БАТАРЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОВОЗ Российский патент 2002 года по МПК B60L11/00 

Настоящее изобретение относится к области железобетонного транспорта и может быть применено в качестве локомотива.

Известен аккумуляторный электропоезд, содержащий несколько пассажирских моторных вагонов с установленными на них тяговыми электродвигателями, несколько тендеров, соединенных с моторными вагонами, на которых установлены аккумуляторные батареи, контролеры, установленные на крайних вагонах. Количество тяговых электродвигателей 6, мощность тягового электродвигателя 81 кВт, частота вращения якоря тягового электродвигателя 600 об/мин, скорость 42 км/ч, количество элементов в аккумуляторных батареях 264, емкость аккумуляторных батарей 7500 А-ч при 12-часовом разряде, масса аккумуляторных батарей 120 т, масса вагона 51 т, масса тендера с аккумуляторными батареями 63 т. /В. А.Раков, Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955 г., изд-е 2. - М.: Транспорт, 1995, с. 474, рис. 14.9/.

Недостатками известного аккумуляторного поезда являются большой вес тендеров, большой удельный расход условного топлива на измеритель, большие потери электроэнергии при зарядке, а также возможность работы только вблизи крупных подстанций.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией аккумуляторного поезда.

Известен также аккумуляторный моторный вагон, содержащий две вагонные секции, имеющие водительские и пассажирские отделения, тележки с тяговыми электродвигателями, тендеры с аккумуляторными батареями, выполненные за одно с вагонными секциями, тормозную систему, мотор-компрессор, мотор-вентиляторы, механизмы управления. Скорость движения 60 км/ч, запас хода 100 км /Там же, с. 474, рис. 14.8/.

Известный аккумуляторный моторный вагон, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатки известного аккумуляторного вагона, принятого за прототип, те же.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией аккумуляторного моторного вагона.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств аккумуляторного железнодорожного транспортного средства.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что тендеры, аккумуляторные батареи, тяговые электродвигатели заменены высоковольтной камерой, размещенной внутри моторного отделения батарейного электровоза, ионным электродвигателем, механически связанным с генератором переменного трехфазного тока, электрически соединенного с потребителями, тяговыми ионными электродвигателями, размещенными на тележках, причем все ионные электродвигатели одинаковы по конструкции, каждый из которых содержит якорь, выполненный в форме нескольких газовых турбин, изолированных друг от друга, размещенных в разных корпусах, закрытых крышками и установленных на общем валу, закрепленном в подшипниках, причем входной и выходной каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи охладитель и штуцер с запорным краном, а внутри два ионизатора газа, одинаковые по конструкции и размещенные по одному с каждой стороны газовой турбины, каждый из которых содержит полый цилиндр, внутрь которого вставлен источник электронов в форме стержня, соединенного с ускоряющей сеткой, перед которой размещена замедляющая сетка, причем все электроды соединены с выводами клеммной коробки, а внутренние полости корпусов газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, кроме того к одному из крайних корпусов прикреплен корпус понижающего редуктора, ведущая шестерня которого закреплена на конце общего вала, вал ионного двигателя соединен через водило с подвижной кареткой, шестерни которой входят в зацепление с ведущей шестерней и неподвижной шестерней, прикрепленной к корпусу, ядерными высоковольтными батареями, размещенными в высоковольтной камере и разбитыми на несколько групп, соединенных внутри группы последовательно, а между группами параллельно, каждая из которых содержит корпус, внутрь которого вставлен эмиттер, содержащий соли радиоактивного металла и являющийся источником или излучения, отделенный от корпуса вакуумом, или диэлектриком.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид батарейного электровоза; на фиг. 2 - вид на батарейный электровоз в разрезе; на фиг. 3 - блок-схема силовой передачи батарейного электровоза; на фиг. 4 - общий вид ионного электродвигателя; на фиг. 5 - вид слева на ионный электродвигатель; на фиг. 6 - вид справа на ионный электродвигатель; на фиг. 7 - вид на ионный электродвигатель в разрезе; на фиг. 8 - схема понижающего редуктора ионного электродвигателя; на фиг. 9 - устройство ядерной высоковольтной батареи; на фиг. 10 - схема ионного электродвигателя; на фиг. 11 - электрическая схема ионного электродвигателя.

