ES2883341T3 - Sistema retardador autónomo para un vehículo y vehículo que lo incorpora. - Google Patents

Abstract

Un sistema retardador autónomo para un vehículo que incluye un retardador (10) con un rotor central (11) y dos estatores (12), uno a cada lado del rotor (11). Dicho rotor (11) se acopla solidariamente con un eje (1). También incluye un generador (20, 30, 50) acoplado con el retardador (10) para suministrarle energía eléctrica. El generador (20, 30, 50) comprende a su vez un estator (22) y un rotor (21, 31, 51) que se acopla con el retardador.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema retardador autónomo para un vehículo y vehículo que lo incorpora

Campo técnico de la invención

La invención pertenece al campo de los sistemas de frenado para vehículos y en especial para trenes. Más concretamente, se corresponde con sistemas de frenado eléctromagnéticos que emplean como principio las corrientes de Foucault.

Antecedentes de la invención o Estado de la Técnica

La mayoría de los sistemas de frenado se fundamentan en el rozamiento mecánico para reducir la velocidad. Este tipo de frenos presentan problemas de desgastes y la necesidad un mantenimiento constante y periódico. Además, por otro lado, su nivel de ruido merma la comodidad de los viajeros.

Por ésta y otras razones se intentan aplicar otros principios para el frenado. En especial, se han diseñado frenos auxiliares que sirvan de apoyo a aquellos basados en fricción. Destacan los frenos eléctricos que actúan a base de inducir en el rotor corrientes parásitas de Foucault (en inglés Eddy currents). Son denominados retardadores o ralentizadores se componen esencialmente de un estator equipado con bobinas y de dos rotores fijados solidariamente a un eje (cuyo giro generalmente se realiza a través de una transmisión de tipo cardan) en cuanto se excitan por medio de corrientes en las bobinas inductoras, se crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza atraviesan los rotores, se crean las corrientes inducidas que a su vez dan origen a un momento resultante de sentido contrario al giro y que se opone al movimiento. El resultado es que se va reduciendo la velocidad de giro y con ello la velocidad del vehículo. Para que se produzca el efecto, no es necesario que estén en contacto la superficie del rotor y del estator. Estos frenos logran un frenado suave, sin desgaste y silencioso, además son más efectivos cuanto mayor es la velocidad. Por ello, para conseguir la detención total del vehículo, se combinan con el freno convencional de fricción.

En la actualidad, los retardadores precisan de alimentación eléctrica para suministrar corriente a las bobinas del estator. La fuente de alimentación de los retardadores conocidos es externa a partir de baterías. Los requisitos para estas baterías son bastante exigentes ya que la cantidad de corriente necesaria es elevada (alrededor de 160 A). Aunque la tecnología actual permite alcanzar estos requisitos, tales baterías suelen ser voluminosas y caras. Por otro lado, si la batería se comparte con otros dispositivos del vehículo, la energía almacenada puede no ser suficiente. Otra elección para asegurar el abastecimiento del retardador es que disponga de su propia batería. Sea de una manera o de otra, la fuente de alimentación no es generalmente integrable en el retardador y éste no es compacto.

El documento CN102874123A describe un retardador para un vehículo que usa un generador autoexcitado refrigerado por agua basado en corrientes de Foucault.

Los documentos FR2861914A1 y WO2005/043726A1 describen retardadores basados en corrientes de Foucault con rendimiento mejorado debido al refrigeración por agua en cámaras transversales que enmarcan el rotor.

El documento EP0331559A1 da a conocer un retardador de refrigeración por agua con un rotor montado sobre el eje de salida de una caja de cambios de un vehículo y un estator en voladizo sobre la caja de cambios.

El documento US2640941A describe un retardador de enfriamiento por aire con un rotor y un par de estatores en cada lado.

EP1252035A1 da a conocer un sistema retardador con funciones múltiples que incluye un freno de inercia de sincronización de la transmisión para integrar dentro del motor o dentro de la transmisión.

Breve descripción de la invención

Es objeto de la invención un sistema retardador para un vehículo que resuelve o al menos mitiga los problemas y limitaciones observadas en el estado de la técnica.

También es otro objeto de la invención un vehículo que monta incorpora el sistema retardador.

El sistema retardador se define en la reivindicación 1. El vehículo se define en la reivindicación 7.

