CN110365155B - 一种铁路货车用轴端发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路货车用轴端发电机，包括：定子、转子和侧盖；所述定子为与承载鞍相适应的半圆环结构，所述定子通过半圆筒结构的机壳设置在所述承载鞍的侧面；所述转子通过用于替代轴承前盖的支架套设置在车轴轴端；所述侧盖设置在所述定子和所述转子外侧；所述侧盖与所述承载鞍、所述机壳、车轴轴承密封相接以形成用于容置所述定子和所述转子的密封体。本发明的轴端发电机能够应用于使用三大件式转向架的铁路货车，具有高可靠性、高防护性、免维护以及转向架改动小的优点。

Description

一种铁路货车用轴端发电机

技术领域

本发明涉及铁路货车技术领域，特别是指一种铁路货车用轴端发电机。

背景技术

随着铁路货运列车运营规模和特种车辆服务面的扩大，越来越多的监控或保护装置(如电子防滑器、制动系统、轴温检测设备等)被广泛应用于铁路货运列车安全系统中，而这些装置的供电可靠性一直困扰着铁路货运列车安全系统的运用，传统的供电方式是由机车通过电缆向各节货车供电，由于铁路货运列车的车厢编组频繁、运行环境恶劣等，供电可靠性较差，因此在铁路货车车厢上单独安装发电装置供电，解决铁路货运列车安全系统的用电问题是一个很有市场的应用研究。

现有的铁路货车车厢发电(或供电)方案有：安装蓄电池装置、轴端皮带轮传动发电机发电装置、太阳能发电装置、风力发电装置、轴端发电装置等多种发电方式。目前这些发电(或供电)方式在可靠性、发电(或供电)功率、使用寿命、承受恶劣环境等多方面均存在诸多不足。相对而言轴端发电方式具有较高可靠性、使用寿命长、环境适应性强、在现有车辆结构改动量小等优点。所谓轴端发电机即一种在车轴端部安装的发电机：不改动现有车轴轴承尺寸和安装方式的前提下，改变车轴轴端压板和轴箱盖结构，即发电机转子安装于车轴端部，发电机定子安装于轴箱端部。当货车运行时车轴带动发电机转子旋转，实现发电机发电。且轴端发电机整体被密封在轴箱端盖内，具有耐冲击振动、密封防护性能好，定子、转子装置易于布置，方便安装和拆卸等优点。申请号为201610942396.0、201210561240.X、201510100002.2、201520130292.0、201620172561.4等发明专利均为转向架具有轴箱结构的轴端发电机。但是，由于现有铁路货车车厢的转向架大多数均为无轴箱结构的三大件式转向架，对于三大件式转向架来说以上专利的轴端发电方案均不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够应用于使用三大件式转向架的铁路货车的轴端发电结构，具有高可靠性、高防护性、免维护以及转向架改动小的优点。

基于上述目的，本发明提供了一种铁路货车用轴端发电机，包括：定子、转子和侧盖；所述定子为与承载鞍相适应的半圆环结构，所述定子通过半圆筒结构的机壳设置在所述承载鞍的侧面；所述转子通过用于替代轴承前盖的支架套设置在车轴轴端；所述侧盖设置在所述定子和所述转子外侧；所述侧盖与所述承载鞍、所述机壳、车轴轴承密封相接以形成用于容置所述定子和所述转子的密封体。

在一些实施方式中，所述定子包括：定子铁心和定子绕组；所述定子铁心嵌装在所述机壳的内壁上；所述定子铁心由扇形结构的定子冲片叠压而成，所述定子铁芯的内圈上设置有用于放置所述定子绕组的凹槽；所述定子绕组为集中式线圈结构；所述定子铁心和所述定子绕组在所述机壳的内弧面灌装为一个半圆环结构的整体，且组成多套三相绕组，每套绕组对应相的相位差为15～30°。

在一些实施方式中，所述转子包括：转子铁心、永磁体和端板；所述转子铁心为转子冲片叠压而成，安装在所述支架套上，形成进风道；所述转子转动时，所述支架套的根部作为叶片形成离心风扇；所述转子冲片为环形片，内部设置有用于嵌装所述永磁体的嵌装孔。

