CN104417570A - 轨道车辆轮对电机直驱系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道车辆轮对电机直驱系统，包括驱动电机、软起动器和2个弹性联轴节，软起动器与驱动电机控制电连接；驱动电机为具有中空转轴的永磁同步电机，轨道车辆的车轴穿过驱动电机的中空转轴后两端与车辆轮对固定连接；弹性联轴节包括传动盘、拉杆、橡胶球关节、传动销和连接螺栓，传动盘与拉杆通过传动销连接，橡胶球关节固定安装在拉杆内；弹性联轴节通过连接螺栓穿过拉杆内的橡胶球关节与车轮固定连接；驱动电机转轴的两端各与1个弹性联轴节传动连接。本发明能够有效节省成本、降低噪音且提高传动效率，提高转向架的曲线通过能力，驱动电机与同容量的异步电机相比，体积和质量均大幅度减小，节能效果明显。

Description

轨道车辆轮对电机直驱系统

技术领域

本发明涉及轨道车辆的驱动系统，具体涉及一种通过电机对轨道车辆的轮对进行直接驱动的轨道车辆轮对电机直驱系统。

背景技术

传统的城市地铁车辆驱动方式通常用异步牵引电机采用非直接驱动的方式进行驱动，即通过齿轮传动装置将异步牵引电机产生的转矩传递给车辆轮对来驱动车辆。由于使用了减速齿轮传动装置，因而驱动系统结构复杂、体积增大、重量增加，且运营维护成本较高，运行噪声大，传动效率较低。直接驱动是将电机与车轴直接连接起来，电机产生的转矩不经过齿轮传动装置而直接传递到车辆轮对上，电机的运行受控制器控制。采用直接驱动方式，不需要齿轮传动装置，但电机转速降低，转矩增大，电机体积就要增大，重量增加，对轨道和牵引电机的冲击都会增大，而在车体上，电机的尺寸和重量都受到严格的限制，因而用异步电机实现直接驱动非常困难。

发明内容

本发明的目的是：：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积较小、重量较轻、控制方便、电机直接驱动车辆轮对的轨道车辆轮对电机直驱系统。

本发明的技术方案是：本发明的轨道车辆轮对电机直驱系统，包括驱动电机、软起动器，软起动器与驱动电机控制电连接；其结构特点是：还包括2个弹性联轴节；上述的驱动电机包括外壳、定子、转子和轴承组件；外壳包括机座、左端盖和右端盖；左端盖和右端盖分设于机座的左右两侧并与机座密封固定连接；左端盖和右端盖的中间处均设有左右向贯通的圆形通孔以及向内突出的轴承安装座；

定子包括定子铁心和定子绕组；定子由其定子铁心固定安装在外壳的机座上；转子包括转子铁心、永磁体、转轴和轴键；转轴为中空的圆柱体件；转子铁心通过轴键与转轴固定连接成一体；永磁体嵌入转子铁心内部，与转子铁心成一体式结构；

轴承组件包括左轴承、右轴承和轴承盖；左轴承的外圈固定安装在外壳的左端盖的轴承安装座上；左轴承的内圈与转子的转轴的左侧过盈配合固定套接；右轴承的外圈固定安装在外壳的右端盖的轴承安装座上；右轴承的内圈与转轴的右侧过盈配合固定套接；轴承盖的中间部位设有用于与转轴套接的左右向贯通的圆形通孔；轴承盖设有4个，该4个轴承盖于左轴承的左右两侧以及右轴承的左右两侧分别各设置1个；左轴承的左右两侧的轴承盖过盈配合套接在转轴上且与外壳的左端盖的左右两侧密封固定连接；右轴承的左右两侧的轴承盖过盈配合套接在转轴上且与外壳的右端盖的左右两侧密封固定连接；

