КОМПАКТНОЕ ПРИВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ САМОХОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
COMPACT DRIVE DEVICE FOR SELF-PROPELLED VEHICLES

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, которое представляет собой компактное приводное устройство, соединенное с колесом или осью/колесной парой тележки самоходного транспортного средства. Оно предназначается, в частности, для приводов рельсовых транспортных средств, таких как трамваи, легкие рельсовые транспортные средства, вагоны метрополитена, электрические силовые установки (ЭСУ) и поезда. Устройство объединяет высокоскоростной электрический привод с подходящим редуктором и позволяет конструировать приводные устройства со значительно сниженным объемом и массой.
Предшествующий уровень техники и краткое раскрытие настоящего изобретения
Настоящее изобретение предоставляет компактное тяговое приводное устройство, предназначенное главным образом для рельсовых транспортных средств, в которых, как правило, требуется низкий уровень пола во всем транспортном средстве. Существующие решения приводных устройств для самоходных транспортных средств можно разделить на приводы колес и приводы осей/колесных пар.
Приводы колес предназначены, в частности, для конфигурации с низким полом для городского пассажирского транспорта. Эти приводы используются с редуктором или без него, т.е. включают в себя низкоскоростной электродвигатель, который непосредственно соединен с колесом. В безредукторных приводах колес обычно используют многополюсные электродвигатели, присоединенные к колесу прямо или при помощи механической муфты, которая позволяет выполнить механическое отсоединение двигателя от вала колеса (особенно в состоянии отказа). Электродвигатель обычно использует постоянные магниты для того, чтобы достигнуть как максимальной плотности потока энергии, так и максимальной эффективности. Вышеупомянутые решения известны, например, из ЕР 1867543, ЕР 0918676, а также раскрыты в многочисленных публикациях непатентных источников, например, см. F. Demmelmayr, М. Troyer, М. Schroedl, "Advantages of PM-machines compared to induction machines in terms of efficiency and sensorless control in traction applications", IECON 2011 - 37-я ежегодная конференция, проводимая обществом промышленной электроники ИИЭР, Мельбурн, VIC, 2011 г., стр. 2762-2768. doi: 10.1109/IECON.2011.6119749, или Z. Huang, X. Huang, J. Zhang, Y. Fang, Q. Lu, "Design of an interior permanent magnet synchronous traction motor for high speed railway applications", Силовая электроника, машины и приводы (PEMD 2012), 6-я международная конференция ИИОТ, Бристоль, 2012 г., стр. 1-6. doi:10.1049/cp.2012.0253.
Безредукторные приводы колес (такие как раскрыты в ЕР 1 867 543) конкурентоспособны в приводах с мощностью приблизительно до 50 кВт. В практических применениях с большей мощностью, для которых и предназначено настоящее изобретение, их масса и объем делают невозможным непосредственную установку на колесе. Их максимальная выходная мощность обычно ограничена диаметром колеса и скоростью транспортного средства. Это же ограничение относится к безредукторным приводам осей (таким как раскрыты в ЕР 0918676, WO 2006051046 или J. Germishuizen, A. Jockel, Т. Hoffmann, М. Teichmann, L. Lowenstein, F. v. Wangelin, "SyntegraTM - next generation traction drive system, total integration of traction, bogie and braking technology", Международный симпозиум по силовой электронике, электрическим приводам, автоматизации и движению, 2006. SPEED AM 2006 г., Тоармина 2006 г., стр. 1073-1077), где ограничение задается шириной колеи. Одним из самых больших недостатков вышеупомянутых решений является прямое соединение между двигателем и колесом или осью, что приводит к образованию больших неподрессоренных масс.
Приводы колесных пар являются преимущественными в тех случаях, где требуется более высокая передача мощности на ось, в частности, для локомотивов, ЭСУ и составов вагонов метрополитена. Эти приводные устройства могут быть разработаны непосредственно в рамках концепций тележки или транспортного средства. В WO 9629224 раскрывается приводное устройство для транспортного средства с низким полом. Это устройство приводит в движение два колеса при помощи одного продольно установленного двигателя за пределами тележки. Редукторы соединены с обоими выходными валами двигателя. Тормоз интегрирован в трансмиссию между двигателем и колесами. Аналогичное решение одностороннего привода для двух одиночных колес раскрыто в DE 19945464. В обоих случаях предлагаемый двигатель является низкоскоростным и, следовательно, его масса и размеры рассматриваются в качестве недостатков.