在一些实施方式中，所述转子铁心的轴向长度大于所述定子铁心的轴向长度。

在一些实施方式中，所述定子铁心和所述转子铁心间形成的气隙在径向上不等长，靠近所述定子铁心的弧顶位置处的气隙较小，远离所述定子铁心的弧顶位置处的气隙较大。

在一些实施方式中，所述侧盖包括：半圆部、平台部和半圆筒部；所述半圆部包括半圆内弧，所述机壳上设置有与所述半圆内弧配合的凸缘；所述平台部与所述机壳和所述承载鞍的底部平面相贴合；所述半圆筒部与半圆筒结构的所述机壳相配合构成完整的圆筒结构。

在一些实施方式中，所述半圆筒部与所述车轴轴承之间还设置有半圆环形的密封圈。

在一些实施方式中，所述密封圈为非金属可压缩材料；所述密封圈设置在所述半圆筒部的弧形凹槽内。

在一些实施方式中，所述转子端部与所述侧盖间留有第一安全间隙；所述转子的外弧面与所述半圆筒部间留有第二安全间隙。

在一些实施方式中，所述侧盖为非金属材料。

从上面所述可以看出，本发明提供的铁路货车用轴端发电机，定子安装在承载鞍的侧面，替换原有的轴承前盖安装发电机转子，使用侧盖封闭轴端发电机，提高电机的防护能力，完成在三大件式转向架上轴端发电机对路车辆的供电。本发明对转向架的改动较小，可实现发电机的免维护、高可靠性、高防护性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的三大件式转向架的轴端部分示意图；

图2为现有技术中的承载鞍结构示意图；

图3为本发明实施例的铁路货车用轴端发电机纵向剖面示意图；

图4为本发明实施例的铁路货车用轴端发电机横向剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明实施例提供了一种铁路货车用轴端发电机，旨在解决现有技术中的轴端发电方案无法应用于使用三大件式转向架的铁路货车的技术问题。具体的，参考图1，为现有技术中的三大件式转向架的轴端部分示意图。承载鞍01设置在车轴02端部的车轴轴承03上。参考图2，为现有技术中的承载鞍结构示意图。可见，现有技术中的承载鞍01为劣弧面结构，车轴轴承03下半部裸露在外，密封性和防护性交叉，且承载鞍01的侧面(根据国家行业标准TBT3267-2011规定，承载鞍的侧面是指其靠近轴承前盖04一侧的端面)没有用于安装轴端电机的结构。另外，承载鞍01与车轴轴承03的外圈间存在轴向串动，同时还具有串动引起的磨损，还有考虑到承载鞍及轴承制造引起的偏差，最终轴向相对运动位移量达到厘米级。导致发电机定子与转子也存在同样大的轴向相对位移。铁路轨道接缝引起的承载鞍01与车轴轴承03间的上下跳动，导致定子与转子间的上下位移。

针对上述具体的技术问题，本发明实施例的铁路货车用轴端发电机均进行了相应的改进设计。所述的铁路货车用轴端发电机，包括：定子、转子和侧盖；所述定子为与承载鞍相适应的弧面结构，所述定子通过半圆筒结构的机壳设置在所述承载鞍的侧面；所述转子通过用于替代轴承前盖的支架套设置在车轴轴端；所述侧盖设置在所述定子和所述转子外侧；所述侧盖与所述承载鞍、所述机壳、车轴轴承密封相接以形成用于容置所述定子和所述转子的密封体。

参考图3和图4，作为一个更加具体的实施例，所述的铁路货车用轴端发电机，包括：定子1、转子2和侧盖3。所述的铁路货车用轴端发电机采用无轴承结构，适用于定子1与转子2间有不同方向的相对位移的应用场景。

本实施例中，定子1为与承载鞍01相适应的弧面结构，即在车轴02的圆周方向上，定子1设置于车轴02上半部分对应的区域内。定子1通过半圆筒结构的机壳101设置在承载鞍01的侧面。具体的，在承载鞍01的侧面左上方和右上方增加两组螺孔，对应于机壳101上设置的安装孔，通过螺栓配合用于安装定子1。参考图4，根据承载鞍01侧面的特点，机壳101端面与其面接触，局部开孔避让承载鞍01的定位凸起，通过第一螺栓05将机壳101固定在承载鞍01的侧面，同时通过左右凸台106传递定子1的重量到承载鞍01。此外，机壳101两侧底部各留有一组螺孔，用于安装侧盖3。

