CN106253513A - 用于柴油机-电力机车的混合牵引电动机转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种牵引电动机，其可以包括定子和可旋转地安装在所述定子内的转子。所述转子可以包括圆筒形芯部，其具有顶面、底面和延伸穿过所述圆筒形芯部的多个接纳孔。所述转子还可以包括多个铜棒，其各自插入所述圆筒形芯部的相应一个所述接纳孔内并具有延伸超过所述圆筒形芯部的所述顶面和所述底面的末端。所述转子还可以包括在所述铜棒的所述末端周围铸造的铝质端环。所述牵引电动机可以具有适合供柴油机‑电力机车使用的尺寸和功率范围。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于柴油机-电力机车的牵引电动机，更具体地涉及用于由节省成本的金属构件形成的柴油机-电力机车的牵引电动机转子。
背景技术
柴油机-电力机车使用柴油发动机来驱动交流(AC)发电机或直流(DC)发电机。AC交流发电机或DC发电机的动力输出用于为牵引电动机提供动力，所述牵引电动机又向车轮提供推进动力以使列车移动。一个牵引电动机可以经齿轮驱动装置驱动机车的各车轴。具体地，每个牵引电动机都可以驱动与车轴上的较大齿轮啮合的小齿轮的旋转以提供期望的齿轮减速。
用于柴油机-电力机车中的牵引电动机可以是包括环形定子的AC感应电动机，圆柱形的转子可旋转地设置在所述环形定子的内部。在“鼠笼式”结构中，转子可以包括沿转子的长度设置的多个导电棒。定子可以包括在电力供给至定子时产生旋转磁场的电磁体环，并且旋转磁场可以引起转子的旋转和电流沿转子的导电棒的流动。
在用于柴油机车的AC感应型牵引电动机中使用的转子还可以包括金属质端环，其用于机械地约束转子中的导电棒以及将导电棒电连接。由于铜的良好导电特性，目前用于这些转子的设计可以使用铜棒作为导电棒并使用铜质端环。特别地，铜质端环可被硬焊在铜棒上以机械地固定转子的结构。然而，由于铜比其它金属昂贵、诸如银铜合金的昂贵的硬焊材料的使用以及柴油机-电力机车应用所需的牵引电动机的自重和数量，这些转子设计的制造成本可能高。
美国专利号US 8,701,270公开了具有与用于电动机的铜棒接合的铝基端环的鼠笼式转子。特别地，铝基端环通过铸造工艺与铜棒接合，且与端环接合的铜棒的端部被涂覆以铝合金以减小铜棒与铝质端环之间的电阻。尽管有效，但依然需要可应用于柴油机-电力机车应用的牵引电动机转子设计的进一步改进。
显然，存在对用于柴油机-电力机车应用的牵引电动机的改进设计的需求。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种牵引电动机。所述牵引电动机可以包括定子和可旋转地安装在所述定子内的转子。所述转子可以包括圆筒形芯部，其具有顶面、底面和延伸穿过所述圆筒形芯部的多个接纳孔。所述转子还可以包括多个铜棒，其各自插入所述圆筒形芯部的相应的一个所述接纳孔内。所述铜棒可以具有突出超过所述圆筒形芯部的所述顶面和所述底面的末端。另外，所述转子还可以包括在所述铜棒的所述末端周围铸造的铝质端环。所述牵引电动机可以具有适合供柴油机-电力机车使用的尺寸和功率范围。
