CN1357102A - 用于热力发动机试验台的负载机 - Google Patents

Abstract

用于热力发动机试验台的负载机,包括至少一个涡流制动装置,该涡流制动装置和至少一个电传动装置连接起来,所述制动装置有一铁磁性齿形转子(12),该转子与穿过机壳(1)旋转安装着的轴(2)连成一体,所述机壳的内圆周区里安放有至少一个用来产生磁场的感应线圈(5),转子穿过该磁场时产生涡流,以阻止轴的旋转,所述轴用来连接到需实验的热力发动机上,其特征在于,电传动装置形成一可变磁阻电动机。

Description

用于热力发动机试验台的负载机

技术领域

本发明涉及用于热力发动机如柴油机或汽油机或燃气发动机的试验台的负载机。

背景技术

当热力发动机连接到试验台上的一负载机上时，该负载机必须能阻止发动机轴的旋转，以模拟发动机随地面摩擦、空气摩擦及车辆惯性和速度的不同在不同的发动机转速下的运转情况，

已知有液压制动机，其优点在于，相对于其可供给的制动功率，惯性和尺寸比较小，且费用低。但是，液压制动机用得越来越少，因为调节器作用于流体时，响应时间较慢，无法进行精确的调节。因此，液压制动机并不适合装配有点火及喷射计算装置的热力发动机，所述计算装置要求有相当精确的调节，以调整映射图(mise au point des cartographies)。另外，要生产出既能制动又能驱动热力发动机的液压机也很困难。

涡流制动机是在旅游车或赛车、卡车发动机实验台上应用最广的机器。涡流制动机可进行高精度的调节，输出低功率或中等功率时耗费较低。然而，涡流制动机供给强大功率时，费用昂贵，还必需一大直径的转子，以能低转速、高扭矩运转，这会增加转子的重量及惯性。此外，涡流制动机不能驱动热力发动机。

一般说来，涡流制动机包括由一在磁场里旋转的铁磁性齿盘构成的转子，盘齿引起在转子两侧的两金属零件表面上的感应变化，从而引起涡流的变化；这些涡流与转子一同在磁场中移动，从而产生制动转子的扭矩，这正是所寻求的效应；焦耳效应会消耗巨大的能量。磁场的发生元件为一通电线圈，电流例如是交流电或断续的直流电，所述线圈和机壳连成整体。焦耳效应消耗的热通过也和机壳连成整体的一组热交换器排出，所述热交换器中合适的管道供给冷却液。

为了研究热力发动机在发动机制动工况下的状态，必须添加一个电机轴旋转传动装置。但是，这种传动装置不需要把热力发动机的功率100％引出，只需引出满负载的大约40％即可，以简单地补偿车辆的动能。比如，如果热力发动机的功率为200千瓦，涡流制动的功率也必须为200千瓦，而传动装置只需80千瓦左右。

实际上，根据需达到的最大速度，制动机必须能补偿热力发动机的额定功率，它是车辆的几何及单位质量特性的函数，而传动装置只须模拟热力发动机的传动功率，它只是车辆在减速或下坡阶段时的惯性的函数。

至于传动装置，已经使用过直流或异步交流电动机，所述电动机串接在涡流制动机上。但是，把这种电动机连接在涡流制动机上，相对于单一的涡流制动机来说，结果是令其在长度上的尺寸增加一倍(0.75米变为1.5米)，惯性增加一倍，费用增至三倍。

