RU2782731C1

RU2782731C1 - Traction drive of a rail vehicle

Info

Publication number: RU2782731C1
Application number: RU2022100171A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Воробьев; Сергей Николаевич Злобин; Олег Васильевич Измеров; Олег Васильевич Дорофеев; Александр Анатольевич Пугачев; Евгений Викторович Николаев
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-11-01

Abstract

FIELD: railway engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electric transmission systems for rail vehicles. The traction drive of a rail vehicle contains a wheel placed on the wheel axis by means of a rotating support made in the form of bearings, and an electric motor, the stator of which is fixed on the wheel axis. In this case, the rotor of the electric motor is the wheel itself with end teeth made on it. The stator is made in the form of a disk with end phase windings and a magnetization winding. The magnetization winding is connected to the current source through a current regulator connected to a subordinate control system containing an adder, two inputs of which are connected to the outputs of the setpoint unit and the traction force sensor, and the output of the adder is connected to the input of the current regulator.

EFFECT: increase in the traction properties of a rail vehicle.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесной паре.The invention relates to rail vehicles, namely to devices for transmitting torque from a traction motor to a wheelset.

Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо, размещенное на раме тележки посредством подшипниковой опоры, электродвигатель, размещенный внутри колеса, и планетарную зубчатую передачу (Ходовые части трамвайных вагонов: учеб. справочник / Н.С. Бачурин, А.А. Красниченко, Д.Ю. Шавырин. - Екатеринбург: УрГУПС, 2011. - С. 32-33, рис. 20). Такой тяговый привод применен на трамвае Cityrunner фирмы Bombardier.A traction drive of a tram is known, containing a wheel placed on the bogie frame by means of a bearing support, an electric motor placed inside the wheel, and a planetary gear train (Tram car running gear: textbook / N.S. Bachurin, A.A. Krasnichenko, D. Y. Shavyrin. - Ekaterinburg: UrGUPS, 2011. - S. 32-33, Fig. 20). Such a traction drive is used on the Bombardier Cityrunner tram.

Недостатком указанного тягового привода является возможность ухудшения сцепления колеса с рельсом вследствие попадания на рельс смазочного масла, что приводит к недоиспользованию мощности тягового электродвигателя вследствие ограничения усилия тяги.The disadvantage of this traction drive is the possibility of deterioration of the adhesion of the wheel to the rail due to the ingress of lubricating oil on the rail, which leads to underutilization of the power of the traction motor due to the limitation of the traction force.

Известен тяговый привод трамвая, содержащий колесо и электродвигатель с внешним ротором, статор которого размещен на оси тележки, а колесо - на внешнем роторе электродвигателя (Две базовые концепции высокоскоростных электропоездов и их сравнительная технико-экономическая оценка / И.В. Гурлов, А.П. Епифанов, М.В. Жилин, А.-Я.Ю. Пармас, В.М. Пивоваров. // Известия Петербургского университета путей сообщения, 2009. - №1. - С. 14, рис. 7).A tram traction drive is known, containing a wheel and an electric motor with an external rotor, the stator of which is placed on the axis of the bogie, and the wheel is placed on the external rotor of the electric motor (Two basic concepts of high-speed electric trains and their comparative feasibility study / I.V. Gurlov, A.P. Epifanov, M. V. Zhilin, A.-Ya.Yu. Parmas, V. M. Pivovarov // Proceedings of the Petersburg University of Communications, 2009. - No. 1. - P. 14, Fig. 7).

Недостаток указанного тягового привода, примененного в трамвае Variobahn фирмы Bombardier, тот же, что указан выше, поскольку его конструкция не содержит элементов, дополнительно влияющих на сцепление колеса с рельсом.The disadvantage of this traction drive, used in the Bombardier Variobahn tram, is the same as indicated above, since its design does not contain elements that additionally affect the adhesion of the wheel to the rail.