上述的弹性联轴节包括传动盘、拉杆、橡胶球关节、传动销和连接螺栓；传动盘包括成一体的电机轴套接部和3个连接部；拉杆设有相同的6个，拉杆包括成一体的位于两端的圆环部和两个圆环部中间的直线板体，拉杆的一侧的圆环部上设有连接用的销孔，拉杆的另一侧的圆环部上设有橡胶球关节安装孔；橡胶球关节整体形状为中空的圆柱体，包括内圈、外圈和橡胶夹层；橡胶夹层设于内圈的外壁与外圈的内壁之间；橡胶球关节和连接螺栓均设置6个；传动盘通过其3个连接部分别与6个拉杆用传动销销接；6个橡胶球关节分别固定安装于6个拉杆的橡胶球关节安装孔内；

使用时，通过6个连接螺栓穿过橡胶球关节的内圈的中空部位将弹性联轴节与车轮固定连接；轨道车辆的车轴的中部置于驱动电机的转子的转轴内；驱动电机的转子的转轴的左端与1个弹性联轴节的传动盘的电机轴套接部固定连接；驱动电机的转子的转轴的右端与另一个弹性联轴节的传动盘的电机轴套接部固定连接。

进一步的方案是：上述的驱动电机的定子的定子绕组为三相双层短距绕组；转子的永磁体的材质为钕铁錋；转轴为45#锻钢一体件。

进一步的方案是：上述的弹性联轴节的传动盘的电机套接部的整体形状为一个前后向的中空的圆柱体；传动盘的3个连接部围绕电机套接部的周边均匀设置；连接部包括成一体的弧形加强板和后连接板，弧形加强板为前窄后宽的基本呈梯形的板体件，且其外端面为弧形；后连接板为内、外两端呈弧形的平板，后连接板的两端偏中间处各设有1个连接用的销孔；连接部的弧形加强板由其内端面与电机套接部的外端面成一体连接；弧形加强板的后侧外端与后连接板的内端成一体连接。

进一步的方案还有：上述的弹性联轴节的橡胶球关节的内圈包括成一体的本体和球形突起；内圈的本体为中空的圆柱体，内圈的球形突起设置在本体的中段外壁上且与本体一体连接；外圈包括成一体的基体和环形突出部；基体整体为中空的圆柱体，基体的中段内壁上设有向内凹进的球形缺口，该球形缺口与内圈的球形突起相配合；环形突出部设置在基体的上端；橡胶夹层为上、下球顶被切除的中空的球形一体件；橡胶夹层设置在内圈的球形突起的外壁与外圈的基体的球形缺口的内壁之间。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的轨道车辆轮对电机直驱系统，其驱动电机的转轴两端通过弹性联轴节与轨道车辆轮对直接连接，电机产生的转矩不经过齿轮传动装置而直接传递到车辆轮对上，能够有效节省成本、降低噪音且提高传动效率。（2）本发明的轨道车辆轮对电机直驱系统，驱动电机直接驱动车轮，取消了传统的齿轮传动装置，进而缩短了地铁车辆转向架的轴距，提高了转向架的曲线通过能力。（3）本发明的轨道车辆轮对电机直驱系统，其驱动电机的转子励磁采用高性能永磁材料，电机的功率密度得到较大提高，与相同容量的异步电机相比，其体积和质量均大幅度减小，且没有无功的励磁电流和转子铜损，因而功率因数和效率更高。（5）本发明的轨道车辆轮对电机直驱系统，传动效率高，比传统带齿轮箱的传动系统的传动效率提高20%-60%，节能效果明显。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图中对驱动电机、弹性联轴节和车辆轮对进行了剖视，图中还显示了本发明与车辆轮对的连接关系；

图2为图1中弹性联轴节的结构示意图，图中还显示了其与车辆轮对的连接关系；

图3为图2的立体结构示意图，图中还显示了其与车辆轮对的连接关系；

图4为图2中的拉杆的放大结构示意图，图中还显示了安装在拉杆上的橡胶球关节；

图5为图4中的橡胶球关节的放大的纵向剖视图。

上述附图中的附图标记如下：

驱动电机1，

外壳11，机座11-1，左端盖11-2，右端盖11-3；定子12；转子13，转子铁心13-1，永磁体13-2，转轴13-3，轴键13-4；轴承组件14，左轴承14-1，右轴承14-2，轴承盖14-3；