负载机惯性加大使得快速提升发动机的转速变得困难。这点在试验赛车的热力发动机时尤其明显，比如一级方程式赛车，发动机转速必须能在一秒时间里从0达到15000转/分。

还提出过用一单独的直流或异步交流电动机来代替涡流制动机及电动机的组合。这样，同一个电动机即可进行动力学试验，即以制动机模式或发电机模式运转。发动机因而可在考虑被模拟车辆的质量，包括变速箱变速排挡的情况下，实施上路运转模拟实验。这种对吸收热力发动机能量的机构所储存的能量的释放的模拟，还可应用在除汽车或卡车以外的一些领域里。但是，这种电动机的惯性比单独的涡流制动机约高出三倍，费用约高出五倍。事实上，当电动机作为制动机使用时，就像一台交流发电机或直流发电机一样，即产生必须向电路回送的电流。考虑到由热力发动机产生的功率，及因此产生的电流强度，必须把一特制箱连接到电动机上，以把电流送回电网。另外，比如对200千瓦的制动机来说，该电动机长度尺寸约1.5米，而涡流制动机的长度只有0.75米。

此外，在热力发动机的试验台使用直流电动机很困难，因为必须考虑到电动机的滑动件或电刷在油污环境中的运转。另外，异步电机的转子惯性大、发热快，并且由于是旋转件而很难冷却。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提出一种负载机，该负载机无论作为制动机还是发电机，都一样运转良好，并由于无源转子(rotor passif)的缘故而具有小的惯性，因此对高速的适应性很强，并且是转子外面部分发热，因此特别容易冷却下来。另外，使用可变磁阻电动机可使其作为制动机或发电机运转。最后，这种机器的费用适中。本发明的另一目的在于提出这种长度尺寸小的负载机。

为此，本发明的目的在于提出一种用于热力发动机试验台的负载机，该负载机包括至少一台涡流制动装置，该涡流制动装置和至少一个电传动装置连接起来，所述制动装置有一铁磁性齿形转子，该转子与穿过机壳旋转安装着的轴连成一体，所述机壳的一个内圆周区里安放有至少一个用来产生磁场的感应线圈，转子穿过该磁场产生涡流，以阻止轴的旋转，所述轴连接到需实验的热力发动机上，其特征在于，所述电传动装置形成一可变磁阻电动机。因此，涡流不是在转子里产生，而是生成于转子两侧的金属零件上。

在第一实施例里，可变磁阻电动机与制动装置串联安装，它包括一定子、一铁磁性转子及一系列激磁线圈，所述定子和所述轴旋转穿过的两相对侧壁连成一体，这样，所述壁其中之一靠近制动装置的机壳，所述铁磁性转子和轴连成整体，并在轴向上和铁磁性齿形转子分隔开，所述激磁线圈安在环绕铁磁性转子四周的所述定子上，用来产生对转子的驱动磁通势。这种系统当然比单独的涡流制动机长，但比异步电动机或直流电动机要短。另外，由于所有转子上都没有配备线圈，所以根据该第一实施例的机器的惯性更小。当然，可在同一轴上串联安装几个转子。

在另一实施例里，可变磁阻电动机和制动装置集成一体，铁磁性齿形转子还用作电动机的转子，所述电动机包括放在机壳里的一系列激磁线圈，用来产生对转子的驱动磁通势。在此情况下，用来和热力发动机连接的轴只有一个转子，这极大地降低了其惯性和机器的总尺寸(例如长度为0.5至0.75米)。事实上，根据第二实施例的机器的惯性大致等于单独的涡流制动机的惯性。这种机器的费用相对较低，约为涡流制动机的1至1.5倍。

在一变型里，电动机包括至少一个铁磁性定子，所述定子径向地夹在和转子同轴的感应线圈的内圆周及所述转子的外圆周之间，激磁线圈安放在定子内圆周上，使各自的轴线相对于转子径向地延伸，并呈均匀的角度分布。

在另一个变型中，电动机包括一个铁磁性定子，该定子在轴向上夹在两个与转子共轴的侧感应线圈之间，该定子在圆周上环绕转子，激磁线圈安装在定子内圆周上，使各自的轴线相对于转子径向延伸，并间隔均匀的角度。

在第一种情况中，两感应线圈在激磁线圈两侧、沿轴的轴线方向延伸。该变型的直径尺寸相对于前面所述的变型可以减小，但长度却增加了。另外，安装用来制动的第二感应线圈增加了机器的费用。在第二种情况里，两感应线圈径向地夹在激磁线圈和机壳内圆周之间。

