АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ТОРМОЗА-ЗАМЕДЛИТЕЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ТАКУЮ СИСТЕМУ
AUTONOMOUS VEHICLE BRAKE RETARDER SYSTEM AND VEHICLE INCLUDING SUCH A SYSTEM

Область техники изобретения
Изобретение относится к области тормозных систем транспортных средств и, в частности, к тормозным системам поездов. В частности, оно соответствует электромагнитным тормозным системам, использующим принцип токов Фуко.
Уровень техники изобретения или известный уровень техники
Большинство тормозных систем основаны на механическом трении для снижения скорости. Для этого типа тормоза характерны проблемы износа и необходимость в проведении постоянного и периодического технического обслуживания. Кроме того, уровень шума этих систем снижает уровень комфорта пассажиров.
По этой и другим причинам были приложены усилия для применения других принципов торможения. В частности, были разработаны вспомогательные тормоза, которые служат опорой для фрикционных тормозов. Один из известных вариантов состоит из электрических тормозов, которые приводятся в действие на основании индукции токов Фуко (также известных как вихревые токи) в роторе. Они называются тормозами-замедлителями и состоят в основном из статора, снабженного обмотками, и двух роторов, жестко соединенных с осью (вращение которых, как правило, обеспечивается за счет карданной передачи). Когда они возбуждаются посредством токов на индукционных катушках, создается магнитное поле, силовые линии которого проходят через роторы, создавая индуцированные токи, которые, в свою очередь, генерируют момент в направлении, противоположном вращению, который противодействует движению. В результате скорость вращения, а вместе с ней и скорость транспортного средства, постепенно уменьшается. Для достижения этого эффекта поверхности ротора и статора не должны контактировать. Эти тормоза обеспечивают плавное, бесшумное торможение, не изнашиваясь, а их эффективность возрастает с повышением скорости. В связи с этим тормоза-замедлители сочетаются с обычными фрикционными тормозами, чтобы обеспечить полную остановку транспортного средства.
В настоящее время тормоза-замедлители требуют подачи электрической энергии для подачи тока на обмотки статора. Источники питания известных систем тормозов-замедлителей являются внешними и обеспечиваются за счет аккумуляторов. Требования к этим аккумуляторам достаточно жесткие, поскольку необходим большой ток (приблизительно 160 А). Хотя эти требования можно выполнить с использованием существующей технологии, эти аккумуляторы, как правило, большие и дорогостоящие. С другой стороны, если аккумулятор используется совместно с другими устройствами на транспортном средстве, то накопленной энергии может не хватить. Еще один вариант обеспечения питания тормоза-замедлителя - оснащение его собственным аккумулятором. Независимо от того, какой вариант используется, источник питания, как правило, нельзя установить в тормоз-замедлитель, и тормоз-замедлитель занимает много места.
Краткое описание изобретения
Целью изобретения является создание системы тормоза-замедлителя транспортного средства, которая решает или, по меньшей мере, уменьшает проблемы и ограничения известного уровня техники.
Другой целью изобретения является создание транспортного средства, оборудованного системой тормоза-замедлителя.
Система тормоза-замедлителя является компактным и энергетически независимым устройством. Она оснащена собственным встроенным генератором. Этот генератор установлен на одной оси с тормозом-замедлителем, с которым жестко соединяется таким образом, что он использует преимущество движения оси и/или главного ротора тормоза-замедлителя для перемещения дополнительного ротора для генератора и, таким образом, вырабатывает необходимый ток. При такой конфигурации генератор может иметь достаточный диаметр для подачи необходимой энергии тормозу-замедлителю, за счет чего он становится независимым от других элементов. Преобразование механической энергии в электрическую энергию осуществляется без необходимости в обеспечении дополнительных передаточных элементов, таких как цепи, шкивы и т.д.
Автономная система тормоза-замедлителя транспортного средства в соответствии с настоящим изобретением содержит тормоз-замедлитель с главным ротором и два статора с каждой стороны ротора, причем ротор жестко соединен с осью. Она также содержит генератор, соединенный с тормозом-замедлителем для снабжения его электрической энергией. Генератор содержит собственный статор и ротор, который соединен с тормозом-замедлителем.
При необходимости статор генератора может располагаться снаружи и жестко соединяться со статором тормоза-замедлителя с помощью той же оси.