弹性联轴节2，

传动盘21，电机轴套接部21-1，连接部21-2，弧形加强板21-2-1，后连接板21-2-2，通孔21-2-3；拉杆22，销孔22-1；橡胶球关节23，内圈23-1，本体23-1-1，球形突起23-1-2，外圈23-2，基体23-2-1，环形突出部23-2-2，橡胶夹层23-3；传动销24；连接螺栓25；

软起动器3，

车轴4，

车辆轮对5，左车轮51，右车轮52。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1，本实施例的轨道车辆轮对电机直驱系统，主要由驱动电机1、弹性联轴节2和软起动器3组成。

驱动电机1主要由外壳11、定子12、转子13和轴承组件14组成。

驱动电机1的外壳11由机座11-1、左端盖11-2和右端盖11-3组成。左端盖11-2设置在机座11-1的左侧并与机座11-1密封固定连接；右端盖11-3设置在机座11-1的右侧并与机座11-1密封固定连接。左端盖11-2和右端盖11-3的中间处均设有左右向贯通的圆形通孔以及向内突出的轴承安装座。

定子12由定子铁心和定子绕组组成。定子12的结构和普通异步电动机的定子基本相同，定子铁心采用高导磁率、低损耗的硅钢片叠制而成；定子绕组嵌在定子铁心的槽内；定子12设置在外壳11内，定子12由其定子铁心固定安装在外壳11的机座11-1上。为了减少绕组的谐波磁场及其负面影响，本实施例中，定子绕组设计成三相双层短距绕组，其接通三相交流电即产生旋转磁场。

转子13由转子铁心13-1、永磁体13-2，转轴13-3和轴键13-4组成。转子铁心13-1由硅钢片叠制而成；永磁体13-2的材质为高性能永磁材料，本实施例中，优选钕铁錋。转轴13-3为中空的圆柱体；转轴13-3的外表面上设有用于定位转子铁心13-1的轴肩台阶，且开有键槽；叠压好的转子铁心13-1由转轴13-3一侧压入转轴13-3至其定位轴肩台阶处，通过轴键13-4连接使转子铁心13-1和转轴13-3形成一体；永磁体13-2嵌入转子铁心13-1内部，与转子铁心13-1成一体式结构。转子13的磁路结构采用内置式转子磁路结构，其优点是漏磁系数小，转轴13-3上不需采取隔磁措施，结构简单，安装永磁体13-2后转子13不易变形，永磁体13-2不需要保护层，且这种结构能够提供更大的永磁体13-2的安装空间，从而可以减小电机的体积。

轴承组件14由左轴承14-1、右轴承14-2和轴承盖14-3组成。左轴承14-1的外圈固定安装在外壳11的左端盖11-2的轴承安装座上；左轴承14-1的内圈与转子13的转轴13-3的左侧过盈配合固定套接；右轴承14-2的外圈固定安装在外壳11的右端盖11-3的轴承安装座上；右轴承14-2的内圈与转轴13-3的右侧过盈配合固定套接；轴承盖14-3的中间部位设有左右向贯通的圆形通孔，用于套接转轴13-3；轴承盖14-3设有4个，该4个轴承盖14-3于左轴承14-1的左右两侧以及右轴承14-2的左右两侧分别各设置1个；左轴承14-1的左右两侧的轴承盖14-3过盈配合套接在转轴13-3上且与外壳11的左端盖11-2的左右两侧密封固定连接；右轴承14-2的左右两侧的轴承盖14-3过盈配合套接在转轴13-3上且与外壳11的右端盖11-3的左右两侧密封固定连接。

