Тяговый привод локомотива

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесной паре.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий статор тягового электродвигателя, опирающийся на буксы, и ротор, размещенный на оси колесной пары (см. Бирюков И.В, Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М., Транспорт, 1986, С. 10-11, рис. 1.2).
Недостатком известного тягового привода, примененного на электровозах Лондонской подземной дороги, является высокая неподрессоренная масса привода, приводящая к увеличению воздействия на путь (см. Бирюков И.В, Беляев А.И., Рыбников Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М., Транспорт, 1986, С. 10-11).
Известен тяговый привод, содержащий тяговый электродвигатель, колесную пару, ось которой проходит через полый вал электродвигателя, и соединяющего его с колесной парой компенсационную муфту (см. Механическая часть подвижного состава: Учебник для вузов ж.д. трансп. / И.В. Бирюков, А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак и др.; Под ред. И.В. Бирюкова. - М.: Транспорт, 1992, С. 346-349, рис. 13.47).
Недостатком данного тягового привода, примененном на локомотиве 85Е0 фирмы «Шкода», является сложность его устройства и ремонта, поскольку для замены подшипников тягового электродвигателя требуется расформирование колесной пары.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий статор тягового электродвигателя в виде двух полюсов с установленными на них обмотками возбуждения, расположенный на раме тележки, ротор в виде цилиндра с установленными на нем якорными обмотками, расположенный на оси колесной пары, и устройство коммутации обмоток в зависимости от углового положения ротора в виде коллекторно-щеточного аппарата, (см. Медель, В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Т. 1: Конструкция и динамика: учеб. пособие / В.Б. Медель. - М.: Трансжелдориздат, 1957, С. 196, рис. 290).
Такой привод, примененный для электровоза ЕР-2 фирмы «Дженерал Электрик», не содержит подшипников тягового электродвигателя. Недостаток указанного тягового привода состоит в плохом использовании активных материалов двигателя вследствие необходимости выполнения воздушного зазора большой величины, неудовлетворительной коммутации и ненадежной работы коллектора, а также увеличения воздействия на путь вследствие большого веса цилиндрического ротора (см. Медель, В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Т. 1: Конструкция и динамика: учеб. пособие / В.Б. Медель. -М.: Трансжелдориздат, 1957, С. 196).
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран тяговый привод локомотива, содержащий статор тягового электродвигателя, расположенный на раме тележки, ротор, расположенный на колесной паре и устройство коммутации обмоток в зависимости от углового положения ротора, при этом статор тягового электродвигателя выполнен в виде нескольких частей дисков с установленными на них обмотками, ротор выполнен в виде нескольких дисков с установленными на них постоянными магнитами, а устройство коммутации обмоток в зависимости от углового положения ротора выполнено в виде автономного инвертора тока, управляемого вычислительным устройством, определяющим угол коммутации для каждой из обмоток статора в зависимости от угла поворота ротора, определяемого с помощью датчика положения ротора, размещенного на буксе колесной пары и связанного с торцом оси колесной пары, и корректирующим угол коммутации для каждой из обмоток статора в зависимости от расстояния между колесной парой и тележкой, определяемого датчиком измерения расстояния между колесной парой и тележкой, связанным с буксой колесной пары и рамой тележки, обеспечивая постоянство угла опережения вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, относительно постоянных магнитов ротора, независимо от положения колесной пары относительно рамы тележки (см. Тяговый привод локомотива. Антипин Д.Я., Воробьев В.И., Измеров О.В., Бондаренко Д.А., Пугачев А.А., Космодамианский А.С., Новиков В.Г. Заявка №2015144926/11 (069163) Дата подачи заявки 19.10.2015. (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель)).
Недостатком указанного тягового привода является расположение ротора двигателя на оси колесной пары, что препятствует использованию данного тягового привода для локомотивов в скоростном движении, где необходимо добиваться минимальной неподрессоренной массы, поскольку прохождение колесом стыковой неровности связано со значительным ударным воздействием колеса на рельс, изменяющимся пропорционально неподрессоренной массе (см. Развитие локомотивной тяги / [Н.А. Фуфрянского, А.Н. Долганов, А.С. Нестрахов и др.]; Под ред. Н.А. Фуфрянского, А.Н. Бевзенко, М. Транспорт 1982, С. 195-196.). Это ударное воздействие приводит к росту расходов на ремонт пути. Это ударное воздействие приводит к росту расходов на ремонт пути и увеличению расхода материалов на изготовление дисков, чтобы они имели достаточную прочность.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении затрат на ремонт пути при эксплуатации локомотива путем снижения воздействия на путь и снижения расхода материалов на изготовление дисков путем снижения нагрузок на них и облегчения их конструкции.
Это достигается тем, что в тяговом приводе локомотива, содержащем статор тягового электродвигателя, расположенный на раме тележки, ротор, расположенный на колесной паре и устройство коммутации обмоток в зависимости от углового положения ротора, при этом статор тягового электродвигателя выполнен в виде нескольких частей дисков с установленными на них обмотками, ротор выполнен в виде нескольких дисков с установленными на них постоянными магнитами, а устройство коммутации обмоток в зависимости от углового положения ротора выполнено в виде автономного инвертора тока, управляемого вычислительным устройством, определяющим угол коммутации для каждой из обмоток статора в зависимости от угла поворота ротора, определяемого с помощью датчика положения ротора, размещенного на буксе колесной пары и связанного с торцом оси колесной пары, и корректирующим угол коммутации для каждой из обмоток статора в зависимости от расстояния между колесной парой и тележкой, определяемого датчиком измерения расстояния между колесной парой и тележкой, связанным с буксой колесной пары и рамой тележки, обеспечивая постоянство угла опережения вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, относительно постоянных магнитов ротора, независимо от положения колесной пары относительно рамы тележки, диски ротора закреплены на полом валу, опирающемся на колесную пару с помощью упругих элементов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид, на фиг. 2 расположение магнитов, на фиг. 3 сечение А-А.