进一步的，参考图3，定子1包括：机壳101、定子铁心102和定子绕组103。其中，定子铁心102嵌装在机壳101的内壁上。定子铁心102由定子冲片叠压而成，定子冲片为扇形片(优选为接近半圆形)，内圆弧和外圆弧不同心，内弧开槽，用来安装定子绕组103。定子绕组103由集中式线圈构成，和定子铁心102灌装成整体，引出线直接在机壳101上开孔引出。定子绕组103有两套三相绕组，或多套三相绕组，两套三相绕组之间没有内部连接，即没有电联系。轴端发电机工作时两套三相绕组对应相之间的感应电势相位角相差15°～30°，每套三相绕组单独整流后输出直流电，铁路货车低速运行时，两套直流电串联供电，货车高速运行时，两套直流电并联供电，减小供电电压的波动幅度。

本实施例中，转子2通过用于替代轴承前盖04的支架套201设置在车轴02轴端。具体的，参考图3，为了安装转子2，本发明实施例取消了原有的轴承前盖04，用相似结构的支架套201替代。和原有的轴承前盖04的安装方式相同：在车轴02外侧用第二螺栓06固定支架套201来安装转子2。

进一步的，参考图3和图4，转子2包括：支架套201、转子铁心202、永磁体203和端板204。支架套201和原有的轴承前盖04相同，通过第二螺栓06固定在车轴02的外侧，锁紧车轴轴承03的内圈，止挡车轴轴承03轴向滑动。同时支架套201为支架结构，在其支架上安装转子铁心202和端板204，形成进风道，转子转动时支架根部具有离心风扇的功能，使电机内部空气循环流动。转子铁心202为转子冲片叠压而成，转子冲片为环形片，内部设置有用于嵌装永磁体203的嵌装孔，整体上看，转子2为永磁体内置式整体结构。

本实施例中，定子1和转子2组成的发电结构中，转子铁心202的轴向长度大于定子铁心102的轴向长度。具体的，在转子2轴向移动时，定子铁心102的内弧面始终与转子铁心202的外弧面相对，保证轴端发电机的气隙磁场变化较小，轴端发电机的电输出能力保持不变。即本发明实施例的轴端发电机能承受车轴02与承载鞍01轴向相对位移引起的定子1与转子2间轴向的相对位移。另一方面，定子铁心102内圆弧和转子铁心202外圆弧形成的气隙径向不等长，即相对的部分气隙为偏心气隙：顶部气隙小、两侧气隙大，这样的设计能够适应定子1与转子2间有较大的径向相对位移的恶劣工况。

本实施例中，参考图3和图4，侧盖3为非金属材料的异形结构，非金属材料的侧盖3能够保证转子铁心202中永磁体203建立的磁场不会在侧盖3中产生涡流。侧盖3包括：半圆部、平台部和半圆筒部。半圆部与机壳101的侧面相配合，具体的，半圆部包括半圆内弧302，相应的，机壳101上设置有与该半圆内弧302配合的凸缘104，半圆内弧302能够扣合在凸缘104上以实现侧盖3对应机壳101部分的密封。平台部与机壳101和承载鞍01的底部位置相配合，具体的，平台部与机壳101和承载鞍01的底部相贴合，使用两边的平台凸缘303与机壳101内壁的定位，通过第三螺栓07将侧盖3固定在机壳101上。半圆筒部与机壳101相配合，具体的，半圆筒部与半圆筒结构的机壳101上下扣合构成完整的圆筒结构的密封结构。

进一步的，侧盖3的半圆筒部与车轴轴承03之间还设置有半圆环形的密封圈301。密封圈301由非金属的、具有较高可压缩性能的材料制成，设置在半圆筒部的弧形凹槽内。在定子1和转子2间有径向相对移动时，半密封圈301被压缩，保持侧盖3与车轴轴承03的外圈完全贴合，维持密封性。

进一步的，基于运行安全性的考虑，转子1端部与侧盖3间留有第一安全间隙；该第一安全间隙能够满足定子1和转子2最大的轴向相对移动，并保证转子2的端面不会碰到侧盖3的内壁。转子2的外弧面与半圆筒部间留有第二安全间隙；该第二安全间隙能够满足定子1和转子2最大的径向相对移动，并保证转子2的端面不会碰到侧盖3的内弧面。

