Электрические машины вагонов

Ю.И. Понкратов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ВАГОНОВ

Рекомендовано
Московским государственным университетом путей сообщения 
к использованию в качестве учебного пособия для студентов,
 обучающихся по специальности 23.02.06 «Техническая эксплуатация 
подвижного состава железных дорог» СПО.
Регистрационный номер рецензии 491
от 27 ноября 2015 г. базового учреждения
ФГАУ «Федеральный институт развития образования»

Москва
2016

П56

УДК 629.45
ББК 39.24
   П56

Ре цензент: заместитель начальника вагонного пассажирского депо № 14 
ЛВЧД-14 В.А. Черкасов

Понкратов Ю.И.
Электрические машины вагонов: учеб. пособие. — М.: ФГБОУ 
«Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. — 191 с.
ISBN 978-5-89035-883-7
Рассмотрены принципы действия, назначение и характеристики электрических машин постоянного и переменного тока, используемых на пассажирских 
железнодорожных вагонах, а также их электрические схемы. Приведены способы изменения скорости и направления вращения машин, их параметры и 
особенности. Даны примеры практического применения машин в системах 
электроснабжения вагонов. Кроме того, приведено описание некоторых источников питания электрических машин вагонов — силовых трансформаторов и аккумуляторов. Кратко освещены вопросы технического обслуживания 
и ремонта электрических машин вагонов.
 Учебное пособие «Электрические машины вагонов» является составной 
частью профессионального модуля МДК 01.01 «Конструкция, техническое 
обслуживание и ремонт подвижного состава (вагоны)» и предназначено для 
студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. Также 
может быть полезно работникам предприятий, связанным с ремонтом и обслуживанием вагонов.
УДК 629.45
ББК 39.24

© Понкратов Ю.И., 2016
© ФГБОУ «Учебно-методический центр 
 
по образованию на железнодорожном 
 
транспорте», 2016
ISBN 978-5-89035-883-7 

Введение

Пассажирские вагоны оборудованы различными системами электроснабжения. Главными элементами этих систем являются источники 
электроэнергии: генераторы для питания потребителей и аккумуляторные батареи. 
Применяемые на подвижном составе электрические машины для 
преобразования электрической энергии в механическую и наоборот 
отличаются принципами работы, конструкцией, габаритами, мощностью, назначением: коллекторные электродвигатели постоянного 
тока, бесколлекторные переменного тока, асинхронные, а также 
синхронные электродвигатели и др.
Все электрические машины вагонов подразделяются на генераторы, электродвигатели и электромашинные преобразователи. Гене раторы приводятся во вращение от оси колесной пары в пассажирских вагонах с автономной системой электроснабжения или от специально установленного двигателя внутреннего сгорания (дизельгенераторный агрегат) на рефрижераторном подвижном составе. 
В поездах с централизованной системой электроснабжения — от 
вагона-электростанции, например в поезде «Аврора» генератор вращается от синхронного электродвигателя, получающего питание от 
контактной сети через специальный преобразователь.
Электрические двигатели применяются в качестве приводов различных систем: для привода во вращение вентиляторов, насосов, 
компрессоров холодильных машин и т.д. 
В процессе передачи и распределения электрической энергии 
приходится изменять напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, которые называются трансформаторами. Трансформатор — это ста тическое устройство и в нем 
нет никаких движущихся частей; он преобразует лишь напряжение 
электрической энергии. Трансформатор нельзя назвать электрической 
машиной, так как его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; однако электромагнитные 
процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, 