В US 5119736 раскрывается концепция тележки, которая характеризуется продольно расположенным двигателем каждого колеса, который соединен с соответствующим колесом путем установки гомокинетического гибкого соединительного вала и содержит зубчатый редуктор. Двигатели и редукторы не образуют компактный закрытый блок, и наличие гомокинетического гибкого вала указывает на то, что двигатель относится к низкоскоростным и, следовательно, он должен иметь большие размеры для достижения номинальной мощности предложенного приводного устройства.
В US 8978563 раскрыта концепция привода тележки, позволяющая создать рельсовое транспортное средство с частично низким полом. Продольно расположенный электродвигатель внутри тележки характеризуется наличием выходных валов на обоих своих концах. Валы соединены при помощи редуктора с осями, подвешенными в тележке. Кроме того, концепция допускает две возможные конструкции двигателя. Однако концепция полностью низкого пола не возможна в данном случае, и размеры электродвигателя являются большими за счет его низкоскоростной концепции. Привод непосредственно не содержит тормоза, при этом он расположен отдельно за пределами тележки.
Концепция привода, который приводит в движение две оси тележки, изложена в US 4130065, где электродвигатель расположен продольно за пределами тележки между двумя ведущими осями. Преимущество этой конструкции заключается в том, что два конца коротких валов ротора оснащены ведущими шестернями. Для экономии массы статор электрического тягового двигателя изготовлен без корпуса. По этой причине пакет листов статора, зажатый между нажимными пластинами, снабжен на задней стороне зажимными элементами, которые сжимают пакет листов статора. Даже если имеет место значительная экономия массы, этого недостаточно по сравнению с решением, предложенным в настоящем изобретении, где концепция высокоскоростного электродвигателя позволяет значительно снизить массу всего приводного устройства, используя высокие скорости вращения для передачи желаемой мощности.
Среди рассмотренных решений имеются патенты, относящиеся непосредственно к приводным устройствам. В этих патентах раскрываются различные соединения двигателя с ведомым колесом/осью, но в целом каждое из представленных решений включает в себя элемент или конструкционный аспект, который делает невозможным использование высокоскоростных двигателей; таким образом, они приводят к физически более крупным и значительно более тяжелым конструкциям, чем настоящее изобретение. В особенности это справедливо в отношении патентов DE 10050757, ЕР 1386815 и ЕР 0698540.
В случае DE 10050757 передача мощности от двигателя к оси обеспечивается при помощи элемента в виде кардана, и совмещение редуктора и оси осуществляется при помощи наклонной зубчатой муфты. Такое решение не подходит для высоких скоростей из-за его размеров и, следовательно, делает невозможным использование высокоскоростного электродвигателя. Основное преимущество настоящего изобретения (которое заключается в снижении массы и объема) не может быть достигнуто при помощи решения, описанного в DE 10050757.
Очень похожий недостаток присущ патенту ЕР 0698540. В этом случае передача мощности от редуктора на ось осуществляется при помощи полого карданного соединения, которое образует очень тяжелую и большую деталь. По сравнению с настоящим изобретением ЕР 0698540 образует более тяжелую и крупную альтернативу.
В ЕР 1386815 предполагается относительно низкая выходная мощность электродвигателя (приблизительно 40 кВт) и используется одноступенчатый редуктор. Устройство может быть использовано только для приведения в движение колеса, тогда как наше решение предназначено преимущественно для приведения в движение оси и позволяет создать привод с более высокой мощностью. Одноступенчатый редуктор в ЕР 1386815 не позволяет использовать высокоскоростной электродвигатель. Важным преимуществом настоящего решения является система пассивного охлаждения, которая использует весь корпус приводного устройства и все интегрированные компоненты для отведения тепла двигателя.
Устройство, представленное в DE 102014117570, содержит электрическую машину, промежуточную зубчатую передачу и дифференциальную зубчатую передачу, причем электрическая машина характеризуется наличием полого вала, сформированного на валу двигателя. В соответствии с описанием достигаемое передаточное число составляет 3 к 4 в случае первой зубчатой передачи и 2 к 3 в случае второй зубчатой передачи. Таким образом, общий передаточный коэффициент обычно составляет от 6 до 12. Двигатель внутреннего сгорания является частью привода. Привод предназначен для гибридных транспортных средств с осевой силовой передачей. Электродвигатель функционирует в диапазоне скоростей до 12000 оборотов в минуту с номинальным напряжением 48 В и максимальной мощностью приблизительно 60 кВт. Конструкция установки четко предусматривает использование двигателя с полым валом и соосное расположение компонентов относительно двигателя. Расположение компонентов этого решения препятствует его использованию в самоходных (рельсовых) транспортных средствах с низким уровнем пола.
