Блок силового резистора электротранспортного средства

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к конструкции блока силового резистора, охлаждаемого набегающим потоком воздуха, для электротранспорта, и может быть использована для разработки изделий этого вида - как в городском электротранспорте, так и в вагонах электропоездов и метро.
Известен блок мощного воздухоохлаждаемого резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №168740. Блок содержит корпус, выполненный в виде кожуха на установочной раме с рядным расположением воздухопроницаемых резистивных элементов, опоры, входные и выходные вентиляционные отверстия. Резистивные элементы имеют двухрядное расположение с горизонтальной ориентацией резистивных элементов. Кожух выполнен бескаркасным составным, включающим ограждающие конструкции, формирующие призматическое пространство для размещения резистивных элементов. Сами ограждающие конструкции соединены между собой и закреплены на раме болтовыми соединениями и состоят, в основном, из плоских листовых деталей, кроме крыши, выполненной с пирамидальными выдавками выпуклостью вверх с вершинами над самыми нагреваемыми точками резистивных элементов, и боковых стенок, выполненных в их верхних частях с отогнутыми бортами, направленными в сторону продольной оси кожуха. При этом в нижних частях торцевых и боковых стенок и в отогнутых бортах выполнены массивы вентиляционных отверстий. В крышевых деталях выполнены сплошные массивы вентиляционных отверстий, в днищевых деталях - сплошные массивы отштампованных вентиляционных жалюзи. Опоры выполнены в виде четырех демпферов, установленных по концам установочной рамы.
Известен также блок воздухоохлаждаемого ленточного резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №36563. Блок содержит опору в виде боковин, стяжные шпильки с изоляторами, металлический резистивный элемент, установленный на изоляторах с помощью держателей. Опоры боковин, несущие стяжные шпильки, выполнены из электроизоляционного материала. Изоляторы выполнены цилиндрическими с аксиальными двухсторонними цилиндрическими поднутрениями, в которые установлены изоляционные втулки, несущие держатели резистивного элемента.
Известен также блок резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №167203. Блок состоит из резистивного элемента, закрепленного на держателях, стянутого шпильками с диэлектрическими изоляторами. На плоской поверхности резистивного элемента, вдоль продольной оси, выполнены ребра жесткости в виде трапециевидной выемки, расположенные двумя параллельными рядами.
Однако данная конструкция сложна в изготовлении, поскольку требует дополнительно дорогостоящей оснастки для названной формовки ребер жесткости резистивных элементов.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является резистивный узел тормозного резистора, описанный в патенте RU на полезную модель №168031. Узел содержит воздухопроницаемые зигзагообразные резистивные элементы с токовыводами по концам, установленные в опорно-крепежной арматуре и механически соединенные между собой с возможностью электрического соединения через токовыводы, элементы жесткости и термокомпенсации резистивных элементов. Воздухопроницаемые зигзагообразные резистивные элементы имеют ярусное расположение и выполнены составными из прямоугольных пластин с изогнутыми в противоположные стороны концами, кроме крайних пластин. Свободные концы последних выполнены без изгиба соединенными между собой неразъемными токопроводящими соединениями. Опорно-крепежная арматура представляет собой совокупность расположенных с двух сторон от воздухопроницаемых зигзагообразных резистивных элементов боковых пластин с отбортованными кромками, параллельными длинной стороне пластин резистивных элементов, стяжных шпилек с набором крепежных изделий и комплекта изоляторов. Элементы жесткости конструктивно оформлены в виде сочетания крестообразных и продольных рифтов, отштампованных на пластинах резистивных элементов, и промежуточных изоляторов с фиксирующими шайбами, установленных между пластинами резистивных элементов. Элементы термокомпенсации выполнены в концах пластин резистивных элементов в виде овальных установочных отверстий, ориентированных вдоль их длинной стороны. Токовыводы выполнены в виде присоединенных к концам крайних пластин резистивных элементов неразъемными токопроводящими соединениями токовыводных пластин с крепежными отверстиями для формирования электрических соединений и термокомпенсаторами в виде овальных установочных отверстий, позиционно совпадающими с соответствующими овальными установочными отверстиями в концах крайних пластин резистивных элементов.