根据本发明的另一方面，公开了一种柴油机-电动机。所述柴油机-电动机可以包括柴油发动机、由所述柴油发动机提供动力的交流发电机、与所述柴油发动机和所述交流发电机操作性地相关联的多个车轮、和驱动所述车轮的旋转的多个车轴。所述柴油机-电力机车还可以包括由所述交流发电机提供动力并且构造成驱动所述车轴的旋转的牵引电动机。每个所述牵引电动机都可以与相应一个所述车轴相关联并且可以包括定子和位于定子内侧的转子。所述转子可以包括圆筒形芯部和多个铜棒，所述圆筒形芯部具有中心孔和围绕所述中心孔周向地设置的多个接纳孔，所述铜棒各自插入相应一个所述接纳孔内。所述铜棒可以具有从所述圆筒形芯部的对向端部伸出的第一末端和第二末端。所述转子还可以包括在所述铜棒的各所述第一末端和第二末端周围铸造的铝质端环。
根据本发明的另一方面，公开了一种制作用于柴油机-电力机车的牵引电动机转子的方法。所述方法可以包括形成多个铜棒，以及通过将所述多个铜棒中的每个铜棒插入圆筒形芯部的轴向地延伸的接纳孔内以使得所述铜棒的末端从所述圆柱形芯部的对向端部延伸来组装具有所述圆筒形芯部的所述多个铜棒。所述方法还可以包括在所述铜棒的所述末端周围铸造铝质端环以提供所述牵引电动机转子。
本发明的这些和其它方面和特征在结合附图阅读时将变得更容易理解。
附图说明
图1是根据本发明的柴油机-电力机车的示意性表示。
图2是根据本发明构成的与车轴接合的柴油机-电力机车的牵引电动机的截面图。
图3是根据本发明构成的孤立地示出的图2的牵引电动机的转子的透视图。
图4是根据本发明构成的孤立地示出的图3的转子的圆筒形芯部的透视图。
图5是根据本发明构成的与铜棒组装在一起的圆筒形芯部的侧视图。
图6是根据本发明构成的在铜棒的末端周围铸造铝质端环之后的转子的侧视图。
图7是根据本发明构成的与图6相似但具有从其中一个铝质端环的顶面突出的冷却翅片的侧视图。
图8是根据本发明构成的图7的转子的俯视图。
图9是根据本发明的方法的在制作转子时可以包含的一系列步骤的流程图。
具体实施方式
现在参照附图，并且具体参照图1，示出了柴油机-电力机车10。机车10可以向列车提供动力并且可以由如以下将更详细地说明的燃烧柴油燃料的内燃发动机12(原动机)、诸如交流(AC)发电机16或DC发电机的发电机15和牵引电动机18的组合提供动力。柴油机-电力机车10一般可以包括带控制台22的操作室20、承载柴油发动机12和散热器26的车体24、和转向架28，转向架28可以包括车轮30、构造成驱动车轮30的旋转的车轴31、和与各车轴31相关联的牵引电动机18。例如，车体24可以包括六个车轴31，其带有用于驱动车轴的旋转的六个牵引电动机18，但其它数量的车轴和牵引电动机肯定是可行的。例如，在一些布置结构中，机车10可以包括各自都与车轴31相关联的四个或八个牵引电动机18。
在运行中，燃料箱32可向发动机12提供柴油材料并且发动机12可以燃烧柴油燃料。AC交流发电机16可以将从发动机12中的燃烧产生的机械能变换为交流电(AC)形式的电能。整流器34可以将由AC交流发电机16产生的交流电变换为直流电(DC)，而逆变器36可以将来自整流器34的DC变换为用于给牵引电动机18提供动力的AC。当由AC提供动力时，牵引电动机18可以驱动其相关联的车轴31的旋转以引起车轮30的旋转。特别地，各牵引电动机18可以驱动与车轴上的较大齿轮(未示出)啮合的小齿轮(未示出)的旋转以提供车轮30处的减速。随着运行期间牵引电动机18处发热，鼓风机38可以对牵引电动机18吹送冷却空气。