Opcionalmente, el rotor central es autoventilado.

Opcionalmente, el rotor central del retardador comprende dos discos laterales y una pluralidad de nervios espaciados uniendo dichos discos.

Opcionalmente, el sistema incluye un módulo regulador de frenada para controlar la corriente de excitación del generador de acuerdo con una señal de mando.

Opcionalmente, el módulo regulador incluye un rectificador y un estabilizador de tensión.

Opcionalmente, el sistema incluye un sensor de temperatura para medir la temperatura del retardador y comunicarla al módulo regulador para disminuir la corriente del generador cuando dicha temperatura supera un umbral.

Breve descripción de las figuras

FIG. 1: Vista exterior de un sistema retardador con su carcasa y montado sobre un eje.

FIG. 2: Vista interior de un sistema retardador con dos tipos de generadores.

FIG. 3: Detalle del tipo de generador autoexcitado.

FIG. 4: Partes móviles de un sistema con generador autoexcitado.

FIG. 5: Partes fijas de un sistema con generador autoexcitado.

FIG. 6: Detalle del tipo de generador de imanes permanentes.

FIG. 7: Partes móviles de un sistema con generador de imanes permanentes.

FIG. 8: Partes fijas de un sistema con generador de imanes permanentes.

FIG. 9: Detalle de una vista de un sistema que no es según la invención y que se ofrece con propósitos meramente ilustrativos con dos generadores combinados, uno auxiliar que excita a otro principal.

FIG. 10: Partes fijas de la FIG. 9.

FIG. 11: Partes móviles de la FIG. 9.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras, se describen varios ejemplos de realización sin carácter limitativo.

Notar que la configuración elegida no es la habitual de dos rotores externos y un estator intermedio. Se propone alternativamente para las realizaciones aquí expuestas el disponer axialmente un rotor y dos estatores. El rotor del retardador se coloca centralmente y a cada lado de éste, los estatores. Con esta configuración se mitigan problemas de bloqueo en los rotores causados principalmente por su exposición a la intemperie. En climas fríos, se pueden formar bloques de hielo sobre los rotores que por desprendimiento durante el giro pueden dañar elementos cercanos.

Hay otras ventajas para elegir un rotor central. Una es que se consiguen entrehierros fijos. Otra, que puede funcionar independientemente del sentido de giro. El sentido de giro es importante sobre todo para la refrigeración. Con rotores externos, cuando éstos giran en un sentido el aire entra forzado y refrigera el retardador. Si el sentido de giro es el contrario, puede haber problemas de refrigeración. En otro orden de cosas, comparadamente con el caso con dos rotores, las fuerzas axiales se neutralizan cuando sólo hay uno. Estas fuerzas pueden ocasionar deformaciones en los rotores de los retardadores.

En la FIG. 1 se aprecia el aspecto exterior de una realización del sistema retardador. Se observa que el sistema retardador es compacto a pesar de incorporar un generador 20, 30 dado que éste se integra en el conjunto. De esta forma pueden alojarse todos los componentes que se protegen exteriormente por unas carcasas 3 a cada lado del eje 1 sobre el que se monta.

Este eje 1 puede ser un eje de unión directa a las ruedas o bien un eje cardán. Generalmente, el conjunto se monta en el eje 1 mediante un buje 2.

En la FIG. 2 se puede ver el interior completo del sistema retardador anterior. Por conveniencia, en la realización del sistema se incluyen dos generadores eléctricos diferentes a cada lado. No obstante, pueden ser iguales ambos. Incluso, dependiendo de la aplicación, para alimentar el sistema retardador puede bastar con un único generador. A su vez, este único generador puede ser bien de imanes permanentes 30, o bien autoexcitado 20, según interese. Por ejemplo, para conseguir un peso reducido, interesa que el generador sea de imanes permanentes. En cambio, si se necesita un par de frenado alto, el generador es preferiblemente autoexcitado.

En las figuras siguientes complementando la FIG. 2, se muestran por separado y en mayor detalle los dos tipos de generador. El generador autoexcitado 20 está ilustrado en las FIG. 3, 4 y 5. El generador de imanes permanentes 30 en las FIG. 6, 7 y 8.