Недостатком наиболее близкого аналога является большая вероятность жесткой фиксации резистивных элементов в местах их крепления на изоляторах, прогиба пластин на участках между этими креплениями при их термическом расширении и возможного их замыкания, а также их возможный перегрев.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение гарантированного свободного перемещения пластин в местах их крепления на изоляторах с обеспечением гарантированной величины относительного зазора для предотвращения прогиба и замыкания пластин.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в блоке силового резистора электротранспортного средства, представляющем собой ряды резистивных элементов в виде металлических пластин, установленных параллельно друг за другом, электрически и механически соединенных между собой и заключенных между опорными пластинами – левой и правой - по обе стороны ряда, выполненного с возможностью размещения в опорно-крепёжной арматуре, при этом в пластинах сквозь выполненные в них отверстия пропущены зафиксированные на тыльных сторонах опорных пластин шпильки с резьбой, с насаженными на них в направлении от одной опорной пластины до другой рядами изоляторов, каждый из изоляторов выполнен в виде ступенчатообразной таблетки из двух разновеликих частей и меньшей частью в виде выступа входит в отверстие близлежащей пластины с образованием относительного зазора между пластиной и изолятором, величина которого подчиняется соотношению:
0,1 ≤  ≤ 0,4,  (1),
где 0,1 ÷ 0,4 - диапазон величин относительного зазора,
в
пл
t , t – толщины выступа изолятора и  пластины соответственно, в мм,
в
пл
d , d – допуски на толщину выступа и толщину пластины соответственно, в мм.
Технический результат. Гарантированная величина относительного зазора между элементами конструкции блока силового резистора влияет на безаварийную работу электротранспортного средства, сохраняя надежность устройства в изменяющихся климатических и иных условиях.
Новизна заявляемого решения заключается в получении условия нормальной работы силового резистора, используемого в электротранспорте. Заявляемое математическое соотношение (1) оговаривает расположение частей каждого из изоляторов относительно близлежащей пластины и диктует геометрические характеристики узлов - в частности, соотношения толщины пластин, соседствующих с изоляторами и величины выступа на этом изоляторе. При этом обеспечивается оптимальная величина гарантированного относительного зазора. Данная зависимость получена впервые, апробирована на достаточном количестве блоков. Соотношение (1), полученное с одной стороны расчётным путем, с другой стороны, скорректированное на основе изучения фактов и опирающееся на наблюдения, опыт авторов и на наработанный в течение длительного времени материал, позволит в дальнейшем облегчить конструирование изделий названного вида.
Оптимизация элементов конструкции в отношении толщин изолятора и пластины позволяет сохранить надежность и долговечность заявляемой конструкции.
На примере разработанных образцов блока силового резистора показаны подходы к заданию границ соотношения, характеризующего связь толщины пластин и размеров фиксирующих их керамических изоляторов.
Границы этого соотношения должны обеспечивать реализацию двух различных условий:
• Свободного перемещения закрепленной в изоляторах металлической пластины, необходимого для компенсации линейных термических расширений вдоль длины пластины, например из фехралевой ленты, при нагреве в рабочем режиме.
В противном случае жестко закрепленная пластина, не имеющая возможности этого перемещения, выгнется на свободных участках дугой и может замкнуть на соседнюю пластину.
• У пластин не должно быть излишней свободы перемещения (колебания) относительно изоляторов. В противном случае при воздействии механических факторов (вибраций, ударов и т.д.) конструкция начнет вырабатывать свой механический ресурс в осложненных условиях эксплуатации, что приведёт к серьезным потерям в части ее надёжности и долговечности.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг. 1-3, на которых изображены:
на Фиг.1 – ряд резистивных элементов,
на Фиг.2 – общий вид блока силового резистора,
на Фиг.3 – схема положения пластин относительно изоляторов,
и на которых позициями 1-8 обозначены:
1 - пластина,
2 - шпилька,
3 - опорная пластина,
4 - изолятор,
5 - крепёжный элемент,
6 - контактная площадка,
7 - перфорационное отверстие,
8 - кожух.
