Тяговый привод рельсового транспортного средства

Изобретение относится к электрическим системам передач для рельсовых транспортных средств. Тяговый привод рельсового транспортного средства содержит колесо, размещенное на оси колеса с помощью вращающейся опоры, выполненной в виде подшипников, и электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса. При этом ротором электродвигателя является само колесо с выполненными на нем торцевыми зубцами. Статор выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками и обмоткой подмагничивания. Обмотка подмагничивания подключена к источнику тока через регулятор тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор, два входа которого подключены к выходам блока уставки и датчика тягового усилия, а выход сумматора связан с входом регулятора тока. Технический результат заключается в повышении тяговых свойств рельсового транспортного средства. 1 ил.

 

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесной паре.

Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо, размещенное на раме тележки посредством подшипниковой опоры, электродвигатель, размещенный внутри колеса, и планетарную зубчатую передачу (Ходовые части трамвайных вагонов: учеб. справочник / Н.С. Бачурин, А.А. Красниченко, Д.Ю. Шавырин. - Екатеринбург: УрГУПС, 2011. - С. 32-33, рис. 20). Такой тяговый привод применен на трамвае Cityrunner фирмы Bombardier.

Недостатком указанного тягового привода является возможность ухудшения сцепления колеса с рельсом вследствие попадания на рельс смазочного масла, что приводит к недоиспользованию мощности тягового электродвигателя вследствие ограничения усилия тяги.

Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо и электродвигатель с внешним ротором, статор которого размещен на оси тележки, а колесо - на внешнем роторе электродвигателя (Две базовые концепции высокоскоростных электропоездов и их сравнительная технико-экономическая оценка / И.В. Гурлов, А.П. Епифанов, М.В. Жилин, А.-Я.Ю. Пармас, В.М. Пивоваров. // Известия Петербургского университета путей сообщения, 2009. - №1. - С. 14, рис. 7).

Недостаток указанного тягового привода, примененного в трамвае Variobahn фирмы Bombardier, тот же, что указан выше, поскольку его конструкция не содержит элементов, дополнительно влияющих на сцепление колеса с рельсом.

В качестве прототипа выбран тяговый привод экспериментальной тележки для железных дорог Японии, содержащий колесо, размещенное на неподвижной оси с помощью вращающейся опоры, и синхронный электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, а ротор связан с колесом (Energy Saving Technologies for Railway Traction Motors / Koichi Matsuoka, Minoru Kondo // IEEJ Trans 2010. - №5. - P. 282-283, Fig 15).

Недостаток прототипа тот же, что и у приводов, указанных выше, поскольку синхронный электродвигатель выполнен в виде машины с цилиндрическим ротором и радиальным магнитным потоком, вследствие чего магнитный поток полностью замыкается внутри самой машины, не проходя через колесо и не воздействуя на место контакта колеса и рельса. Вследствие этого, при работе тягового привода не возникает явлений, дополнительно влияющих на коэффициент сцепления колеса с рельсом.

Известно, что коэффициент сцепления колеса с рельсом может быть увеличен путем воздействия на место контакта колеса и рельса магнитного поля (Моделирование сцепления колеса с рельсом / В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - С. 95-101), что, в частности, объясняется возникновением магнитопластического эффекта. По данным исследований (Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005. - С. 136, таблица 5.1), воздействие магнитного поля на пару трения «сталь по стали» при величине индукции В=0,45 Тл приводило к росту коэффициента сцепления с 0,222 до 0,487 при сухих поверхностях, и с 0,2 до 0,571 при наличии смазки. Большее значение коэффициента трения при движении ферромагнитных металлов относительно друг друга в присутствии смазочного материала по сравнению с немагнитными объясняется (Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005. - С. 137) наличием дополнительного сцепления их поверхностей за счет присутствия между ними ферромагнитной жидкости - жидкого смазочного материала, содержащего ферромагнитные частицы металлической пыли. Магнитная проницаемость зазора между поверхностями металлов увеличивается в 1,5-2 раза.

Известны синхронные (вентильные) электродвигатели с аксиальным направлением магнитного потока, в которых статор и/или ротор выполнены в виде диска (Андреев Ю.М., Исаакян К.Г., Машихин А.Д. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе / под ред. А.П. Пролыгина. - М.: Энергия, 1979. - С. 229, рис. 7-9).

Известно, что поверхности колеса и рельса при движении железнодорожного экипажа изнашиваются с образованием продуктов износа в виде ферромагнитной пыли.

Техническая проблема состоит в повышении производительности рельсового транспортного средства путем улучшения его тяговых свойств по условию сцепления колеса с рельсом.

Техническая проблема достигается тем, что в тяговом приводе рельсового транспортного средства, содержащего колесо, размещенное на оси колеса с помощью вращающейся опоры, выполненной в виде подшипников, и электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, причем ротором электродвигателя является само колесо с выполненными на нем торцевыми зубцами, статор выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками и обмоткой подмагничивания, подключенной к источнику тока через регулятор тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор, два входа которого подключены к выходам блока уставки и датчика тягового усилия, а выход сумматора связан со входом регулятора тока.