В качестве прототипа выбран тяговый привод экспериментальной тележки для железных дорог Японии, содержащий колесо, размещенное на неподвижной оси с помощью вращающейся опоры, и синхронный электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, а ротор связан с колесом (Energy Saving Technologies for Railway Traction Motors / Koichi Matsuoka, Minoru Kondo // IEEJ Trans 2010. - №5. - P. 282-283, Fig 15).As a prototype, a traction drive of an experimental bogie for the Japanese railways was chosen, containing a wheel placed on a fixed axle by means of a rotating support, and a synchronous electric motor, the stator of which is fixed on the wheel axle, and the rotor is connected to the wheel (Energy Saving Technologies for Railway Traction Motors / Koichi Matsuoka, Minoru Kondo // IEEJ Trans 2010. - No. 5. - P. 282-283, Fig 15).

Недостаток прототипа тот же, что и у приводов, указанных выше, поскольку синхронный электродвигатель выполнен в виде машины с цилиндрическим ротором и радиальным магнитным потоком, вследствие чего магнитный поток полностью замыкается внутри самой машины, не проходя через колесо и не воздействуя на место контакта колеса и рельса. Вследствие этого, при работе тягового привода не возникает явлений, дополнительно влияющих на коэффициент сцепления колеса с рельсом.The disadvantage of the prototype is the same as that of the drives mentioned above, since the synchronous motor is made in the form of a machine with a cylindrical rotor and radial magnetic flux, as a result of which the magnetic flux is completely closed inside the machine itself, without passing through the wheel and without affecting the contact point of the wheel and rail. As a result, during the operation of the traction drive, there are no phenomena that additionally affect the coefficient of adhesion of the wheel to the rail.

Известно, что коэффициент сцепления колеса с рельсом может быть увеличен путем воздействия на место контакта колеса и рельса магнитного поля (Моделирование сцепления колеса с рельсом / В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - С. 95-101), что, в частности, объясняется возникновением магнитопластического эффекта. По данным исследований (Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005. - С. 136, таблица 5.1), воздействие магнитного поля на пару трения «сталь по стали» при величине индукции В=0,45 Тл приводило к росту коэффициента сцепления с 0,222 до 0,487 при сухих поверхностях, и с 0,2 до 0,571 при наличии смазки. Большее значение коэффициента трения при движении ферромагнитных металлов относительно друг друга в присутствии смазочного материала по сравнению с немагнитными объясняется (Делюсто Л.Г. Основы прокатки металлов в постоянных магнитных полях. - М: Машиностроение, 2005. - С. 137) наличием дополнительного сцепления их поверхностей за счет присутствия между ними ферромагнитной жидкости - жидкого смазочного материала, содержащего ферромагнитные частицы металлической пыли. Магнитная проницаемость зазора между поверхностями металлов увеличивается в 1,5-2 раза.It is known that the wheel-rail adhesion coefficient can be increased by exposing the wheel-rail contact to a magnetic field (Modeling wheel-rail adhesion / V.P. Tikhomirov, V.I. Vorobyov, D.V. Vorobyov, G.V. Bagrov, M. I. Borzenkov, I. A. Butrin - Orel: OrelGTU, 2007. - P. 95-101), which, in particular, is explained by the appearance of the magnetoplastic effect. According to research data (Delyusto L.G. Fundamentals of rolling metals in constant magnetic fields. - M: Mashinostroenie, 2005. - P. 136, table 5.1), the effect of a magnetic field on a friction pair "steel on steel" with an induction value of B = 0 .45 T led to an increase in the coefficient of adhesion from 0.222 to 0.487 with dry surfaces, and from 0.2 to 0.571 with lubrication. The greater value of the coefficient of friction during the movement of ferromagnetic metals relative to each other in the presence of a lubricant in comparison with non-magnetic ones is explained (Delyusto L.G. Fundamentals of rolling metals in constant magnetic fields. - M: Mashinostroenie, 2005. - P. 137) by the presence of additional adhesion of them surfaces due to the presence of a ferromagnetic fluid between them - a liquid lubricant containing ferromagnetic particles of metal dust. The magnetic permeability of the gap between metal surfaces increases by 1.5-2 times.

Известны синхронные (вентильные) электродвигатели с аксиальным направлением магнитного потока, в которых статор и/или ротор выполнены в виде диска (Андреев Ю.М., Исаакян К.Г., Машихин А.Д. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе / под ред. А.П. Пролыгина. - М.: Энергия, 1979. - С. 229, рис. 7-9).Known synchronous (valve) electric motors with an axial direction of the magnetic flux, in which the stator and / or rotor is made in the form of a disk (Andreev Yu. A.P. Prolygina, M.: Energiya, 1979, p. 229, Fig. 7-9).

