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: Учебн. 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: Учебн. 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 сложность обеспечения достаточной механической прочности ротора вследствие необходимости крепления на его периферийной части постоянных магнитов, что препятствует использованию данного тягового привода для локомотивов в скоростном движении, где, вследствие высоких окружных скоростей участков ротора в местах крепления постоянных магнитов, на них действуют значительные центробежные силы.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении центробежных сил, действующих на постоянные магниты, для обеспечения их надежной работы на скоростных локомотивах.
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 выполнены звездообразными с кольцевыми выступами, магниты выполнены в виде колец, охватывающих ось колесной пары, при этом полюса магнитов расположены на торцах колец, а магниты расположены так, что их полюса направлены навстречу друг другу.
Предлагаемый тяговый привод локомотива (Фиг. 1, 2) 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, с установленными на них постоянными магнитами 5. Статор 1 выполнен в виде нескольких частей дисков, на котором установлены обмотки 6 на равном радиальном расстоянии от оси колесной пары. 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 выполнены звездообразными с кольцевыми выступами, при этом число обмоток 6-кратно числу лучей дисков ротора 3. Магниты 5 выполнены в виде колец, охватывающих ось колесной пары 4, при этом магниты базируются по внутренним диаметрам кольцевых выступов дисков ротора 3, а между внутренним диаметром каждого из магнитов 5 и оси колесной пары 4 имеется зазор, предотвращающий передачу на магниты 5 нагрузок от изгиба оси колесной пары 4, вызванного весом экипажа. Полюса магнитов 5 расположены на торцах колец (обозначены на Фиг. 1. буквами N и S), а магниты 5 расположены так, что их полюса направлены навстречу друг другу, вследствие чего магнитный поток от одного полюса к другому проходит через лучи дисков ротора 3 и обмотки 6 статора 1.
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 связанных с ней дисков ротора 3. Вычислительное устройство 8 (ВУ) в зависимости от углового положения лучей дисков 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 в лучах ротора 3 постоянными магнитами 5, создавая крутящий момент на роторе 3, который, в свою очередь, передается 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. При вертикальном перемещении дисков ротора 3 (Фиг. 3) относительно обмоток 6 статора 1, луч диска ротора 3 перемещается в положение, показанное на фиг. 3, как позиция 3, угол между лучами дисков ротора 3 и обмотками 6 статора 1 изменяется на величину
,
где ϕ - угол между серединой луча диска ротора 3 и вертикалью;
R - средний радиус луча диска ротора 3;
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 лучей диска ротора 3 относительно обмоток 6, если вертикальная составляющая перемещения лучей диска ротора 3 при вращении колесной пары 4 направлена в ту же сторону, что и перемещение колесной пары 4, и к уменьшению угловой скорости движения лучей диска ротора 3 относительно обмоток 6, если вертикальная составляющая перемещения лучей диска ротора 3 при вращении колесной пары 4 направлена в сторону, противоположную перемещению колесной пары 4, что приводит к нарушению синхронности между перемещением лучей диска ротора 3 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, на оси которой расположены диски ротора 3, и рамой тележки 2 с расположенным на ней статором 1. Поскольку магниты 5 выполнены в виде колец и расположены соосно оси колесной пары 4, они располагаются на минимальном радиусе относительно оси вращения колесной пары 4, и, следовательно, действующие на них центробежные силы минимальны.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что выполнение дисков ротора звездообразной формы, а постоянных магнитов - в виде колец, расположенных на минимально возможном радиусе от оси вращения колесной пары, позволяет снизить центробежные силы, действующие на постоянные магниты и тем самым повысить надежность их работы в скоростном движении, снизив затраты на ремонт локомотива.