根据另一变型，感应线圈和转子同轴，并在圆周上环绕转子，激磁线圈安装在机壳的轴向分隔开的两侧壁的内表面上，使它们各自的轴线平行，且相对于转子的轴线按均匀的角度间隔开，激磁线圈的轴线组内接于一圆柱，该圆柱的中心在转子的轴线上，其半径小于转子的半径。有利地是，机壳所述侧壁的内表面上凸出一个和转子相对的热交换器，所述激磁线圈安放在热交换器上的槽内。

再根据另一变型，两可变磁阻电动机和制动装置连成整体，转子平面两侧有两轴向延伸部，所述两延伸部在其圆周上有齿，并和两铁磁性定子相对，所述两定子在圆周上环绕转子的每一轴向延伸部，在机壳里，两组不同的激磁线圈安放在每一定子的内圆周上，以形成所述两个电动机。

有利地是，在转子对面，机壳内侧面上凸出一个热交换器，感应线圈和转子同轴，在圆周上环绕热交换器及转子，所述两定子外围被热交换器环绕。

根据本发明的另一特征，转子包括一系列按均匀角度间隔的径向臂，各径向壁之间由厚度比臂薄的扇形连接板连接起来。有利地是，每一臂径向延伸，超过转子的所述连接板，在转子圆周上形成一系列齿。

还根据另一特征，每一感应线圈都被供以固定频率的断续直流电，激磁线圈被供以频率更高且可变的断续直流电。

附图说明

为更好地理解本发明的目的，现在参照图示的纯说明性例子、以非限制性方式来描述附图中所示的几种实施列。附图中：

—图1为本发明机器的第一实施例的沿图3中的I-I线的轴向剖面图，

—图2和图3分别是沿图1中的线II-II及线III-III的横剖面图，它们分别示出了机器的制动装置和传动装置，

—图4为本发明机器的第二实施例的沿图5中的线IV-IV的轴向剖面图，

—图5是沿图4中的线V-V的横剖面图，

—图6是沿图7中的线VI-VI的轴向剖面图，示出了本发明机器的另一实施变型，

—图7是沿图6中的线VII-VII的横剖面图，

—图8是沿图9中的线VIII-VIII的轴向剖面图，示出了本发明机器的另一实施变型，该变型包括一个和两可变磁阻电动机相连的涡流制动机，

—图9和图10分别是沿图8中的线IX-IX及X-X的横剖面图，分别示出了机器的制动部分和传动部分，

—图11是沿图12中的线XI-XI的轴向剖面图，示出了本发明机器的另一实施变型，

—图12是沿图11中的线XII-XII的横剖面图，

—图13是应用于本发明机器中的转子的一特定实施例的透视图，

—图14与图4相似，但根据的是本发明的另一实施例。

具体实施方式

将参照图1至图3，描述本发明机器的第一实施例。

本机器包括一机壳1，所述机壳的侧壁1a为中心穿孔的圆盘形状，其纵向壁1b为圆柱形。一旋转轴2通过滚动轴承3穿过机壳1侧壁1a安装。轴2用于把需试验的热力发动机连接到其某一端上。

轴2与在机壳1内延伸的铁磁性齿形转子4旋转相连。图2中更清楚地示出，转子4包括一小直径的圆形中央部分，由之径向延伸出环绕轴2的轴线按均匀的角度间隔的一系列臂4a。例如，转子4有12个臂4a。尽管图中未示出，但臂4a之间可由厚度更薄的扇形连接板连接起来。

圆形感应线圈5支撑于机壳1的圆柱形纵向壁1b的内圆周上，用来产生一轴向磁场。线圈5和转子4的臂4a的自由端径向地隔开，如图1和图2中所示。

由迷宫式冷却装置构成的环形热交换器6呈凸出状地由机壳1侧壁1a的两内表面支撑着。热交换器6构成了冷却液如水的循环箱。热交换器和转子4被形成一小尺寸间隙的微小余隙轴向地分隔开。环形箱6在轴2和感应线圈5之间径向地延伸。最好，热交换器6只与转子4相对。