Устройство, раскрытое в US 5751081, содержит электродвигатель, дифференциальный зубчатый механизм и понижающую зубчатую передачу планетарного типа, где один из выходных валов проходит через ротор электродвигателя. В соответствии с описанием достигаемое передаточное число может приблизительно составлять до 10. В конструкции установки используется электродвигатель с полым валом и соосное расположение компонентов относительно двигателя. Устройство объединяет в себе электрическую машину, понижающие зубчатые передачи и дифференциальный зубчатый механизм; таким образом, оно характеризуется наличием двух выходных валов, присоединяемых к двум независимым ходовым колесам. Устройство походит для небольших пассажирских автомобилей, в которых необходим дифференциальный зубчатый механизм, или подобных дорожных транспортных средств. Расположение компонентов этого решения препятствует его использованию в самоходных (рельсовых) транспортных средствах с низким уровнем пола.
Устройство, представленное в DE 19805679, является приводом в ступице колеса, содержащим электродвигатель и промежуточные зубчатые передачи, причем электродвигатель характеризуется наличием полого вала ротора. Промежуточные зубчатые передачи образованы исключительно планетарными зубчатыми передачами. Достигаемое передаточное число обычно составляет лишь от 6 до 12. Конструкция устройства четко предусматривает использование двигателя с полым валом и соосное расположение компонентов относительно двигателя. Устройство предназначено для установки непосредственно на колесе при помощи подшипников, или оно может переставлять собой часть ступицы колеса. Конструкция и расположение всех компонентов препятствует его использованию в качестве привода оси/колесной пары. Более того, достигаемая максимальная мощность этого устройства является относительно низкой.
Устройство, представленное в CN 103633775, содержит приводной двигатель, а также дифференциальный зубчатый механизм и планетарную зубчатую передачу или зубчатый редуктор с фиксированным валом. В случае конфигурации с дифференциальным зубчатым механизмом ротор двигателя либо содержит дифференциальный зубчатый механизм внутри ротора, либо образован полым валом, через который проходит один из выходных валов, которые соединены с выходом дифференциального зубчатого механизма. В случае конфигурации с редуктором с фиксированным валом имеется одноступенчатая планетарная зубчатая передача, которая имеет ограниченное передаточное число. Во всех вышеописанных случаях применение высокоскоростного электродвигателя (более 6000 оборотов в минуту) является невозможным из-за ограниченного передаточного числа.
Как правило, смазка подшипников и зубчатых передач в редукторах тяговых приводов, в частности рельсовых транспортных средств, осуществляется посредством частичного погружения зубчатых колес в поддон с маслом и переноса масла с частично погруженных зубчатых колес к подшипникам при помощи вспомогательных коллекторных и распределительных каналов. На основе доступных технических данных максимальная скорость вращения входного вала редуктора на сегодняшний момент составляет приблизительно 5200 оборотов в минуту. Защитное уплотнение внутреннего пространства редуктора от попадания пыли, влаги и утечки масла осуществляется при помощи лабиринтного уплотнения или при помощи уплотнительных колец вала.
Охлаждение смазки осуществляют при помощи пассивного охлаждения посредством корпуса редуктора.
В современных тяговых приводах изготовители используют электродвигатели переменного тока, из которых наиболее популярными являются индукционные электродвигатели и электродвигатели с постоянными магнитами, которые хорошо известны и описаны в многочисленных публикациях непатентных источников, как описано выше.
