CN107210649A - 用于转动应用的发电机组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电机组件，包括转动部(16a)和非转动部(16b)。提出了转动部(16a)包括至少一个发电机单元(18a‑18d)，发电机单元包括至少一个线圈(20)、至少一个永磁体(22a、22b)和两个极靴，这两个极靴具有面向径向外侧的极面(24a、24b)，非转动部(16b)包括与所述极面(24a、24b)有径向距离地布置的铁磁材料的弧形鞍座适配器(26)，其中鞍座适配器(26)被构造成在该鞍座适配器(26)与发电机单元(18a‑18d)的极靴(22a、22b)重叠的转动位置处闭合经由极靴(22a、22b)穿过所述线圈而传递的磁路。

Description

用于转动应用的发电机组件
背景技术
包括了转动部和非转动部的发电机组件是众所周知的。于是作为非转动部的定子通常被构造成使得其完全包围(encompasses)作为转动部的转子。
一种类型的发电机组件是所谓的可变磁阻发电机，其中由永磁体提供能量(powered)并穿过线圈的磁路周期性地打开和闭合。作为振荡磁场的结果而在线圈中感应出的交流(AC)电压可以被用于产生能量或驱动其它设备。
在一些应用中，包围转子的定子的空间可能是有限的并仅能在一侧获得。例如在具有鞍座式悬架的列车转向架中，也许可能的是在鞍座适配器上或鞍座适配器中布置附加结构，而布置在轮轴下方的结构可能出于安全原因和极端环境条件而被排除。
发明内容
本发明寻求提供一种适用于在转动部的不同径向上的可用空间的数量或质量(anamount or a quality)不均匀的情况下使用的通用的发电机组件。
本发明涉及一种发电机组件，包括转动部和非转动部，特别涉及用于列车轮轴箱的发电机组件，其中转动部被构造成安装在端盖上。
提出了：转动部包括至少一个发电机单元。发电机单元优选为模块式并且包括至少一个线圈、至少一个永磁体和两个极靴，这两个极靴具有面向径向外侧的极面。非转动部包括与所述极面有径向间隙地布置的铁磁材料的弧形鞍座适配器。鞍座适配器被构造成在鞍座适配器与发电机单元的极靴重叠的至少一个第一转动位置处闭合经由极靴穿过线圈而传递的磁路，其中如果鞍座适配器不与极靴两者重叠或者不与极靴两者完全重叠，则磁路至少部分地打开。
上述构造基于可变磁阻发电机原理工作，其中周期性打开和闭合的磁路的振荡磁场在各发电机单元的线圈中感应出振荡电压。该振荡电压可以用于在没有外部电源的情况下根据需要驱动布置在转动部上的电子器件设备。
在本发明的上下文中，弧形的表述意思是鞍座适配器不是在整个圆周上延伸而是仅在圆周的某一分数(fraction)上延伸，其中该分数与0°和360°两者相差至少发电机单元的角度长度，即极面的中点或外边缘之间的距离。
特别地，发电机单元的周向长度和鞍座适配器的周向长度使得存在鞍座适配器不与发电机单元的极靴重叠的至少一个第二转动位置。在该构造中，磁路应至少部分地打开，并且磁通将显著降低。因此，当转动部从第二转动位置转动到第一转动位置时，磁通从最小变化到最大，反之亦然。
在优选的实施方式中，发电机组件至少具有第一和第二发电机单元。如果需要，可以添加额外的单元以增大输出功率。优选的是，发电机单元基本上彼此相同并且在周向上彼此相邻地布置。
结果，在发电机单元之间存在磁通泄漏的风险，这可能会不利地影响随着转动部从第二转动位置转动到第一转动位置而穿过发电机线圈的最大磁通与最小磁通之间的差值的大小，反之亦然。
根据进一步发展，通过以下缓解了该问题：相邻的发电机单元的磁化方向被反向定向。换言之，相邻的发电机单元的相邻极靴具有相同的磁极性。
在进一步的发展中，通过以下进一步减小了磁通的泄漏：在至少第一和第二发电机单元的相邻的极靴之间布置有附加永磁体。适当地，附加永磁体的磁化方向使得磁通与相邻的极靴的磁通方向相同。附加永磁体将被称为引导磁体，并且具有排斥杂散磁通的作用，以使得将磁通引导至鞍座适配器。