参见图2至图5，弹性联轴节2主要由传动盘21、拉杆22、橡胶球关节23、传动销24和连接螺栓25组成。弹性联轴节2设有相同的2个。

传动盘21为异形一体件。传动盘21由电机轴套接部21-1和连接部21-2组成。电机套接部21-1的整体形状为一个前后向的中空的圆柱体；其内径与列车机车上的驱动电机的转轴的外径相适应。连接部21-2设有结构相同的3个，该3个连接部21-2围绕电机套接部21-1的周边均匀设置，也即每2个连接部21-2之间的夹角均相同。连接部21-2由成一体的弧形加强板21-2-1和后连接板21-2-2组成。连接部21-2的弧形加强板21-2-1为前窄后宽的基本呈梯形的板体件，且其外端面为弧形；后连接板21-2-2为内、外两端呈弧形的平板，后连接板21-2-2的两端偏中间处各设有1个连接用的销孔。连接部21-2的弧形加强板21-2-1由其内端面与电机套接部21-1的外端面成一体连接；弧形加强板21-2-1的后侧外端与后连接板21-2-2的内端成一体连接。弧形加强板21-2-1与后连接板21-2-2的连接处设有通孔21-2-3。

拉杆22设有相同的6个。拉杆22为板体件，拉杆22由两端的圆环部和两个圆环部之间的直线板体成一体组成；拉杆22的一侧的圆环部上设有连接用的销孔22-1，拉杆22的另一侧的圆环部上设有橡胶球关节安装孔。

参见图4，橡胶球关节23共设有相同的6个。橡胶球关节23整体形状为中空的圆柱体，其由内圈23-1、外圈23-2和橡胶夹层23-3组成。内圈23-1由本体23-1-1和球形突起23-1-2一体组成。内圈23-1的本体23-1-1为中空的圆柱体，内圈23-1的球形突起23-1-2设置在本体23-1-1的中段外壁上且与本体23-1-1一体连接。内圈23-1的本体23-1-1的内径与连接螺栓25的螺杆的外径相适应。外圈23-2由基体23-2-1和环形突出部23-2-2一体组成，基体23-2-1整体为中空的圆柱体，基体23-2-1的中段内壁上设有向内凹进的球形缺口，该球形缺口与内圈23-1的球形突起23-1-2相配合；环形突出部23-2-2设置在基体23-2-1的上端，且与基体23-2-1一体连接。橡胶夹层23-3为上、下球顶被切除的中空的球形一体件；橡胶夹层23-3设置在内圈23-1的球形突起23-1-2的外壁与外圈23-2的基体23-2-1的球形缺口的内壁之间。

传动销24共设有6个。传动销24为一体成型的钢制柱销，其外层包有弹性层。传动销24具有零回转间隙、可同步运转、弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差、顺时针和逆时针回转特性相同以及免维护、抗油和耐腐蚀性等特点。

连接螺栓25共设有6套。连接螺栓25包括螺杆和螺母。

传动盘21的3个连接部21-2分别与6个拉杆22配合连接，具体连接方式是传动盘1的每个连接部21-2的后连接板21-2-2的2个销孔分别与相邻的2个拉杆22的销孔配合，通过2个传动销24销接；从而将传动盘21与6个拉杆22固定连接；6个橡胶球关节23分别设于6个拉杆22的橡胶球关节安装孔内，且橡胶球关节23由其外圈23-2的基体23-2-1与拉杆22过盈配合固定连接，外圈23-2的环形突出部23-2-2的下端面与拉杆22的上端面相接触。