基于上述实施例，参考图3和图4，本发明的铁路货车用轴端发电机所涉及的运行原理及主要特点包括：

1)车辆运行时，车轴02带动转子2旋转，永磁体203产生的磁场在定子铁心102中形成同步旋转磁场，切割定子绕组103产生感应电势，可以对外输出交流电。

2)定子绕组103为两套三相绕组，对应相的相位角偏差15°～30°，每套三相绕组通过三相整流装置后输出直流电，为了减少直流电压幅值的波动，在车辆低速运行时两套直流电串联输出、在车辆高速运行时两套直流电并联输出。

3)由于发电机的气隙为非均匀气隙，车辆震动引起的发电机定子1、转子2间的上下位移只会影响发电机的气隙，导致对外输出电能降低，不会引起定子1、转子2间的机械摩擦或局部应力的增加，运行安全有保障。

4)车辆运行时，会出现承载鞍01与车轴轴承03外圈的轴向相对位移，导致定子1与转子2也出现轴向相对位移。由于发电机为无轴承结构，转子2与侧盖3间有预留空间，允许轴向串动，运行安全有保障，而本发明的转子铁心202比定子铁心102长，轴向串动过程中，气隙磁场幅值不会变化，不会影响发电机的输出性能。

5)侧盖3上半部扣在机壳101的凸缘104上，下半部与机壳101平面接触，左右用平台凸缘303定位，与车轴轴承03外圈下部用可压缩的弹性材料的密封环301密封，用第三螺栓07固定在机壳101下部，实现发电机的全密封防护结构。

6)定子2直接安装在承载鞍01上，可承受车辆运行时冲击和振动，与周边形成封闭结构，可承受车辆运行时恶劣的工作环境的影响，发电机的偏向气隙和定子1、转子2轴向不等长等特点，可承受车辆运行工况恶劣时导致定子与转子的各向位移，发电机的运行安全有保障、仅影响发电机的电输出性能。

由上述实施例可见，本发明的铁路货车用轴端发电机，在现有铁路货车的三大件式转向架结构的基础上，通过小幅度的改动，使轴端发电机的安装成为可能，制作成本低，运行可靠、具有极大的推广与应用意义。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铁路货车用轴端发电机，其特征在于，包括：定子、转子和侧盖；所述定子为与承载鞍相适应的半圆环结构，所述定子通过半圆筒结构的机壳设置在所述承载鞍的侧面；所述转子通过用于替代轴承前盖的支架套设置在车轴轴端；所述侧盖设置在所述定子和所述转子外侧；所述侧盖与所述承载鞍、所述机壳、车轴轴承密封相接以形成用于容置所述定子和所述转子的密封体。

2.根据权利要求1所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述定子包括：定子铁心和定子绕组；所述定子铁心嵌装在所述机壳的内壁上；所述定子铁心由扇形结构的定子冲片叠压而成，所述定子铁心的内圈上设置有用于放置所述定子绕组的凹槽；所述定子绕组为集中式线圈结构；所述定子铁心和所述定子绕组在所述机壳内弧面灌装为一个半圆环结构的整体，且组成多套三相绕组，每套绕组对应相的相位差为15°～30°；

所述转子包括：转子铁心、永磁体和端板；所述转子铁心为转子冲片叠压而成，安装在所述支架套上，形成进风道；所述转子转动时，所述支架套的根部作为叶片形成离心风扇结构；所述转子冲片为环形片，内部设置有用于嵌装所述永磁体的嵌装孔；

所述转子铁心的轴向长度大于所述定子铁心的轴向长度；

所述定子铁心和所述转子铁心间形成的气隙在径向上不等长，靠近所述定子铁心的内弧顶位置处的气隙较小，远离所述定子铁心的内弧顶位置处的气隙较大。

3.根据权利要求1所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述侧盖包括：半圆部、平台部和半圆筒部；所述半圆部包括半圆内弧，所述机壳上设置有与所述半圆内弧配合的凸缘；所述平台部与所述机壳和所述承载鞍的底部平面相贴合；所述半圆筒部与半圆筒结构的所述机壳相配合构成完整的圆筒结构。

4.根据权利要求3所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述半圆筒部与所述车轴轴承之间还设置有半圆环形的密封圈。

5.根据权利要求4所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述密封圈为非金属可压缩材料；所述密封圈设置在所述半圆筒部的弧形凹槽内。

6.根据权利要求3所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述转子端部与所述侧盖间留有第一安全间隙；所述转子的外弧面与所述半圆筒部间留有第二安全间隙。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的铁路货车用轴端发电机，其特征在于，所述侧盖为非金属材料。

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