ЭЛЕКТРОМОТОР - КОЛЕСО

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесам.
Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо, размещенное на раме тележки посредством подшипниковой опоры, электродвигатель, размещенный внутри колеса, и планетарную зубчатую передачу (см. Ходовые части трамвайных вагонов: учеб. справочник / Н.С. Бачурин, А.А. Красниченко, Д.Ю. Шавырин. - Екатеринбург: УрГУПС, 2011, С. 32-33, рис. 20). Такой тяговый привод применен на трамвае Cityrunner фирмы Bombardier.
Недостатком данного тягового привода является сложность эксплуатации и ремонта вследствие наличия планетарной зубчатой передачи.
Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо и электродвигатель с внешним ротором, статор которого размещен на оси тележки, а колесо - на внешнем роторе электродвигателя (см. И.В. Гурлов, А.П. Епифанов, М.В. Жилин, А.-Я.Ю. Пармас, В.М. Пивоваров. Две базовые концепции высокоскоростных электропоездов и их сравнительная технико-экономическая оценка. Известия Петербургского университета путей сообщения, 1, 2009, С. 14, рис. 7). Такой тяговый привод применен на трамвае Variobahn.
Недостатком данного тягового привода являются большие габариты и масса тягового электродвигателя, в связи с тем, что двигатель выполнен с радиальным магнитным потоком, а корпус его должен быть размещен внутри бандажа колеса, что приводит к необходимости увеличивать длину тягового электродвигателя для получения необходимого крутящего момента и тягового усилия.
Известно электромотор-колесо, содержащее ось, на которой посредством подшипникового узла смонтировано колесо, электродвигатель, ротор которого связан с колесом и выполнен из двух кольцевых независимых частей, а статор выполнен кольцеобразным, электромотор-колесо снабжено фланцем, жестко закрепленным на оси колеса, втулкой, одна из боковых стенок которой соединена с колесом, а внутренней боковой и наружной стенками ограничена полость, внутри которой жестко закреплены обе части ротора, одна из которых размещена внутри другой, а между ними расположен закрепленный на указанном фланце статор, на цилиндрических поверхностях которого выполнены пазы, в которых размещены обмотки барабанного типа, а на цилиндрических поверхностях частей ротора, обращенных в сторону статора, выполнены пазы для охлаждения (см. Солодунов A.M., Савин В.А., Кожевников В.А., Дартау А.А., Пармас А.-Я.Ю., Гурлов И.В., Кузнецов В.П., Сеничев Ф.И., Иванов И.А., Лапин А.В., Тимофеев Б.А. Электромотор-колесо. Патент РФ №2013258, опубл. 30.05.1994.).
Недостаток указанного электромотор-колеса заключается в том, что статор и ротор размещены в пространстве между колесами, что затрудняет создание низкопольного рельсового подвижного состава, например, трамваев, из-за недостаточной ширины прохода между электромотор-колесами. Данный недостаток особенно проявляется для трамваев колеи 1000 мм, эксплуатируемых в ряде городов, например, в Ростове.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрано электромотор-колесо, содержащее ось, на которой смонтировано колесо, подшипниковый узел, торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, встроенный в колесо, систему охлаждения, статор установлен с возможностью охвата части колеса, диск колеса выполнен с пазами, в которых расположена обмотка ротора, проводники обмотки размещены в диске колеса радиально и соединены между собой соответственно наружным и внутренним короткозамыкающими кольцами, статор состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей, каждая из которых жестко соединена с соответствующим полукожухом двигателя, а оба полукожуха, охватывающие колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и закреплены на оси электродвигателя (см. Солодунов A.M., Сеничев Ф.И., Епифанов А.П., Уткин А.Ф., Серов В.Л., Омельчук В.И., Кабанов Э.Н., Гурлов И.В., Пармас А.-Я.Ю., Кузнецов В.П., Пивоваров В.М., Жилин М.В. Электромотор-колесо. Патент РФ №2102266, опубл. 20.01.1998).
Недостаток прототипа заключается в том, что расположение колеса на неподвижной оси с помощью подшипниковых опор приводит к тому, что полукожухи двигателя ограничивают возможность увеличения расстояния между подшипниковыми опорами. При прохождении транспортным средством, например, трамваем, кривых малого радиуса (что характерно для трамвайных линий), поворот транспортного средства осуществляется за счет боковых усилий, возникающих при прижатии гребня колеса к боковой поверхности головке рельса. Эти боковые усилия создают дополнительные радиальные нагрузки на подшипниковые опоры, определяемые по формуле:
r
где F - боковое усилие давления гребня на рельс, А - ширина между серединами подшипников, R - радиус колеса (см. схему фиг. 1).
r
Например, для трамвая РВЗ-6 боковое усилие F, действующее на колесо, может достигать 3,83 т. (см. М.П. Кутыловский, В.М. Кобозев, М.Н. Хавин, Б.Л. Шредер. Механическое оборудование подвижного состава трамвая. Изд. Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва, 1963, С. 128-129). Принимая R=0,3 м, а А=0,085 м (равными соответственно радиусу и ширине колеса трамвая РВЗ-6), получаем
что вдвое превышает нормальную статическую нагрузку на колесо трамвая, равную 6 т и приводит к снижению долговечности работы подшипников.