При необходимости генератор может быть самовозбуждающимся, использовать постоянные магниты или иметь функцию внешнего возбуждения (в этом случае используются мягкие материалы на неподвижном сердечнике).
Генератор с возбуждением от постоянных магнитов в некоторых случаях отвечает за обеспечение возбуждения генератора с внешним возбуждением.
В некоторых случаях генератор с возбуждением от постоянных магнитов и генератор с самовозбуждением работают вместе так, что генератор с возбуждением от постоянных магнитов подает электрическую энергию тормозу-замедлителю, когда скорость вращения оси ниже начального предельного значения, и генератор с самовозбуждением подает электрическую энергию тормозу-замедлителю, когда скорость вращения оси выше второго предельного значения.
При необходимости главный ротор может быть самовентилирующимся.
В некоторых случаях главный ротор тормоза-замедлителя содержит два горизонтальных диска и некоторое количество ребер, расположенных на расстоянии и соединяющих указанные диски.
В некоторых случаях система включает модуль регулятора тормозной рычажной передачи для регулирования тока возбуждения генератора в соответствии с сигналом управления.
В некоторых случаях модуль регулятора содержит выпрямитель и стабилизатор напряжения.
В некоторых случаях система содержит датчик температуры для измерения температуры тормоза-замедлителя и ее передачи модулю регулятора, чтобы уменьшить ток, поступающий от генератора, если данная температура превышает предельное значение.
Краткое описание рисунков
РИС. 1: Вид снаружи на систему тормоза-замедлителя с корпусом, установленным на оси.
РИС. 2: Вид изнутри на систему тормоза-замедлителя с двумя типами генераторов.
РИС. 3: Укрупненный вид генератора с самовозбуждением.
РИС. 4: Движущиеся части системы с генератором с самовозбуждением.
РИС. 5: Неподвижные части системы с генератором с самовозбуждением.
РИС. 6: Укрупненный вид генератора с возбуждением от постоянных магнитов.
РИС. 7: Движущиеся части системы с генератором с возбуждением от постоянных магнитов.
РИС. 8: Неподвижные части системы с генератором с возбуждением от постоянных магнитов.
РИС. 9: Укрупненный вид системы с двумя комбинированными генераторами, в которой один вспомогательный генератор, который возбуждает другой главный генератор.
РИС. 10: Неподвижные части, изображенные на РИС. 9.
РИС. 11: Движущиеся части, изображенные на РИС. 9.
Подробное описание изобретения
Рисунки описывают несколько примеров вариантов осуществления настоящего изобретения, но не ограничивают его.
Следует отметить, что выбранная конфигурация не является стандартной конфигурацией с двумя внешними роторами и промежуточным статором. В вариантах осуществления изобретения, описанных в настоящем документе, в качестве альтернативы предложено осевое расположение одного ротора и двух статоров. Ротор тормоза-замедлителя расположен по центру, а статоры расположены с каждой стороны оси. Эта конфигурация уменьшает проблемы блокировки ротора, вызванные главным образом воздействием погодных условий. При холодной погоде на роторах может образовываться лед, который может повредить соседние элементы в случае откалывания во время вращения.
Выбор главного ротора имеет и другие преимущества. Одно из них заключается в том, что он обеспечивает постоянные воздушные зазоры. Другим преимуществом является то, что он может функционировать независимо от направления вращения. Направление вращения особенно важно для охлаждения. В случае с внешними роторами, вращающимися в одном направлении, воздух направляется в тормоз-замедлитель, чтобы охладить его. При изменении направления вращения могут возникнуть проблемы с охлаждением. В другом случае продольные силы нейтрализуются, если имеется только один ротор, по сравнению со случаем использования двух роторов. Эти силы могут вызвать вертикальное смещение роторов тормоза-замедлителя.
На РИС. 1 показан вид снаружи одного варианта осуществления системы тормоза-замедлителя. Система тормоза-замедлителя компактна, несмотря на то, что она оснащена генератором 20, 30, поскольку генератор встроен в узел. Это дает возможность разместить все компоненты, защищенные снаружи, в корпусах 3 с каждой стороны оси 1, на которой они установлены. Данная ось 1 может представлять собой ось с прямым соединением с колесами или карданный вал. Как правило, узел устанавливается на оси 1 с помощью втулки 2.