Эти электродвигатели характеризуются максимальными скоростями вращения до 5200 оборотов в минуту (в чрезвычайных случаях до 6000 оборотов в минуту). Они обычно охлаждаются при помощи независимого вентилятора или при помощи вентилятора, установленного на валу двигателя. Кроме того, часто используют водяное охлаждение.
m
m
Существующие решения тяговых приводных устройств разработаны под низкие скорости вращения электродвигателей (приблизительно до 5200 оборотов в минуту). Для того чтобы обеспечить передачу мощности от такого двигателя на ось или колесо, соответствующая конструкция с точки зрения передаваемого крутящего момента приводит к относительно надежным решениям, которые характеризуются большими объемами и значительными массами приводных устройств. Идея высокоскоростного привода (т.е. со скоростью вращения электродвигателя более 6000 оборотов в минуту), который мог бы обеспечить существенное снижение размеров и массы приводного устройства, хорошо известна в теории. Это исходит из уравнения механической мощности P=Tω, где P представляет собой механическую мощностью на выходе ротора, Т представляет собой крутящий момент, и ω представляет собой скорость вращения механического ротора. Таким образом, если скорость вращения ротора значительно увеличить и выходную мощностью оставить неизменной, то выходной крутящий момент значительно снизится. Следовательно, в результате уменьшиться масса и объем всех механических компонентов. Однако все еще не существует надежного конструкторского решения, подходящего для практических применений, связанных с тяговыми приводами. Настоящее изобретение раскрывает надежное конструкторское решение компактного приводного устройства, которое обеспечивает значительное снижение объема и массы тяговой установки за счет существенного повышения скорости вращения тягового двигателя (типично более 9000 оборотов в минуту), сохраняя при этом прежние характеристики самоходного транспортного средства. Хотя более высокие скорости вращения тягового двигателя требуют использования высокоскоростных ступеней редуктора для снижения скорости вращения до номинальных выходных скоростей вращения оси/колеса, крутящие моменты, передаваемые высокоскоростными ступенями редуктора, являются значительно более низкими, что значительно снижает требования к размерам системы зубчатых передач. Более того, предложенное компактное устройство за счет значительного снижения размеров конкретных частей привода позволяет интегрировать привод в одни компактный корпус. Интегрирование в один корпус, а также уникальная конструкция высокоскоростного электродвигателя позволяют улучшить отвод тепла от конкретных компонентов и использовать пассивное охлаждение электродвигателя, что является значительным преимуществом по сравнению с существующими решениями. Как пояснено выше, настоящее изобретение значительно превосходит существующие конструкции и конфигурации приводов для самоходных транспортных средств. Это позволяет значительно снизить массу и объем приводного устройства и, исходя из этого, интегрировать приводное устройство в один компактный корпус, что также позволяет использовать электродвигатель с пассивным охлаждением и значительно упрощает и снижает стоимость сборки привода.
В предлагаемом решении требуется предварительное нагревание смазки высокоскоростной ступени редуктора при экстремально низких температурах окружающей среды, которые могут обычно опускаться до -40°С. Как подробно описано ниже, это решается за счет конструктивного исполнения привода и использования источников тепла, имеющихся внутри цельного корпуса приводного устройства, т.е. без какого-либо дополнительного внешнего оборудования. По сравнению с существующими конструкциями тяговых приводов, в которых используются низкоскоростные редукторы, которые не предъявляют экстремальных требований к смазке зубчатых передач и подшипников или предварительному нагреванию смазки, необходимое предварительное нагревание смазки в настоящем изобретении не является каким-либо существенным недостатком.
Краткое описание фигур
Настоящее изобретение дополнительно поясняется при помощи фигур. На фиг. 1 описана базовая конфигурация и взаимодействие конкретных компонентов компактного тягового приводного устройства согласно настоящему изобретению. На фиг. 2 описано функционирование необязательных дополнительных ступеней редуктора и альтернативное положение тормоза.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг. 1 описывается компактное тяговое приводное устройство согласно настоящему изобретению. Устройство состоит из высокоскоростного электродвигателя 1 с пассивным охлаждением. Двигатель 1 характеризуется типичной номинальной скоростью вращения ротора более 9000 оборотов в минуту. Высокоскоростной электродвигатель 1 может быть сконструирован в качестве индукционного электродвигателя, синхронного электродвигателя, реактивного электродвигателя, электродвигателя (бесщеточного постоянного тока) с питанием от электронного устройства или электродвигателя постоянного тока. Исходя из требований очень малого объема, высокой эффективности и надежности, наиболее подходящим решением будет применение электродвигателя с постоянными магнитами.
Питание электродвигателя 1 осуществляется силовым электронным преобразователем 2. Как правило, он является инвертором напряжения. Силовой электронный преобразователь 2 также может быть инвертором тока.