Como se puede ver, el retardador 10 se dispone centralmente y los generadores 20, 30 se acoplan al retardador 10 exteriormente. A un buje 2 se fijan los elementos giratorios: el rotor 11 del retardador y los rotores 21 (o 31) del generador 20 (o 30), formando un conjunto monobloc. A través de rodamientos 4 se montan el resto de elementos no-giratorios del retardador 10 y generadores 20,30.

Preferiblemente, el rotor 11 del retardador 10 es un conjunto de fundición de acero. El rotor 11 puede fabricarse como dos discos 13 unidos por unos nervios 14, generalmente cilíndricos. En el rotor es necesaria una alta conductividad eléctrica para conseguir que la potencia absorbida sea mayor para una misma fuerza electromotriz, de esta manera se aumenta la corriente inducida. De otra parte, una alta conductividad térmica facilita la disipación del calor generado. Otro factor importante que favorece la disipación del calor es la optimización de su diseño. Para ello, los nervios 14 tienen preferentemente una geometría capaz de ventilar con aire el interior del rotor 11 independientemente del sentido de giro de dicho rotor 11 favoreciendo así la disipación de calor.

Cuando se instala este conjunto en un eje ferroviario, se monta solidario al mismo, generalmente como unión forzada (calado) como se hace con los frenos convencionales. En otras aplicaciones, el retardador 10 puede incorporar su propio eje.

Los estatores del retardador 10 y del generador 20, 30 son preferentemente de aleación férrica. En el interior del estator 12 del retardador 10 se fijan los electroimanes 15 mientras que en su parte exterior se fija el estator 22 del generador 20, 30 con sus núcleos y su devanado 28. El estator 22 es similar para los dos tipos de generadores (autoexcitado 20 y de imanes permanentes 30).

Para su montaje sobre el eje 1 se puede emplear un anillo exterior con rodamientos 4 adecuados para tolerar además de su peso, las fuerzas en sentido axial y radial que producen las vibraciones. Para regular la holgura axial de los rodamientos 4 de los estatores 12 se prevén unos tirantes 5 y unas tuercas que fijan las distancias de entrehierros.

Por otra parte, unos soportes fijan los estatores 12 a un bastidor o al chasis para evitar que giren con el eje 1.

El generador 20 se autoexcita a través del devanado 27 del núcleo polar fijo 26, solidario a la cara externa del estator 12 del retardador 10 (o estatores, en caso que sean necesarios dos generadores a cada lado). La remanencia en este núcleo polar 26 debe ser lo suficientemente grande para que sea innecesaria la preexcitación (es de materiales magnéticos duros).

El rotor 21 del generador 20 se monta preferentemente solidario al buje 2 y tiene una configuración interior de núcleo macizo. Interiormente y sin fricción, es decir, manteniendo los entrehierros previos, recoge el núcleo polar fijo 26. El estator 22 del generador 20, va debidamente fijado en la cara externa del estator 12 (o estatores) del retardador 10, mismo lado que el núcleo polar fijo 26. Este estator 22 está formado por chapas aisladas entre sí y provistas de unas ranuras, que al estar fuertemente comprimidas, forman un núcleo compacto. En las citadas ranuras, van montadas los devanados 28 estatóricos.

El campo magnetiza los discos 13 del rotor 11 en alternancia N - S al girar, induciendo una tensión alterna en el devanado 28 del estator 22 del generador 20.

El otro tipo de generador mostrado en las FIG.6 a FIG.8 es un generador de imanes permanentes 30. La fuente de energía eléctrica se consigue por medio de un rotor 31 con imanes permanentes solidario al buje 2, con el estator 22 del generador 30 fijado a la cara exterior del estator 12 del retardador 10.

Ambos tipos de generadores 20, 30 están debidamente dimensionados para suministrar la energía necesaria al retardador 10, responsable del frenado por encima de cierto umbral de velocidad. A menor velocidad, se debe activar el freno mecánico convencional hasta que el vehículo se detenga por completo. Estos dos generadores 20, 30 pueden actuar individual o conjuntamente sobre el retardador 10 funcionando de forma independiente.

Los rotores o inductores 21, 31 de los generadores 20, 30 originan el campo magnético necesario para que las bobinas de los estatores 22 de los mismos generen la corriente alterna correspondiente.