使用时，通过6个连接螺栓25的螺杆穿过橡胶球关节23的内圈23-1的中空部位和车轮5的连接螺栓孔后用螺母拧紧，从而将弹性联轴节2与车轮5固定连接。

软起动器3本实施例中，优选采用申请公布号为CN102594224A、名称为“异步起动永磁同步电机的软起动器”的中国专利文献中所公开的软起动器。

软起动器3与驱动电机2控制信号电连接，软起动器3对驱动电机2的起动和运行实施控制。

仍见图1，本实施例的轨道车辆轮对电机直驱系统，在使用时，将轨道车辆的车轴4的中部置于驱动电机1的转子13的转轴13-3内；车轴4的左端与车辆轮对5的左车轮51固定连接；车轴4的右端与车辆轮对7的右车轮52固定连接；驱动电机1的转子13的转轴13-3的左端与1个弹性联轴节2的传动盘21的电机轴套接部21-1固定连接；驱动电机1的转子13的转轴13-3的右端与另一个弹性联轴节2的传动盘21的电机轴套接部21-1固定连接；2个联轴节按前述的方法分别与车辆轮对的左车轮51和右车轮52固定传动联接；从而完成本实施例的永磁直驱牵引电机的应用安装。

综上，本实施例的轨道车辆轮对电机直驱系统，其驱动电机的转轴两端通过弹性联轴节与轨道车辆轮对直接连接，电机产生的转矩不经过齿轮传动装置而直接传递到车辆轮对上，能够有效节省成本、降低噪音且提高传动效率；驱动电机直接驱动车轮，取消了传统的齿轮传动装置，进而缩短了地铁车辆转向架的轴距，提高了转向架的曲线通过能力；驱动电机采用高性能永磁材料，电机的功率密度得到较大提高，与相同容量的异步电机相比，其体积和质量均大幅度减小，转子励磁采用永磁体，因而没有无功的励磁电流和转子铜损，因而功率因数和效率更高；传动效率高，比传统带齿轮箱的传动系统的传动效率提高20%-60%，节能效果明显。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种轨道车辆轮对电机直驱系统，包括驱动电机（1）、软起动器（3），软起动器（3）与驱动电机（1）控制电连接；其特征在于：还包括2个弹性联轴节（2）；所述的驱动电机（1）包括外壳（11）、定子（12）、转子（13）和轴承组件（14）；外壳（11）包括机座（11-1）、左端盖（11-2）和右端盖（11-3）；左端盖（11-2）和右端盖（11-3）分设于机座（11-1）的左右两侧并与机座（11-1）密封固定连接；左端盖（11-2）和右端盖（11-3）的中间处均设有左右向贯通的圆形通孔以及向内突出的轴承安装座；

定子（12）包括定子铁心和定子绕组；定子（12）由其定子铁心固定安装在外壳（11）的机座（11-3）上；转子（13）包括转子铁心（13-1）、永磁体（13-2）、转轴（13-3）和轴键（13-4）；转轴（13-3）为中空的圆柱体件；转子铁心（13-1）通过轴键（13-4）与转轴（13-3）固定连接成一体；永磁体（13-2）嵌入转子铁心（13-1）内部，与转子铁心（13-1）成一体式结构；

轴承组件（14）包括左轴承（14-1）、右轴承（14-2）和轴承盖（14-3）；左轴承（14-1）的外圈固定安装在外壳（11）的左端盖（11-2）的轴承安装座上；左轴承（14-1）的内圈与转子（13）的转轴（13-3）的左侧过盈配合固定套接；右轴承（14-2）的外圈固定安装在外壳（11）的右端盖（11-3）的轴承安装座上；右轴承（14-2）的内圈与转轴（13-3）的右侧过盈配合固定套接；轴承盖（14-3）的中间部位设有用于与转轴（13-3）套接的左右向贯通的圆形通孔；轴承盖（14-3）设有4个，该4个轴承盖（14-3）于左轴承（14-1）的左右两侧以及右轴承（14-2）的左右两侧分别各设置1个；左轴承（14-1）的左右两侧的轴承盖（14-3）过盈配合套接在转轴（13-3）上且与外壳（11）的左端盖（11-2）的左右两侧密封固定连接；右轴承（14-2）的左右两侧的轴承盖（14-3）过盈配合套接在转轴（13-3）上且与外壳（11）的右端盖（11-3）的左右两侧密封固定连接；