在更进一步的发展中，发电机组件包括至少一个分流磁体，其具有增大当发电机单元在第一转动位置与第二转动位置之间转动时的最大值与最小值之间的净磁通差的作用。该至少一个分流磁体布置在发电机单元中的至少一个附近，并且被构造成产生相对于由所述至少一个发电机单元产生的磁场反向定向的磁场。当至少一个发电机单元不在鞍座适配器下方时，即处于“打开的”第一转动位置时，分流磁体减小了该至少一个发电机单元的净磁通。磁通甚至可能变为负值。当发电机单元在鞍座适配器下方时，即处于“闭合的”第二转动位置时，分流磁体也减小了净磁通。然而，当单元处于闭合位置时的磁通减小相对较少，意味着得到了更大的最大磁通与最小磁通之间的差。这改善了发电机单元的功率输出。
在本发明的优选实施方式中，转动部被构造成安装在被构造成保持列车轮轴的轴承的端盖上，鞍座适配器被构造成安装在列车转向架侧框架上。
如有必要，转动部包括被构造成补偿由至少两个相邻的发电机单元的布置产生的不平衡的至少一个配重单元。
配重单元自身可以包括发电机单元，该发电机单元具有至少一个线圈、至少一个永磁体和两个极靴，这两个极靴具有面向径向外侧的极面。例如，发电机组件的转动部可以包括第一发电机设备，其具有一个或多个在周向上相邻的发电机单元，并且包括第二发电机设备，其具有一个或多个在周向上相邻的发电机单元，由此第二发电机设备被与第一发电机设备成角度间隔地布置，该间隔被选择成使转动部转动平衡。
如将理解的，当确定配重单元的角度位置时，考虑转动部的其它组成部件的质量(mass)和位置。
根据更进一步的发展，提出了鞍座适配器包括主体部和至少一个附加件，该至少一个附加件被构造成增大鞍座适配器的表面积和/或减小设置在鞍座适配器与极靴之间的气隙。在列车轮轴箱的情况下，主体可以集成在鞍座式列车转向架悬架的鞍座或鞍座适配器中。
在一个示例中，所述至少一个附加件包括齿形的径向内侧面，使得在鞍座适配器与极靴之间设置有变化的径向间隙。这具有增大磁通变化的优点。在另一示例中，鞍座适配器的径向内侧面直接设置有这种齿形轮廓。
本发明还提出，转动部包括电力采集电子器件，其被配置成积聚由穿过线圈的振荡磁场产生的交流(AC)电力。
此外，提出了转动部包括被配置成由至少一个发电机单元产生的电力驱动的至少一个状态监测传感器和无线发射器。状态监测传感器可以是温度传感器、振动传感器或用于监测关心的工作参数的其它类型的传感器。
本发明还提出，转动部包括用于监测来自至少一个发电机单元的输出信号的装置。适当地，监测所产生的电压信号。信号本质上必然是周期的，因而可以被用于确定转动部的转速，在列车轮轴的情况下，确定行进的直线距离。
还可以监测信号振幅。振幅根据极靴与鞍座适配器的径向内侧面之间的径向间隙和极靴与所述面之间的轴向重叠程度而变化。
在包括根据本发明的第一和第二发电机组件的列车轮轴的情况下，有利的是，分别在轮轴的第一端和第二端处，被监测的来自第一和第二组件的电压信号可以被彼此进行比较。例如，如果两个信号展现出类似的电压变化，则这可以被用于检测包括了轮轴的列车转向架的侧向运动。
本发明的另一方面涉及包括了根据本发明的发电机组件的列车转向架。
本发明的上述实施方式以及所附权利要求和附图以特定组合示出了本发明的多个表征特征。技术人员将能够容易地想到这些特征的进一步组合或子组合，以便使如权利要求中限定的本发明适应其具体需求。
附图说明
图1是配备有根据本发明的发电机组件的列车轮轴的端部的示意图；
图2a和图2b是发电机组件的工作原理的示意图；以及
图3a是包括了两个相邻的发电机单元的发电机组件的示意图，其中这两个相邻的发电机单元的磁场沿相同方向定向；
图3b是包括了相邻的发电机单元的本发明的优选实施方式的示意图，其中所述相邻的发电机单元的磁场被反向定向。