El retardador 10 funciona sin desgastar ni friccionar, son los rodamientos 4 las únicas piezas sujetas a desgaste. Para su fabricación, se emplean preferentemente aleaciones, combinando aquellas que son magnéticas y amagnéticas con el fin de obtener el mayor aprovechamiento de flujos y evitar la dispersión de los mismos. Preferiblemente, se deben evitar las soldaduras, de manera que los elementos y subconjuntos sean atornillados de una manera precisa y segura, en función a los esfuerzos fatigas térmicas, a la cual están sometidas.

Un módulo regulador de frenada 40 será el encargado de controlar la fuerza de frenado. El módulo regulador de frenada 40 es un dispositivo electrónico de control que convierte y controla la corriente procedente de la alimentación para su utilización directamente en las bobinas del retardador 10 en función de parámetros programados de acuerdo a las condiciones de trabajo requeridas.

Este módulo regulador 40 modifica linealmente la alimentación del retardador 10, permitiendo de forma lineal, la entrada de más o menos tensión de alimentación al mismo, con lo que se consigue un control preciso sobre la frenada. El regulador de frenada 40 incluye generalmente un rectificador y un estabilizador de tensión. El generador 20, 30 produce corriente alterna, transformando la energía mecánica del giro producido por el eje 1 en energía eléctrica para la alimentación eléctrica del retardador 10. Esta corriente, al ser alterna, ha de ser rectificada para un correcto funcionamiento y control del retardador 10. El rectificador convierte la tensión alterna en tensión continua. Además, se incluye un estabilizador de tensión para mantenerla aproximadamente constante sin que varíe con el aumento o disminución de las rpm (revoluciones por minuto).

Parte del módulo regulador de frenada 40 se ubica junto con el retardador 10, pero el mando de control se halla preferiblemente en otro lugar. Por ejemplo en vehículos ferroviarios, se sitúa generalmente dentro de la cabina del tren para ser manipulado por el operario y controlar o monitorizar la fuerza de frenado de todos los vagones.

El módulo regulador 40 recibe como entrada de control la señal deseada de frenada procedente del sistema informático central y que puede ser manual o automática. Asimismo, recibe las señales de detección de velocidad real de giro y señales digitales de entrada-salida, tanto para recibir información o condiciones de seguridad del sistema central del vehículo como para enviar estas señales al sistema central del vehículo.

El módulo regulador 40 es preferiblemente programable para las diferentes curvas límite de trabajo, por ejemplo, señal directa o inversa, o respuesta lineal o cuadrática. Se consigue una alimentación totalmente autónoma mediante la generación de la corriente a través del generador 20, 30 integrado. El módulo regulador 40 controla y envía la corriente de excitación del generador en forma de bucle cerrado de servocontrol, para obtener una corriente de freno en función de la señal de mando y dentro de los límites de las curvas previamente programadas.

Adicionalmente para mayor seguridad, en cualquiera de las realizaciones descritas, se puede emplear un sensor de temperatura colocado en el freno, que limite las potencias máximas desarrolladas.

Finalmente, se describe otra realización particular que no es según la invención y que se ofrece con propósitos meramente ilustrativos que utiliza un generador de mayor rendimiento. Si en un generador autoexcitado se reemplazan los materiales duros por materiales blandos (núcleo 56), éste puede dejar de ser autoexcitado pero a cambio logra un rendimiento muy superior. A este tipo de generador lo denominaremos en adelante “generador de excitación externa 50”. Las FIG. 9 a FIG. 11 muestran un sistema retardador que instala este generador 50 como principal junto con generador de imanes permanentes 30 como auxiliar. Preferentemente, el núcleo 56 (de baja remanencia) tiene el mismo tipo de composición que las partes férricas del estator 12.

La autoexcitación se debe a que los materiales duros una vez magnetizados se comportan como imanes permanentes. En tanto, los materiales blandos se desmagnetizan con facilidad y sus pérdidas son menores por lo que pueden ser preferibles para aplicaciones de mayor rendimiento (tienen menores pérdidas por histéresis que los duros, por tanto, no sufren tanto calentamiento y el rendimiento es superior).

En este caso, la excitación para crear el campo magnético necesario en el generador 50, debe proporcionarse externamente para arrancar. En concreto, se puede realizar ventajosamente a través de un generador auxiliar de imanes permanentes 30, basta además que sea de pequeñas dimensiones. Esto permite optimizar al máximo el generador 50 que actúa como principal. Es decir, una vez que alcanza una velocidad adecuada el rotor 51, deja de ser excitado por el generador 30 que se desactiva.

