ТРАНСФОРМАТОР ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRANSFORMER OF VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к трансформатору транспортного средства, содержащему сердечник трансформатора с двумя противоположными ярмами и по меньшей мере два стержня, продолжающиеся между ними вдоль параллельной оси стержня, причем у каждого ярма предусмотрена опорная конструкция для поддержки трансформатора транспортного средства при горизонтально ориентированной оси стержня, причем вокруг по меньшей мере одного из стержней расположена полая цилиндрическая катушка по меньшей мере с одной соответствующей электрической обмоткой.
Уровень техники
Известно, что для транспортных средств с электроприводом, особенно железнодорожных локомотивов, требуется мобильный электрический трансформатор для того, чтобы адаптировать уровень напряжения, подаваемого системой электропитания через подвесную контактную линию, например, для потребностей преобразователей частоты электрического тока и т.п., которые установлены непосредственно на транспортном средстве. Типичный уровень напряжения воздушной линии электропередачи находится в диапазоне, например, 1 кВ - 10 кВ. Как правило, частотные преобразователи вырабатывают напряжение с регулируемой частотой и уровнем напряжения, необходимым для питания предпочтительно асинхронных электродвигателей, которые приводят в движение транспортное средство. Например, номинальная мощность железнодорожного локомотива может составлять несколько МВА, в то время как номинальная мощность электрического трамвая может составлять около 100 кВА.
Трансформатор является известным компонентом распределительных сетей, который обычно не подвергается серьезным геометрическим ограничениям. Типичный трансформатор распределительной сети имеет вертикальную ориентированную ось стержня и не подвергается каким-либо силовым воздействиям, как, например, трансформаторы транспортных средств, например, при криволинейном движении с высокой скоростью > 200 км/час.
Для того, чтобы увеличить полезное пространство транспортного средства, такого как поезд, компоненты, требуемые для обеспечения тяги поезда, особенно трансформаторы и частотные преобразователи, размещаются в зоне, расположенной под полом и/или на крыше железнодорожного транспортного средства. Таким образом, типичный поезд не содержит специальный локомотив для обеспечения тяги, который тянет несколько вагонов, более того, компоненты, обеспечивающие тягу, распределены по нескольким вагонам, что обеспечивает полезное пространство пассажирам. Этим полезным пространством обычно является центральная зона железнодорожных вагонов, соответственно, транспортных средств.
Недостаток известного уровня техники состоит в том, что электрические компоненты должны размещаться под пассажирским пространством в зоне, расположенной под полом, и/или над пассажирским пространством на крыше вагона или транспортного средства в очень ограниченном пространстве. Из-за всегда ограниченного максимального профиля поперечного сечения поезда или транспортного средства пространство для размещения таких электрических компонентов очень ограничено, особенно по его высоте. Кроме того, вес трансформатора транспортного средства должен быть как можно меньше, чтобы снизить энергопотребление транспортного средства при его эксплуатации.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы выполнить компактный облегченный трансформатор транспортного средства с плоской конструкцией, который, с другой стороны, является устойчивым к ударам, соответственно, к вибрациям, возникающим во время движения транспортного средства.
Эта задача решена с помощью трансформатора транспортного средства вышеупомянутого типа. Она характеризуется тем, что катушка жестко соединена со стержнем таким образом, что сопротивление изгибу жесткой комбинации обоих повышается при этом по сравнению с комбинацией обоих без жесткого соединения.
Основная идея изобретения состоит в том, чтобы разместить сердечник трансформатора с горизонтально расположенной осью стержня для того, чтобы уменьшить высоту требуемого пространства. В данном случае на каждом ярме предусмотрена опорная конструкция для крепления трансформатора транспортного средства с учетом его общего веса. В данном случае не требуется никакой дополнительной механической опоры для катушки, так как весь вес трансформатора несут на себе опорные конструкции в зонах ярма.
Стержни традиционного стационарного трансформатора обычно ориентированы вертикально с тем, чтобы вес катушек, размещенных вокруг стержней, соответственно, вес непосредственно сердечника трансформатора легко переносил бы сердечник трансформатора без большой нагрузки на изгиб. С другой стороны, механической прочности традиционного сердечника трансформатора, который обычно состоит из нескольких слоев листового металла, недостаточно для того, чтобы выдерживать собственный вес и вес его катушек в горизонтальном положении.