现在来看图2，孤立地示出了与轴40接合的牵引电动机18。牵引电动机18可以是AC感应电动机并且可以包括静止的定子42，定子42可以具有围绕定子42呈环形分布的电磁体44的环。如图所示，转子46可以可旋转地安装在定子42的内并位于其径向内侧。转子46可以是“鼠笼”型的转子并且可以包括具有构造成接纳直导电棒52的多个接纳孔50的圆筒形芯部48。接纳孔50可以围绕圆筒形芯部48的周缘54呈环形均匀地分布并且可沿芯部48的轴向长度延伸，使得导电棒52在组装有圆筒形芯部48时形成“鼠笼式”结构(还参见图3)。圆筒形芯部48还可以包括可接纳轴40的中心孔56，轴40可以与车轴31或其一部分联接。
尽管本领域的普通技术人员会充分理解，但现在将说明牵引电动机18的总体运行。当来自AC交流发电机16的AC从定子42通过时，定子42中的电磁体44可以产生旋转磁场。转子46中的感应磁场可以被吸向定子42并且可以跟随定子42的旋转磁场旋转。定子42的旋转磁场与转子46的旋转之间的相对运动可在导电棒52中感生电流，该电流引起足以转动所述轴40的力。
本文中公开的牵引电动机18具有适合于柴油机-电力机车应用的物理尺寸和功率范围。与可提供在约50至60马力的范围内的功率的用于混合动力汽车的牵引电动机相比，本文中公开的牵引电动机18能提供在约700至约1000马力的范围内的功率。另外，本文中公开的牵引电动机18可以比用于混合动力汽车的牵引电动机大数倍，并且可重约2000磅以上。
图3孤立地示出牵引电动机18的转子46。如从图3可见的，圆筒形芯部48可以包括顶面58和底面60，并且导电棒52可以具有从顶面58和底面60两者突出的末端62(还参见图5)。导电棒52的末端62可以是直的，或它们可以是弯的并例如通过熔接或钎焊接合在一起。转子46还可以包括通过钎焊附接到导电棒52的末端62上的端环64，其中一个端环64附接到从顶面58延伸的末端62上且另一个端环64附接到从底面60延伸的末端62上。端环64可以用于机械地约束导电棒52并提供导电棒52之间的电连接性。就这一点而言，端环64也可以具有导电材料形成。导电棒52可以取向成与转子轴线66平行，或它们可以如图3所示相对于转子轴线66沿转子46的长度明显或稍微偏斜。因此，圆筒形芯部48的接纳孔50也可以相对于转子轴线66沿转子46的长度偏斜。
由于铜的良好导电性，转子46的导电棒52可以是铜棒68。铜棒68可以由纯铜或铜合金形成。此外，端环64可以是铸造在铜棒68的末端62周围的铝质端环70。铝质端环70可以由纯铝或铝合金形成。铝质端环70可以具有与铜棒68一致的良好导电性以促进其间的电流流动。铜棒68的末端62可以可选择地通过浸入轻度酸性水溶液中以去除氧化物和污染物而被清洁并允许熔融铝润湿并充分接触末端62以促进其间的电流流动。可以通过在铸造工艺开始之前刷拭或浸渍来可选择地向铜棒68的末端62涂布液体、浆体或糊状助焊剂，以在铸造工艺期间进一步清洁铜棒68的表面并促进铝质端环70与铜棒68之间的电流流动。如本文中所用，助焊剂是涂布至铜棒68的末端62的表面的液体、浆体或糊状物形式的化学水溶液。当暴露于铸造工艺的热时，助焊剂可以去除并防止在铜上重新形成表面氧化物，并且可以允许熔融铝润湿并充分接触铜棒68的末端62以促进其间的电流流动。由于铜的更高成本，与现有技术的铜质端环相反使用铝质端环可以大幅削减转子46的制造成本。另外，铸造铝质端环的使用也可以通过消除对当前针对用于柴油机-电力机车的牵引电动机转子的制造使用的用于将铜质端环硬焊在铜棒上的昂贵的硬焊材料的需求来降低制造成本。再者，铝质端环70的使用与现有技术的铜质端环相比还可以提供有利的减重，因为铝的重量比铜轻。