Предлагаемый тяговый привод локомотива (Фиг. 1) содержит статор тягового электродвигателя 1, расположенный на раме тележки 2 и ротор 3, расположенный на колесной паре 4. Ротор 3 выполнен в виде нескольких дисков, в отверстиях которых равномерно по окружности установлены постоянные магниты 5. Статор 1 выполнен в виде нескольких частей дисков, на котором установлены обмотки 6 на равном радиальном расстоянии от оси колесной пары, при этом число обмоток 6 кратно числу пар магнитов 5. Устройство коммутации обмоток 6 в зависимости от углового положения ротора 3 выполнено в виде автономного инвертора тока 7 (АИТ), которым управляет вычислительное устройство 8 (ВУ), на которое, в свою очередь, поступают сигналы от датчика 9 положения ротора, расположенного на буксе 10 на оси колесной пары 4 и связанного с торцом оси колесной пары 4, и от датчика 11 расстояния между колесной парой 4 и рамой тележки 2, связанного с буксой 10 и рамой тележки 2.
Диски ротора 3 закреплены на полом валу 12, связанном с колесной парой 4 с помощью упругих элементов 13.
1
Предлагаемый тяговый привод работает следующим образом. Датчик 9 положения ротора передает на вычислительное устройство 8 (ВУ) информацию в виде цифрового кода об угловом положении колесной пары 4 и связанного с ней через полый вал 12 и упругие элементы 13 ротора 3. Вычислительное устройство 8 (ВУ) в зависимости от углового положения ротора 3 управляет автономным инвертором тока 7 (АИТ), который подает ток на обмотки 6 статора 1 синхронно с угловым положением ротора 3, при этом магнитное поле, создаваемое обмотками 6, взаимодействует с магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами 5, создавая крутящий момент на роторе 3, который, в свою очередь, передается через полый вал 12 и упругие элементы 13 колесной паре 4, создавая тяговое усилие локомотива. При колебаниях тепловоза на рессорном подвешивании, вызванных проездом неровностей пути, обмотки 6 статора 1 свободно перемещаются в вертикальном направлении в зазоре между дисками ротора 3 с магнитами 5, при этом упругие элементы 13, соединяющие колесную пару 4 с полым валом 12, на котором закреплены диски ротора 3, смягчают удары, возникающие при проезде неровностей пути (стыков, стрелок, боксовин). При вертикальном перемещении дисков ротора 3 (Фиг. 2) относительно обмоток 6 статора 1, магнит 5 перемещается в положение, показанное на фиг. 2 как позиция 5, угол между установленными на дисках ротора 3 постоянными магнитами 5 и обмотками 6 статора 1 изменяется на величину
,
где ϕ - угол между серединой постоянного магнита 5 и вертикалью;
R - средний радиус расположения постоянных магнитов 5;
Y - вертикальное перемещение колесной пары 4 относительно рамы тележки 2.
Таким образом, вертикальное перемещение колесной пары 4 относительно рамы тележки 2 приводит к увеличению угловой скорости движения постоянных магнитов 5 относительно обмоток 6, если вертикальная составляющая перемещения постоянных магнитов 5 при вращении колесной пары 4 направлена в ту же сторону, что и перемещение колесной пары 4, и к уменьшению угловой скорости движения постоянных магнитов 5 относительно обмоток 6, если вертикальная составляющая перемещения постоянных магнитов 5 при вращении колесной пары 4 направлена в сторону, противоположную перемещению колесной пары 4, что приводит к нарушению синхронности между перемещением постоянных магнитов 5 и вращением магнитного поля статора, вызванного переключением обмоток 6. Для обеспечения устойчивой работы автономного инвертора тока 7 (АИТ) в соответствии с изменением угла коммутации обмоток, на вычислительное устройство 8 (ВУ) подается сигнал в виде цифрового кода от датчика 11 расстояния между колесной парой 4 и рамой тележки 2, на основании которого вычислительное устройство 8 (ВУ) определяет поправку угла коммутации каждой из обмоток 6 на основании приведенной формулы, в соответствии с изменением расстояния между колесной парой 4, с которой ротор 3 связан с помощью полого вала 12 и упругих элементов 13, и рамой тележки 2 с расположенным на ней статором 1. Поскольку упругие элементы 13 расположены на дисках колес колесной пары 4, доступных снаружи локомотива, осмотр и, при необходимости, их замена, не создает существенных трудностей в эксплуатации.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что размещение дисков ротора на полом валу, связанном с колесной парой упругими элементами, позволяет смягчить удары при прохождении неровности пути и снизить воздействие локомотива на путь, что, в свою очередь, позволяет снизить затраты на ремонт пути при эксплуатации локомотива и затраты материала на изготовление дисков за счет возможности облегчить их конструкцию.