图3c是根据本发明的组件的另一实施方式的示意图。
图4a和图4b是分别示出处于第一转动位置和第二转动位置的本发明的更进一步实施方式的发电机单元的示意图。
具体实施方式
图1是列车轮轴(train axle)的端部的示意图，在图中能够看到被构造成将轮轴12安装在列车转向架的鞍座式适配器26中的双列圆锥滚子轴承的外圈10a、10b。
端盖14借助于三个螺栓紧固于轮轴12的端面并在轴向上预紧轴承的分离式内圈(split inner ring)。根据本发明的发电机组件(power generator assembly)的转动部16a设置在端盖14的外缘上。端盖14的外缘大致分成两半。一个部分16c容纳电子器件，而另一半包括多个发电机单元18a-18d。在示出的实施方式中设置有四个发电机单元18a-18d。
发电机组件包括转动部16a和非转动部16b。发电机单元18a-18d为模块式并且在构造上基本相同。各发电机单元18a-18d均包括：一个线圈20，其布置在两个永磁体22a、22b之间；以及第一极靴和第二极靴，其各自具有面向径向外侧的极面24a、24b。在所示的实施方式中，第一极靴和第二极靴由第一永磁体22a和第二永磁体22b形成，第一永磁体22a和第二永磁体22b被布置成使得第一极面24a具有第一极性、第二极面24b具有相反的极性。极靴还可以由单个磁体的相反极形成。
非转动部16b包括铁磁材料(特别是铁)的弧形鞍座适配器26，其与极面24a、24b(之间)布置有径向间隙。
鞍座适配器被构造成在鞍座适配器26与发电机单元18a-18d中的一个发电机单元的极靴22a、22b重叠的转动位置处闭合经由极靴22a、22b穿过线圈而传递(passing)的磁路，其中如果鞍座适配器26不与极靴22a、22b两者重叠或不与极靴22a、22b两者完全重叠，则磁路至少部分地打开。
当轮轴转动时，鞍座适配器26周期性地经过发电机单元18a，使得磁通(magneticflux)将周期性地变化。周期性地打开和闭合的磁路的振荡磁场在发电机单元的线圈中感应出振荡电压。然后，该振荡电压可以用于在没有外部电源的情况下根据需要驱动布置在组件的电子器件部分16c中的电子器件设备。
第一发电机单元18a的周向长度和鞍座适配器26的周向长度使得存在有鞍座适配器26不与第一发电机单元的极靴22a、22b重叠的至少一个转动位置。特别地，鞍座适配器26的周向长度是发电机单元18a-18d的周向长度和节距(pitch)的倍数，使得发电机单元18a-18d在第一转动位置闭合并在第二转动位置打开。
工作原理如图2a和图2b所示，在图2a和图2b中为了简便起见，示出了没有曲率的鞍座适配器26和第一发电机单元18a。图2a示出了鞍座适配器26未与发电机单元的极靴22a、22b重叠的情况。主要地，磁通从各永磁体22a、22b的N极传递到S极，如由第二极靴22b处的虚线磁场线所示。还可以有在两个磁体22a、22b之间传递(passing)并穿过线圈的弱磁通，如由在发电机单元18a的极面24a、24b之间延伸的虚线所示。
在存在铁磁材料的情况下，即当鞍座适配器26与发电机单元18a的极靴22a、22b重叠时，磁通的大部分被引导通过鞍座适配器26，如图2b中的虚线所示，形成了使强磁通穿过线圈的磁路。图2b中的箭头34示出了所产生的磁路的原理的方向。相关联的磁场将被称为发电机场(generator field)。
当两个或更多个发电机彼此挨着布置时，在相邻的(发电机)单元之间存在磁通泄漏的风险。考虑图3a所示的状况，在图3a中，示意性地示出了第一发电机单元18a和第二发电机单元18b’。再一次，发电机单元的极靴由永磁体形成。第一发电机单元18a的第二极靴22b与相邻的第二发电机单元的第一极靴22a’具有相反的磁极性。虚线磁场线表示在两个单元18a与18b’之间产生的磁通。该磁通表示泄漏，并将在单元处于“打开的”第一转动位置和处于“闭合的”第二转动位置时产生。结果，穿过各发电机单元的线圈20的磁通将更少，磁通变化将更小，导致较低的发电量。
