Подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов

 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и обеспечивает автономное электроснабжение пассажирских вагонов подвижного состава. Генератор содержит корпус с концевым фланцем и ребрами жесткости, внешний статор с трехфазной обмоткой и зажимами в коробке выводов. Корпус и промежуточный фланец жестко и соосно соединены с наружным торцом буксы колесной пары. Ротор генератора выполнен двойным, т.е. на общем пустотелом валу жестко установлены наружный и внутренний сердечники с короткозамкнутыми обмотками типа "беличья клетка". Оба сердечника набраны из листов электротехнической стали, а вал конический имеет внутреннюю расточку для посадки на переходную гайку и выполнен из конструкционной стали, в виде полого цилиндра. Внутри ротора на керне, который жестко прикреплен по центру к внутренней стороне наружной крышки, установлен дополнительный внутренний статор с сердечником, трехфазной обмоткой и выводами, идущими на общие зажимы генератора. При движении вагона генератор самовозбуждается от потока остаточного намагничивания ротора и индуцирует электрические токи в обмотках внешнего и внутреннего статоров, которые суммируются на зажимах генератора, увеличивая его общую мощность. Охлаждение производится за счет поверхностного обдува воздухом при движении подвижного состава. Технический результат заключается в улучшении массо-габаритных показателей. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к железнодорожному транспорту, а более конкретно к автономным устройствам системы электроснабжения пассажирских вагонов подвижного состава, а именно к подвагонным генераторам с приводом от торца шейки оси колесной пары пассажирского вагона.

Как известно, все подвагонные генераторы электрического тока (в дальнейшем подвагонный генератор) приводятся в действие от усилий вращения колесной пары вагона и являются автономными устройствами, обеспечивающими энергоснабжение пассажирских вагонов.

К известным аналогам подвагонных генераторов с приводом непосредственно от торца шейки оси колесной пары вагона относится, например, разработанный в Германии фирмой "Lorenz" подвагонный генератор переменного тока, установленный на буксе колесной пары вагона (см. ж. "Organ fur die Fortschritte des Eizenbahnwessens", N 13, Berlin, 1930, фиг. 3; 4; 5; 6 и др.).

Указанный подвагонный генератор содержит в закрытом корпусе динамомашину (т. е. непосредственно сам генератор), центробежный выключатель, коробку передач с двумя цилиндрическими шестернями.

Кроме перечисленных основных элементов устройство содержит коробку с кабельным вводом, указатель уровня масла, масляную фрикционную соединительную муфту, показана также схема включения и управления генератором.

К недостаткам этой конструкции надо отнести наличие редуктора с цилиндрическими колесами и фрикционной муфтой, необходимость наличия жидкой смазки и пр., поскольку это значительно усложняет конструкцию.

Недостатком является и значительное увеличение габарита генератора в аксиальном направлении за счет наличия центробежного выключателя и незначительная его мощность.

Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому техническому решению является генератор по патенту EP 0518456, кл. B 61 D 43/00, который может служить и в качестве датчика скорости осей подвижного состава.

Такой генератор является синхронным трехфазным генератором переменного тока и расположен в корпусе (крышке), который встраивается в буксовый узел колесной пары вагона, а ротор генератора крепится жестко с торца оси колесной пары вагона при посредстве промежуточного торцового фланца с осью для установки ротора с помощью крепящих элементов (болтов).

Статор содержит индукционную обмотку, которая закреплена стяжным кольцом на статоре, в корпусе 18 (крышке).

На роторе по образующей наружного периметра жестко установлены постоянные магниты 16.

На верхней части корпуса (крышке) установлен выпрямитель тока и вывода.

Представлены также схемы управления при эксплуатации генератора.