Батарейный электровоз содержит раму 1 с тележками 2, 3 и подвеской. На раме установлен кузов 4, имеющий кабины машинистов 5, 6 и моторное отделение 7, в котором размещена высоковольтная камера 8, внутри которой установлены ядерные высоковольтные батареи 9, мотор-компрессор 10 с баллонами сжатого воздуха 11, размещенными сверху на крыше кузова, мотор-вентилятор 12 для принудительной вентиляции кузова, а также мотор-вентиляторы 13, 14 принудительного охлаждения тяговых электродвигателей, шкафы с электрооборудованием 15, 16. Ионный электродвигатель 17 механически соединен с генератором трехфазного переменного тока 18, который электрически соединен с электродвигателями привода вспомогательных механизмов, приборами освещения 19, обогрева 20. Там же размещены аккумуляторные батареи 21 аварийного освещения и питания приборов, выпрямляющее и зарядное устройство 22. В каждой кабине машиниста размещены пульт управления 23 и контролер 24, который электрически соединен с ядерными высоковольтными батареями и тяговыми ионными электродвигателями 25, 26, 27, 28. Ионный электродвигатель привода генератора трехфазного переменного тока и тяговые ионные электродвигатели, размещенные на тележках, имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит корпуса 29, 30, 31, соединенные между собой болтами и закрытые крышками 32, 33, 34, в нижней части одного из которых выполнена станина 35 с отверстиями для крепления. Внутри корпусов установлен якорь, выполненный в форме газовых турбин 36, 37, 38, изолированных друг от друга и закрепленных на общем валу 39. Входные и выходные каналы газовых турбин соединены между собой трубопроводами 40, 41, 42, имеющими снаружи охладители 43, 44, 45 и штуцера 46 с запорными кранами 47. Внутри каждого из трубопроводов размещены два ионизатора газов, по одному с каждой стороны газовой турбины. Ионизаторы газа содержат полые цилиндры 48, 49, внутрь которых вставлены источники электронов в форме стержней 50, 51, соединенных с ускоряющими сетками 52, 53. Между ускоряющими сетками размещены замедляющие сетки 54, 55. Над полыми цилиндрами размещены соленоиды 56, 57, соединенные с высоковольтными источниками тока 58, 59 через выключатели 60, 61. Одни и те же электроды в разных трубопроводах соединены между собой, как показано на фиг. 11, через групповые выключатели 62, 63 и подключены к выводам клеммных коробок 64, 65, 66. Внутренние полости корпусов газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом ионного электродвигателя. Понижающий редуктор содержит корпус 67, прикрепленный болтами к крышке одного из корпусов газовой турбины, внутри которого размещены ведущая шестерня 68, закрепленная на конце общего вала и входящая в зацепление с большой шестерней 69 подвижной каретки 70, установленной на водиле 71, закрепленном на валу 72 ионного электродвигателя. Малая шестерня 73 подвижной каретки входит в зацепление с неподвижной шестерней 74, соединенной с корпусом. Внутренние полости корпусов газовых турбин, трубопроводы и поверхности газовых турбин покрыты прочным изолированным материалом. Для питания всех ионных электродвигателей предназначены ядерные (изотопные) высоковольтные батареи. Ядерные высоковольтные батареи для питания тяговых ионных двигателей разбиты на три группы и соединены между собой в группах последовательно, а между группами параллельно. Все выключатели одной группы ядерных высоковольтных батарей имеют общий привод и связаны с контролерами. Ядерные высоковольтные батареи первой группы 75, 76, 77, 78 включаются включателями первой группы 79, 80, 81, 82. Ядерные высоковольтные батареи второй группы 83, 84, 85, 86 являются включателями второй группы 87, 88, 89, 90. Ядерные высоковольтные батареи 91, 92, 93, 94 включаются выключателями второй группы 95, 96, 97, 98. Все ядерные (изотопные) батареи имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит корпус 99, внутри которого установлен эмиттер 100, содержащий соли радиоактивного металла и являющийся источником α- или β- излучения. Эмиттер изолирован от корпуса вакуумом или диэлектриком 101. Напряжение ядерной высоковольтной батареи зависит от процентного содержания изотопа в эмиттере и материала диэлектрика может доходить до 360000 В. Они имеют небольшой вес и небольшие размеры, безопасны. Срок их службы составляет 15-25 лет. /О ядерных источниках тока см. В. Фильштих. Топливные элементы, пер. с нем. М.: Мир,1968, с. 339, рис. 72, а также С.И.Венецкий. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах. - М.: Металлургия, 1980, с. 29-30/.

Работа батарейного электровоза
Перед началом движения включается ионный электродвигатель 17, который вращает якорь генератора трехфазного переменного тока 18, питающего электродвигатели вспомогательных механизмов 10, 12, 13, 14, 19, 20, а также зарядное устройство 22, которое заряжает аккумуляторные батареи 21, от которой питаются приборы освещения и другие потребители при неработающем ионном электродвигателе 17. После проверки работы вспомогательных механизмов переключается рычаг переднего и заднего хода, не показанный на чертежах, в соответствующее положение в зависимости от направления движения. Ручка контролера 24 устанавливается в первое положение. При этом тяговые ионные электродвигатели 25, 26, 27, 28 оказываются подключенными к ядерным высоковольтным батареям 75, 76, 77, 78 первой группы. Они начинают вращаться и батарейный электровоз начинает движение. Работа ионных электродвигателей батарейного электровоза основана на принципе, используемом в ионном ракетном двигателе /См. Машиностроение. Терминологический словарь под общей ред. М.К.Узкова и Э. Ф. Богданова. - М.: Машиностроение, 1995, с. 155, рис. 13 и (б) и с. 179, рис. 12К/.

