Осевой генератор для электроснабжения транспортного средства
AXIAL GENERATOR FOR ELECTRIC POWER SUPPLY OF VEHICLE

Заявляемое изобретение относится к области транспорта, преимущественно железнодорожного, и может быть использовано в системах автономного электроснабжения вагонов любого типа.
Из предшествующего уровня техники известен подвагонный генератор с редукторно-карданным приводом закрытого типа, в котором вращение от торца шейки оси колесной пары передается  через конический редуктор и карданный (приводной) вал (Терешкин Л.В. Приводы генераторов пассажирских вагонов, -М.: Транспорт, 1990, с. 23, рис. 17).
Недостатки данного технического решения обусловлены громоздкостью конструкции, не позволяющей размещать редуктор, карданный вал и генератор в габаритах ширины железнодорожного вагона. Установка указанных элементов вдоль тележки вагона перпендикулярно оси колесной пары, т.е. одностороннее расположение генератора с редукторно-карданным приводом на тележке вагона, приводит к неравномерному распределению нагрузки на колеса, при этом дисбаланс усиливается из-за большого количества используемых предохранительных устройств в виде разного вида скоб и хомутов, усложняющих конструкцию, приводит к большим затратам на содержание и ремонт. Известное устройство имеет низкий КПД и надежность.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является осевой генератор для железнодорожных вагонов на постоянных магнитах, в котором ось колесной пары является осью ротора, вращающегося вместе с ней, а статор соединен с неподвижной частью тележки вагона. Каждый из элементов генератора: ротор и статор, состоит из двух взаимосвязанных частей, симметрично расположенных по отношению друг к другу. При этом половинки ротора фрикционно с помощью винтов закреплены на оси колесной пары, а обе половины статора соединены посредством фланцев, стягиваемых натяжными винтами, и жестко связаны с неподвижной частью тележки вагона. Постоянные магниты установлены на роторе. Генератор представляет собой бесщеточный постоянно возбужденный трехфазный генератор (US 2008/0018110 «Axle-driven generator for railway carriages and the like», дата подачи 22.12.2006 г., дата публикации 24.12.2008 г.).
Недостатками прототипа являются значительные габариты и масса, а также сложность конструкции, что затрудняет ее монтаж и техническое обслуживание, при этом конструкция выполнена без возможности присоединения дополнительных устройств для изменения (варьирования) выходной мощности.
Помимо этого, данное устройство может быть присоединено только к тележке вагона, возможность присоединения к иным неподвижным частям вагона отсутствует. Это связано с используемым в устройстве креплением, которое выполнено без учета прогиба рессорного подвешивания в случае изменения нагрузки вагона.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое к защите изобретение, является упрощение конструкции, ее монтажа/демонтажа и технического обслуживания, обеспечение возможности крепления  к различным неподвижным частям вагона, а также изменения требуемой выходной мощности генератора за счет выполнения ее в виде отдельного модуля и возможности присоединения к нему дополнительных модулей.
Указанный технический результат достигается тем, что осевой генератор для электроснабжения транспортного средства, содержащий ротор, с установленными на нем постоянными магнитами и закрепленный на оси колесной пары, и статор с генерирующими обмотками, соединенный с неподвижной частью транспортного средства, при этом ротор и статор состоят из двух половин, симметрично расположенных по отношению друг к другу и механически соединенных между собой,  согласно изобретению выполнен в виде, по меньшей мере, одного модуля, в котором, по меньшей мере, один ротор и, по меньшей мере, один статор размещены в едином защитном корпусе, через упругий соединительный элемент связанный с неподвижной частью транспортного средства и состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, между которыми неподвижно зафиксированы половины статора, проходящие между постоянными магнитами, размещенными с зазором внутри профильных скоб из магнитопроводящего материала, радиально закрепленных на половинах ротора, при этом между профильными скобами на стойках установлены подшипниковые узлы.
В качестве соединительного элемента может быть использовано тросовое крепление или подпружиненный рычаг.
Каждая половина статора выполнена в виде полукруга, а каждая половина ротора - в виде плоского полукольца.
Изобретение поясняется чертежами, где
Фиг. 1 – общий вид осевого генератора для электроснабжения транспортного средства с тросовым соединительным элементом;
Фиг. 2 – осевой генератор для электроснабжения транспортного средства частично открытый;
Фиг. 3 – вид половины осевого генератора для электроснабжения транспортного средства без защитного корпуса;
Фиг. 4 – осевой генератор для электроснабжения транспортного средства в разрезе (вид А-А);
Фиг. 5 – подшипниковый узел в разрезе;
Фиг. 6 – общий вид осевого генератора для электроснабжения транспортного средства с рычажным соединительным элементом;
Фиг. 7 – электрическая схема преобразователя электрической энергии.
Предлагаемый к защите осевой генератор 1 в сборе (фиг. 1) для электроснабжения железнодорожного транспорта устанавливают непосредственно на оси 2-колесной пары тележки железнодорожного вагона, причем вагон может быть выбран любого типа. Генератор выполнен в виде, по меньшей мере, одного модуля, снабженного защитным корпусом (кожухом) 3, состоящим из нескольких взаимосвязанных между собой и симметрично расположенных частей, через уплотняющую прокладку 4 связанных посредством крепежных соединений, в качестве которых могут быть использованы, в том числе стандартные, например,  болтовые соединения. Уплотняющая прокладка препятствует попаданию внутрь генератора пыли, влаги и иных загрязнений, возникающих при движении транспортного средства.
