Тяговый двигатель электровоза, как и все двигатели постоянного тока, имеет следующие основные части: остов с поюсами, якорь, щеткодержатели и щетки, подшипниковые щиты (рис. 14). Конструктивные отличия тяговых двигателей от других электрических машин постоянного тока предопределены условиями их работы.

Размеры тягового двигателя ограничены габаритом — предельными очертаниями локомотива. Двигатели подвергаются значительным перегрузкам, тряске, ударам при прохождении колесных пар по неровностям пути, работают при температуре окружающей среды от +40 до — 50° С, в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Очень трудно предотвратить проникновение в них пыли, влаги, снега.
Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.

Якорь

У тягового двигателя якорь (рис. 15, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.

Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 15, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.
Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем наводится э. д. с. Значения этой э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения. Под действием разности э. д. с, наведенных в сердечнике, возникают так называемые вихревые токи. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.
Избежать разности наведенных э. д. с. при вращательном движении якоря невозможно. Остается одно — увеличить электрическое сопротивление сердечника. Собирая сердечник из отдельных листов толщиной 0,3—0,5 мм, изолированных друг от друга, тем самым разделяют его на ряд проводников с малой площадью сечения и, следовательно, большим электрическим сопротивлением. Кроме того, увеличивают электрическое сопротивление стали, из которой изготовляют сердечники, добавляя в нее 1 — 1,5% кремния.
В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.
Валы якорей тяговых двигателей изготавливают из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны быть расположены один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, образуя таким образом обмотку якоря. Отдельные витки, составляющие обмотку, называют секциями.
Современные электрические машины постоянного тока, в том числе и тяговые двигатели, обычно делают многополюсными, т. е. они имеют не одну, а две, три и более пар полюсов. При этом проводники обмотки якоря могут быть соединены двумя способами, и в зависимости от этого получают обмотки двух типов — петлевую и волновую.
Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюса электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.

Для получения петлевой обмотки (рис. 16, а) начало проводника 1 присоединяют к коллекторной пластине 1′, а конец его соединяют с началом проводника 2. Конец проводника 2 присоединяют к пластине 2′. Проводники 1 и 2 образуют одну секцию, имеющую форму петли. Поэтому обмотка и получила название петлевой. Далее начало проводника 3 соединяют с пластиной 2′, а конец — с проводником 4 и т. д., пока обмотка не замкнется, т. е. пока последний проводник не соединится с коллекторной пластиной 1′.
При волновой обмотке (рис. 16, б) начало проводника 1, расположенного под северным полюсом (полюс N) первой пары полюсов, присоединяют к коллекторной пластине 1′, а конец — к проводнику 2, как и в петлевой обмотке. Затем, в отличие от петлевой обмотки, конец проводника 2 через соответствующую коллекторную пластину 2′, расположенную уже не рядом с пластиной 1′, соединяют с проводником 3, находящимся под полюсом N следующей пары полюсов. Проводник 3 соединяют с про­водником 4, расположенным под полюсом той же пары полюсов, и через коллекторную пластину с проводником 5, находящимся под полюсом N первой пары полюсов, и так до тех пор, пока обмотка не замкнется. Секция обмотки этого типа имеет форму волны, вследствие чего обмотка и получила название волновой. В отличие от петлевой обмотки концы секции волновой обмотки присоединяют к несмежным коллекторным пластинам.
В большинстве тяговых двигателей первоначально применяли волновую обмотку. В современных тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки . Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник (см. рис. 15, б). В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую — в нижнюю часть другого. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секции. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что упрощает технологию их изготовления.
Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря она под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандаж на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы (рис. 17, а, б).

Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах, выполненных из стальной проволоки, теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления. Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях. Однако при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.
Раньше прямоугольные проводники обмотки якоря располагали вертикально (см. рис. 17, а). При расположении проводников, имеющих прямоугольное сечение, плашмя (см. рис. 17, б) не требуется места (по ширине паза) на изоляцию и улучшается отвод тепла от меди к боковым стенкам паза. Это позволяет улучшить теплоотдачу, а следовательно, уменьшить радиальные размеры сердечника и, кроме того, снизить добавочные потери в меди, так как уменьшаются вихревые токи. Так размещены обмотки в тяговых двигателях электровозов постоянного и переменного тока новых серий. Это позволило повысить мощность двигателей при заданных габаритных размерах. Однако монтаж такой обмотки сложней, чем обмотки, проводники которой расположены вертикально. Лобовые соединения обмотки якоря крепят только бандажами, которые выполняют из стеклоленты, пропитанной клеящими лаками . Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.
Производство новых электроизоляционных материалов высокой прочности позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якори, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность (рис. 17, в). Это снижает стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.
Коллектор (рис. 18) — один из основных и наиболее ответственных узлов тягового двигателя постоянного тока. Коллектор наиболее нагружен в электрическом отношении, и условиями его надежной работы ограничиваются предельные мощности тяговых двигателей . Диаметр коллектора современных тяговых двигателей превышает 800 мм, число пластин достигает 600.

Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической прочностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого «ласточкиного хвоста». «Ласточкины хвосты» пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно, так как к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти за очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя. То же самое может произойти при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.
От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.
Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора делают меньшей высоты — продороживают коллектор специальными фрезами.

