CN102545513B - 长途电力列车上的发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长途电力列车上的发电机，其永磁磁极与电枢分别设在长途电力列车专用车轮与相对应位置上的恒静轴，利用该转动轮在恒静轴两端上转动所产生的转动惯量机械能，结合该转动轮外侧中央位置上固接的轭铁和永磁磁极增加轮重所产生的加强惯性扭矩，使环绕着静止的电枢绕组转动的永磁磁极，以其磁极的磁通割切电枢绕组的导线而发电。

Description

长途电力列车上的发电机

技术领域

本发明是指一种产生清洁能源的装置，尤指有关一种在长途电力列车上的发电机，用以降低长途有轨电力列车的用电费。当小体积可发出大电流的超导发电机诞生后，有轨长途电力列车采用本案的发电方式，将来有可能仅在铁路两端的起点站设置能提供启动用的电能于列车上的机制，则目前长途架设的电力系统供电至列车上的设施或许可完全改观。然，目前本案所产生的电力，至少可供列车照明和空调使用。

背景技术

目前电力公司供电给有轨电力列车的范围包含电动机、空调和照明，请参照图1电力公司供电系统图与图2单一供电区间内馈电系统图，如该两图所示，分别供应两侧责任区间内的列车负载，每一侧的上行、下行车的馈电线采用并联方式连接至同一组单相电源，每组单相电源供电给接触线与回流线，再藉由集电弓撷取接触线与回流线间的电源供列车使用，其架构如图2所示。图3所示为BT馈电方式，这些供电设备包含沿途密集的门型高压电线架，是建设高铁投资金额巨大的原因。

根据下表所示，是目前世界各国主要高速铁路系统的重要规格。本发明的发电方式，在超导发电机未诞生前，系由列车内部独立的输配电系统馈电至列车内的空调和照明设备。

发明内容

本发明的目的在于铁路上行驶的长途电力列车上，固装一组或一组以上专为发电而设的恒静轴和转动轮，利用该转动轮在恒静轴上转动所产生的转动惯量的机械能，结合该轮外侧中央位置上固接发电组件的轭铁和永磁磁极增加轮重所加强的惯性扭矩，环绕着静止的绕线电枢以永磁磁极的磁通割切电枢绕组的导线而发电。当列车变向行驶，对可左、右转的发电机没有影响，静止电枢所产生的电流可从轴心孔输出，不需电刷。

本发明为达成上述目的，其具体实施方案包括：一设在长途电力列车上专为发电所设的恒静轴，该恒静轴做成可分离密接锁固成一体的中间段大直径部与两端小直径部的三段插接式构造；一设在该恒静轴两端专为发电而增设可在铁轨上转动的车轮，转动的车轮产生机械能；一设在该恒静轴两端上具有绕组的电枢；一设在该恒静轴两端的车轮外侧且随该车轮转动而旋转的发电机轭铁，该发电机轭铁于其轭铁凸缘以数枚螺钉固装在该车轮的外侧，于该车轮外侧与该轭铁凸缘间的接合面设一硬质绝缘圈垫，并于该数枚螺钉与该轭铁凸缘之间设一硬质绝缘套筒；一设在该轭铁内周壁的磁极组件，且该磁极组件的内周与该电枢外周相对应，随车轮转动而绕着电枢外周旋转，使该磁极组件的磁场切割该电枢绕组的导线而产生电流。