铁磁性材料的第二转子7在距离转子4足够远处和轴2连接起来，以使转子7不在机壳1里面。铁磁性材料的定子8从外围环绕转子7，其两轴向端被中心穿孔的两圆盘形壁封闭，轴2穿过所述两壁，通过滚动轴承3安装。

如图3所示，铁磁性转子7的圆周内有一系列齿7a，比如12个，所述齿在转子和定子之间形成可变间隙，以使电动机的磁阻发生改变。

定子8的内圆周上有大致呈矩形的槽，所述槽里安放着激磁线圈10，线圈的轴线B相对于转子7的轴线A径向地延伸。定子8内圆周上的槽形成了齿形定子，比如图中所示的八齿定子。

组件7到10构成一可变磁阻电动机，由于它是公知的，在此不作详细描述。

如图1所示，相邻壁1a和9并列在一起，以缩短负载机的长度。

仍以众所周知的方式，铁磁性定子8由垂直于轴线A的同轴叠钢片构成，以使磁场通过时减少磁损。

热交换器也可以安装在电动机壁9的内表面上。

现在参照图4和图5来描述本发明的另一实施例。将使用相同的标号来标记和第一实施例中相同或相似的部件。

在该实施例中，可变磁阻电动机和涡流制动装置集成一体。事实上，该机器包括唯一一个转子12，该转子由一圆形截面的中央毂构成，由之延伸出一系列径向臂12a，这些径向臂12a按均匀的角度间隔开，它们之间通过厚度比臂薄的扇形连接板12b连接起来。从图13中能更清楚地看出，臂12a径向延伸，超过连接板12b，这样，在转子12的外圆周上形成一系列齿13。转子12为铁磁性材料。

机壳1的侧壁1a包括一轴向朝里凸出的环形凸缘14，形成热交换器6的一支承面。最好，热交换器6的外径大致等于转子12的连接板12b的外径。

在壁1a的圆周附近，壁1a内表面上有一环形凹陷部分14a，该凹陷部分用来在径向方向依次接纳一环形保持件15、所述感应线圈5及机壳1的纵向壁1b。保持件15由一圆柱形空心套筒构成，用来从侧面把定子8保持在机壳1中央。定子8大致环绕热交换器6和转子12。感应线圈5沿圆柱形壁1b的整个长度上延伸，同时还环绕定子8及保持件15。

如图4和图5所示的第二实施例的机器里的感应线圈5的直径比第一实施例的线圈直径更大，因为在第二实施例里，定子8夹在转子12和线圈5之间。

在图6及图7所示的变型中，机壳1的总直径相对于图4和5所示的第二实施例变小了。事实上，在图6中，定子8通过其外圆周和机壳1的圆柱形壁1b相接触，环绕机壳1侧壁1a的环形凸缘14的两感应线圈25缠绕在定子8的两侧。在此情况下，可看出，每一感应线圈25可以从侧面环绕定子8及转子12的部分齿13。每一线圈25的轴向厚度等于凸缘14的厚度。两感应线圈25在激磁线圈10的两侧沿轴向延伸。

事实上，在图6所示的变型里，环形凸缘14必不可缺，以能安放两感应线圈25，但在图4的变型里，可以取消凸缘14。在此情况下，图6的机器的轴向尺寸相对于图4中没有凸缘14的机器的尺寸，增大了。