Резистивные элементы выполняются из металла с повышенным сопротивлением в виде пластины 1. Каждая пластина 1 имеет два овальных отверстия, расположенные на некотором удалении от торцевых краев пластины 1 и одно овальное отверстие в середине пластины 1. Все отверстия равноудалены от боковых сторон пластины 1. Через отверстия пропущены шпильки 2, зафиксированные на тыльных сторонах краевых опорных пластин 3. На шпильки 2 насажены горизонтально вытянутые в ряды изоляторы 4, состоящие из двух разновеликих частей. Размер отверстий обуславливается конфигурацией меньшей части - выступа на изоляторе 4, который выполнен в виде ступенчатообразной таблетки. Продольный размер отверстия определяется, исходя из линейного расширения пластины 1 при ее нагреве. Краевые площадки соседних пластин 1 скреплены между собой с помощью точечной сварки, при этом каждая последующая пластина 1 развёрнута относительно предыдущей на 180 градусов. Жёсткость сварной конструкции из металлических пластин 1 обеспечивается при помощи трёх рядов изоляторов 4, нанизанных на шпильки 2 и стянутых крепежными элементами 5. К крайним пластинам 1 при помощи точечной сварки приварены контактные площадки 6 для подключения к цепи питания электротранспортного средства.
Блок силового резистора устанавливают на крыше трамвая на установочных ригелях с минимальным расстоянием вверх не менее 4 см от крыши трамвая для обеспечения поступления воздуха через перфорационные отверстия 7 в стенках кожуха 8 резистора после остановки трамвая. Электрически блок силового резистора подключают параллельно двигателю транспортного средства, последовательно с силовым транзистором, который обеспечивает коммутацию цепи. При движении трамвая он закрыт, ток через блок силового резистора не идёт, при торможении (при условии, что напряжение контактной сети больше напряжения генерации двигателей вагона в режиме торможения) он открыт, вся кинетическая энергия трамвая через двигатель преобразуется в электричество, поступает на электрический резистор и рассеивается в виде тепла.
В процессе торможения воздушный поток проходит через одну торцевую часть кожуха, охлаждая резистивные элементы, и выходит через противоположную торцевую часть.
После остановки трамвая воздух продолжает поступать через днище и нижние части торцевых стенок кожуха 8, охлаждая блок силового резистора, и выходит через вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части боковых стенок и через верхнюю часть торцевых стенок кожуха.
Пример.
*
*
В разрабатываемых по данному техническому решению образцах использовались фехралевые пластины размером 352600,6 мм.
пл
в
пл
в
Для одного из блоков силового резистора электротранспортного средства конкретные числовые значения толщин узлов и деталей t, t таковы с учетом соответствующих допусков d, d:
пл
t = 0,6 мм,
в
t = 0,7 мм,
пл
d = 0,01мм,
в
d = 0,1 мм.
Руководствуясь полученным в заявляемом техническом решении соотношением:
0,1 ≤  ≤ 0,4 (1)
и, подставляя имеющиеся в начале примера числовые значения геометрических параметров узлов и деталей - пластин и изоляторов, получили для данного экспериментального образца одноразовой подстановкой величину относительного зазора:
Эта величина для заявляемой конструкции блока силового резистора электротранспортного средства в статике, т.е. оптимальное значение, к которому следует стремиться.
о
пл
в
Для этой конструкции блока в динамическом режиме - при разогреве элементов конструкции до температуры 900С, толщина пластины t увеличивалась на 0,08 мм, а толщина выступа изолятора t – на 0,045 мм и стали:
пл
t = 0,68 мм,
в
t = 0,745 мм;
с учетом допусков  при подстановке в соотношение (1) величина относительного зазора составляет в условиях работы:
т.е. относительный зазор между изоляторами и пластинами уменьшился с 0,27 до 0,2, но остался в заданных пределах (от 0,1 до 0,4).
Для множества различных рассмотренных авторами примеров с различными размерами используемых пластин из фехрали (и других высокоомных материалов) и фиксирующих их керамических изоляторов, с учетом их реальных допусков, величины относительного зазора укладывались в значения не менее 0,1 и не более 0,4, что является гарантированным условием для работы заявляемого устройства.
Создание гарантированного зазора между пластинами и изоляторами, при котором амплитуда колебаний пластин в перпендикулярном их плоскости направлении при внешних механических воздействиях будет относительно мала, не позволит пластинам наносить механические повреждения изоляторам.