其中，该车轮系以非导磁性材质的不锈钢金属制成。

其中，静止的电枢产生的电流，系由该车轮恒静轴的轴中心孔引出的电线输出。

其中，该恒静轴小直径部进一步包括轴径相同的第一及第三段轴以及轴径略大的第二段轴和轴径略小的第四段轴。

附图说明

图1为现有电力公司供电给有轨电力列车的系统图；

图2为现有电力公司供电给单一供电区间内馈电系统图；

图3为现有高铁变电站对高铁列车的BT馈电图；

图4为本发明电力列车上发电机的侧剖面示意图；

图5为图4的正剖面示意图；

图6为本发明发电机的立体示意图；

图7为本发明发电机设立于电力列车车厢下的示意图。

具体实施方式

简言之，如图4～图6所示，本发明发电机2系安装在恒静轴9上的车轮1的外侧，该发电机2包括一轭铁20、一永磁磁极4及一电枢3，该永磁磁极4以螺钉41固装在该轮外侧中央位置的发电机轭铁20，各永磁磁极4间留有间隙，而该永磁磁极4则围绕着固装在恒静轴9的两端中央位置的电枢3回转，因而使永磁磁极4的旋转磁场割切静止电枢3绕组的导线而发电。车轮1依靠钢珠轴承6A、6B的支撑在恒静轴9的两端回转。车轮1安装发电机2后，经平衡测试，使车轮的重量平衡。

详言之，本发明发电机系设在有轨电力列车上，固装数组专供发电的转动车轮1与恒静轴9。该恒静轴9与其两端的车轮1共同组合为一组发电机组。车轮1追随列车在铁轨5上转动而产生稳定、强大的扭矩，是理想无噪音的发电机械能。利用此机械能，在该轮1的外侧中央位置，固装发电机的轭铁20，轭铁20内周壁再以螺钉41固定偶数永磁磁极4(磁极数多寡可依实际需要调整)，该永磁磁极4与车轮1同步环绕着恒静轴9两端所固装的电枢3的外周转动，使永磁磁极4的旋转磁场切割电枢绕组的导线而产生电流，该电枢3产生的电流，由电枢3的电枢绕组30的输出端31经恒静轴9的中心孔90引至输出线出口94于轴外，即输出端31从静止的电枢3外端往内经恒静轴9的中心孔90输出电流。

现有发电机的电枢标准转数为1,800RPM，欲达到此回转数，仅依据列车规定的速度，选用适宜直径的车轮1就可达到目的。

例如：车速280KM/hr.，车轮1的直径0.8M，计算其转速如下：

$280\mathrm{KM}/\mathrm{hr}.=\frac{280000M}{60}=\mathrm{4,667}M/\min .........\left(1\right)$

车轮圆周长=0.8m×π=2.51328M…………(2)

(1)÷(2)=4.667M÷2.51328M=1857RPM(接近标准转数)

该发电专用车轮的回转为1800RPM……………(3)

如果该列车速度为150KM/hr.=2500M/min…………(4)

公式如下：

时速150km/hr至100km/hr的电力列车上的发电车轮，欲维持1800RPM的转速时，需降低车轮直径，因此减小发电机的磁场和发电量。为解决这种现象，可在列车中增加有发电车轮的车辆，则不影响该低速列车的空调和照明用电。

车轮1的构造如图4所示，该车轮1结合其外侧中央位置固装的永磁磁极4的重量，符合物体的质量愈大，惯性就愈大的定律。其所产生的转动惯量(moment of inertia)机械能，是驱动发电机的理想清洁能源。

永磁磁极4固装在轭铁20的内周壁，轭铁20的轭铁凸缘21并以数枚螺钉7固装在车轮1的外侧。此间应予说明者，乃本发明为防止电车电路的铁轨回流电流，影响本发明发电机的输出电能质量，如图4、图5所示，(1)在发电机2的轭铁20与车轮1的外侧面间的结合接口最好以硬质绝缘圈垫72予以隔离；(2)螺钉7与轭铁20的轭铁凸缘21之间加设具凸缘的硬质绝缘套筒71，使螺钉7与轭铁20绝缘不导电；(3)在电枢3的中心与恒静轴9间固套一硬质绝缘筒93(例如塑钢之类的硬质绝缘材质)，以将电枢3的本体与恒静轴9完全绝缘。