现在来看图4，孤立地示出了圆筒形芯部48。圆筒形芯部48可以由被涂覆以绝缘材料的多个层叠的层压钢板组成。各层压钢板可以具有沿各板的外周形成的相同缺口72，以使得当各板被层叠并对齐时，板的对齐的缺口72沿转子46的长度形成接纳孔50。铜棒68可以插入穿过接纳孔50以在圆筒形结构中约束层叠钢板。
当组装有圆筒形芯部48时，铜棒68的末端62可突出超过圆筒形芯部48的顶面58和底面60，如图5所示。具体地，铜棒68的第一末端73可以从顶面58突出，而第二末端74可以从底面60突出。在一些情形中，末端62可以是弯的并接合以提供棒68之间的电连接性，这种情况下铝质端环70可以进一步提供棒68之间的连接线。如果铜棒68的末端62如图5所示是直的并且未连接，则棒68之间的电连接性可以仅由铝质端环70提供。
现在参照图6，铝质端环70可以铸造在铜棒68的第一末端73和第二末端74周围以将铜棒68机械地附接到铝质端环70上。末端62可以是未涂覆的并且可以与铝质端环70形成直接接触。末端62可以可选择地通过浸入轻度酸性水溶液中以去除氧化物而被清洁并允许熔融铝润湿并充分接触末端62以促进其间的电流流动。可在铸造工艺开始之前可选择地向末端62涂布助焊剂以在铸造工艺期间帮助清洁末端62的表面并促进铝质端环70与铜棒68之间的电流流动。制造工艺可包含将组装好的圆筒形芯部48和铜棒68(参见图5)放置在构造成使两个铝质端环70成形的一个或多个模具中。具体地，可以将第一末端73放置在使其中一个端环70成形的模具的一个型腔中，并且可以将第二末端74放置在使另一个端环70成形的模具的另一个型腔中。熔融铝或熔融铝合金然后可以通过重力灌注到或在压力下供给到模具的型腔中并且可允许固化以提供附接在铜棒68上的铝质端环70。
如果希望的话，其它特征结构可以与铝质端环70一体地成型。例如，冷却翅片75可以与铝质端环70中的一个或多个一体地成型以使得冷却翅片75从铝质端环70的顶面77突出，如图7-8所示。冷却翅片75可以在转子46旋转时辅助冷却牵引电动机18。这是铸造铝质端环70的又一个优点，因为铸造工艺可提供对另外的一体地成型的特征结构例如冷却翅片75的直接接近。
工业适用性
本发明的教导在诸如但不限于柴油机-电力机车应用的各种背景中可具有工业适用性。本文中公开的牵引电动机确定尺寸成用于柴油机-电力机车应用中并且包括具有与铸造铝质端环接合的铜棒的转子。
本发明的牵引电动机转子46的制作中包含的一系列步骤在图9中被示出。从第一方框100开始，铜棒68可以通过诸如但不限于挤压、铸造、锻造和粉末冶金的各种方法形成。或者，铜棒68可以例如通过铸造或粉末冶金形成在圆筒形芯部48的接纳孔50的内侧。作为另一替代方案，铜棒68可以从市场上买到。如果形成在圆筒形芯部48的外侧，则然后可以根据下一个方框102使用圆筒形芯部48组装铜棒68。特别地，各铜棒68可以插入圆筒形芯部48的相应一个接纳孔50内，以使得铜棒68的末端62从圆筒形芯部48的对向端部(即顶面58和底面60)伸出，如图5中最好地示出的。可选择地，然后可以通过将末端62朝向彼此弯曲并通过诸如焊接或硬焊的适当工艺将它们接合来将末端62连接在一起。否则，末端62可以如图5所示保持分离并且是直的。
根据下一个方框104，铝质端环70可以铸造在铜棒68的末端62周围以使得铝质端环70如图6所示形成在圆筒形芯部58的顶面58和底面60各者的上方。方框104可以通过可选择地将末端62浸入弱酸中以去除氧化物、通过可选择地向铜棒68的末端62涂布助焊剂、通过将铜棒68的末端62放入呈铝质端环70的形状的模具中、将熔融铝或熔融铝合金灌注到模具中并允许熔融铝或铝合金固化来实现方框104。可选择地，方框104可以在大气压之上的压力下执行以提高得到的铝质端环70的稳固性和强度。另外，如果需要的话，冷却翅片75或其它结构特征可以在方框104期间在一个或两个铝质端环70上一体地成型。一旦形成，牵引电动机转子46便可以被组装定子42以提供牵引电动机18，如本领域的技术人员将充分理解的。