Обычно катушка, которая размещается на стержне сердечника трансформатора, является компонентом, который не улучшает механические свойства сердечника, более того она представляет собой нагрузку, которую должен выдерживать сердечник трансформатора. Согласно изобретению катушка жестко соединена со стержнем таким образом, что сама катушка увеличивает сопротивление изгибу жесткой комбинации обоих. Предпосылкой для этого является то, что сама катушка также имеет жесткую конструкцию.
Таким образом, трансформатор транспортного средства согласно изобретению имеет, с одной стороны, прочную конструкцию и, с другой стороны, является компактным по своей конструкции, так как для стабилизации не требуются дополнительные компоненты. В частности, требуемая высота уменьшается из-за горизонтального расположения стержней, соответственно, катушек. По этой причине трансформатор транспортного средства согласно изобретению можно сконструировать таким образом, чтобы его можно было разместить в типичном стандартном пространстве, которое имеется под полом или на крыше транспортного средства. Благодаря уменьшенному весу трансформатора соответствующее транспортное средство будет также более экологичным.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения на поверхности стержня предусмотрен волокнистый композиционный материал для того, чтобы увеличить механическую прочность. Как правило, сердечник трансформатора состоит из ламинированных металлических листов для уменьшения вихревых токов. Волокнистый композиционный материал, такой как пучок стеклянных волокон, пропитанный смолой, которая затвердевает в процессе отверждения после нанесения или наматывания на стержень, значительно увеличивает механическую прочность и сопротивление изгибу стержня.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения стержень и катушка жестко соединены по меньшей мере частично посредством клея. Во время обращения с клеевым материалом он предпочтительно находится в жидком состоянии, при этом он становится твердым после отверждения, поэтому его можно легко обрабатывать. Например, это позволяет наматывать проводники электрической обмотки непосредственно на стержень, соответственно, волокнистый материал на стержень, без изготовления заранее отдельной катушки. Поверхность волокнистого материала обеспечивает повышенное сцепление материала по сравнению с металлическими листами непосредственно сердечника. Дополнительное преимущество данного варианта осуществления состоит в том, что не требуется бобина или т.п., поэтому оптимальным образом используется радиальный промежуток. Примерами подходящего клея являются:
- Korapox-Zweikomponenten Harz 735A,
- Korapox-Zweikomponenten Harz 735B или
- Scotchcast Kleber Nr. 282.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения полая цилиндрическая катушка содержит волокнистый композиционный материал. К катушке можно также применить принцип повышения механической прочности и сопротивления изгибу стержня с помощью волокнистого композиционного материала. Волокнистый композиционный материал, как правило, представляет собой электроизоляционный материал, который, в любом случае, необходимо использовать между различными слоями электрических проводников. Поэтому для повышения сопротивления изгибу катушки не требуется дополнительное пространство.
Согласно изобретению волокнистый материал предпочтительно размещается таким образом, чтобы механическая прочность катушки увеличилась эффективным образом. Соответствующий вариант осуществления характеризуется тем, что полая цилиндрическая катушка содержит несколько слоев намотки волокнистого композиционного материала на различных радиальных расстояниях вдоль приблизительно всей осевой протяженности катушки, поэтому она имеет, например, механическую прочность монолитного блока. Прочность можно повысить путем применения материала в форме полосы с шириной, которая равна осевой длине катушки во избежание осевого перекрытия. Например, подходящим композиционным материалом является стекловолокнистый материал, пропитанный смолой, или препрег, который представляет собой предварительно пропитанный лентовидный материал, в котором смола для пропитки находится на стадии B. Это означает, что она находится в твердом состоянии, но будет расплавляться в процессе вулканизации и после этого будет затвердевать.
Согласно другому варианту осуществления изобретения в радиальном промежутке между стержнем и катушкой предусмотрены предпочтительно аксиально ориентированные планки, так что образуются полые цилиндрически расположенные осевые каналы. Планки, предпочтительно изготавливаются из жесткого материала и приклеиваются на поверхность стержня или на поверхность окружающего волокнистого композиционного материала. Аналогичным образом, планки дополнительно наклеиваются на радиальную внутреннюю поверхность катушки. Таким образом, планки полностью встраиваются в жесткую конструкцию стержня и катушки. В предпочтительном способе, при этом создаются каналы для охлаждения, поэтому трансформатор транспортного средства можно охлаждать во время работы эффективным способом. Осевые каналы охлаждения можно также предусмотреть между радиальными смежными слоями проводников катушки.
