Тяговый электропривод для маневровых тепловозов Российский патент 2020 года по МПК B61C9/24 B61C9/48 B60L50/13 H02K19/10 H02P6/04 H02P25/08 

Область техники

Изобретение относится к электрическим передачам локомотивов, в частности, маневровых тепловозов.

Уровень техники

Из уровня техники известны тепловозы серии ТГМ6 (ТГМ4), на которых применяется гидропередача. Штатная гидропередача обладает рядом существенных недостатков, а именно: экологические проблемы, постоянное подтекание масла по сальникам и манжетам; низкая надежность; высокая трудоемкость ремонта и содержания.

Из уровня техники известны примеры, в которых раскрыта модернизация тепловоза, при которой взамен штатной гидропередачи устанавливают электрическую передачу, однако все они тоже обладают рядом недостатков.

В источнике информации WO 2005086910 А2, (RAILPOWER TECHNOLOGIES COR), 22.09.2005 раскрыт тепловоз, который содержит один или два первичных двигателя, генератор, преобразователь электроэнергии, накопитель электроэнергии и тяговый электродвигатель, который может быть как асинхронным электродвигателе, двигателем постоянного тока или реактивный индукторный двигатель, который с помощью трансмиссии приводит в движение колесные пары. Однако предложенный тепловоз также обладает недостаточной надежностью, так как содержит только один тяговый электродвигатель, при выходе которого из строя, тепловоз останавливается и не может продолжить движение до места ремонта, для его транспортировки в депо необходимо будет использовать второй локомотив.

В источнике информации RU 181537 U1, (Полюхович Владимир Степанович и др.), 18.07.2018 раскрыто транспортное средство, например маневровый тепловоз, содержащее несущую часть с установленными на ней посредством элементов крепления системой управления транспортным средством и его оборудованием, тяговым асинхронным электродвигателем, вспомогательными приводными элементами, элементами силовой и управляющей электроники, двумя двигателями внутреннего сгорания, системами охлаждения элементов силовой и управляющей электроники и элементов тягового привода, контроллером верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой, связанным с системой управления транспортным средством и отображения информации и элементами управляющей электроники, электрической схемой питания потребителей электроэнергии. При этом каждый из двух двигателей внутреннего сгорания механически соединен со своим тяговым асинхронным генератором, а тяговый асинхронный электродвигатель соединен через редукторы с движителями, причем контроллер верхнего уровня выполнен с возможностью управления включением в работу двигателей внутреннего сгорания в зависимости от условий движения и задания водителя посредством системы управления транспортным средством, а элементы силовой и управляющей электроники представляют собой соответственно электрически соединенные тяговые преобразователи на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение и цифровые системы управления, которые выполнены на основе контроллеров для цифрового алгоритмического управления тяговыми асинхронными генераторами и двигателями, и для управления бортовыми потребителями, причем цифровые системы управления, тяговые асинхронные генераторы и тяговый асинхронный двигатель, вспомогательные приводные элементы, тяговые преобразователи на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное и переменное стабилизированное напряжение взаимосвязаны с возможность передачи управляющих и информационных сигналов. Указанное транспортное средство также содержит только один тяговый электродвигатель, при выходе которого из строя, тепловоз останавливается и не может продолжить движение до места ремонта. При этом в качестве тягового двигателя применяется асинхронный электродвигатель, который по сравнению с реактивным индукторным двигателем является конструктивно более сложной электрической машиной, что приводит к более низкой надежности.

В качестве прототипа принят источник информации Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1976-1985 гг). - М.: Транспорт, 1990, в котором раскрыт опытный тепловоз ТЭМ12, на котором используется электрическая передача с групповым приводом колесных пар. Тепловоз содержит тяговый генератор, который питает два параллельно включенных тяговых электродвигателя, подвешенных к главной раме. Валы электродвигателей соединены между собой и связаны с карданным валами, которые соединены с осевыми редукторами. В указанном тепловозе в качестве тяговых двигателей применяются электродвигатели постоянного тока, которые по сравнению с реактивным индукторным двигателем обладают низкой надежностью.

Задачей заявленного изобретения является создание такого электропривода тепловоза, обеспечит снижение ущерба экологии, повысит живучесть тепловоза, то есть при выходе из строя одного тягового двигателя на другом можно завершить начатую работу и тепловоз сам может доехать до места ремонта, повысит надежность тепловоза и снизит трудоемкость ремонта и содержания.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности тепловоза.