На РИС. 2 полностью показана внутренняя часть вышеупомянутой системы тормоза-замедлителя. Для удобства вариант осуществления системы содержит два разных электрических генератора с каждой стороны. Тем не менее, оба генератора также могут быть одинаковыми. В зависимости от условий применения одного генератора может быть достаточно для подачи питания системе тормоза-замедлителя. В свою очередь, при необходимости этот генератор может представлять собой генератор с возбуждением от постоянных магнитов 30 или генератор с самовозбуждением 20. Например, для уменьшения веса предпочтительнее использовать генератор с возбуждением от постоянных магнитов. С другой стороны, если необходимо обеспечить высокий тормозной момент, предпочтительным является генератор с самовозбуждением.
Следующие рисунки дополняют РИС. 2, на котором более подробно показаны два типа генераторов по отдельности. На РИС. 3, 4 и 5 показан генератор с самовозбуждением 20. На РИС. 6, 7 и 8 показан генератор с возбуждением от постоянных магнитов 30.
Как показано на рисунке, тормоз-замедлитель 10 расположен по центру, а генераторы 20, 30 соединены с внешней стороной тормоза-замедлителя 10. Вращающиеся элементы: ротор тормоза-замедлителя 11 и роторы 21 (или 31) генератора 20 (или 30) прикреплены к втулке 2, образуя моноблочный узел. Остальные невращающиеся элементы тормоза-замедлителя 10 и генераторы 20, 30 установлены с использованием подшипников 4.
Предпочтительно ротор 11 тормоза-замедлителя 10 будет представлять собой узел из литой стали. Ротор 11 может быть изготовлен в виде двух дисков 13, соединенных рядом ребер 14, которые, как правило, имеют цилиндрическую форму. В роторе необходима высокая электропроводность, чтобы обеспечить большую поглощаемую мощность при той же электродвижущей силе, таким образом, увеличивая индуцированный ток. Кроме того, высокая теплопроводность способствует рассеиванию выделяемого тепла. Другим важным фактором, который способствует рассеиванию тепла, является оптимизация конструкции. Для этого геометрия ребер 14 предпочтительно должна быть такой, чтобы она могла обеспечить вентиляцию воздуха во внутренней части ротора 11 независимо от направления вращения ротора 11, что облегчало бы процесс рассеивания тепла.
Если данный узел устанавливается на оси железнодорожного вагона, он жестко крепится к ней, как правило, в качестве силового (прессового) соединения, которое обеспечивается в случае использования стандартных тормозов. В других случаях применения тормоз-замедлитель 10 может содержать свою собственную ось.
Статоры тормоза-замедлителя 10 и генератора 20, 30 предпочтительно будут изготовлены из сплава на основе железа. Электромагниты 15 крепятся внутри статора 12 тормоза-замедлителя 10, а статор 22 генератора 20, 30 с сердечниками и обмоткой 28 крепится снаружи. Статор 22 аналогичен для двух типов генераторов (с самовозбуждением 20 и с возбуждением от постоянных магнитов 30).
Внешнее кольцо с подшипниками, способное выдержать вес тормоза-замедлителя, а также продольные и радиальные силы, вызывающие вибрацию, можно использовать для установки на ось 1. Чтобы отрегулировать осевой зазор подшипников 4 статоров 12, они спроектированы с рядом распорок 5 и гаек, устанавливающих воздушные зазоры.
Более того, ряд опор крепит статоры 12 к раме или шасси, чтобы предотвратить их поворот с осью 1.
Генератор 20 самовозбуждается с помощью обмотки 27 неподвижного магнитного сердечника 26, закрепленного снаружи статора 12 тормоза-замедлителя 10 (или статоров, если с каждой стороны необходимы два генератора). Остаточная намагниченность этого магнитного сердечника 26 должна быть достаточно высокой, чтобы исключить обязательность предвозбуждения (он изготавливается из магнитно-жестких материалов).
Ротор 21 генератора 20 предпочтительно надежно крепится к втулке 2 и имеет внутреннюю конфигурацию с твердым сердечником. Внутри находится неподвижный магнитный сердечник 26, не создающий трения, что означает сохранение предварительных воздушных зазоров.
