ЭЛЕКТРОМОТОР-КОЛЕСО Российский патент 1998 года по МПК B61C9/48 

Изобретение относится к электроприводу транспортных средств, в частности рельсовых, в которых используются электродвигатели, встроенные в колеса транспортных средств.

Известно электромотор-колесо (см. патент РФ N 2013258, опубл. 30.05.94 в БИ N 10 по заявке N 4949451/11 от 11.06.91, кл. B 61 C 9/48, авторы: Солодунов А. М. и др.). Оно содержит электродвигатель с ротором, выполненным из двух независимых частей с пазами на наружной цилиндрической поверхности одной из них, с кольцевым статором, имеющим пазы на внутренней цилиндрической поверхности, и смонтированное на оси в подшипниковом узле колесо. Статор расположен между независимыми частями ротора и закреплен на фланце оси колеса через кольцевые нажимные шайбы и несущий диск посредством стягивающих шпилек. Статор имеет пазы на наружной цилиндрической поверхности. В пазах на внутренней и наружной цилиндрических поверхностях расположены секции обмотки барабанного типа. Обе части ротора выполнены массивными и расположены радиально, одна внутри кольцевого магнитопровода статора, другая снаружи и выполнена с пазами на внутренней цилиндрической поверхности. Обе части ротора и колесо скреплены между собой кольцевой желобообразной несущей втулкой.

Сказанное обеспечивает жесткость крепления статора, уменьшение колебаний величин воздушных зазоров, прочность и жесткость передачи электромагнитного момента от ротора к колесу, что в целом обеспечивает надежность и приемлемые массогабаритные показатели конструкции.

Известно аналогичное изобретение (см. европейский патент N 0464929, опубл. 08.01.92 в Buletin 92/02 по заявке N 91201642.5 от 27.06.91 с приоритетом Италии от 03.07.90, N 2084390, кл. B 61 C 9/46), согласно которому колесно-моторный блок устанавливается на неподвижную ось тележки, на которой монтируется с возможностью вращения ступица колеса, имеющая поверхность качения. Между ступицей колеса и поверхностью качения располагается устройство, смягчающее толчки и удары. Ступица колеса располагается горизонтально и на ней закреплен индуктор постоянного магнита. Опорная плита корпуса закреплена на арматуре, крепящей двигатель на неподвижной оси. Корпус соединен с узлом подвода и контроля мощности электропитания. Ротор двигателя состоит также из двух независимых частей, которые выполнены несимметричными, фигурными и расположены одна внутри, другая снаружи статора. Обе части ротора также скреплены с колесом.

Однако в обоих изобретениях конструкция электромотор-колес такова, что двигатель оказывается не встроенным в колесо, а механически скрепленным с ним и расположенным в непосредственной близости от колеса. Это увеличивает массогабаритные показатели колесно-моторного блока в целом.

Кроме того, подрессоривание статора и ротора двигателя выполнено посредством упругих элементов, встроенных непосредственно в рабочую часть колеса и нагруженных не только инерционными силами от массы статора и ротора, но и рабочим моментом от сил тяги и торможения колеса. Это снижает надежность мотор-колеса и его срок службы.

И кроме того, в обоих изобретениях активная часть электродвигателя - цилиндрическая, требующая для сохранения рабочего зазора от конструкции ротора и статора высокой жесткости. Для снижения динамических воздействий на электродвигатель до допустимых значений и снижения необрессоренной массы ходовой части между ободом колеса и ступицей располагается устройство, смягчающее толчки и удары. Однако это снижение невелико (по опыту применения колес с упругими прокладками до 15% от необходимого уровня). Кроме того колеса с упругими прокладками создают повышенное сопротивление движению.

Известно устройство (см. авт. свид. СССР N 628008, опубликованное 15.10.78 в БИ N 38 по заявке N 1652024/40-07 от 11.05.71, кл. B 60 K 7/00, "Мотор-колесо", автор Курбасов А.С.), содержащее колесо со встроенным в него асинхронным короткозамкнутым электродвигателем. В этом устройстве статор асинхронной машины с магнитопроводом, обмотками и токоподводами закреплен на неподвижной оси колеса. А ротор с короткозамкнутой обмоткой и магнитопроводами размещен с двух сторон статора и образует колесо. Система охлаждения выполнена, в частности, жидкостной циркуляционной для статора и естественной с увеличенной поверхностью теплоотдачи для ротора. Циркуляция охлаждающей среды непосредственно в конструкции активной части статора обеспечивает хорошие условия отвода тепла, выделяемого в обмотках и магнитопроводе статора при работе мотор-колеса.

