ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесной паре, и может быть применена в моторвагонном подвижном составе, в трамваях и городских электропоездах.
Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо, размещенное на раме тележки посредством подшипниковой опоры, электродвигатель, размещенный внутри колеса, и планетарную зубчатую передачу (См. Hondius, Н. Metro Report / Н. Hondius. - 1999. - С. 21-25.). Такой тяговый привод применен на трамвае Cityrunner фирмы Bombardier.
Недостатком указанного тягового привода является возможность ухудшения условий сцепления колеса с рельсом (наличие на рельсе влаги, мазута, смазочного масла и т.п.) 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 (См. Neudorfer, Н. Glasers Annalen / Н. Neudorfer. - 2001. - №6/7. - P. 237-242.).
Недостаток указанного тягового привода, примененного в трамвае Variobahn фирмы Bombardier, тот же, что и указанного выше, поскольку его конструкция не содержит элементов, дополнительно влияющих на сцепление колеса с рельсом.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран тяговый привод экспериментальной тележки для железных дорог Японии (См. Sakai, М. Japanese Railway Engineering / М. Sakai, K. Oda. - 1999. - №143. - С. 12-15.), содержащий колесо, размещенное на неподвижной оси с помощью вращающейся опоры, и электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, а ротор связан с колесом. При этом 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.
Недостаток прототипа тот же, что и у приводов, указанных выше, поскольку при его работе 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 (См. В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. Моделирование сцепления колеса с рельсом. Орел, ОрелГТУ, 2007, С. 95-101), что, в частности, объясняется возникновением магнитопластического эффекта. По данным исследований (См. 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 наличием дополнительного сцепления их поверхностей за счет присутствия между ними ферромагнитной жидкости - жидкого смазочного материала, содержащего ферромагнитные частицы металлической пыли (См. Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005, С. 137). Магнитная проницаемость зазора между поверхностями металлов увеличивается в 1,5-2 раза.
Известны синхронные (вентильные) электродвигатели с аксиальным или аксиально-радиальным направлением магнитного потока, в которых статор и/или ротор выполнены в виде диска (См. 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).
Известны вентильно-индукторные электродвигатели, принцип действия которых основан на свойстве ферромагнитных тел ориентироваться во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы пронизывающий их магнитный поток принимал максимальное значение (Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - М.:, Издательство МЭИ, 2003. С. 7-11). Статор вентильно-индукторных электродвигателей имеет фазные катушки, на которые подаются однополярные импульсы напряжения прямоугольной формы от преобразователя напряжения а ротор - зубцы.
Известно, что поверхности колеса и рельса при движении железнодорожного экипажа изнашиваются с образованием продуктов износа в виде ферромагнитной пыли.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении производительности железнодорожного транспортного средства путем улучшения его тяговых свойств по условию сцепления колеса с рельсом.
Это достигается тем, что в тяговом приводе железнодорожного транспортного средства, содержащем колесо, размещенное на неподвижной оси с помощью вращающейся опоры и синхронный электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, а ротор связан с колесом, зубцы ротора синхронного электродвигателя выполнены торцевыми на самом колесе, статор выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками, на оси размещена обмотка подмагничивания с каркасом из немагнитного материала, на котором установлен статор, обмотка подмагничивания соединена с источником тока, при этом величина тока в обмотке подмагничивания определяется подчиненной системой регулирования, состоящей из регулятора тока, сигнал на который поступает с выхода сумматора, сравнивающего сигнал задания величины тягового усилия колеса, поступающего с блока установки, с сигналами действительной величины тягового усилия каждого из колес, поступающих с датчиков тягового усилия каждого из колес.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображен общий вид тягового привода железнодорожного транспортного средства, а на фиг. 2 - вид статора с торца.
Тяговый привод железнодорожного транспортного средства (Фиг. 1) содержит колесо 1, размещенное на неподвижной оси 2 с помощью вращающейся опоры 3 и синхронный электродвигатель 4, статор 5 которого закреплен на оси 2 колеса 1, а ротор 6 связан с колесом 1.
Зубцы 7 ротора 6 синхронного электродвигателя 4 выполнены торцевыми на самом колесе, статор 5 выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками 8, на оси 2 размещена обмотка подмагничивания 9 с каркасом 10 из немагнитного материала, на котором установлен статор 5, обмотка подмагничивания 9 соединена с источником тока 11, при этом величина тока в обмотке подмагничивания 9 определяется подчиненной системой регулирования, состоящей из регулятора тока 12 (РТ), сигнал на который поступает с выхода сумматора 13 (Σ), сравнивающего сигнал задания величины тягового усилия колеса, поступающего с блока установки 14 (У), с сигналами действительной величины тягового усилия каждого из колес, поступающих с датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) и 16 (ДТ2) каждого из колес 1.