Такая известная конструкция подвагонного генератора более совершенна, чем описанный выше аналог, однако и этот подвагонный генератор имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются следующие: а) генератор 10 весьма незначительной мощности и не может обеспечить электропитание вагонных электропотребителей; б) фланец 12 и корпус 18 (крышка) не имеют лабиринтного уплотнения ("Labyrinthdichtung 12'", как об этом сказано в описании), а только маслоудерживающие канавки на фланце, которые не могут обеспечить необходимую защиту обмоток возбуждения от попадания в них смазки из подшипников и продуктов износа; в) глухой корпус (крышка) не обеспечивает доступ к внутренним частям генератора при обслуживании; г) полностью отсутствует возможность контроля за величиной и равномерностью воздушного (рабочего) зазора при установке генератора на буксу вагона; д) выпрямитель, установленный в верхней части глухого корпуса (крышки), не защищен от ударов и вибрации при эксплуатации; е) ротор установлен недостаточно жестко на оси фланца (с помощью только центрального прижимного болта) и не защищен от возможности проворачивания в условиях вибрации (нет шпонки) т. е. закреплен недостаточно надежно; ж) постоянные магниты, установленные жестко на оси колесной пары, подвергаются значительным ударам и вибрациям в условиях эксплуатации, что может привести к размагничиванию ротора; з) к недостаткам конструкции надо отнести и то обстоятельство, что система крепления ротора исключает потенциальную возможность использования центральной части генератора для размещения дополнительного внутреннего статора с обмоткой возбуждения, с целью увеличения суммарной мощности подвагонного генератора; и) не использованы унифицированные детали, применяемые на железнодорожном транспорте для крепления на торце шейки оси вагона.

Таким образом, приведенный известный подвагонный генератор совершенно маломощен и имеет целый ряд существенных недостатков, что не позволяет и не может обеспечить электропитание вагонных потребителей тока, а может быть только использован, в основном, в качестве только датчика системы защиты от юза.

С другой стороны, как известно, с увеличением комфортабельности пассажирских вагонов непрерывно растет потребляемая электроэнергия, для производства которой требуется соответственно также постоянный рост мощности подвагонных генераторов, с целью более полного обеспечения вагонных потребителей, но при сохранении тех же габаритов подвагонных генераторов.

Поскольку для увеличения своей электрической мощности известный подвагонный генератор не может быть увеличен в габаритных размерах, так как он выйдет за допустимые габариты вагона, то отсюда вытекает необходимость более полно использовать внутреннюю центральную часть объема подвагонного генератора, которая в известном решении используется нерационально.

Задачей предлагаемого изобретения является создание малогабаритного (т. е. в тех же габаритах), но более мощного и одновременно простого, надежного и компактного подвагонного генератора для электроснабжения пассажирских вагонов (в дальнейшем подвагонного генератора), с приводом непосредственно от торца оси колесной пары пассажирского вагона, свободного от вышеперечисленных недостатков (см. пункты: а, б, в, г, д, е, ж, з, и).

Поставленная задача решается тем, что предлагаемое устройство представляет собой сдвоенный асинхронный (или синхронный) трехфазный подвагонный генератор переменного тока, который состоит из стального корпуса с наружной крышкой и с двумя статорами: внешним и дополнительным внутренним, с параллельно соединенными выводами от их обмоток в герметичной коробке с сальником, причем в корпусе жестко установлен внешний статор, а на наружной крышке корпуса - дополнительный внутренний.

На общем пустотелом валу (в виде короткой трубы) жестко установлен двойной ротор с сердечниками и короткозамкнутыми двойными обмотками типа "беличья клетка" (или постоянными магнитами): наружной и дополнительной внутренней.

Корпус с внешним статором крепится жестко и консольно (к примеру, болтами) посредством промежуточного фланца, соосно к корпусу буксы, а вал ротора плотно садится (с натягом) на коническую часть переходной гайки крепления подшипникового узла, которая навинчена на конце оси колесной пары вагона.

Таким образом, внешний статор и двойной ротор жестко установлены (с рабочим воздушным зазором друг к другу) и строго соосно сориентированы (сцентрированы) относительно продольной оси колесной пары вагона, при этом двойной ротор генератора кинематически является как бы продолжением шейки оси колесной пары.

На наружной крышке (изнутри), установленной на корпусе, жестко закреплен и строго сцентрирован дополнительный внутренний статор, а вывода его обмоток выходят в герметичную коробку выводов на зажимы.

Причем между внутренней поверхностью двойного ротора и наружной поверхностью дополнительного внутреннего статора образуется рабочий внутренний зазор.

Новизна предлагаемого изобретения состоит в том, что в одном генераторе находится другой (принцип "матрешки"), что значительно увеличивает электрическую мощность подвагонного генератора при тех же габаритных размерах.

Существенность отличий заключается в том, что благодаря тому, что ротор является двойным (с двойным сердечником и обмоткой: внешней и дополнительной внутренней), а генератор имеет два статора (внешний и дополнительный внутренний), это эквивалентно наличию и параллельной работе двух генераторов в одном объеме.

Таким образом, появляются новые свойства, такие, к примеру, как увеличение электрической мощности генератора без увеличения его габаритов, при свободном доступе к унифицированным элементам крепления подшипников оси колесной пары вагона, а также и к внутренним частям генератора при осмотре и проверке.