Такая конструкция мотор-колеса обеспечивает надежность устройства в эксплуатации и сокращает массогабаритные показатели устройства в целом.

Однако статор встроенного электродвигателя не имеет специальных элементов подрессоривания, что в случае применения указанного мотор-колеса для привода рельсовых экипажей снижает его срок службы и надежность. Кроме того, применение указанной схемы охлаждения статора потребует увеличения массогабаритных размеров статора и, соответственно, всего мотор-колеса. В описании рассмотренного изобретения пример конструктивной реализации схемы охлаждения статора не приводится.

Далее, в данном устройстве из-за расположения на ободе колеса пневмомашины или другого устройства, обеспечивающего сцепление колеса с поверхностью качения, средний диаметр активной части значительно меньше диаметра поверхности качения колеса, что не позволяет достичь высоких удельных тяговых и мощностных характеристик. Статор с двух сторон закрыт роторными дисками, что усложняет компоновку колеса, отвод тепла и подвод питания. Амортизация статора обеспечивается только устройством, размещенным на вращающейся части колеса (пневмомашиной), что создает дополнительное сопротивление движению, а на рельсовом транспорте, кроме того, не обеспечивает достаточного снижения динамических воздействий.

Техническая задача заключается в интегрировании рабочих элементов колеса и электродвигателя, в результате чего снижаются общие массогабаритные показатели и повышается надежность устройства в целом.

Данную техническую задачу авторы решают с помощью электромотор-колеса, содержащего неподвижную ось, на которой посредством подшипникового узла смонтировано колесо, а также содержащего торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, встроенный в колесо, и 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. Оба полукожуха, охватывающие колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и через подвеску и амортизаторы закреплены на оси двигателя. В зазорах между полукожухами и ободом колеса, а также между полукожухами и осью размещены защитные уплотнения.

Кроме того, в диске колеса выполнены сквозные диаметрально расположенные пазы. Пазы выполнены фигурными, соответствующими конфигурации катушки. Обмотка статора размещена в два слоя. При этом возможны два варианта расположения каждого слоя ее в пазах статора.

В одном варианте каждый слой обмотки статора расположен в отдельном пазу статора. В другом варианте один ее слой уложен в правой, а другой в левой части статора.

И кроме того, система охлаждения включает в себя кольцевые трубки циркуляционного охлаждения, расположенные под лобовыми частями обмотки статора и/или камеры рубашечного типа, закрепленные каждая на соответствующем полукожухе.

Новым по сравнению с прототипом является, во-первых, то, что статор установлен с возможностью охвата части колеса. Диск колеса выполнен с пазами, в которых расположена обмотка ротора, проводники которой размещены в диске колеса радиально и соединены между собой, соответственно, наружным и внутренним короткозамыкающими кольцами.

Во-вторых, статор двигателя амортизирован и состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей, каждая из которых жестко скреплена с соответствующим полукожухом двигателя.

В-третьих, оба полукожуха охватывают колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и через подвеску и амортизаторы закреплены на оси двигателя.

В-четвертых, в зазорах между полукожухами статора и ободом колеса, а также между полукожухами и осью размещены защитные уплотнения.

Кроме того, новым является то, что в диске колеса выполнены сквозные диаметрально расположенные пазы. Указанные пазы выполнены фигурными, соответствующими конфигурации катушки. А обмотка статора размещена в два слоя. При этом возможны два варианта укладки обмотки статора в пазах. По одному варианту каждый слой ее уложен в отдельном пазу статора. А по другому один ее слой уложен в правой, а другой в левой части статора.

Кроме того, система охлаждения включает в себя кольцевые трубки циркуляционного охлаждения, расположенные под лобовыми частями обмотки статора и/или камеры рубашечного типа, закрепленные каждая на соответствующем полукожухе статора.

Это позволяет снизить массогабаритные показатели, повысить надежность мотор-колеса и обеспечить развитие конструкции для применения в различных видах транспортных средств.