Статор 22 генератора 20 надлежащим образом закреплен снаружи статора 12 (или статоров) тормоза-замедлителя 10 с той же стороны, что и неподвижный магнитный сердечник 26. Этот статор 22 состоит из листов, которые изолированы друг от друга, снабжены рядом прорезей, которые плотно спрессованы для образования компактного сердечника. Обмотки статора 28 установлены в вышеуказанных прорезях.
Поле намагничивает диски 13 ротора 11, чередуя север и юг, в процессе их вращения, индуцируя переменный ток в обмотке 28 статора 22 генератора 20.
Другой тип генератора, показанный на РИС. 6 - РИС. 8, -генератор с возбуждением от постоянных магнитов 30. Источник электрической энергии обеспечивается с помощью ротора 31 с постоянными магнитами, прикрепленными к втулке 2, при этом статор 22 генератора 30 закреплен снаружи статора 12 тормоза-замедлителя 10.
Оба типа генераторов 20, 30 имеют надлежащий размер для подачи необходимой мощности тормозу-замедлителю 10, отвечающему за торможение при превышении определенного предельного значения скорости. При более низких скоростях должен применяться обычный механический тормоз до полной остановки транспортного средства. Эти два генератора 20, 30 могут функционировать по отдельности или совместно на тормозе-замедлителе 10, функционирующем независимо.
Роторы или индукторы 21, 31 генераторов 20, 30 создают магнитное поле, необходимое для обмоток статоров 22 генераторов, чтобы сгенерировать соответствующий переменный ток.
Тормоз-замедлитель 10 функционирует без износа или трения, а подшипники 4 являются единственными деталями, которые подвержены износу. При их изготовлении предпочтительно используются сочетания магнитных и немагнитных сплавов, чтобы лучшим образом использовать потоки и предотвратить их рассеивание. Сварных швов предпочтительно избегают и обеспечивают точное и безопасное крепление элементов и подузлов болтами в зависимости от температурных усталостных напряжений, которым они подвергаются.
Модуль регулятора тормозной рычажной передачи 40 отвечает за регулирование тормозного усилия. Модуль регулятора тормозной рычажной передачи 40 - электронное устройство управления, которое преобразует и регулирует ток, поступающий от источника питания, для использования непосредственно на обмотках тормоза-замедлителя 10 на основании параметров, запрограммированных в соответствии с требуемыми условиями эксплуатации.
Данный модуль регулятора 40 линейно изменяет питание тормоза-замедлителя 10, позволяя напряжению питания в большей или меньшей мере линейно поступать в тормоз-замедлитель 10, что обеспечивает точное управление торможением. Регулятор тормозной рычажной передачи 40, как правило, содержит выпрямитель и стабилизатор напряжения. Генератор 20, 30 вырабатывает переменный ток, преобразуя механическую энергию вращения, создаваемую осью 1, в электрическую энергию для обеспечения питания тормоза-замедлителя 10. Поскольку это переменный ток, его необходимо выпрямить для обеспечения надлежащего функционирования и управления тормозом-замедлителем 10. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Он также содержит стабилизатор напряжения для поддержания практически постоянного напряжения без перепадов в случае увеличения или уменьшения скорости вращения (числа оборотов в минуту).
Часть модуля регулятора тормозной рычажной передачи 40 расположена рядом с тормозом-замедлителем 10, но устройство управления предпочтительно расположено в другом месте. Например, на железнодорожном транспорте, оно, как правило, расположено внутри кабины поезда и управляется оператором с целью регулирования тормозного усилия всех вагонов.
Входной сигнал управления, который получает модуль регулятора 40, является ожидаемым сигналом торможения, поступающим от центральной компьютерной системы, управление которой осуществляется вручную или автоматически. Он также принимает сигналы определения фактической скорости вращения и цифровые входные и выходные сигналы для получения информации или условий безопасности от центральной системы транспортного средства, а также для отправления этих сигналов в центральную систему транспортного средства.
Модуль регулятора 40 предпочтительно программируется для построения различных кривых эксплуатационных ограничений, например, прямого или обратного сигнала, или линейного, или квадратичного отклика. Полностью автономное электропитание обеспечивается за счет генерирования тока с помощью встроенного генератора 20, 30. Модуль регулятора 40 регулирует и направляет ток возбуждения от генератора в форме замкнутого контура сервоуправления для получения тормозного тока на основании сигнала управления и в пределах ранее запрограммированных кривых.