происходящим при работе электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнит ных процессов, возникающих при взаимодей ствии 
магнитного поля и проводника с током. 
Аварийным и резервным источником электрической энергии 
в вагонах служит аккумуляторная батарея, предназначенная для 
питания основных потребителей вагона на стоянках, в аварийных 
режимах и при малых скоростях движения поезда. Основные потребители вагона — цепи сигнализации, защиты и управления — 
могут получать пита ние от аккумуляторной батареи не только на 
остановках, но и при внезапном выходе генератора из строя во 
время движения. Для пассажирских вагонов применяются кислотные и щелочные батареи, состоящие из определенного количества 
аккумуляторов, соединенных между собой последовательно. Аккумулятором назы вается химический источник тока, который способен накапли вать и сохранять электрическую энергию, полученную 
от вагон ного генератора или извне от зарядного агрегата, а затем 
отдавать ее. Кислотные аккумуляторы бывают свинцовые, щелочные — никель-железные и никель-кадмиевые.
Электрические машины, трансформаторы и аккумуляторы — основные элементы электрической системы пассажирского вагона, 
поэтому для специалистов, работающих в сфере вагонного хозяйства, необходимы знания теории и понимание физической сущности 
электромагнитных, механических и химических процессов, протекающих в электрических машинах, трансформаторах и аккумуляторах 
при их работе.
От состояния элементов электрооборудования зависит комфорт 
и безопасность пассажиров. Своевременное и грамотное выполнение работ по техническому содержанию и обслуживанию основных 
элементов электроснабжения пассажирских вагонов обеспечивает 
восстановление и поддержание работоспособного состояния пассажирских вагонов.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Электрической машиной называется устройство, предназначенное 
для непрерывного преобразования ме ханической энергии в электрическую (электрический генератор) или электрической энергии 
в механическую (электрический двига тель).
Любая электрическая машина обратима, т.е. может работать в режиме и двигателя, и генератора. Принцип обратимости был установлен академиком Э.Х. Ленцем в 1883 г. Если к валу машины подводить 
механическую энергию (вращать ротор), то в машине она может 
быть преобразована в электрическую энергию — машина будет работать как генератор. Наоборот, если к обмотке той же машины 
подвести электрический ток, то электрическая энергия будет преобразовываться в механическую и машина будет работать в качестве двигателя. Однако обычно каждая машина предназ начена для 
работы в одном основном режиме, в котором обеспечи вается ее 
наилучшее использование.
В основе принципа действия электрического генератора лежит 
закон электромагнитной индукции. Согласно этому закону при движении проводника в магнитном поле в нем индуктируется ЭДС

е = Вlv, 

где В — нормальная составляющая индукции магнитного поля в точке расположения проводника; 
l — активная длина проводника, т.е. длина, на протяжении которой он 
рас положен в магнитном поле; 
v — скорость движения про водника в однородном магнитном поле в направлении, пер пендикулярном магнитным линиям.
Направление индуктированной ЭДС определяется по правилу 
правой руки (рис. 1.1). 
Если к концам проводника подключить нагрузку (потребителя), 
то по проводнику потечет ток того же направления и проводник 
будет отдавать энергию. Для возникновения ЭДС необходимо, что

бы проводник пересекал магнитные 
ли нии. Поэтому безразлично, движется ли проводник в не подвижном 
магнитном поле или движется магнитное поле, а проводник остается 
неподвижным. 
Принцип работы электрического 
двигателя заключается в следующем: 
по проводнику, находящемуся в магнитном поле, пропускается ток под 
действием подведенного извне напряжения.
В ре зультате взаимодействия этого тока с магнитным полем возникает сила, которая приведет провод 
в движение. 

F = Вli, 

где В — нормальная составляющая индукции магнитного поля в точке расположения проводника; 
l — активная длина проводника; 
i — сила тока в проводнике. Направление действия силы определяется по 
правилу левой руки (рис. 1.2). 
Электри ческая машина состоит из 
двух основных активных частей: неподвижной, называемой статором, и 
вращающейся, называемой ротором, — 
а также из конструктивных элементов: 
вала, подшипников и подшипниковых 
щитов. Ротор расположен внутри статора и отделен от него воз душным зазором толщиной от 0,1 до 100 мм. 
Статор и ротор состоят из стальных сердечников и обмо ток, выполняемых чаще всего из изолированных 
медных про водов. На роторе машины 
по стоянного тока крепят коллек тор, а 
на роторе синхронных машин — токосъемные кольца. С целью ослабления 