Генератор состоит из, по меньшей мере, одного ротора 5 и, по меньшей мере, одного статора 6, каждый из которых, в свою очередь, состоит из двух соединенных между собой половин. Половины ротора 5 фрикционно соединены с осью колесной пары и выполнены в виде полуцилиндра, на котором установлены подшипниковые узлы 7 и закреплены радиально расположенные профильные скобы 8, изготовленные из магнитопроводящих материалов, например, конструкционных сталей, в частности стали 3. Скобы 8 выполнены преимущественно П-образными, как наиболее технологичными, и внутри каждой из них на противоположных вертикальных стенках с зазором размещены, по меньшей мере, два постоянных магнита 9. Скобы также могут иметь или U-образный, или V-образный профили.
В состав каждого подшипникового узла 7 входит вертикальная стойка 10, в которой с возможностью вращения размещен вал 11 с установленными на нем подшипниками 12, при этом на обоих концах вала смонтированы стопорные кольца 13. Вал с подшипниками и стопорными кольцами заключены во втулку 14.
Подшипниковые узлы 7 обеспечивают беспрепятственное вращение ротора и точный вертикальный зазор между постоянными магнитами ротора и катушками статора.
Между ротором 5 и осью 2-колесной пары расположен сальник (уплотнитель) 15, препятствующий быстрому износу и, как следствие, поломке сопрягаемых элементов. Сальник изготовлен из термостойких материалов, например, из фторированного каучука (FKM).
Каждая половина статора 6 с генерирующими обмотками 16 выполнена в виде плоского полукольца. Для обеспечения неподвижного положения статора по контуру каждой из частей защитного корпуса выполнены выемки, в которые при сборке корпуса 3 заходят половины статора. Части корпуса и статора соединены между собой посредством крепежных соединений.
Защитный корпус снабжен средством крепления 17, к которому присоединяется соединительный элемент, осуществляющий взаимосвязь между генератором и неподвижной частью вагона.
В качестве соединительного элемента по одному из вариантов может быть применено тросовое соединение 18, которое через консоль в виде поперечной балки 19 связывает генератор 1 с боковыми рамами 20 тележки вагона. Консоль снабжена ответными крепежными элементами для тросов. Качественным отличием тросового крепления является степень гибкости, высокий предел прочности на растяжение при больших внешних нагрузках. Подбор тросового крепления определяется с учетом рабочей крепости – допустимому натяжению, которое выдерживает трос в процессе работы в течение продолжительного времени без нарушения целостности.
По другому варианту в качестве соединительного элемента используют подружиненный рычаг 21, который удерживается в крайних положениях пружиной. При этом рычаг может быть соединен непосредственно с неподвижной частью вагона, например, с его днищем 22.
И в том, и другом варианте гибкие соединительные элементы 18 и 21 в случае изменения нагрузки могут при прогибе рессорного подвешивания поступательно перемещаться и возвращаться в исходное положение.
Применение гибкой (упругой) взаимосвязи осевого генератора с неподвижной частью (-ями) железнодорожного вагона способствует снижению потерь мощности.
Изобретение осуществляется следующим образом.
При движении железнодорожного вагона происходит вращение оси колесной пары, при этом ротор генератора, жестко связанный с осью колесной пары, также вращается. Статор остается неподвижным. При вращении ротора с постоянными магнитами относительно неподвижного статора в обмотках статора возникает ЭДС (электродвижущая сила), т.е.  формируются энергетические импульсы (ФЭИ – формирователь энергетических импульсов) 23.
Выходы генерирующих обмоток статора связаны с преобразователем электрической энергии, который содержит последовательно соединенные выпрямитель 24, фильтр низкой частоты (ФНЧ) 25 с аккумуляторной батареей, ограничитель 26, стабилизатор 27 и внешний интерфейс в виде контроллера 28.
В качестве выпрямителя, преобразующего импульсную ЭДС в пульсирующее напряжение, выбран двухполупериодный выпрямитель, у которого величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше, чем у однополупериодного выпрямителя, что позволяет использовать гораздо меньшую величину конденсатора фильтра.
Функция фильтра низкой частоты – преобразование пульсирующего напряжения в постоянное.  Для снижения колебаний напряжения и тока в цепи подключена аккумуляторная батарея для питания потребителей при уменьшении мощности генератора.
Ограничитель 26 служит для ограничения постоянного напряжения, которое зависит от скорости движения вагона, до величины, обеспечивающей работу стабилизатора 27, формирующего стабилизированное напряжение с выходным током для питания контроллера 28, предназначенного для управления внешними устройствами, например, тормозной системой, системой мониторинга и т.п.
Преобразователь выполнен в отдельном корпусе и размещен отдельно от генератора. Электрическая связь генератора, в частности, формирователя энергетических импульсов с внешними устройствами, реализованная через преобразователь, осуществляется с помощью жгутов, снабженных соответствующими соединителями (на чертеже не показаны).
Модульное исполнение заявляемого осевого генератора в защитном корпусе  предусматривает возможность размещения в одном корпусе, по меньшей мере, одного ротора и, по меньшей мере, одного статора или присоединения к одному модулю дополнительных модулей, причем их количество определяется в зависимости от требуемой мощности, при этом осевые генераторы могут быть расположены на оси колесной пары совместно или порознь.  При этом выходы генерирующих обмоток выводятся наружу и электрически подключаются известными способами.
При выходе из строя одного из генераторов, входящих в группу, не требуется демонтировать все устройства - замене подлежит только поврежденный, что упрощает техническое обслуживание и монтаж.
Предлагаемое к защите изобретение позволяет значительно упростить конструкцию осевого генератора, предназначенного для электроснабжения транспортного средства, его монтаж и техническое обслуживание, а также снижает потери мощности, в зависимости от величины которой устанавливается соответствующее количество модулей.