) и магнитным потоком Ф (общим числом силовых линий под наконечником полюса). Обязательным условием появления магнитного поля является прохождение тока по специальным катушкам (катушкам возбуждения), находящимся на сердечнике полюса. Магнитная цепь может быть разветвлённой. На рис.3 показана магнитная цепь четырёхполюсного ТЭД, т.е. такого двигателя, у которого два северных полюса, два южных и четыре одинаковых катушки возбуждения. В данном случае у четырёхполюсной машины число пар полюсов р равно двум: р=2.

Рис.3 Магнитная цепь электродвигателя.

Магнитный поток Ф_П, возбуждаемый, скажем катушкой W₁, проходит сердечник полюса, и воздушный зазор входит в зубы якоря и здесь разветвляется на две равные части Ф_П/2. Каждая из этих составляющих потока показана на рис.3 одной (средней)

Силовой линией. Равномерное деление потока обеспечивается за счёт строгой симметрии геометрических размеров участков для каждой силовой линии.

Далее каждая составляющая потока проходит по ярму якоря, через зубы якоря, находящиеся под полюсом S₁ (или S₂), и через воздушный зазор попадает в сердечник полюса S₁ (S₂), на котором расположена катушка W₁ (W₄), и через станину попадают в начало рассматриваемого пути. Магнитная цепь всегда замкнута - это важнейшее свойство магнитных силовых линий. Таким образом, в поведении магнитного потока участвуют одновременно катушки возбуждения двух соседних полюсов разной полярности.

Для установления зависимости (характеристики намагничивания) между магнитным потоком полюса Ф_П и током, протекающем по катушке возбуждения I_В, нужно выполнить сложный расчёт. Обращаем внимание на недопустимость предположения о том, что между потоком и током существует прямопропорциональная зависимость.

Реализовать большой вращающий момент, как это следует из формул, можно, только имея проводник большой длины, который должен иметь возможность вращаться в магнитном поле. Конструктивно эту задачу решают следующим образом:

Из отдельных листов электротехнической стали, имеющих зубчатую форму, собирают сердечник, который помещают между полюсами с минимальными воздушными зазорами (около 5 мм), Сердечник насажен на вал, закреплённый в подшипниках. На сердечнике должен быть размещён проводник. Т.к. длина сердечника по габаритным соображениям ограничивается 400-420 мм, то конструктивно проводник l выполняется в виде набора отдельных проводников, соединённых по определённой схеме. Вся совокупность проводников, расположенных в пазах сердечника якоря, называется обмоткой, характеризующейся числом проводников - N и схемой их соединения между собой - 2а. Величина 2а - число параллельных ветвей обмотки. Характерной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора. С помощью коллектора и щёток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. Назначение коллектора состоит в изменении направления тока в проводнике при его перемещении от полюса одной полярности к полюсу другой полярности. Такой переход должен сопровождаться изменением направления тока в проводниках, чтобы электромагнитный момент действовал всё время в одном и том же направлении (имея один и тот же знак).

Принцип подключения обмотки якоря к пластинам коллектора показан на рис.4 (а).

К каждой пластине коллектора подсоединяется конец предыдущего и начало следующего витка. В результате получаем замкнутую обмотку, состоящую из N совершенно одинаковых проводников. Однако если измерить ЭДС индуктированную в проводнике по закону Фарадея, то она окажется различной как по величине, так и по направлению. В проводниках, перемещающихся под северными полюсами, ЭДС для этого случая на рис.4 (а) показано против часовой стрелки). Проводники, расположенные под южным полюсом пересекают магнитные силовые линии, направленные относительно проводника в обратном направлении (рис.3), поэтому в них индуктируется ЭДС Е₂ и Е₁ другого направления - на рис.4 (а) они показаны по часовой стрелке.

Рис.4 Соединение обмоток якоря между собой.

На геометрической нейтрали, т.е. на линии, проведённой по середине между полюсами различной полярности, проводник не пересекает силовых линий и индуктированная в нём ЭДС равна нулю. Если теперь на коллекторные пластины, связанные с проводниками, пересекающими геометрическую нейтраль, поставить щётки, соединить их через одну между собой в 2 группы и подвести к ним постоянное напряжение, то:

вся вращающаяся обмотка якоря окажется разбитой на параллельные ветви с током, неподвижным в пространстве. Число параллельных ветвей 2а будет равно числу главных полюсов 2р (рис.4 (б));

замыкание щёткой двух соседних коллекторных пластин, и следовательно, замыкание накоротко связанного с ним проводника не сопровождается появлением тока короткого замыкания, т.к. в проводнике не индуктируется ЭДС.

при дальнейшем движении коллектора произойдёт размыкание коллекторных пластин и проводник окажется включённым в ветвь обмотки, расположенной под полюсом другой полярности. Ток и индуктированная ЭДС изменят направление (рис.4).

В заключении заметим, что показанная на рис.4 (а) конструкция обмотки хорошо иллюстрирует принцип соединения проводников между собой и их подсоединение к коллектору, но имеет ряд конструктивных недостатков. В современных машинах применяются якоря барабанного типа, в которых обмотка выполняется в виде витков, объединённых в секцию (у ТЭД секция состоит из одного витка). Совокупность деталей - сердечника, обмотки, коллектора и вала называется якорем электрической машины.

2. Расчётная часть

2.1 Рассчитаем номинальный ток ТЭД

При определении тока используем заданные Р_ДН, U_ДН, з_ДН и выражение:

Р_ДН = U_ДН •I• з_ДН 10^-3 (1)

Где з_ДН = 0.94 - коэффициент полезного действия ТЭД;

Р_ДН - номинальная полезная мощность на валу ТЭД, кВт;

I_Н = Р_ДН / U_ДН• з_ДН10^-3 = 900 / 950•0.94 10^-3 = 1007,838 (А)

2.2 Рассчет ЭДС, индуктированной в обмотке якоря при номинальном режиме