与现有技术的铜质端环相反在牵引电动机转子中使用铸造铝质端环可以引起制造成本的有利下降，因为铜明显比铝昂贵。另外，铸造铝质端环的使用可以通过避免如目前在现有技术系统中所用的那样的需要昂贵的硬焊材料以将铜质端环附接到铜棒上而进一步降低成本。柴油机-电力机车应用中的成本节省的幅度可以远大于混合动力汽车应用，因为柴油机-电力机车应用所需的牵引电动机的尺寸和数量大得多。例如，混合动力汽车可以具有两个牵引电动机，而柴油机-电力列车可以在各货运机车上具有四个、六个或八个牵引电动机。此外，混合动力汽车中的牵引电动机可以小很多并具有比柴油机-电力机车中的牵引电动机低的功率范围。本文中公开的技术可以在诸如但不限于柴油机-电力机车应用、家用电器和各种工业应用的宽范围领域中发现宽泛的工业适用性。
Claims (10)
1.一种牵引电动机，包括：
定子；和
转子，其旋转地安装在所述定子内并且包括：
圆筒形芯部，其具有延伸穿过其中的多个接纳孔，所述圆筒形芯部具有顶面和底面，
多个铜棒，每个所述铜棒插入所述圆筒形芯部的相应的一个所述接纳孔内并具有突出超过所述圆筒形芯部的所述顶面和所述底面的末端，和
在所述铜棒的末端周围铸造的铝质端环，所述牵引电动机具有适合供柴油机-电力机车使用的尺寸和功率范围。
2.根据权利要求1所述的牵引电动机，其中，所述牵引电动机能够提供在约700马力至约1000马力之间的范围内的功率。
3.根据权利要求2所述的牵引电动机，其中，所述牵引电动机重约2000磅。
4.根据权利要求1所述的牵引电动机，其中，所述铜棒未被涂覆，可选择地通过浸入弱酸中而被清洁，或可选择地通过在铸造之前刷拭或浸渍来涂布助焊剂，并且其中所述铜棒与所述铝质端环形成直接接触。
5.根据权利要求1所述的牵引电动机，其中，每个所述铝质端环包括顶面，并且其中所述铝质端环中的至少一个包括从所述顶面延伸的冷却翅片。
6.根据权利要求4所述的牵引电动机，其中，所述冷却翅片与所述铝质端环一体地铸造。
7.根据权利要求1所述的牵引电动机，其中，所述圆筒形芯部包括多个层叠的层压钢板。
8.根据权利要求1所述的牵引电动机，其中，所述牵引电动机是AC感应电动机。
9.一种柴油机-电力机车，包括：
柴油发动机；
由所述柴油发动机提供动力的交流发电机；
与所述柴油发动机和所述交流发电机操作性地相关联的多个车轮；
驱动所述车轮的旋转的多个车轴；
牵引电动机，其由所述交流发电机提供动力并且配置成驱动所述车轴的旋转，每个所述牵引电动机都与相应一个所述车轴相关联并且包括：
定子，和
转子，其位于所述定子的内侧并且包括：
圆筒形芯部，其具有中心孔和围绕所述中心孔周向地设置的多个接纳孔，
多个铜棒，其各自插入所述圆筒形芯部的相应一个所述接纳孔内并具有从所述圆筒形芯部的对向端部伸出的第一末端和第二末端，和
铸造在所述铜棒的所述第一末端和所述第二末端每一者周围的铝质端环。
10.根据权利要求9所述的柴油机-电力机车，其中，每个所述牵引电动机都能够提供在约700马力至约1000马力的范围内的功率。
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