Другой недостаток прототипа состоит в невозможности использования в электромотор-колесе фрикционных тормозов (дискового, колодочного и т.п.) в связи с тем, что ось электромотор-колеса неподвижна, а внутри полукожухов недостаточно места для размещения тормоза. Таким образом, прототип позволяет применять только электродинамическое торможение и магниторельсовый тормоз, что снижает безопасность движения и может создать аварийную ситуацию при отказе в электрических цепях транспортного средства. Кроме того, усложняется техническая реализация стояночного и ручного тормозов, которые могут быть выполнены только в виде рельсового тормоза с постоянными магнитами, либо путем подкладывания башмаков под колеса. В результате снижается безопасность эксплуатации рельсового транспортного средства.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении расходов на ремонт и эксплуатацию транспортного средства путем увеличения срока службы подшипников и повышения безопасности эксплуатации транспортного средства.
Указанная цель достигается тем, что в электромотор-колесе, содержащем ось, на которой смонтировано колесо, подшипниковый узел, торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, встроенный в колесо, систему охлаждения, статор установлен с возможностью охвата части колеса, диск колеса выполнен с пазами, в которых расположена обмотка ротора, проводники обмотки размещены в диске колеса радиально и соединены между собой соответственно наружным и внутренним коротко-замыкающими кольцами, статор состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей, каждая из которых жестко соединена с соответствующим полукожухом двигателя, оба полукожуха, охватывающие колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и закреплены на оси электродвигателя, колесо соединено с осью неподвижным соединением, полукожухи опираются на ось с помощью подшипников и соединены с рамой тележки поводком и упругим элементом, а на оси размещен тормозной диск.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 2. изображен общий вид электромотор-колеса, а на фиг. 3 - вид в сечении А-А.
Предлагаемый тяговый привод локомотива (Фиг. 2, 3) содержит ось 1, на которой смонтировано колесо 2, подшипниковый узел 3, торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель 4, встроенный в колесо 2, систему охлаждения 5, статор 6 установлен с возможностью охвата части колеса 2, диск колеса 2 выполнен с пазами, в которых расположена обмотка ротора 7, проводники 8 обмотки 7 размещены в диске колеса 2 радиально и соединены между собой соответственно наружным и внутренним короткозамыкающими кольцами 9, статор состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей 10, каждая из которых жестко соединена с соответствующим полукожухом 11 двигателя 4, оба полукожуха 11, охватывающие колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и закреплены на оси 1 электродвигателя 4.
При этом колесо 2 соединено с осью 1 неподвижным соединением, например, посадкой с гарантированным натягом, а полукожухи 11 опираются на ось 1 с помощью подшипников подшипникового узла 3 и соединены с рамой тележки 12 поводком 13 и упругим элементом 14, а на оси 1 размещен тормозной диск 15.
Предлагаемый тяговый привод работает следующим образом. На обмотки статора двигателя 4 подается переменное напряжение. Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле наводит в проводниках 8 и коротко-замыкающих кольцах 9 электрический ток, который, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает на колесе 2 вращающий момент, который приводит в движение рельсовое транспортное средство. Система охлаждения 4 обеспечивает охлаждение кольцеобразных активных частей 10 с помощью подаваемой жидкости, предотвращая перегрев активных частей 10 во время работы и повреждения изоляции обмоток активных частей 10. Поводок 13 предотвращает поперечное смещение двигателя 4 относительно рамы тележки 12 при прохождении кривых участков пути и стрелочных переводов и обеспечивает перемещение двигателя 4 в вертикальном направлении при прохождении вертикальных неровностей пути. При этом упругий элемент 14 сжимается, обеспечивая защиту тележки рельсового транспортного средства от ударов при прохождении неровностей пути. Тормозной диск 15 обеспечивает торможение рельсового транспортного средства с помощью пневматического или ручного тормоза (на фиг. 2, 3 не показан), в том числе и для удержания транспортного средства на стоянке. Поскольку полукожуха 11 охватывают колесо 2 с наружной стороны, то расстояние между подшипниками подшипникового узла 3 при размещении подшипников на полукожухах 11 больше, чем при размещении подшипников на колесе 2, что приводит к снижению усилий, действующих на подшипники при прохождении кривых малого радиуса.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что соединение колеса с осью неподвижным соединением и размещение подшипников подшипникового узла на полукожухах дает возможность разместить на оси тормозной диск пневматического или ручного тормоза, что повышает безопасность эксплуатации рельсового транспортного средства, и позволяет увеличить долговечность подшипников за счет снижения нагрузок на них при прохождении крутых кривых вследствие увеличения расстояния между подшипниками.