При подключении ядерных высоковольтных батарей первой группы к полому цилиндру 48, источнику электронов 50, ускоряющей сетке 52 и к источнику электронов 51, ускоряющей сетке 53, а также посредством включателя 60 соленоида 56 к ядерной высоковольтной батареи 58, внутри полого цилиндра 48 будет происходить объемная ударная ионизация водорода. Заряженный положительно полный цилиндр 48 ионизирует атомы водорода, которые начинают двигаться к источнику электронов 50 и, достигнув его поверхности, выбивают из него электроны, которые будут двигаться в сторону полого цилиндра 48, ионизируя встречающиеся на своем пути атомы водорода. Магнитным полем соленоида 56 ионы станут перемещаться, что приведет к более полной ионизации водорода. /О ионизации водорода. В. А.Батушев. Электронные приборы, изд. 2-е. - М.: Высшая школа, 1980, с. 298-299/.

Под действием электрического поля ускоряющей сетки 52 ионы водорода станут выбрасываться из ионизатора газа и двигаться в направлении, показанном стрелками на фиг. 10. Ионы водорода встречают на своем пути лопасти газовой турбины 36, ударяют в них, передавая им часть своей энергии и заставляя последнюю вращаться в направлении, показанном стрелкой. Совершив работу по вращению газовой турбины 36, ионы водорода следуют в направлении замедляющей сетки 55 и, достигнув ее, замедляют скорость движения, а затем попадают на ускоряющую сетку 53 и источник электронов 51, которые в этом случае выполняют роль нейтрализаторов. Ионы водорода приобретают недостающие электроны и превращаются в нейтральные атомы. Далее водород движется через охладитель 43, где отдает ему тепло, полученное при ионизации, а затем возвращается в ионизатор газа и все повторяется сначала. То же самое происходит и в трубопроводах 41, 42 с газовыми турбинами 37, 38. Скорость движения ионов водорода зависит от напряженности электрического поля в каждом трубопроводе. Следовательно, изменяя ступенчато напряженность электрического поля путем подключения двух или трех групп ядерных высоковольтных батарей можно изменять частоту вращения вала ионного электродвигателя. Тяговые ионные электродвигатели имеют десять скоростей вращения вала 72, которые обеспечиваются отключением от питания одной или двух газовых турбин посредством групповых включателей 62, 63, связанных с контролером 24, и подключением одной, двух или трех групп ядерных высоковольтных батарей. Таким образом ионизаторы газа вместе с ускоряющими системами и нейтрализаторами представляют собой как бы электрические насосы, приводящие в движение водород и заставляющие вращаться газовые турбины. При движении батарейного электровоза его торможение осуществляется за счет пневматических тормозов так, как тяговые ионные электродвигатели не обратимы и не могут использоваться в качестве генераторов электрического тока при рекуперативном торможении. Торможение тяговыми ионными электродвигателями может осуществляться в том случае, если при движении по инерции переключать тяговые ионные электродвигатели на обратный ход, не допуская при этом пробуксовки колесных пар и юза. Для движения батарейного электровоза в обратном направлении необходимо рычаг переключения переднего и заднего хода поставить в положение "задний ход", а контролер 24 перевести в первое положение, подключив тем самым тяговые ионные электродвигатели 25, 26, 27, 28 к ядерным высоковольтным батареям первой группы 75, 76, 77, 78. Ионизатор газа, который ионизировал атомы водорода при прямом движении, станет нейтрализатором, а тот, который был нейтрализатором, станет ионизатором газа. Соленоид 56 отключится, а соленоид 57 подключится посредством включателя 61 к ядерной высоковольтной батарее 59. Полый цилиндр 49 станет ионизировать атомы водорода, как было описано выше, источник электронов 51 станет излучать электроны, которые, двигаясь к полому цилиндру 49, станут также ионизировать атомы водорода. Под действием электрического поля ускоряющей системы ионы водорода станут выбрасываться через ускоряющую сетку 53 и двигаться в направлении замедляющей сетки 54. Встретив на своем пути лопасти газовой турбины 36, ионы водорода приводят ее во вращение в обратном направлении. Далее ионы водорода, пролетая через замедляющую сетку 54, уменьшают скорость движения и подходят к нейтрализатору, которым является ускоряющая сетка 52 и источник электронов 50. Затем водород движется через охладитель 43, где охлаждается и поступает снова в ионизатор газа. Такие же процессы протекают в остальных корпусах 30, 31 и трубопроводах 41, 42 с газовыми турбинами 37, 38 у других тяговых ионных электродвигателях. Чтобы процесс ионизации водорода проходил нормально, внутренние поверхности корпусов 29, 30, 31, крышек 32, 33, 34, трубопроводов 40, 41, 42 и поверхности газовых турбин 36, 37, 38 должны быть покрыты прочным электроизоляционным материалом. Для повышения мощности каждый ионный электродвигатель имеет понижающий редуктор так, как частота вращения газовых турбин может быть значительной. Крутящийся момент от общего вала 39 передается на ведущую шестерню 68, а затем на большую шестерню 69 подвижной каретки 70. Малая шестерня 73 обкатывается по зубьям неподвижной шестерни 74, вращая водило 71 и вал 72 с уменьшенной скоростью. При длительной работе батарейного электровоза возможна утечка водорода из корпусов 29, 30, 31 ионных электродвигателей 17, 25, 26, 27, 28. Восполнение недостающего количества водорода осуществляется через штуцеры 46 при открытых запорных кранах 47 из баллона, установленного под рамой вместе с мотором-компрессором 10. После прибытия в депо батарейный электровоз устанавливается на место стоянки, а приводной 17 и тяговые 25, 26, 27, 28 ионные электродвигатели останавливаются путем отключения их высоковольтных батарей 9. Батарейный электровоз может быть использован там, где нет запасов ограниченного топлива, и на неэлектрофицированных железных дорогах.