Esta configuración mixta o híbrida también es especialmente interesante en una situación en la que el retardador 10 tiene un número de revoluciones bajo. Es entonces cuando el par de frenada y consecuentemente la alimentación del mismo debe ser máxima. Por ello, se requiere emplear materiales blandos tanto en el núcleo polar fijo como en las masas polares. Con el empleo de materiales blandos, se consiguen niveles elevados de saturación magnética y por otro lado se eliminan las resistencias pasivas al giro cuando no hay excitación, quedando las inerciales de valor inapreciable.

El control de excitación externa en la configuración mixta, se realiza mediante un sistema electrónico que puede integrarse en el módulo regulador 40, el cual, controla la alimentación que suministra el generador auxiliar (generador de imanes permanentes 30) a la bobina del inductor del generador del retardador. Éste, gira solidario al eje, por tanto, el sistema electrónico se encarga de que el generador auxiliar mande una alimentación de excitación de máxima potencia, cuando el eje gire a bajas rpm. Y al contrario, cuando el eje gire a altas rpm, el sistema se encargará de limitar la alimentación de excitación de la bobina del inductor del generador del retardador, ya que éste al girar a altas rpm, necesita menos tensión de excitación.

Glosario de referencias numéricas

1. 1 Eje.

2. 2 Buje.

3. 3 Carcasas.

4. 4 Rodamientos.

5. 5 Tirantes.

6. 10 Retardador.

7. 11 Rotor central del retardador 10.

8. 12 Estator del retardador 10.

9. 13 Discos.

10. 14 Nervios.

11. 15 Electroimanes.

12. 21 Rotor del generador autoexcitado 20.

13. 22 Estator del generador (bien sea autoexcitado, de imanes permanentes o de excitación externa).

14. 26 Núcleo fijo duro (de remanencia alta).

15. 27 Devanado del núcleo 26

16. 28 Devanados (de estatores de generadores).

17. 31 Rotor del generador de imanes permanentes.

18. 40 Módulo regulador.

19. 50 Generador de excitación externa.

20. 51 Rotor del generador de excitación externa.

21. 56 Núcleo fijo blando (o de remanencia baja).

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Sistema retardador autónomo para un vehículo que comprende:

- un retardador (10) que comprende un rotor central (11) y dos estatores (12) a cada lado del rotor (11), dicho rotor (11) acoplado solidariamente con un eje (1),

- dos generadores mecánicamente acoplados con el retardador (10) configurados para suministrarle energía eléctrica, siendo un generador de imanes permanentes y siendo otro generador autoexcitado;

donde cada generador comprende a su vez un estator (22) y un rotor (21,31) que se acopla con el generador (20,30,50), donde cada estator (22) está acoplado solidariamente con un estator (12) del retardador (10); donde los estatores (22) de los generadores están ubicados externamente al estator (12) del retardador (10);

donde

el generador de imanes permanentes y el generador autoexcitado cooperan conjuntamente de forma que, el generador de imanes permanentes suministra energía eléctrica al retardador (10) cuando la velocidad de rotación del eje es inferior a un primer umbral y el generador de imanes autoexcitado suministra energía eléctrica al retardador (10) cuando la velocidad de rotación del eje es superior a un segundo umbral.

2. Sistema retardador autónomo según la reivindicación 1, donde el rotor central (11) es autoventilado.

3. Sistema retardador autónomo según la reivindicación 2, donde el rotor central (11) comprende dos discos (13) laterales y una pluralidad de nervios (14) espaciados uniendo dichos discos (13).

4. Sistema retardador autónomo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un módulo regulador de frenada (40) configurado para controlar la corriente de excitación del generador (20,30,50) en función de una señal de mando.

5. Sistema retardador autónomo según la reivindicación 4, donde el módulo regulador (40) comprende un rectificador y un estabilizador de tensión.

6. Sistema retardador autónomo según la reivindicación 4 o 5, que comprende además un sensor de temperatura para medir la temperatura del retardador (10) y comunicarla al módulo regulador (40) para disminuir la corriente del generador si dicha temperatura supera un umbral.

7. Vehículo que incorpora el sistema retardador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.