Технический результат заключается в исключении скольжения колеса по рельсу, улучшении тем самым тяговых свойств рельсового транспортного средства и его производительности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана схема тягового привода рельсового транспортного средства.

Тяговый привод рельсового транспортного средства содержит колесо 1, размещенное на неподвижной оси 2 с помощью вращающейся опоры в виде подшипников 3, и электродвигатель, статор 4 которого закреплен на оси 2 колеса 1. При этом ротором электродвигателя служит само колесо 1, для чего на нем выполнены торцевые зубцы 5, статор 4 выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками 6 и обмоткой 7 подмагничивания, которая подключена к источнику 8 тока через регулятор 9 тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор 10, два входа которого подключены к выходам блока 11 уставки и датчика 12 тягового усилия, а выход сумматора 10 связан со входом регулятора 9 тока. На основании 13 размещен рельс 14.

Тяговый привод работает следующим образом.

Колесо 1 устанавливают на рельс 14. При движении в режиме выбега колесо 1 свободно катится по рельсу 14, вращаясь на подшипниках 3, расположенных на неподвижной оси 2. При движении в режиме тяги на торцевые фазные обмотки 6 подаются однополярные импульсы напряжения прямоугольной формы от преобразователя напряжения (на рисунке не показан) в соответствии с угловым положением колеса 1, При этом статор 4, вследствие того, что он выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками 6, создает в осевом направлении магнитный поток, часть которого, вследствие того, что зубцы 5 расположены на колесе 1, проходит через контакт колеса 1 с рельсом 14. Поскольку ось 2, на которой расположен статор 4 электродвигателя, не вращается, то магнитное поле, создаваемое обмотками статора, вращаясь относительно зубцов 5 колеса 1, практически не меняет своего положения относительно оси 2, через контакт колеса 1 с рельсом 14 проходит магнитный поток, близкий к постоянному по направлению, что приводит к увеличению коэффициента сцепления колеса 1 с рельсом 14. В случае присутствия на поверхности колеса 1 или рельса 14 смазочного масла, в масло поступают продукты износа в виде ферромагнитной пыли, которые всегда присутствуют на пути. Продукты износа вместе с попавшим на рельсы 14 смазочным маслом образуют ферромагнитную жидкость. Взаимодействие магнитного поля с ферромагнитной жидкостью в точке контакта колеса 1 с рельсом 14 приводит к тому, что величина коэффициента сцепления колеса 1 с рельсом 14 не уменьшается, что предотвращает возникновение буксования колеса 1. При этом на сумматор 10 поступает сигнал датчика 12 тягового усилия, пропорциональный тяговому усилию, развиваемому осью 2, и сигнал блока 11 уставки, пропорциональный силе тяги колеса 1, требуемой для данного режима движения и задаваемой системой управления рельсового транспортного средства. Если сигнал датчика 12 тягового усилия больше или равен сигналу блока 11 уставки, на выходе сумматора 10 нет сигнала, регулятор 9 тока закрыт и ток от источника 8 тока не проходит через обмотку 7 подмагничивания.

В случаях, когда необходимо развивать предельную силу тяги (при трогании состава с места или на руководящем подъеме), коэффициент сцепления колеса 1 с рельсом 14 может оказаться недостаточным для реализации силы тяги и приводить к проскальзыванию колеса 1 по рельсу 14. Проскальзывание колеса 1 по рельсу 14 вызывает снижение реализуемой силы тяги по сравнению с заданной, вследствие чего сигнал датчика 12 тягового усилия становится меньше сигнала блока 11 уставки, в результате чего на выходе сумматора 10 появляется сигнал, пропорциональный разности сигнала блока 11 уставки и сигнала датчика 12 тягового усилия, сигнал с выхода сумматора 10 поступает на регулятор 9 тока, который открывается, и от источника 8 тока через обмотку 7 подмагничивания проходит ток, пропорциональный сигналу с выхода сумматора 10, при этом обмотка 7 подмагничивания создает дополнительный магнитный поток, который, складываясь с магнитным потоком, создаваемым торцевыми фазными обмотками 6, увеличивает его, что приводит к увеличению магнитного потока, проходящего через контакт колеса 1 с рельсом 14, увеличению коэффициента сцепления колеса 1 и рельса 14 и прекращению проскальзывания.

Тяговый привод рельсового транспортного средства, содержащий колесо, размещенное на оси колеса с помощью вращающейся опоры, выполненной в виде подшипников, и электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, отличающийся тем, что ротором электродвигателя является само колесо с выполненными на нем торцевыми зубцами, статор выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками и обмоткой подмагничивания, подключенной к источнику тока через регулятор тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор, два входа которого подключены к выходам блока уставки и датчика тягового усилия, а выход сумматора связан со входом регулятора тока.