Положительных эффект: большой срок службы электроносителей, не требующих за собой значительного ухода, экономия свинца, черных и цветных металлов, меньшие потери электроэнергии, уменьшается время на обслуживание между рейсами.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструированию электровозов. Батарейный электровоз содержит раму с тележками и подвеской, кузов, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения. В моторном отделении размещены мотор-компрессор, мотор-вентилятор вентиляции кузова, мотор-вентиляторы принудительного охлаждения тяговых электродвигателей, генератор трехфазного переменного тока, механизмы управления. В моторном отделении установлена высоковольтная камера, в которой размещены ядерные высоковольтные батареи. Там же установлен ионный электродвигатель, механически соединенный с генератором трехфазного переменного тока, подключенного к потребителям. В качестве тяговых электродвигателей использованы ионные электродвигатели, которые, так же как и приводной ионный электродвигатель, подключены к ядерным высоковольтным батареям. Технический результат - большой срок службы и упрощение обслуживания локомотива. 11 ил.

Батарейный электровоз, содержащий раму с тележками и подвеской, тяговые электродвигатели, кузов, установленный на раме, имеющий кабины машинистов и моторное отделение, мотор-компрессор, мотор-вентилятор принудительного охлаждения кузова, мотор-вентиляторы принудительного охлаждения тяговых электродвигателей, механизмы управления и контроля, отличающийся тем, что в моторном отделении размещена высоковольтная камера, в которой установлены ядерные высоковольтные батареи, электрически соединенные с тяговыми ионными электродвигателями и ионным электродвигателем, установленным в моторном отделении и механически соединенным с генератором трехфазного переменного тока, подключенного к потребителям, причем все ионные электродвигатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит якорь, выполненный в форме нескольких газовых турбин, изолированных друг от друга, размещенных в отдельных корпусах, закрытых крышками и установленных на общем валу, причем входные и выходные каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводами, каждый из которых имеет снаружи охладитель и штуцер с запорным краном, а внутри два ионизатора газа, одинаковые по конструкции, размещенные по одному с каждой стороны газовой турбины, каждый из которых содержит полый цилиндр, внутрь которого вставлен источник электронов в форме стержня, соединенного с ускоряющей сеткой, перед которой установлена замедляющая сетка, причем все упомянутые электроды соединены с выводами клеммной коробки, а внутренние полости корпусов газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, кроме того, к одному из крайних корпусов прикреплен корпус понижающего редуктора, ведущая шестерня которого закреплена на конце общего вала, а вал ионного электродвигателя соединен через водило с подвижной кареткой, шестерни которой входят в зацепление с ведущей шестерней и неподвижной шестерней, прикрепленной к корпусу, кроме того ядерные высоковольтные батареи, одинаковые по конструкции, разбиты на несколько групп, соединены последовательно внутри группы и параллельно между группами, каждая из которых содержит корпус, внутри которого установлен эмиттер, содержащий соли радиоактивного металла и представляющий собой источник α или β излучения и отделенный от корпуса вакуумом или диэлектриком.