Технический результат достигается тем, что в электроприводе тепловоза применяется один или более тяговых реактивных индукторных двигателя (ТРИД). Применения индукторных двигателей позволяет повысить надежность электропривода и тепловоза в целом, так как простота конструкции обеспечивает реактивным индукторным двигателям более высокую безотказность, чем безотказность других типов электрических машин. Конструктивная и электрическая независимость фазных обмоток обеспечивает работоспособность реактивных индукторных двигателей даже в случае полного замыкания полюсной катушки одной из фаз. Реактивные индукторные двигатели сохраняют работоспособность даже после выхода из строя одной или двух фаз.

Тяговый электропривод тепловоза содержит один или более тяговых реактивных индукторных двигателя, установленных либо на раме тепловоза, при этом двигатели посредством карданных валов передают усилие на штатные осевые редукторы, установленные на колесных парах, которые, в свою очередь, приводят в движение тепловоз, либо на осях колесных пар тепловоза, в этом случаи привод колесных пар осуществляется одноступенчатым цилиндрическим редуктором, ведущая шестерня которого насаживается на вал тягового реактивного индукторного двигателя, а ведомая на ось колесной пары. Каждый из тяговых реактивных индукторных двигателей состоит из статора, ротора, подшипниковых щитов с подшипниками и панели датчиков. Статор представляет собой сварную конструкцию, состоящую из сердечника статора и двух обечаек, приваренных по торцам, на полюсах сердечника статора установлены катушки, объединенные в несколько фаз, фазные катушки статора изолированы между собой и не имеют лобных пересечений. В статоре также имеются окна для присоединения воздухопровода с охлаждающим воздухом и воздуходувки отвода охлаждающего воздуха. Ротор состоит из вала и напрессованных на него листов злектротехнической стали, измерительного кольца и упорных колец, для обеспечения эффективного использования потока охлаждающего воздуха пазы сердечника ротора с обоих торцов закрыты немагнитными дисками, одновременно являющимися нажимными шайбами. Подшипниковые щиты выполнены сварными, а панель датчиков закреплена на корпусе датчиков, который вставляется в подшипниковый щит.

При этом сердечник статора состоит из листов электротехнической стали спрессованных между собой с помощью двух нажимных шайб. После опрессовки пакет скрепляется стержнями и продольными сварными швами.

К обечайкам предварительно привариваются кронштейны для крепления электродвигателя к раме тепловоза, а также для транспортировки и кантования. В обечайках имеются привалочные поверхности для установки подшипниковых щитов.

Сердечники статора и ротора изготовлены из листов электротехнической стали 2212 толщиной 0,5 мм, при этом количество полюсов ротора соответствует числу катушек в статоре

Обмотка статора - сосредоточенная катушечная. Катушки статора намотаны из провода ПММ 5,5×22. Корпусная изоляция катушки выполнена лентой слюдяной пропитанной марки ЛСп-Н-ТПл 0,13×20, межвитковая выполнена лентой слюдяной пропитанной марки ЛСп-Н-ТПл 0,08×20, покровная - лентой стеклянной ЛЭС 0,2×20. Плотная установка катушки и эффективный теплоотвод обеспечивается применением прокладок из POROMAT ME 2242. В лобовых частях катушек, со стороны выхода воздуха из электродвигателя, установлены датчики температуры типа Pt100, контакты которых выведены в блок обработки сигналов датчиков. Крепление катушек статора на зубцах выполняется клиньями из профильного стеклотекстолита. Для повышения эффективности охлаждения катушек клинья установлены с воздушными промежутками.

Катушки фазы статора соединены в электрическом отношении последовательно, а в магнитном - встречно. Токовыводные концы фазных катушек закреплены на изоляторах.

Подшипниковые щиты имеют гнезда для посадки подшипников, посадочные утолщения по наружному контуру для напряженной установки щитов в корпус и фланцы с отверстиями для крепления щитов болтами. Во фланцах имеется четыре отверстия с резьбой М20 для выжимных болтов, с помощью которых щиты выпрессовываются из корпуса при разборке электродвигателя. В качестве подшипников используются сферический роликовый подшипник и радиальный однорядный роликовый подшипник.