Согласно другому варианту осуществления изобретения катушка продолжается приблизительно по всей осевой длине стержня. Поэтому, с одной стороны, пространство для трансформатора используется наиболее эффективным способом, и механическая прочность стержня повышается вдоль всей его длины предпочтительным образом.
Согласно другому варианту осуществления изобретения соответствующая полая цилиндрическая катушка размещается вокруг каждого из стержней. Кроме того, в данном случае свободное пространство используется наиболее эффективным способом, и при этом вес трансформатора не увеличивается неоправданным образом. Так как электропитание транспортных средств, таких как поезда, обычно осуществляется с помощью только одного контактного воздушного провода и заземляющей цепи, типичный трансформатор транспортного средства является однофазным, поэтому предусмотрены одна первичная и одна вторичная обмотки. При необходимости можно предусмотреть третью обмотку, например, для питания электрообогревателя для пассажирского помещения транспортного средства. Обмотку можно разделить на две или более частей, которые электрически соединены последовательно. Таким образом, предпочтительный вариант осуществления изобретения представляет собой двухстержневой трансформатор с двумя катушками, в котором электрические обмотки распределены на двух катушках таким образом, что они имеют по меньшей мере приблизительно одинаковый размер.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения опорная конструкция содержит балочную конструкцию из приблизительно волнообразной полосы металла у каждого ярма, в которой верхние и нижние места взаимного соединения балочной конструкции продолжаются вдоль параллельных линий.
Зона, расположенная под полом транспортного средства, такого как железнодорожный вагон, как правило, подготовлена для размещения в ней определенного количества корпусов, соответственно модулей стандартного размера. Для того, чтобы сделать корпуса легко монтируемыми и, соответственно, сменяемыми, на обоих осевых концах его по меньшей мере для варианта размещения под полом предусмотрена стандартная поперечная балка на дне каждого корпуса. Для того, чтобы увеличить имеющуюся высоту в каждом корпусе высота поперечных балок уменьшается, и вместо этого они имеют увеличенную ширину. Таким образом, на каждом ярме должна быть предусмотрена опорная конструкция для поддержки трансформатора транспортного средства на расстоянии по вертикали от поперечных балок. Опорная конструкция должна удовлетворять критериям, касающимся, с одной стороны, минимального веса и, с другой стороны, требуемой степени жесткости с тем, чтобы трансформатор транспортного средства был надежно прикреплен к поперечным балкам даже в случае горизонтальных ударов сбоку, вызванных, например, дорожно-транспортным происшествием.
Согласно другому варианту осуществления изобретения балочная конструкция размещается под каждым ярмом сердечника трансформатора при горизонтально ориентированной оси стержня и присоединена к ним с помощью по меньшей мере двух винтовых или болтовых соединений для каждого ярма, продолжающегося через верхние места взаимного соединения балочной конструкции и через всю толщину ярма. Болты или винты, продолжающиеся через всю толщину ярма, обеспечивают экономично и легко монтируемое соединение, при этом прочность сердечника трансформатора повышается предпочтительным образом.