Кроме того, для обеспечения большей безопасности в любом из описанных вариантов осуществления изобретения может использоваться датчик температуры, установленный на тормозе, чтобы ограничить максимальные уровни развиваемой мощности.
Наконец, описывается другой конкретный вариант осуществления изобретения, в котором используется генератор с более высокой выходной мощностью. Если твердые материалы в генераторе с самовозбуждением заменить мягкими материалами (сердечник 56), генератор может перестать самовозбуждаться, но взамен начать вырабатывать значительно большую выходную мощность. Этот тип генератора будет упоминаться далее по тексту как генератор с внешним возбуждением 50. На РИС. 9 - РИС. 11 показана система тормоза-замедлителя, снабженная данным генератором 50, выступающим в качестве главного генератора, наряду с генератором с возбуждением от постоянных магнитов 30, выступающим в качестве вспомогательного генератора. Сердечник 56 (с низкой остаточной намагниченностью) предпочтительно имеет тот же состав, что и детали статора 12 из железа.
Самовозбуждение вызвано тем, что твердые материалы, будучи намагниченными, ведут себя как постоянные магниты. Следовательно, мягкие материалы легко размагничиваются и имеют меньшие потери, поэтому они могут быть предпочтительными в условиях применения с более высокой выходной мощностью (они имеют более низкие потери на гистерезис, чем твердые материалы, поэтому они меньше нагреваются, и выходная мощность больше).
В этом случае возбуждение для создания магнитного поля, необходимого в генераторе 50, должно быть предусмотрено снаружи для обеспечения запуска. В частности, это становится возможным преимущественно с помощью небольшого вспомогательного генератора с возбуждением от постоянных магнитов 30. Это позволяет оптимизировать генератор 50, выступающий в качестве главного генератора, в максимально возможной степени. Иными словами, как только ротор 51 достигает соответствующей скорости, он больше не возбуждается генератором 30, который будет отключен.
Эта смешанная или гибридная конфигурация также особенно целесообразна в ситуации при низкой частоте вращения тормоза-замедлителя 10. Именно в этом случае тормозной момент и, следовательно, питание, подаваемое тормозу-замедлителю, должны быть максимальными. По этой причине в неподвижном магнитном сердечнике, а также в магнитных массах должны использоваться мягкие материалы. Использование мягких материалов приводит к высоким уровням магнитного насыщения, а также устраняет пассивное сопротивление вращению при отсутствии возбуждения, уменьшая инерцию до незначительных уровней.
Управление внешним возбуждением в смешанной конфигурации обеспечивается электронной системой, которая может устанавливаться в модуль регулятора 40, который управляет мощностью, подаваемой вспомогательным генератором (генератором с возбуждением от постоянных магнитов 30) к индукционной обмотке генератора тормоза-замедлителя. Он крепится на оси и вращается, поэтому электронная система отвечает за то, чтобы вспомогательный генератор подавал питание возбуждения с максимальной мощностью, когда ось вращается с более низкой скоростью. И напротив, когда ось вращается с большой скоростью, система ограничивает питание возбуждения индукционной обмотки генератора тормоза-замедлителя, поскольку ему необходимо более низкое напряжение возбуждения, когда она вращается с большой скоростью.
Перечень числовых ссылок
1 Ось.
2 Втулка.
3 Корпусы.
4 Подшипники.
5 Распорки.
10 Тормоз-замедлитель.
11 Главный ротор тормоза-замедлителя 10.
12 Статор тормоза-замедлителя 10.
13 Диски.
14 Ребра.
15 Электромагниты.
20 Генератор с самовозбуждением.
21 Ротор генератора с самовозбуждением 20.
22 Статор генератора (либо с самовозбуждением 20, с возбуждением от постоянных магнитов 30, либо с внешним возбуждением 50).
26 Неподвижный твердый сердечник (с высокой остаточной намагниченностью).
27 Обмотка сердечника.
28 Обмотки (статоров генераторов 20, 30, 50).
30 Генератор с возбуждением от постоянных магнитов.
31 Ротор генератора с возбуждением от постоянных магнитов 30.
40 Модуль регулятора.
50 Генератор с внешним возбуждением.
51 Ротор генератора с внешним возбуждением.
56 Неподвижный мягкий сердечник (или с низкой остаточной намагниченностью).