所述的弹性联轴节（2）包括传动盘（21）、拉杆（22）、橡胶球关节（23）、传动销（24）和连接螺栓（25）；传动盘（21）包括成一体的电机轴套接部（21-1）和3个连接部（21-2）；拉杆（22）设有相同的6个，拉杆（22）包括成一体的位于两端的圆环部和两个圆环部中间的直线板体，拉杆（22）的一侧的圆环部上设有连接用的销孔（22-1），拉杆（22）的另一侧的圆环部上设有橡胶球关节安装孔；橡胶球关节（23）整体形状为中空的圆柱体，包括内圈（23-1）、外圈（23-2）和橡胶夹层（23-3）；橡胶夹层（23-3）设于内圈（23-1）的外壁与外圈（23-2）的内壁之间；橡胶球关节（23）和连接螺栓（25）均设置6个；传动盘（21）通过其3个连接部（21-2）分别与6个拉杆（22）用传动销（24）固定连接；6个橡胶球关节（23）分别固定安装于6个拉杆（22）的橡胶球关节安装孔内；

使用时，通过6个连接螺栓（25）穿过橡胶球关节（23）的内圈（23-1）的中空部位将弹性联轴节（2）与车轮（5）固定连接；轨道车辆的车轴（4）的中部置于驱动电机（1）的转子（13）的转轴（13-3）内；驱动电机（1）的转子（13）的转轴（13-3）的左端与1个弹性联轴节（2）的传动盘（21）的电机轴套接部（21-1）固定连接；驱动电机（1）的转子（13）的转轴（13-3）的右端与另一个弹性联轴节（2）的传动盘（21）的电机轴套接部（21-1）固定连接。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆轮对电机直驱系统，其特征在于：所述的驱动电机（1）的定子（12）的定子绕组为三相双层短距绕组；转子（13）的永磁体（13-2）的材质为钕铁錋；转轴（13-3）为45#锻钢一体件。

3.根据权利要求1所述的轨道车辆轮对电机直驱系统，其特征在于：所述的弹性联轴节（2）的传动盘（21）的电机套接部（21-1）的整体形状为一个前后向的中空的圆柱体；传动盘（21）的3个连接部（21-2）围绕电机套接部（21-1）的周边均匀设置；连接部（21-2）包括成一体的弧形加强板（21-2-1）和后连接板（21-2-2），弧形加强板（21-2-1）为前窄后宽的基本呈梯形的板体件，且其外端面为弧形；后连接板（21-2-2）为内、外两端呈弧形的平板，后连接板（21-2-2）的两端偏中间处各设有1个连接用的销孔；连接部（21-2）的弧形加强板（21-2-1）由其内端面与电机套接部（21-1）的外端面成一体连接；弧形加强板（21-2-1）的后侧外端与后连接板（21-2-2）的内端成一体连接。

4.根据权利要求1所述的轨道车辆轮对电机直驱系统，其特征在于：所述的弹性联轴节（2）的橡胶球关节（23）的内圈（23-1）包括成一体的本体（23-1-1）和球形突起（23-1-2）；内圈（23-1）的本体（23-1-1）为中空的圆柱体，内圈（23-1）的球形突起（23-1-2）设置在本体（23-1-1）的中段外壁上且与本体（23-1-1）一体连接；外圈（23-2）包括成一体的基体（23-2-1）和环形突出部（23-2-2）；基体（23-2-1）整体为中空的圆柱体，基体（23-2-1）的中段内壁上设有向内凹进的球形缺口，该球形缺口与内圈（23-1）的球形突起（23-1-2）相配合；环形突出部（23-2-2）设置在基体（23-2-1）的上端；橡胶夹层（23-3）为上、下球顶被切除的中空的球形一体件；橡胶夹层（23-3）设置在内圈（23-1）的球形突起（23-1-2）的外壁与外圈（23-2）的基体（23-2-1）的球形缺口的内壁之间。