Согласно другому варианту осуществления изобретения поперечная балка с C-образным профилем размещается под балочной конструкцией и присоединена к ней с помощью по меньшей мере двух винтовых или болтовых соединений посредством нижних мест взаимного соединения балочной конструкции. C-образный профиль поперечной балки обеспечивает дополнительное сокращение веса при высокой степени механической прочности.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения балочная конструкция сконструирована таким образом, чтобы она выдерживала горизонтальные удары сбоку. По соображениям безопасности в различных странах существуют соответствующие правила, которые должны выполняться. Дизайн балочной конструкции можно модифицировать, например, адаптируя осевую ширину волнообразной полосы, адаптируя количество волн или адаптируя толщину материала. Для проверки пригодности определенной конструкции можно использовать моделирование при помощи программы расчета методом конечных элементов. Подходящая конструкция содержит, например, 4 волны при вертикальном расстоянии, например, 40 см, между верхними и нижними местами взаимного соединения, где ширина волнообразной полосы составляет, например, 30 см.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения трансформатор транспортного средства устанавливается в зоне, расположенной под полом железнодорожного транспортного средства. Таким образом, в транспортном средстве осуществлены преимущества небольшой, легкой и прочной конструкции для трансформатора транспортного средства.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения трансформатор транспортного средства размещается в корпусе с вентилятором для охлаждения. Корпус, изготовлен, например, из листов стали. Так как общий вес трансформатора транспортного средства переносится ярмами, корпус больше не имеет конструктивной функции, связанной с защитой трансформатора транспортного средства от воздействий окружающей среды, таких как пыль или вода. Вентилятор, предпочтительно содержащий блок воздушного фильтра, обеспечивает принудительное воздушное охлаждение трансформатора. Форма корпуса предпочтительно соответствует стандартным размерам модулей для железнодорожных вагонов.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения поперечное сечение ярма, соответственно стержней, имеет приблизительно прямоугольную форму. Таким образом, требуемый объем трансформатора транспортного средства еще раз уменьшен предпочтительным образом.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения упомянуты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение поясняется посредством примерного варианта осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - примерный первый трансформатор транспортного средства;
фиг.2 - первая примерная катушка, жестко соединенная со стержнем;
фиг.3 - вторая примерная катушка, жестко соединенная со стержнем;
фиг.4 - трансформатор транспортного средства, расположенный на балочной конструкции; и
фиг.5 - примерное транспортное средство с трансформатором транспортного средства.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид сверху примерного первого трансформатора транспортного средства 10. Кольцо, такое как сердечник 12 трансформатора прямоугольной формы, содержит два ярма 18, 20 и два стержня 22, 24, продолжающихся параллельно оси 26 стержня между ярмами 18, 20. Соответствующая полая цилиндрическая катушка 14, 16 размещается вокруг каждого из стержней 22, 24 вдоль почти всей их осевой протяженности. Ось 26 стержня трансформатора транспортного средства сориентирована по горизонтали таким образом, чтобы при этом уменьшилось вертикальное требуемое пространство. Стержни 22, 24 и катушки 14, 16 жестко соединены посредством клея таким образом, что тем самым повышается сопротивление изгибу комбинации обоих предпочтительным образом.
На фиг.2 показана первая примерная катушка 46, жестко соединенная со стержнем 34 (поз.30). Стержень 34 состоит из нескольких слоев уложенных в стопу металлических листов, которые имеют приблизительно круглое общее поперечное сечение, продолжающееся вокруг оси 32 стержня. На радиальной внешней стороне стержня 34 предусмотрен намотанный слой волокнистого композиционного материала 36 для того, чтобы стержень 34 обеспечивал повышенную механическую прочность. На радиальной наружной поверхности слоя волокнистого композиционного материала 36 несколько сориентированных по оси планок 38, 40 приклеено друг к другу на равном расстоянии по касательной. На радиальной внешней стороне планок 38, 40 приклеена полая цилиндрическая катушка 46 с электрической обмоткой (не показана). Полая цилиндрическая катушка 46 усилена несколькими непоказанными слоями волокнистого композиционного материала с тем, чтобы ее структура была жесткой. В радиальном промежутке между стержнем 34 и катушкой 46 предусмотрены полые цилиндрически расположенные осевые каналы 42, 44 в качестве каналов для охлаждения. Так как стержень 34 и катушка 46 жестко соединены друг с другом посредством клея, комбинация обоих имеет механическую прочность монолитного блока с высоким сопротивлением изгибу.
На фиг.3 показан вид в разрезе второй примерной катушки 74, жестко соединенной со стержнем 54 (поз.50). Стержень 54 состоит из нескольких слоев уложенных в стопу металлических листов 56 с круглым поперечным сечением, продолжающихся вокруг оси 52 стержня, тогда как только часть поперечного сечения показана на чертеже. Слой волокнистого композиционного материала 58, намотанный на радиальной наружной поверхности стержня 54, повышает его механическую прочность и сопротивление изгибу. Полая цилиндрическая катушка 74 содержит несколько чередующихся слоев волокнистого композиционного материала 64, 68, 72 и электрических обмоток 66, 70. Благодаря волокнистому композиционному материалу 64, 68, 72, который также присутствует между витками проводника обмоток 66, 70, катушка 74 имеет жесткую структуру и высокую механическую прочность. Стержень 54 и катушка 74 жестко соединены с аксиально расположенными планками 60, которые приклеены с помощью клея 62 в радиальном промежутке между ними.