Указанные свойства увеличивают необходимую электрическую мощность для вагонных электропотребителей, обеспечивают удобство при эксплуатации и позволяют эффективно и надежно функционировать системе электроснабжения подвижного состава в любое время года, при непосредственном воздействии окружающей среды.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого технического решения относятся следующие:
- компактность всего устройства (т. е. те же габариты) при повышенной электрической мощности, обеспечивающей все потребности вагонных электропотребителей;
- высокий процент использования унифицированных деталей, применяемых на железнодорожном транспорте, по отношению к общему количеству деталей;
- при необходимости имеется возможность использования внутреннего статора в качестве датчика системы защиты от юза. (В этом случае вывода обмоток не идут на зажимы генератора, а через сальниковое уплотнение непосредственно в систему защиты от юза).

На фиг. 1 показан предлагаемый подвагонный генератор сбоку, в разрезе, вдоль продольной оси; на фиг. 2 показан предлагаемый подвагонный генератор со стороны большой наружной крышки, по стрелке А (в масштабе уменьшения), буквами обозначено: D - наружный диаметр подвагонного генератора; L - длина подвагонного генератора; H - высота подвагонного генератора с коробкой выводов.

Предлагаемый подвагонный генератор для пассажирских вагонов выполнен закрытого типа (см. фиг. 1 и 2) и является асинхронным (или синхронным) генератором трехфазного переменного тока, работающим совместно с полупроводниковым преобразователем, который устанавливается отдельно (не показан).

Подвагонный генератор состоит из следующих основных элементов: стального корпуса 1 с фланцем 2 и ребрами жесткости 3, в который встроен и закреплен статор 4, с трехфазной обмоткой 5, соединенной в "звезду", с зажимами 6 на изоляционной панели 7, в герметичной коробке выводов 8.

Коробка выводов 8 содержит крышку 9 с прокладкой 10 и сальник 11 с уплотнением для ввода соединительных проводов (кабеля).

Упрощенно, внешне, корпус 1 подвагонного генератора с наружной крышкой 41 представляет собой плоский цилиндр с наружным диаметром D и длиной L, которые относятся, примерно, как 2:1, и высотой H.

Корпус 1 жестко и соосно соединен своим фланцем 2 с помощью крепящих элементов 12 (к примеру, болтов) с промежуточным фланцем 13, который, в свою очередь, установлен жестко и соосно на наружном торце корпуса буксы 14^* также с помощью элементов 12.

При этом заходная часть 15 промежуточного фланца 13 заходит плотно в корпус буксы 14^*, а между ними (с торца буксы 14^*) установлена прокладка 16).

Промежуточный фланец 13 (со стороны статора 4) имеет кольцевую проточку 17 (лабиринтную), и своей заходной частью 15 ограничивает осевое смещение верхней обоймы 18^* роликового подшипника 19^*.

Ротор 20 генератора выполнен двойным, т.е. на общем пустотелом валу 21 жестко установлены наружный сердечник 22 и внутренний сердечник 23 с короткозамкнутыми обмотками: внешней 24 и внутренней 25, типа "беличья клетка", которые представляют собой полые медные стержни в пазах сердечников 22 и 23, замкнутые с торцов контактными кольцами 26 и 27.

С торца ротора 20 (в его поперечном сечении) стержни обмоток 24 и 25 в наружном сердечнике 22 и во внутреннем сердечнике 23 при необходимости могут быть, к примеру, сдвинуты относительно друг друга в "шахматном порядке" по окружности.

Оба сердечника 22 и 23 набраны из листов электротехнической стали, которые склеены между собой, а общий пустотелый вал 21 выточен из конструкционной стали.

Общий пустотелый вал 21 со стороны промежуточного фланца 13 с внутренней стороны имеет коническую расточку 28 под посадку с переходной унифицированной гайкой 29^*, которая имеет такой же наружный посадочный конус 30^* и которая навинчена до упора на шейку 31^* оси 32^* колесной пары.

Общий пустотелый вал 21 со стороны конической расточки 28 имеет ступицу 33 с кольцевой лабиринтной проточкой 34, а между переходной гайкой 29^* и ступицей 33 дополнительно установлена призматическая шпонка 35^*.