При рассмотрении фиг. 1 становится очевидным, что редуктор, соединенный с приводным концом вала двигателя, разделен на две ступени: высокоскоростную ступень 11 и низкоскоростную ступень. Ротор электродвигателя 1 поддерживается тремя роликовыми подшипниками 3 совместно с ведущим зубчатым колесом 4 входной прямозубой/косозубой зубчатой передачи 5, и все вместе они создают узел 14 ротора. Расположение среднего роликового подшипника 3 на валу двигателя улучшает динамическую устойчивость ротора. Кроме того, это упрощает сборку приводного устройства. Вал 6 указанной зубчатой передачи является частью следующей конической зубчатой передачи 7, и одновременно он может соединяться с тормозом 13. Присоединение тормоза 13 к валу 6 высокоскоростной ступени 11 редуктора обеспечивает важное уменьшение размеров тормоза 13. Альтернативно (как показано на фиг. 2), тормоз 13. может быть соединен с узлом 14 ротора, что дополнительно будет снижать размеры тормоза.
Выходной вал конической зубчатой передачи 7 может быть соединен либо прямо, либо при помощи муфты 12 с осью 8 самоходного транспортного средства или колесом 9. При необходимости в более высоком передаточном числе выходной вал конической зубчатой передачи 7 может быть соединен с дополнительными зубчатыми передачами 10 (как показано на фиг. 2), при этом выходной вал этих дополнительных зубчатых передач 10 соединен с колесом 9 или осью 8 самоходного транспортного средства прямо или при помощи муфты 12. Зубчатый механизм 10 может быть реализован в качестве конической зубчатой передачи, прямозубой/косозубой зубчатой передачи или эпициклической зубчатой передачи (например, планетарной передачи). Тормоз 13 может быть соединен с выходом низкоскоростной ступени редуктора. Однако такое расположение влечет за собой увеличение размеров и массы компактного тягового приводного устройства согласно настоящему изобретению.
Благодаря значительному снижению как размеров, так и массы конкретных компонентов приводного устройства согласно настоящему изобретению все компоненты приводного устройства могут быть расположены в одном компактном корпусе. Это решение значительно снижает стоимость и время сборки. Однако важно, чтобы по меньшей мере электродвигатель 1 и высокоскоростная ступень 11 редуктора были интегрированы в общий компактный корпус. Интегрирование компонентов приводного устройства в один корпус совместно с уникальной конструкцией высокоскоростного двигателя 1 приводят к лучшему отведению тепла от всех компонентов и обеспечивают пассивное охлаждение электродвигателя 1 и всего приводного устройства. Это является очень важным преимуществом настоящего изобретения по сравнению с существующими технологиями тяговых приводов.
Предложенное двухступенчатое решение для редуктора требует предварительного нагревания смазки высокоскоростной ступени 11 редуктора при экстремально низких окружающих температурах (обычно до -40°С) перед запуском редуктора. Благодаря интегрированию компонентов приводного устройства в один корпус в предлагаемом изобретении используют предварительное нагревание смазки редуктора 11 за счет потерь электродвигателя 1. Таким образом, силовой электронный преобразователь 2 питает током обмотку статора двигателя 1, что вызывает генерирование тепла из-за существующих потерь в двигателе 1 (омические потери играют основную роль в этом феномене). Произведенные потери, соответственно результирующее тепло, распределяются внутри приводного устройства при помощи теплопроводности компонентов привода и корпуса, и благодаря этому обеспечивается предварительное нагревание смазки редуктора 11 перед его работой. Таким образом, концепция согласно настоящему изобретению не требует наличия дополнительного устройства (наружного источника тепла и т.п.), являясь при этом очень надежной и устойчивой.
Настоящее изобретение позволяет значительно снизить объем и массу приводных устройств, сохраняя вместе с тем требуемую тяговую мощность/тяговое усилие. Если электродвигатель 1 характеризуется номинальной скоростью вращения приблизительно 9000 оборотов в минуту и номинальной мощностью близко к 100 кВт (типичное применение для легких самоходных транспортных средств), наш консервативный расчет показывает, что объем и масса приводного устройства снизятся по меньшей мере на 25% с обеспечением таких же характеристик самоходного транспортного средства. Настоящее изобретение позволяет изготавливать тяговое приводное устройство в одном компактном корпусе. Это обеспечивает в результате лучший отвод тепла от компонентов привода, причем нет необходимости использовать вентилятор для охлаждения привода (пассивное охлаждение всего привода обеспечивает важное преимущество по сравнению с конкурентными решениями), и единый корпус привода также снижает стоимость и время сборки.