На фиг.4 показан трансформатор транспортного средства на балочной конструкции 92 (поз.80). Трансформатор транспортного средства содержит сердечник трансформатора с двумя противоположными ярмами 82 и горизонтально ориентированными стержнями с соответствующими катушками 84, 86, расположенными вокруг них. Ярма 82 сердечника трансформатора опираются на соответствующую волнообразную балочную конструкцию 92, которая присоединена к ярмам посредством болтов 88, 90 в ее верхних узлах 96. Болты 88, 90 продолжаются через всю толщину ярм 82 для того, чтобы достичь повышенной механической прочности сердечника трансформатора. Нижняя сторона балочной конструкции 92 опирается на поперечную балку 98 с C-образным профилем, которая соединена с нижними узлами 94 балочной конструкции 92 с помощью дополнительных болтов. С обеих сторон балки 98 с C-образным профилем предусмотрены соответствующие кронштейны 100, 102 для того, чтобы соединить всю конструкцию с зоной, расположенной под полом транспортного средства. Составная форма балки 98 с C-образным профилем и кронштейнов 100, 102 соответствует внешнему пределу примерного профиля, который является допустимым для зоны, расположенной под полом железнодорожного вагона.
На фиг.5 показано примерное транспортное средство 112 с трансформатором транспортного средства (поз.110). Транспортное средство 112 представляет собой железнодорожный локомотив, в котором предусмотрено место для трех стандартных модулей, расположенных под полом, и двух модулей, расположенных на крыше. В одном из модулей, расположенных под полом, размещается трансформатор 114 транспортного средства, у которого горизонтальная ось 116 стержня сориентирована в направлении движения. На одном из модулей, расположенных на крыше, дополнительно размещается трансформатор 118 транспортного средства.
Перечень ссылочных позиций
10 - примерный первый трансформатор транспортного средства
12 - сердечник трансформатора
14 - первая полая цилиндрическая катушка первого трансформатора транспортного средства
16 - вторая полая цилиндрическая катушка первого трансформатора транспортного средства
18 - первое ярмо сердечника трансформатора
20 - второе ярмо сердечника трансформатора
22 - первый стержень сердечника трансформатора
24 - второй стержень сердечника трансформатора
26 - ось стержня
30 - первая примерная катушка, жестко соединенная со стержнем
32 - ось стержня
34 - стержень
36 - слой волокнистого композиционного материала
38 - первая аксиально ориентированная планка
40 - вторая аксиально ориентированная планка
42 - первый осевой канал
44 - второй осевой канал
46 - катушка
50 - вторая примерная катушка, жестко соединенная со стержнем
52 - ось стержня
54 - стержень
56 - металлические листы стержня
58 - слой волокнистого композиционного материала
60 - планка
62 - клей
64 - первый намотанный слой волокнистого композиционного материала
66 - первая электрическая обмотка
68 - второй намотанный слой волокнистого композиционного материала
70 - вторая электрическая обмотка
72 - третий намотанный слой волокнистого композиционного материала
74 - катушка
80 - трансформатор транспортного средства на балочной конструкции
82 - ярмо сердечника трансформатора
84 - первая катушка трансформатора транспортного средства
86 - вторая катушка трансформатора транспортного средства
88 - первый болт
90 - второй болт
92 - примерная балочная конструкция
94 - нижние узлы балочной конструкции
96 - верхние узлы балочной конструкции
98 - балка с C-образным профилем
100 - первый кронштейн
102 - второй кронштейн
110 - примерное транспортное средство с трансформатором транспортного средства
112 - транспортное средство
114 - трансформатор транспортного средства, смонтированный в зоне, расположенной под полом
116 - трансформатор транспортного средства, смонтированный в зоне, расположенной на крыше