Со стороны резьбы переходная гайка 29^* своим торцом фиксирует внутреннюю обойму 36^* подшипника 19^*, а с противоположной стороны, с торца шейки 31^*, установлены штатные крепящие элементы, используемые широко на железнодорожном транспорте: клинья 37^*, крестовина 38^*, зубчатые сегменты 39^*, планка стопорная 40^*, тарельчатые пружины 42^* и крепящие элементы 43^* (к примеру, специальные болты) и все это с торца шейки 31^*, изнутри общего пустотелого вала 21, закреплено внутренней крышкой 44^* при помощи крепящих элементов 12.

Внутри ротора 20, на керне 46, который жестко соединен (к примеру, приварен) строго по центру с внутренней стороны наружной крышки 41, установлен дополнительный внутренний статор 47 с сердечником 48, выполненный также с трехфазной обмоткой 49, соединенный в "звезду", с выводами 50, к примеру, из гибкого многожильного провода, идущими на общие зажимы 6 и закрепленные на внутренней поверхности крышки 41 с помощью крепящих скоб 51.

Между наружной крышкой 41 (с внутренней стороны ее на центрирующем заходном буртике 52) и корпусом 1 установлена прокладка 53.

Установленный жестко на наружной крышке 41 керн 46 со стороны свободного наружного торца (для уменьшения массы при сохранении необходимой прочности) может иметь внутреннее глухое отверстие 45.

Примечание: все позиции отмеченные звездочкой (*), принадлежат к унифицированному креплению подшипников 19^*, колесной пары, с торца шейки 31^*, применяемые на железнодорожном транспорте.

При работе (т.е. при вращении оси 32^* колесной пары пассажирского вагона подвижного состава в момент движения) подвагонный генератор (см. фиг.1) самовозбуждается от потока остаточного намагничивания ротора 20 и индуцирует переменный электрический ток в обмотках 5 и 49 статора 4 и дополнительного внутреннего статора 47, который суммируется на зажимах 6, увеличивая общую мощность подвагонного генератора.

Таким образом, подвагонный генератор работает в номинальном режиме, преобразуя механическую энергию вращения от шейки 31^* оси 32^* колесной пары в электрическую энергию переменного тока, которую отдает в сеть, через полупроводниковый преобразователь, на нагрузку вагона.

Охлаждение производится за счет поверхностного обдува при движении подвижного состава.

При необходимости получения доступа к внутренним частям генератора и элементам унифицированного крепления (37^*, 38^*, 39^*, 40^*, 42^*, 43^*) на шейке 31^*, оси 32^*, колесной пары, достаточно отсоединить концы выводов 50 на зажимах 6, вывинтить болты крепления 12 на наружной крышке 41 и, перемещая ее поступательно, вдоль продольной оси генератора (на фиг.1 - влево) вывести из сцепления с корпусом 1 заходные буртики 52, а затем при дальнейшем перемещении вытягиваются вывода 50 из герметичной коробки 8 и дополнительный внутренний статор 47 на наружной крышке 41 совместно.

При сборке все операции производятся в обратном порядке.

При создании устройства автономного энергоснабжения пассажирского вагона весьма актуальной задачей является создание мощного и компактного подвагонного генератора, обеспечивающего экономичность системы энергоснабжения, чему и отвечает предлагаемое техническое решение.

Отсюда очевидно, что наиболее рационально использовать генератор на железнодорожном транспорте для автономного энергоснабжения пассажирских вагонов подвижного состава, в том числе и скоростного.

Учитывая преимущества (см. выше) предлагаемого подвагонного генератора, целесообразно модернизировать старые известные системы энергоснабжения, особенно с клиноременными приводами от шейки оси колесной пары вагона, и наладить выпуск новых, поскольку эти производственные затраты быстро окупятся при эксплуатации и применении предложенного подвагонного генератора, что даст значительный экономический эффект.

Формула изобретения

Подвагонный генератор для электроснабжения пассажирских вагонов, содержащий статор, выполненный с трехфазной обмоткой и прикрепленный посредством промежуточного фланца и крепежных элементов к торцу корпуса буксы, ротор, жестко и соосно связанный с концом приводной оси колесной пары, герметичный корпус, охватывающий статор и ротор и снабженный наружной и внутренней крышками, коробкой выводов с зажимами для статорной обмотки и сальником, отличающийся тем, что ротор выполнен двойным с установленными на общем пустотелом валу наружным и внутренним сердечниками, на которые нанесены соответственно внешняя и внутренняя короткозамкнутые обмотки, а внутри ротора на керне, жестко прикрепленном к внутренней стороне наружной крышки по ее центру, установлен дополнительный статор, выполненный с трехфазной обмоткой, соединенной с упомянутыми зажимами в коробке выводов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2