Сказанное позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение обладает критерием "новизна", а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

На фиг. 1 и 2 представлена конструктивная схема электромотор-колеса (вид спереди и сбоку); на фиг. 3 та же схема с пазами ротора, прорезанными в диске колеса насквозь от одной до другой его стороны; на фиг. 4 и 5 та же схема с фигурными пазами статора и обмоткой статора, размещенной в два слоя, каждый из которых уложен в отдельных пазах статора; на фиг. 6 та же схема электромотор-колеса, в которой один слой обмотки статора уложен в правой, а другой в левой части статора.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства на конкретном примере.

Электромотор-колесо содержит (фиг. 1 и 2) неподвижную ось 1, на которой посредством подшипникового узла 2 смонтировано колесо 3, торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель 4 со статором 5(6) и ротором 7, встроенный в колесо 3, и систему охлаждения 8, 9. Статор 5(6) установлен с возможностью охвата части колеса 3. Диск колеса 3 выполнен с пазами, в которых расположена обмотка 10 ротора 7. Проводники обмотки 10 размещены в диске колеса 3 радиально и соединены между собой, соответственно, наружным 11 и внутренним 12 короткозамыкающими кольцами.

Статор 5(6) двигателя 4 состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей 5 и 6, каждая из которых жестко соединена с соответствующим полукожухом 13(14) двигателя 4. Оба полукожуха 13, 14 охватывают колесо 3 с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой (узел 15) и через подвеску 16 и амортизаторы 17 закреплены на оси 1 двигателя 4.

В зазорах между полукожухами 13, 14 статора 5, 6 размещены защитные уплотнения 18. А в зазорах между полукожухами 13, 14 и осью 1 колеса 3 в качестве защитных уплотнений использованы амортизаторы 17. В других вариантах исполнения в качестве защитных уплотнений между полукожухами 13, 14 статора и осью колеса 3 могут быть использованы специальные гибкие манжеты. В этих вариантах амортизаторы устанавливаются отдельно и с уплотнениями не связаны.

В диске колеса 3 выполнены сквозные диаметрально расположенные пазы (фиг. З).

Пазы статора 5(6) выполнены фигурными (фиг. 6), полностью соответствующими конфигурации катушки.

Обмотка 19 статора 5(6) (фиг. 5) размещена в два слоя, каждый из которых расположен в отдельном пазу статора, или один из которых уложен в правой, а другой в левой части статора (фиг.6).

Система охлаждения 8, 9 включает в себя кольцевые трубки 8 циркуляционного охлаждения, расположенные под лобовыми частями обмотки статора 5(6), и камеры 9 рубашечного типа, закрепленные, каждая, на соответствующем полукожухе 13(14) двигателя 4.

В качестве узла 15 могут быть использованы проставочные калиброванные вкладыши бонки, имеющие сквозные отверстия для призонных болтов, стягивающих оба полукожуха, с обеспечением между статорами суммарного воздушного зазора.

Устройство работает следующим образом.

Трехфазный ток, подведенный к обмоткам левого 5 и правого 6 статоров, создает торцевое вращающееся магнитное поле в зазорах между статорами 5, 6 и ротором 7. Это поле наводит в радиальных стержнях обмотки ротора 7 ток, который, взаимодействуя с полем статоров 5, 6, создает вращающий момент. Преодолевая сопротивление движению колеса 3, ротор 7 начнет вращаться в направлении магнитного поля. Равный и направленный встречно момент действует на статоры 5, 6, которые удерживаются от поворота элементами подвески (пластины 16, плита 24 и ось 1) см. фиг. 1 и 2. Одновременно с восприятием реактивного момента двигателя пластины 16, плита 24 и ось 1 удерживают статоры 5(6) в первоначальном положении при воздействии осевых сил электромагнитного тяжения между магнитопроводами статоров 5, 6 и ротора 7, обеспечивая стабильность величины воздушных зазоров. Пластины 16 и амортизаторы 17 воспринимают энергию колебаний статоров 5(6), защищая обмотку от воздействия ударных нагрузок. От осевых перемещений под действием сил электромагнитного тяжения ротор удерживается радиально-упорными подшипниками 2, закрепленными на оси 1 посредством втулок 20 и гайки 21. Осевые силы на подшипники 2 передаются от колеса 3 через внутренний кольцевой буртик 22.