Рис. 1.1. Определение направления ЭДС по правилу правой 
руки

Рис. 1.2. Определение направления силы по правилу левой 
руки

вихревых токов и уменьшения магнитных потерь сердечники статора и ротора собирают из изолированных лаком тон ких листов 
электротехнической стали. Такие сердечники называют шихтованными.
Шихтованные статорные сердечники крепят в литом чугунном 
или алюминиевом корпусе. На внутренней поверхности статора и 
внешней поверхности ротора размещают обмотки. По своему назначению обмотки электрических машин делят на обмотки возбуждения, предназначенные для создания основного магнитного потока, 
и якорные обмотки, в которых при вращении ротора индук тируются 
ЭДС.
В машинах постоянного тока якорем является ротор, в машинах 
переменного тока якорем может служить наружная неподвижная 
часть (синхронные машины) или внутренняя подвижная (асинхронные машины).
Якорные обмотки электрических машин состоят из катушек или 
секций, выполненных из изолированных медных проводов. Секции 
укладывают в пазы на поверхности якоря. 
Для изоляции секций от стенок паза (пазовая, или корпусная, 
изоляция) используют электрокартон, синтетические пленки, а также композиционные мате риалы на основе синтетических пленок 
в сочетании с различными подложками из бумаги, картона или 
стеклоткани.
Уложенную и закрепленную в пазах обмотку пропитывают изоляционными лаками или компаундами, сушат и запекают при повышенной температуре. В результате пропитки повышается электрическая 
и механическая прочность изоляции обмотки, а также улучшается 
теплоотдача от проводников обмотки к сердечнику якоря.
Обмотку ротора асинхронных короткозамкнутых двигателей обычно отливают из алюминиевого сплава и не изолируют от сердечника 
(обмотка типа «беличья клетка»).
Обмотки возбуждения машин постоянного тока и синхронных 
машин переменного тока питают постоянным током, их выпол няют 
в виде катушек и размещают на полюсах. Обмоткой возбужде ния 
асинхронных машин переменного тока является многофазная статорная обмотка, которая питается многофазным переменным током 
и создает вращающееся магнитное поле. Эту обмотку выпол няют 
из секций, намотанных медным изолированным проводом. 

В зависимости от рода тока различают машины переменного и 
постоянного тока. 
Особенностью большинства машин постоянного тока является 
наличие у них специального механического пере ключающего устройства — коллектора.
Машины переменного тока подразделяются на асин хронные и синхронные. В тех и других машинах возникает вращающееся магнитное 
поле. У асинхронных машин частота вращения ротора отличается 
от частоты вращения поля, а у синхронных машин они равны.
Электрические машины, применяемые для преобразова ния рода 
тока, частоты, числа фаз переменного тока и т.д., называются электромашинными преобразо вателями.
В зависимости от закона изменения длины воздушного зазора 
вдоль окружности якоря, машины делят на явнополюсные и неявнополюсные: у первых зазор переменный, у вторых — постоян ный. 
Машины постоянного тока — явнополюсные, а асин хронные — неявнополюсные. Синхронные машины изготовляют явнополюсными 
(генераторы) и неявнополюсными (вентильные двигатели).
В зависимости от расположения осей обмоток возбуждения по 
отношению к оси ротора, различают машины радиальные, у которых оси катушек возбуждения всех полюсов направлены радиально, и осевые, имеющие катушки возбуждения, соосные с ротором. 
К радиальным относится большинство электрических машин постоянного и переменного тока, к осевым — синхронные машины 
с чередованием впадин и зубцов (подвагонные генераторы).
По способу защиты от окружающей среды электрические машины делятся на открытые, закрытые, защищенные, герметичные 
и т.д. В зависимости от способа охлаждения различают электрические ма шины с естественным воздушным охлаждением или принудительным (с самовентиляцией или с подачей воздуха от специального 
вентиля тора).
По способу возбуждения различают электрические машины с постоянными магнитами, основное магнитное поле которых создается 
постоянными магнитами (такое возбуждение применяют в машинах 
постоянного тока и синхронных машинах переменного тока небольших мощностей), и машины с электромагнит ным возбуждением, 
основное магнитное поле которых создается электромагнитами (при 
этом по обмоткам протекает постоянный ток). На рис. 1.3 представлена классификация электрических машин.

На подвижном составе применяется большое многообразие электродвигателей, отличающихся друг от друга принципами работы, 
конструкцией, габаритами, мощностью, назначением и т.д.
На вагонах электрические машины работают в более тяжелых 
условиях, чем обычные стационарные машины. Особенно машины, 
находящиеся под вагоном (генераторы, преобразователи), которые 
подвергаются воздействию пыли, дождя и снега и перепадам температур.
При использовании на вагонах электродвигатели должны обеспечивать широкое регулирование частоты вращения механизмов 
при значительных колебаниях подводимого напряжения и нагрузки. 

Рис. 1.3. Классификация электрических машин