Предлагаемый тяговый привод работает следующим образом. При движении в режиме выбега колеса 1 свободно катятся по рельсам, вращаясь на подшипниках 3, расположенных на неподвижной оси 2. При движении в режиме тяги на торцевые фазные обмотки 8 подаются однополярные импульсы напряжения прямоугольной формы от преобразователя напряжения (на Фиг. 1 и 2 не показан) в соответствии с угловым положением колеса 1, При этом статоры 5 синхронных электродвигателей 4, вследствие того, что они выполнены в виде дисков с торцевыми фазными обмотками 8, создают в осевом направлении магнитный поток, часть которого, вследствие того, что зубцы 7 расположены на колесах 1, проходит через контакт колес 1 с рельсами. Поскольку ось 2, на которой расположены статоры 5 синхронных электродвигателей 4, не вращается, то магнитное поле, создаваемое обмотками статоров 5, вращаясь относительно зубцов 7 колес 1, практически не меняет своего положения относительно оси, через контакт колес 1 с рельсами проходит магнитный поток, близкий к постоянному по направлению, что приводит к увеличению коэффициента сцепления колес 1 с рельсами. В случае присутствия на поверхности колеса или рельса смазочного масла, в масло поступают продукты износа в виде ферромагнитной пыли, которые всегда присутствуют на пути. Продукты износа вместе с попавшим на рельсы смазочным маслом образуют ферромагнитную жидкость. Взаимодействие магнитного поля с ферромагнитной жидкостью в точке контакта колес 1 с рельсами приводит к тому, что величина коэффициента сцепления колес 1 с рельсами не уменьшается, что предотвращает возникновение буксования колеса. На сумматор 13 (Σ) поступают сигналы датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) и 16 (ДТ2), пропорциональный тяговому усилию, развиваемому левым и правым колесами 1, и сигнал блока установки 14 (У), пропорциональный силе тяги колеса 1, требуемой для данного режима движения, и задаваемой системой управления рельсового транспортного средства. Если сигналы обоих датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) и 16 (ДТ2) больше или равны сигналу блока установки 14 (У), на выходе сумматора 13 (Σ) нет сигнала, регулятор тока 12 (РТ) закрыт и ток от источника тока 11 не проходит через обмотку подмагничивания 9.
В случаях, когда необходимо развивать предельную силу тяги (при трогании состава с места или на руководящем подъеме), коэффициент сцепления одного или обоих колес 1 с рельсами может оказаться недостаточным для реализации силы тяги и приводить к проскальзыванию одного или обоих колес 1 по рельсам. Проскальзывание любого колеса 1 по рельсу вызывает снижение реализуемой силы тяги по сравнению с заданной, вследствие чего сигнал датчика тягового усилия 15 (ДТ1) или 16 (ДТ2) становится меньше сигнала блока установки 14 (У). Если сигнал одного из датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) или 16 (ДТ2), или обоих датчиков становится меньше сигнала блока установки 14 (У), на выходе сумматора 13 (Σ) появляется сигнал, пропорциональный разности сигнала блока уставки 14 (У) и наименьшего из сигналов датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) и 16 (ДТ2). Сигнал с выхода сумматора 13 (Σ) поступает на регулятор тока 12 (РТ), который открывается и от источника тока 11 через обмотку подмагничивания 9 проходит ток, пропорциональный сигналу с выхода сумматора 13 (I), при этом обмотка подмагничивания 9 создает дополнительный магнитный поток, который, складываясь с магнитным потоком, создаваемым торцевыми фазными обмотками 8, увеличивает его, что приводит к увеличению магнитного потока, проходящий через контакт колес 1 рельсами, увеличению коэффициента сцепления колес 1 и рельсов и прекращению проскальзывания.
После прекращения проскальзывания сила тяги одного или обоих колес увеличивается, сигналы датчиков тягового усилия 15 (ДТ1) и 16 (ДТ2), становятся больше сигнала блока установки 14 (У), сигнал на выходе сумматора 13 (Σ) исчезает, регулятор тока 12 (РТ), закрывается, и ток через обмотку подмагничивания 9 не проходит.
Каркас 10 обмотки подмагничивания 9 служит для крепления обмотки подмагничивания 9 и статоров 4 на оси 2. Пространство между двигателями может быть использовано для размещения прохода для пассажиров низкопольного транспортного средства.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что в результате выполнения тягового электродвигателя в виде машины с аксиальным магнитным потоком и использования в качестве ротора самого колеса, снабженного торцевыми зубцами, часть магнитного потока, создаваемого статором тягового электродвигателя, проходя через колесо и контакт колеса с рельсом, воздействует на ферромагнитную жидкость, образующуюся в результате впитывания попавшим в контакт колеса и рельса маслом продуктов износа поверхностей колеса и рельса и пропускания тока через обмотку подмагничивания при проскальзывании любого из колес по рельсу, магнитный поток, проходящий через контакт колеса и рельса, позволяет исключить скольжение колес по рельсу и повысить тем самым тяговые свойства железнодорожного транспортного средства и его производительность.