现在参考图8至图10，描述本发明的机器的另一实施变型。

比较图1所示的机壳1，可看出，图8中机壳1的侧壁1a的厚度更大，以便在其内表面上有一中央孔，每一孔24用来接纳一个定子18。

在该变型中，转子22仍是齿形、铁磁性的，以把两可变电磁阻电动机集成到同一涡流制动机中。转子22有一系列径向臂22a，它们之间可通过厚度更薄的连接板22b连接起来，这同图1的情况一样。径向臂22a的延伸没有超过连接板22b，因为不必在转子22的外圆周上形成与感应线圈5相对的齿。相反，转子22的中央毂在其中平面两侧有两轴向延伸部，所述轴向延伸部23有一系列径向臂23a，这些臂的径向尺寸明显小于臂22a的尺寸，以在延伸部23的圆周上形成一系列齿，所述延伸部构成每一可变磁阻电动机的转子。每一延伸部23被一定子18从外围环绕，所述定子的内圆周上有一系列激磁线圈20，这些线圈的轴线相对于轴2径向地延伸。

图11和12还示出本发明的另一实施变型。

在该变型里，转子32仍为齿形、铁磁性的，它包括一系列径向臂32a和连接板32b，所述径向臂从一中央毂开始延伸，所述连接板可以在角度方向连接臂32a，这些臂径向上不超过这些连接板。本变型中，转子32例如有6个径向臂32a。

和图1至10所示的其它变型正相反，可变磁阻电动机的激磁线圈30的轴线不是相对于转子径向延伸，而是各自的轴线C平行于转子的轴线A延伸。激磁线圈30安放在机壳1侧壁1a的内表面上。激磁线圈30的所有轴线C内接于一圆柱，该圆柱的中心在转子32的轴线A上，其半径小于转子的半径，这样，每一线圈30就位于转子32的臂32a对面。在此情况下，激磁线圈30和转子32之间的可变间隙由转子32的臂32a和连接板32b(如果存在的话)之间厚度差确定。图13中清楚地示出了该厚度差。例如，激磁线圈30绕在一三角形或梯形铁心上。

事实上，激磁线圈30安放在热交换器36内侧面上的环形槽里。此处，热交换器36形成于机壳1侧壁1a的厚度里，所述侧壁1a在所述热交换器36处，有一向机壳内凸出的环形厚度余量。

在图14所示的变型里，机器和图4及5所示的不同，因为定子48在其中平面两侧有一环槽48a，所述环槽用来分别接纳一个感应线圈45。两感应线圈45绕在定子48两侧，在环形凹陷部分14a和机壳1的圆柱形壁1b之间。每一感应线圈45在四周外接于每一激磁线圈10的一部分。

不管图1至14所示的实施变型如何，根据本发明的负载机可同时以制动机模式及发电机模式运转，或只以制动机模式或发电机模式运转。甚至当想在试验台上实验以正常速度运转且没有电机制动机的热力发动机时，可变磁阻电动机的激磁线圈可以被供以电流，以补偿因为涡流制动机的运转，由于转子的顽磁而导致的磁损。

例如，制动机的感应线圈和发电机的激磁线圈都被供以强度约15安、电压约200伏的直流电。相反，被输送进制动线圈里的电流的断续频率是固定的，而被输送进发动机线圈里的电流的断续频率更高，而且可变。

一般说来，转子的齿或臂的数量可能和激磁线圈的数量不同。该数量可能是偶数或奇数。

至于如图2所示的涡流制动机的特有结构，可参考欧洲专利申请No.802 403。在任何情况下，扭矩的测量可通过平衡臂装置(montage enbalance)或扭力计来实现，如欧洲专利申请No.802 403中所描述的。

尽管本发明是参照几个特殊实施变型来进行描述的，但很明显，它并不局限于此，它包括和所述装置等同的技术及它们的结合，只要它们也在本发明的范围内。

Claims (14)

1.用于热力发动机试验台的负载机，包括至少一个涡流制动装置，后者和至少一个电传动装置连接起来，所述制动装置有一铁磁性齿形转子(4，12，22，32)，该转子与穿过机壳(1)旋转安装的轴(2)连成一体，所述机壳的内圆周区里安放有至少一个用来产生磁场的感应线圈(5，25，45)，转子穿过该磁场时产生涡流，以阻止轴的旋转，所述轴用来连接到需实验的热力发动机上，其特征在于，所述电传动装置形成一可变磁阻电动机。