在本发明的优选实施方式中，其中发电(机)组件至少包括第一和第二发电机单元，如图3b所示，相邻单元之间的磁通泄漏减小。这里，第一发电机单元18a的第二极靴22b与相邻的第二发电机单元18b的第一极靴22a具有相同的磁极性。结果，避免了在相邻的单元之间产生磁路。在各永磁体的N极与S极之间仍然会产生一些磁通，这表示各发电机单元18a、18b内的磁通泄漏。
在本发明的进一步发展中，发电(机)组件包括布置在至少一组相邻的发电(机)单元18a、18b的相邻极靴22b、22a之间的引导磁体。引导磁体28的作用在图3c中示出，在图3c中第一单元18a和第二单元18b被示出处于以下状况：第一单元18a和第二单元18b这两者均位于鞍座适配器26的下方。引导磁体28被沿与第一发电机单元和第二发电机单元的相邻极靴相同的方向磁化。结果，“杂散(stray)”磁通被引导通过鞍座适配器并穿过各单元的线圈20，以增强各发电机的期望的磁路和发电机场。优选的是，在各组相邻的发电机单元之间均布置有引导磁体28，如图1所示。
在本发明的更进一步发展中，至少一个发电机单元包括分流磁体(shuntmagnet)，分流磁体具有提高单元的功率效率的作用。这将参照图2a、图2b、图4a和图4b进行解释。
发电机单元18a的功率输出取决于当该单元在第一转动位置与第二转动位置之间转动时磁通变化的大小(magnitude)。在第一转动位置，如图2a所示，弱磁通Φ1在极靴22a、22b之间传递并穿过线圈20。如图2b所示，在第二转动位置，强得多的磁通Φ2在极靴22a、22b之间传递并穿过线圈20。这导致了第一磁通变化ΔΦ1，其中ΔΦ1＝Φ2–Φ1。
在图4a和图4b所示的实施方式中，发电机单元包括分别布置在第一极靴22a和第二极靴22b的径向内侧且布置在端盖14的径向外侧的第一分流磁体30a和第二分流磁体30b。除了分流磁体以外，图4a和图4b的单元与图2a和图2b的单元相同。分流磁体30a、30b和由铁磁材料制成的端盖14产生磁路，由此相关联的穿过线圈的磁通将被称为分流磁通，并在图4a中由箭头32表示。由箭头33所示的、在极靴22a、22b之间传递并穿过线圈20的磁通将被称为发电机磁通。分流磁通与发电机磁通反向地定向，并且在打开的第一位置(如图4a所示)比发电机磁通强。因此，与图2a所示的构造的磁通Φ1相比，净磁通Φ3相对较弱，并且甚至可能是负的。
在图4b所示的闭合位置，由箭头34表示的发电机磁通显著强于打开位置(的发电机磁通)。反向定向的分流磁通与发电机磁通相互作用，使得净磁通Φ4穿过线圈20。净磁通Φ4小于在图2b的构造中产生的初始磁通Φ2；然而，与在打开位置的减少相比，该减少相对较小。特别是当初始磁通Φ2将导致饱和时，尤其如此。结果，由Φ4-Φ3给出的、作为结果的磁通变化ΔΦ2大于没有分流磁体的构造的磁通变化ΔΦ1，导致了改善的功率输出。
本发明的其它实施方式包括以下情况：转动部包括被构造成补偿由发电机单元18a-18d的布置(arrangement)产生的不平衡的至少一个配重单元。此外，鞍座适配器26可以包括主体部和至少一个附加件，该至少一个附加件被构造成增大鞍座适配器26的表面积和/或减小设置在鞍座适配器26与极靴22a、22b之间的气隙。
转动部16a的电子器件部分16c包括：电力采集电子器件(power harvestingelectronics)，其被配置为积聚(accumulate)由穿过线圈的振荡磁场产生的交流电力；和至少一个状态监测传感器，诸如用于测量轴承和/或轮轴的工作参数的温度传感器、声发射传感器或振动传感器。此外，电子器件部分包括无线发射器，该无线发射器被配置成由发电机单元18a-18d产生的电力驱动。