В режиме электрического торможения электромагнитный момент меняет знак, скорость ротора 7 превышает скорость вращения магнитного поля машины, механическая энергия движения поезда возвращается через обмотки статоров 5(6) в питающую сеть.

Потери энергии, возникающие в обмотках и магнитопроводе, отводятся охлаждающей средой, циркулирующей в кольцевых трубках 8 и/или в рубашках 9.

Сказанное позволяет сделать следующие выводы:
1. Предлагаемое техническое решение позволяет:
увеличить надежность за счет уменьшения динамических нагрузок на статор;
упростить компоновку мотор-колеса за счет упрощения конструкции ротора и облегчения доступа к статору, имеющему наиболее сложную конструкцию и требующему подвода энергии и отвода тепла;
снизить массогабаритные показатели за счет уменьшения массы ротора и увеличения диаметра активной части.

2. Выполнение пазов ротора в диске колеса сквозными позволяет увеличить КПД электродвигателя за счет снижения потерь в стали ротора.

3. Выполнение пазов статора фигурными позволяет увеличить длину активной части электродвигателя без увеличения диаметра колеса.

4. Размещение обмотки статора в два слоя позволяет упростить технологию изготовления статора.

5. Размещение каждого слоя статора в разных его частях позволяет увеличить КПД электродвигателя, отказавшись от глубоких пазов для одного слоя обмоток.

Изобретение относится к электроприводу рельсовых транспортных средств. Сущность: электромотор-колесо имеет статор торцевого асинхронного короткозамкнутого двигателя 4, установленного с возможностью охвата части колеса 3. Диск колеса 3 выполнен с пазами, в которых расположена обмотка 10 ротора 7. Проводники обмотки 10 размещены в диске колеса 3 радиально и соединены между собой, соответственно, наружным 11 и внутренним 12 короткозамыкающими кольцами. Статор двигателя состоит из двух независимых кольцеобразных активных частей 5,6, каждая из которых жестко соединена соответствующим полукожухом 13,14 статора. Оба полукожуха 13, 14 охватывают колесо 3 с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой узлом 15 и через подвеску 16 и амортизаторы 17 закреплены на оси 1 двигателя 4. В зазорах между полукожухами 13, 14 статора размещены защитные уплотнения 18, а в зазорах между полукожухами 13, 14 и осью 1 колеса 3 в качестве защитных уплотнений установлены амортизаторы 17. В диске колеса 3 выполнены сквозные диаметрально расположенные пазы. Пазы статора выполнены фигурными, соответствующими конфигурации катушки. Обмотка 19 статора размещена в два слоя, каждый из которых расположен в отдельном пазу статора, или один из которых уложен в правой, а другой в левой части статора. Система охлаждения включает в себя кольцевые трубки 8 циркуляционного охлаждения, расположенные под лобовыми частями обмотки статора, каждая на соответствующем полукожухе 13,14 двигателя 4. Это позволяет снизить массо-габаритные показатели и повысить надежность электромотор-колеса. 5 з.п. ф-лы., 6 ил.

1. Электромотор-колесо, содержащее неподвижную ось, на которой посредством подшипникового узла смонтировано колесо, торцевой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, встроенный в колесо, и систему охлаждения, отличающееся тем, что 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, оба полукожуха, охватывающие колесо с двух торцевых сторон, разъемно соединены между собой и через подвеску и амортизаторы закреплены на оси двигателя, а в зазорах между полукожухами и ободом колеса, а также между полукожухами и осью размещены защитные уплотнения. 2. Электромотор-колесо по п. 1, отличающееся тем, что в диске колеса выполнены сквозные диаметрально расположенные пазы. 3. Электромотор-колесо по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что пазы статора выполнены фигурными, соответствующими конфигурации катушки. 4. Электромотор-колесо по п. 1, отличающееся тем, что обмотка статора размещена в два слоя, каждый из которых расположен в отдельном пазу статора. 5. Электромотор-колесо по п. 1, отличающееся тем, что обмотка статора размещена в два слоя, один из которых уложен в правой, а другой в левой части статора. 6. Электромотор-колесо по п. 1, отличающееся тем, что система охлаждения включает в себя кольцевые трубки циркуляционного охлаждения, расположенные под лобовыми частями обмотки статора, и/или камеры рубашечного типа, закрепленные каждая на соответствующем полукожухе.