Для смазки подшипников используется смазка Буксол. Смазка в подшипники электродвигателя добавляется пресс-шприцем через смазочные трубки, закрытые болтами. Подшипники установлены в гнезда щитов подшипниковых и закрыты крышками подшипника. Крышки подтягиваются болтами к ступицам щитов подшипниковых. Для удержания смазки в подшипниках узлах, а так же для предотвращения попадания грязи и других сторонних примесей в подшипник, используются лабиринтные уплотнения.

Измерительное кольцо совместно с панелью датчиков являются звеном обратной связи, отслеживающим положение ротора. Панель датчиков предназначена для определения взаимного положения зубцов статора и ротора, в качестве чувствительных элементов используют три датчика Холла.

Передаточное отношение осевых редукторов равняется 4.23.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Общая схема электропривода тепловоз.

Фиг. 2 - Общий вид тягового реактивного индукторного двигателя.

Фиг. 3 - Схема соединения катушек статора.

Осуществление изобретения

Работает тяговый электропривод следующим образом. Двигатели внутреннего сгорания (1) приводят в движение тяговые генераторы (2), которые вырабатывают переменный ток, поступающий на выпрямитель (3). Выпрямитель (3) обеспечивает питание постоянным током блок питания мотор-компрессора (4), блок питания системы охлаждения тяговых реактивных индукторных двигателей (5), блоки управления тяговых реактивных индукторных двигателей (6), который питает тяговые реактивные индукторные двигатели (ТРИД) (7). Выпрямитель (3) содержит систему охлаждения (9), а блок управления ТРИД - систему охлаждения (10).

Управление ТРИД (7) осуществляют с помощью IGBT транзисторов, путем поочередной подачи импульсов напряжения на катушки по сигналам от датчика положения ротора, что обеспечивает формирование механической характеристики практически в любом диапазоне. Изменением частоты следования импульсов регулируется частота вращения ротора в широких пределах при сохранении неизменным КПД. Изменением длительности импульсов напряжения регулируется момент и мощность двигателя. ТРИД посредством карданных валов передают усилие на штатные осевые редукторы (8), установленные на колесных парах, которые, в свою очередь, приводят в движение тепловоз.

Естественная характеристика ТРИД схожа с характеристикой нагруженной машины постоянного тока с последовательным возбуждением, что дает возможность получать повышенный момент для низкооборотных механизмов. Программно управляемая микропроцессорная система позволяет осуществлять коррекцию естественной механической характеристики. ТРИД характеризуется длительной и безотказной работой в динамических режимах с частыми пусками и остановками. При этом пуск механизма осуществляется плавно. В ТРИД отсутствуют пусковые токи. При запуске величина токов не превышает номинальных значений. Максимальная частота управляющих импульсов не превышает 250-300 Гц.

Таким образом применение тяговых реактивных индукторных двигателей в приводе тепловоза повышает надежность передачи и тепловоза в целом.

Изобретение относится к тяговому приводу тепловозов. Тяговый электропривод тепловоза содержит два тяговых реактивных индукторных двигателя, установленных либо на раме тепловоза, при этом двигатели посредством карданных валов передают усилие на штатные осевые редукторы, либо на осях колесных пар тепловоза, в этом случаи привод колесных пар осуществляется одноступенчатым цилиндрическим редуктором. При этом каждый из тяговых реактивных индукторных двигателей состоит из статора, ротора, подшипниковых щитов с подшипниками и панели датчиков. Статор представляет собой сварную конструкцию, состоящую из сердечника статора и двух обечаек, приваренных по торцам, на полюсах сердечника статора установлены катушки, объединенные в несколько фаз, фазные катушки статора изолированы между собой и не имеют лобных пересечений. Ротор состоит из вала и напрессованных на него листов электротехнической стали, измерительного кольца и упорных колец, для обеспечения эффективного использования потока охлаждающего воздуха пазы сердечника ротора с обоих торцов закрыты немагнитными дисками, одновременно являющимися нажимными шайбами. Технический результат заключается в повышении надежности тепловоза. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тяговый электропривод тепловоза содержит один и более тяговых реактивных индукторных двигателя, установленных либо на раме тепловоза, при этом двигатели посредством карданных валов передают усилие на штатные осевые редукторы, установленные на колесных парах, которые, в свою очередь, приводят в движение тепловоз, либо на осях колесных пар тепловоза, в этом случае привод колесных пар осуществляется одноступенчатым цилиндрическим редуктором, ведущая шестерня которого насаживается на вал тягового реактивного индукторного двигателя, а ведомая на ось колесной пары, при этом каждый из тяговых реактивных индукторных двигателей состоит из статора, ротора, подшипниковых щитов с подшипниками и панели датчиков, статор представляет собой сварную конструкцию, состоящую из сердечника статора и двух обечаек, приваренных по торцам, на полюсах сердечника статора установлены катушки, объединенные в несколько фаз, фазные катушки статора изолированы между собой и не имеют лобных пересечений, в статоре также имеются окна для присоединения воздухопровода с охлаждающим воздухом и воздуходувки отвода охлаждающего воздуха, ротор состоит из вала и напрессованных на него листов электротехнической стали, измерительного кольца и упорных колец, пазы сердечника ротора с обоих торцов закрыты немагнитными дисками, одновременно являющимися нажимными шайбами, подшипниковые щиты выполнены сварными, а панель датчиков закреплена на корпусе датчиков, который вставляется в подшипниковый щит.

2. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях сердечник статора состоит из листов электротехнической стали, спрессованных между собой с помощью двух нажимных шайб, после опрессовки пакет скрепляется стержнями и продольными сварными швами.

3. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором к обечайкам тяговых реактивных индукторных двигателей приварены кронштейны для крепления их к раме тепловоза, а также для транспортировки и кантования, и в обечайках имеются привалочные поверхности для установки подшипниковых щитов.

4. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях сердечники статора и ротора изготовлены из листов электротехнической стали 2212 толщиной 0,5 мм, при этом количество полюсов ротора соответствует числу катушек в статоре

5. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях обмотка статора является сосредоточенной катушечной, при этом катушки статора намотаны из провода ПММ 5,5×22, корпусная изоляция катушки выполнена лентой слюдяной пропитанной марки ЛСп-Н-ТПл 0,13×20, межвитковая выполнена лентой слюдяной пропитанной марки ЛСп-Н-ТПл 0,08×20, покровная - лентой стеклянной ЛЭС 0,2×20, плотная установка катушки и эффективный теплоотвод обеспечиваются применением прокладок из POROMAT ME 2242, в лобовых частях катушек, со стороны выхода воздуха из электродвигателя, установлены датчики температуры типа Pt100, контакты которых выведены в блок обработки сигналов датчиков.

6. Тяговый электропривод тепловоза по любому из пп. 1 и 5, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях крепление катушек статора на зубцах выполняется клиньями из профильного стеклотекстолита, при этом клинья установлены с воздушными промежутками.

7. Тяговый электропривод тепловоза по любому из пп. 1 и 5, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях фазы катушек статора соединены в электрическом отношении последовательно, а в магнитном - встречно.

8. Тяговый электропривод тепловоза по любому из пп. 1 и 5, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях токовыводные концы фазных катушек закреплены на изоляторах.

9. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях подшипниковые щиты имеют гнезда для посадки подшипников, посадочные утолщения по наружному контуру для напряженной установки щитов в корпус и фланцы с отверстиями для крепления щитов болтами, во фланцах имеется четыре отверстия с резьбой М20 для выжимных болтов, с помощью которых щиты выпрессовываются из корпуса при разборке электродвигателя.

10. Тяговый электропривод тепловоза по любому из пп. 1 и 9, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях в качестве подшипников используются сферический роликовый подшипник и радиальный однорядный роликовый подшипник, а для смазки подшипников используется смазка Буксол.

11. Тяговый электропривод тепловоза по любому из пп. 1 и 9, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях для удержания смазки в подшипниковых узлах, а также для предотвращения попадания грязи и других сторонних примесей в подшипник используются лабиринтные уплотнения.

12. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором в тяговых реактивных индукторных двигателях панель датчиков предназначена для определения взаимного положения зубцов статора и ротора, при этом в качестве чувствительных элементов используют три датчика Холла.

13. Тяговый электропривод тепловоза по п. 1, в котором передаточное отношение осевых редукторов равно 4.23.