Claims (13)

1.一种发电机组件，包括转动部(16a)和非转动部(16b)，
其特征在于，
所述转动部(16a)包括至少一个发电机单元(18a-18d)，所述发电机单元包括至少一个线圈(20)、至少一个永磁体(22a、22b)和两个极靴，这两个极靴具有面向径向外侧的极面(24a、24b)，所述非转动部(16b)包括与所述极面(24a、24b)有径向距离地布置的铁磁材料的弧形鞍座适配器(26)，其中所述鞍座适配器(26)被构造成在所述鞍座适配器(26)与所述发电机单元(18a-18d)的极靴(22a、22b)重叠的转动位置处闭合经由所述极靴(22a、22b)穿过所述线圈而传递的磁路。
2.根据权利要求1所述的发电机组件，其特征在于，
所述发电机单元(18a-18d)的周向长度和所述鞍座适配器(26)的周向长度使得存在所述鞍座适配器(26)不与所述发电机单元(18a-18d)的极靴(22a、22b)重叠的至少一个转动位置。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述转动部(16a)被构造成安装在被构造成保持列车轮轴(12)的轴承的端盖(14)上，所述鞍座适配器(26)被构造成安装在铁路转向架侧框架上。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
包括多个发电机单元(18a-18d)，各发电机单元均具有至少一个线圈(20)、至少一个永磁体(22a、22b)和两个极靴。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述转动部(16a)包括被构造成补偿由所述至少一个发电机单元产生的不平衡的至少一个配重单元。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述鞍座适配器(26)包括主体部和至少一个附加件，所述至少一个附加件被构造成增大所述鞍座适配器(26)的表面积和/或减小设置在所述鞍座适配器(26)与所述极靴之间的气隙。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述鞍座适配器(26)的面向所述极靴的径向内侧面具有齿形轮廓，使得在所述极面(24a、24b)与鞍座适配器之间存在变化的径向间隙。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述转动部(16a)包括电力采集电子器件，所述电力采集电子器件被配置成积聚由穿过所述线圈(20)的振荡磁场产生的交流电力。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述转动部(16a)包括被配置成由发电机单元产生的电力驱动的至少一个状态监测传感器和无线发射器。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件，其特征在于，
所述转动部(16a)包括用于监测来自所述至少一个发电机单元(18a-18d)的输出信号的装置。
11.根据权利要求10所述的发电机组件，其特征在于，
还包括用于处理所监测的信号以便至少确定所述转动部(16a)的转速的装置。
12.一种铁路转向架侧框架，包括根据前述权利要求中的任一项所述的发电机组件。
13.根据权利要求12所述的铁路转向架侧框架，其特征在于，包括轮轴(12)，所述轮轴(12)具有第一端和第二端，所述第一端和第二端分别设置有根据权利要求11所述的第一和第二发电机组件，还包括用于将来自所述第一组件的第一输出信号与来自所述第二组件的第二输出信号进行比较的装置，以用于检测所述转向架侧框架的侧向运动。
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