固装在列车底盘上的恒静轴9为实心静止钢轴。然为完全将本发明发电机的永磁磁极4的磁场不受外界磁场影响，于必要时，恒静轴9与车轮1均使用不导磁的不锈钢材质。

铁轨5为高速铁路使用的标准轨。

再者，为方便日后轴承6A、6B的维修拆卸更换组装作业，将恒静轴9做成如图4所示的第一段轴9A、第二段轴9B、第三段轴9C、第四段轴9D及第五段轴9E(中间段)，其中第一段轴9A及第三段轴9C的轴径相同，而第二段轴9B的轴径略大，第四段轴9D的轴径略小，而与第五段轴9E内径相密接套合并以螺钉95锁固成实质上的一体的恒静轴9。又，由图4的剖面可知，恒静轴9的第一段轴9A外端设有C型扣环92，使整个电枢3与恒静轴9的第一段轴9A外径间套固硬质绝缘筒93后，刚好固结在第一段轴9A上，而电枢3的外端又为C型扣环92所挡止，而其内端则为第二段轴9B的轴径所挡止而锁固。亦即恒静轴9是由中间段大直径部与两端小直径部的三段轴固接而成，第五段轴9E较粗为母轴，母轴左、右端的子轴较细，与发电组件相接合。子轴分成第一段轴9A、第二段轴9B、第三段轴9C、第四段轴9D等四段：其中，第一段轴9A及第三段轴9C的轴径相同，第一段轴9A与电枢固接，第三段轴9C与轴承6A、6B固接，第二段轴9B轴径较粗，是电枢3与轴承6A、6B的定位段，第四段轴9D轴径较细，与较粗的第五段轴9E相固接成一体。

兹为使电枢3的工作性能保持恒定不变，原则上，电枢3的内孔与恒静轴9第一段轴9A外径间一旦套固硬质绝缘筒93后不再拆卸。此外，轴承6A安置在轴穴13内，其内端内环为第二段轴9B的内端所挡止，而在车轮轴筒10内的轴承6A与6B间复以套筒6C予以限位固定，轴承6B安置在轴穴14内，其外端内环为套筒6C所挡止，其内侧复以端板11所挡止，端板11以螺钉12固定。

维修时，先取下发电机的轭铁20(即松开螺钉7)，再以吊车将第五段轴9E(中间段)吊起，使车轮1离开铁轨5，松开螺钉95，使第五段轴9E(即中间段)与第四段轴9D分开，再取下端板11，然后，将第四段轴9D套上较长钢管(图中未示)，其外径小于轴承6A、6B的内径，可向外端挤压，使恒静轴9与车轮1脱离取出轴承6A、6B以达成更换轴承6A、6B的作业目的。

图7所示，为本发明发电机设立于电力列车车厢下，利用车轮1回转的理想机械能发电的示意图。恒静轴9与列车底盘的固接结构与该列车已有的恒静轴相同。

Claims (4)

1.一种长途电力列车上的发电机，其特征在于，其包括：

一设在长途电力列车上专为发电所设的恒静轴，该恒静轴做成可分离密接锁固成一体的中间段大直径部与两端小直径部的三段插接式构造；

一设在该恒静轴两端专为发电而增设可在铁轨上转动的车轮，转动的车轮产生机械能；

一设在该恒静轴两端上具有绕组的电枢；

一设在该恒静轴两端的车轮外侧且随该车轮转动而旋转的发电机轭铁，该发电机轭铁于其轭铁凸缘以数枚螺钉固装在该车轮的外侧，于该车轮外侧与该轭铁凸缘间的接合面设一硬质绝缘圈垫，并于该数枚螺钉与该轭铁凸缘之间设一硬质绝缘套筒；

一设在该轭铁内周壁的磁极组件，且该磁极组件的内周与该电枢外周相对应，随车轮转动而绕着电枢外周旋转，使该磁极组件的磁场切割该电枢绕组的导线而产生电流。

2.根据权利要求1所述的长途电力列车上的发电机，其特征在于：该车轮及恒静轴以非导磁性钢材制成。

3.根据权利要求1所述的长途电力列车上的发电机，其特征在于：静止的电枢产生的电流，是由该恒静轴的中心孔引出的电线输出。

4.根据权利要求1所述的长途电力列车上的发电机，其特征在于：该恒静轴小直径部进一步包括轴径相同的第一及第三段轴以及轴径略大的第二段轴和轴径略小的第四段轴。