2.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，可变磁阻电动机与制动装置串联安装，包括一定子(8)、一铁磁性转子(7)及一系列激磁线圈(10)，所述定子和所述轴(2)旋转穿过的两相对侧壁连成一体，这样，所述壁其中之一靠近制动装置的机壳(1)，所述铁磁性转子和轴连成整体，并在轴向上和铁磁性齿形转子(7)分隔开，所述激磁线圈安在环绕铁磁性转子(7)四周的所述定子(8)上，用来产生对转子的驱动磁通势。

3.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，可变磁阻电动机和制动装置集成一体，转子(12，22，32)为铁磁性材料，还用作电动机的转子，所述电动机包括放在机壳(1)里的一系列激磁线圈(10，20，30)，用来产生对转子的驱动磁通势。

4.根据权利要求3所述的机器，其特征在于，电动机包括至少一个铁磁性定子(8)，所述定子径向地夹在和转子同轴的感应线圈(5)的内圆周及所述转子的外圆周之间，激磁线圈(10)安放在定子(8)内圆周上，使各自的轴线(B)相对于转子径向地延伸，并按均匀的角度间隔开。

5.根据权利要求3所述的机器，其特征在于，电动机包括一铁磁性定子(8，48)，所述定子在轴向上夹在两个与转子(12)共轴的侧感应线圈(25，45)之间，该定子在圆周上环绕转子，激磁线圈(10)安装在定子内圆周上，使各自的轴线(B)相对于转子径向延伸，并间隔均匀的角度。

6.根据权利要求5所述的机器，其特征在于，两感应线圈(25)在激磁线圈(10)两侧、沿轴(2)的轴线(A)方向延伸。

7.根据权利要求5所述的机器，其特征在于，两感应线圈(25)径向地夹在激磁线圈(10)和机壳内圆周(1b)之间。

8.根据权利要求3所述的机器，其特征在于，感应线圈(5)和转子(32)同轴，并在圆周上环绕该转子，激磁线圈(30)安装在机壳(1)的轴向分隔开的两侧壁(1a)的内表面上，使它们各自的轴线(C)平行，且相对于转子的轴线(A)按均匀的角度间隔开，激磁线圈的轴线组(C)内接于一圆柱，该圆柱的中心在转子的轴线上，其半径小于转子的半径。

9.根据权利要求8所述的机器，其特征在于，机壳(1)所述侧壁(1a)的内表面上凸出一个和转子相对的热交换器(36)，所述激磁线圈(30)安放在热交换器上的槽内。

10.根据权利要求3所述的机器，其特征在于，两可变磁阻电动机和制动装置连成整体，转子(22)在其平面两侧有两轴向延伸部(23)，所述两延伸部在其圆周上有齿，并和两铁磁性定子(18)相对，所述两定子在圆周上环绕转子的每一轴向延伸部，在机壳(1)里，两组不同的激磁线圈(20)安放在每一定子的内圆周上，以形成所述两个电动机。

11.根据权利要求10所述的机器，其特征在于，在转子对面，机壳(1)内侧面上凸出一个热交换器(6)，感应线圈(5)和转子同轴，在圆周上环绕热交换器及转子，所述两定子(18)外围被热交换器环绕着。

12.根据权利要求3至11其中之一所述的机器，其特征在于，转子(12，22，32)包括一系列按均匀角度间隔的径向臂(12a，22a，32a)，各径向臂之间由厚度比臂薄的扇形连接板(12b，22b，32b)连接起来。

13.根据权利要求12所述的机器，其特征在于，每一臂(12a)径向延伸，超出转子(12)的连接板(12b)，在转子圆周上形成一系列齿(13)。

14.根据权利要求2至13其中之一所述的机器，其特征在于，每一感应线圈都被供以固定频率的断续直流电，激磁线圈(10，20，30)被供以频率更高且可变的断续直流电。

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