Конструкции тяговых систем ЭД (начало)

Большая работа по совершенствованию и оптимизации конструкций тяговых электродвигателей постоянного тока, которая проводилась в ряде фирм и организаций многих стран, привела в настоящее время к довольно близким результатам. В табл. 3.6 приведены основные характеристики электродвигателей постоянного тока для электромобилей ведущих фирм, определяющих мировой уровень развития в этой области.

Таблица 3.6

Характеристики электродвигателей постоянного тока для электромобилей

Из таблицы следует, что для современных электродвигателей электромобилей характерно использование сравнительно больших номинальных и максимальных частот вращения. Последняя величина составляет в большей части 6000—7000 мин"1. Эта тенденция к увеличению скорости обусловлена стремлением повысить удельные мощностные характеристики и снизить массу двигателя. Эграничением служат только условия работы коллекторно-щеточного узла, в частности максимальная скорость на диаметре коллектора, при которой сохраняется достаточно хорошее прилегание щетки к коллектору.

Номинальный режим работы электродвигателей выбирается при ослабленном на 20—30 % по отношению к максимальному магнитному потоку возбуждения. Эта точка рабочих характеристик является в определенной мере условной и соответствует обычно максимуму КПД при скорости электромобиля около 35— 40 км/ч, которая для внутригородских условий движения таких транспортных средств может считаться наиболее часто используемой.

Практически для всех используемых двигателей принято защищенное исполнение и воздушное охлаждение с продувом от встроенного или независимого вентилятора. Принимаются специальные меры по повышению коммутационной устойчивости и усилению коллекторного узла двигателей. Близость принятых решений во многом определяется выбором номинального напряжения, величина которого чаще всего составляет 100—140 В, при этом запас по напряжению тяговой батареи равен 8—10 %.

Близость достигнутого уровня характеризуется таким примером: при достаточно существенном различии конструкций (в частности, по числу полюсов) электродвигатель электромобиля ETV-1 фирмы «Дженерал электрик» имеет моментную постоянную — отношение момента на валу двигателя к соответствующему току якоря — 0,484 Н-м/А, а электродвигатели ПТ-125 и ПТ-146 Волжского автозавода — 0,46—0,48 Н-м/А.

На примере этих двигателей отметим некоторые особенности тяговых машин электромобилей малых классов. Максимальная степень искрения на коллекторе, равная 11/2—2 балла, достигается применением полного числа добавочных полюсов, мелкозубчатой структурой якоря и использованием маловитковых секций обмотки якоря с относительно малой индуктивностью. Такие секции имеют к тому же высокую технологичность изготовления и укладки в пазы якоря, что компенсирует повышение трудоемкости изготовления коллектора со сравнительно большим числом коллекторных пластин, достигающим 85.

Для ослабления размагничивающего действия реакции якоря при высоких перегрузках воздушный зазор под главными полюсами принимается неконцентрическим: под серединой полюса он составляет 0,9—1,2 мм, а под краями полюса — 2,0—2,2 мм. Для повышения устойчивости работы двигателя на максимальной скорости главные полюса снабжены легкой одновитковой стабилизирующей обмоткой.

Электродвигатели имеют реактивные щеткодержатели, обеспечивающие лучшее прилегание щеток к коллектору при наличии вибраций и более компактную конструкцию щеточного узла, чем при радиальных щеткодержателях. Допустимость такой конструкции определяется преимущественным использованием одного направления вращения двигателя для движения электромобиля вперед и пониженными требованиями по максимальным значениям скорости и момента при движении назад.

Общий вид электродвигателя ПТ-125 показан на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Электродвигатель с независимым возбуждением типа ПТ-125:

1 — датчик частоты вращения; 2 — передний щит; 3 — выводной разъем датчик» частоты вращения; 4 — якорь; 5 — станина; s — щеткодержатель; 7 — щетка; 8 — кожух вентилятора; 9 — задний щит; 10 — вентилятор охлаждения

Отметим, что двигатель имеет полый шлицевой вал для присоединения к редуктору через торсионный валик. Система охлаждения двигателя — аксиальная, с продувом воздуха через специальные охлаждающие каналы в якоре. Двигатель имеет встроенный датчик частоты вращения, обеспечивающий выходной сигнал с амплитудой не менее 6 В при частоте вращения 4000 мин-1. На рис. 3.10 показаны типовые регулировочные характеристики машин такого исполнения для ряда значений относительного тока якоря iя.

Рис. 3.10. Регулировочные характеристики двигателя с независимым возбуждением

Заслуживает внимания опыт фирмы «Полетти и Оста», разработавшей тяговые двигатели для электромобилей с базовой высотой оси вращения 132 мм и исполнениями на напряжения 96 и 180 В, которые отличаются по длине. При этом (как видно из данных табл. 3.6) достигнуто и изменение мощности в 2 раза.

Задачи конструктивной оптимизации двигателей электромобилей не являются в настоящее время однозначными из-за неопределенности характеристик серийноспособного источника тока. Имеются, в частности, по меньшей мере три показателя качества, которые должны быть взаимоувязаны весовыми коэффициентами, отражающими значимость этих показателей для электромобиля в целом. Такими показателями следует считать: стоимость или трудоемкость изготовления двигателя; массогабаритные показатели; потери энергии или средневзвешенный КПД в типовых режимах.

Сущность весовых коэффициентов можно пояснить на примере связи потерь энергии в двигателе и дополнительных затрат массы двигателя, позволяющих эту энергию сэкономить. В первом приближении связь между этими показателями дает выражение

(3.16)

где коэффициент К.Эм определяется через удельную энергоемкость источника тока в том же режиме из неравенства

(3.17)

Неопределенность в интегральном критерии качества электродвигателя проявляется и в вопросе выбора числа главных полюсов. Из табл. 3.6 следует, что часть двигателей выполняется с числом полюсов, равным четырем, а другая часть — равным шести. Известно, что увеличение числа пар полюсов позволяет уменьшить массу и габаритные размеры двигателя, что следует также из упомянутой таблицы; однако при этом существенно увеличивается трудоемкость изготовления двигателя и (несмотря на экономию активных материалов) стоимость двигателя в целом. Практика показывает, что для электромобилей малой общей массы предпочтение отдается массогабаритным показателям, а для электромобилей средних классов — стоимостным.