Щетки и щеткодержатели

Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к об­мотке якоря тягового двигателя.
Щетки для тяговых двигателей изготовляют из графита, получаемого при нагреве в электрической печи сажи, кокса, антрацита. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износоустойчивыми.
Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию (объяснение этого термина будет дано ниже) двигателей. Однако если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетку удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза, и увеличение длины коллектора вызвало бы необходимость уменьшить длину сердечника якоря и проводников обмотки, что в свою очередь привело бы к снижению мощности двигателя.

Щеткодержатель (рис. 19) состоит из корпуса и кронштейна, корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.
Щетки прижаты к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.

Остов

У тягового двигателя остов (рис. 20) одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюса. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.

В магнитной системе тяговых двигателей, установленных на электровозах переменного тока, пульсирующий выпрямленный ток вызывает дополнительные потери. Чтобы снизить их, в массивный остов часто впрессовывают вставку, набранную, подобно якорю, из отдельных листов.
На электровозах с опорно-осевым подвешиванием остову в поперечном сечении придавали почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяла уменьшить размеры двигателя, что важно для размещения его на электровозе. Стремление к непрерывному снижению массы тяговых двигателей привело к применению остовов цилиндрической формы. К остову крепят главные и дополнительные полюса, щиты с роликовыми подшипниками, в которых вращается якорь электродвигателя, и другие детали; предусмотрены в остове люки для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Остов имеет горловины, через которые в него устанавливают полюса, якорь и другие детали. В процессе эксплуатации электровоза приходится периодически проверять состояние коллектора и щеточного аппарата. Для этого в остове имеются смотровые люки, герметично закрываемые крышками.
Подшипниковые щиты. Ими плотно закрывают торцовые горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В современных тяговых двигателях применяют только роликовые подшипники качения, более надежные, чем шариковые и подшипники трения скольжения. Роликовые подшипники не требуют частого пополнения смазки и постоянного ухода.
При вращении вала тягового двигателя смазка может выбрасываться из подшипников. Чтобы избежать этого, на валу устанавливают специальные устройства, предупреждающие разбрызгивание и выбрасывание смазки — лабиринтные маслоуплотнители. Подшипниковые щиты предотвращают загрязнение частей двигателя и проникновение в него влаги.

Главные полюса

Они представляют собой сердечники, на которые надевают катушки обмотки возбуждения. Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Зачем это делают? По катушке сердечника проходит постоянный магнитный поток, а сам сердечник неподвижен и, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы так, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности зубцы и впадины его сердечника, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока, из-за чего в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали, т. е. выполнять шихтованным.
Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику (рис. 21, а и б) придают довольно сложную Т-образную форму: она определяется соотношением размеров ширины сердечника и его полюсного наконечника, формой воздушного зазора, наличием компенсационной обмотки, условиями размещения и закрепления ее и катушек главных полюсов, способом крепления сердечников к остову.

Тяговые двигатели электровозов постоянного тока имеют две или три пары главных полюсов, а на электровозах переменного тока — три пары полюсов.
Компенсационная обмотка, применяемая в тяговых двигателях пульсирующего тока и в мощных двигателях постоянного тока, служит для компенсации реакции якоря. Обмотку располагают в пазах наконечника главных полюсов (см. рис. 21, б) и соединяют последовательно с обмоткой якоря. В отечественных тяговых двигателях применена хордовая компенсационная обмотка (рис. 22) из мягкой прямоугольной медной проволоки, выполняемая катушками, которые можно устанавливать и снимать независимо от других обмоток. Крепят компенсационную обмотку в пазах клиньями.

Дополнительные полюса

Как и главные, эти полюса состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с, сравнительно невелик, вследствие чего дополнительные полюса имеют меньшие размеры, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными. В машинах с тяжелыми условиями коммутации, а также в двигателях пульсирующего тока для уменьшения вихревых токов эти сердечники выполняют шихтованными.
Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов всегда равно числу главных.
Остов, главные и дополнительные полюса образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает прохождение магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.

Электрическая изоляция

Изоляция играет важную роль в обеспечении надежной работы любого электрического устройства, в том числе и двигателей. Изоляция тяговых двигателей подвергается значительному нагреву, воздействию влаги, перенапряжений, вибрации, поэтому она должна обладать достаточной электрической и механической прочностью, быть нагрево- и влагоустойчивой. Нагревоустойчивость — один из основных показателей качества изоляции, в зависимости от нее все электроизоляционные материалы делят на классы. Класс изоляции обозначается буквами латинского алфавита. В соответствии с ГОСТ 2582—81 «Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические требования» в тяговых машинах используют изоляцию классов
В, F, Н, Р.
Применение изоляции высокого класса повышает надежность тягового двигателя, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность, допускать более высокие температуры нагрева его частей.
Где же применяют изоляцию в тяго­вых двигателях? Прежде всего в обмотке якоря (рис. 23): изолируют друг от друга медные провода, из которых выполнена эта обмотка,— витковая изоляция; каждую секцию изолируют от корпуса и одну от другой — корпусная изоляция. Корпусная изоляция от механических повреждений защищена покровной. Кроме того, секции, расположенные в одном пазу, имеют еще общую покровную изоляцию и прокладки, которые укладывают на дно паза, между секциями, а также между верхней секцией и клином. В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и выводы, изоли­руют также всю катушку от остова двигателя.

Кронштейны щеткодержателей изолируют от корпуса двигателя с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 19). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и одну от другой выполняют так, как показано на рис. 18.