Известно, что поверхности колеса и рельса при движении железнодорожного экипажа изнашиваются с образованием продуктов износа в виде ферромагнитной пыли.It is known that the surfaces of the wheel and rail during the movement of the railway vehicle wear out with the formation of wear products in the form of ferromagnetic dust.

Техническая проблема состоит в повышении производительности рельсового транспортного средства путем улучшения его тяговых свойств по условию сцепления колеса с рельсом.The technical problem is to increase the performance of a rail vehicle by improving its traction properties in terms of wheel-rail adhesion.

Техническая проблема достигается тем, что в тяговом приводе рельсового транспортного средства, содержащего колесо, размещенное на оси колеса с помощью вращающейся опоры, выполненной в виде подшипников, и электродвигатель, статор которого закреплен на оси колеса, причем ротором электродвигателя является само колесо с выполненными на нем торцевыми зубцами, статор выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками и обмоткой подмагничивания, подключенной к источнику тока через регулятор тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор, два входа которого подключены к выходам блока уставки и датчика тягового усилия, а выход сумматора связан со входом регулятора тока.The technical problem is achieved by the fact that in the traction drive of a rail vehicle, containing a wheel placed on the wheel axis by means of a rotating support made in the form of bearings, and an electric motor, the stator of which is fixed on the wheel axis, and the rotor of the electric motor is the wheel itself with end teeth, the stator is made in the form of a disk with end phase windings and a bias winding connected to the current source through a current regulator connected to a slave control system containing an adder, two inputs of which are connected to the outputs of the setting unit and the traction force sensor, and the output of the adder is connected with current regulator input.

Технический результат заключается в исключении скольжения колеса по рельсу, улучшении тем самым тяговых свойств рельсового транспортного средства и его производительности.The technical result consists in preventing the wheel from sliding along the rail, thereby improving the traction properties of the rail vehicle and its performance.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана схема тягового привода рельсового транспортного средства.The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the traction drive of a rail vehicle.

Тяговый привод рельсового транспортного средства содержит колесо 1, размещенное на неподвижной оси 2 с помощью вращающейся опоры в виде подшипников 3, и электродвигатель, статор 4 которого закреплен на оси 2 колеса 1. При этом ротором электродвигателя служит само колесо 1, для чего на нем выполнены торцевые зубцы 5, статор 4 выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками 6 и обмоткой 7 подмагничивания, которая подключена к источнику 8 тока через регулятор 9 тока, связанный с подчиненной системой регулирования, содержащей сумматор 10, два входа которого подключены к выходам блока 11 уставки и датчика 12 тягового усилия, а выход сумматора 10 связан со входом регулятора 9 тока. На основании 13 размещен рельс 14.The traction drive of a rail vehicle comprises a wheel 1 placed on a fixed axle 2 by means of a rotating support in the form of bearings 3, and an electric motor, the stator 4 of which is fixed on the axle 2 of the wheel 1. In this case, the wheel 1 itself serves as the rotor of the electric motor, for which end teeth 5, stator 4 is made in the form of a disk with end phase windings 6 and a bias winding 7, which is connected to a current source 8 through a current regulator 9 connected to a slave control system containing an adder 10, two inputs of which are connected to the outputs of the setting unit 11 and traction sensor 12, and the output of the adder 10 is connected to the input of the current controller 9. Rail 14 is placed on base 13.

Тяговый привод работает следующим образом.Traction drive works as follows.

Колесо 1 устанавливают на рельс 14. При движении в режиме выбега колесо 1 свободно катится по рельсу 14, вращаясь на подшипниках 3, расположенных на неподвижной оси 2. При движении в режиме тяги на торцевые фазные обмотки 6 подаются однополярные импульсы напряжения прямоугольной формы от преобразователя напряжения (на рисунке не показан) в соответствии с угловым положением колеса 1, При этом статор 4, вследствие того, что он выполнен в виде диска с торцевыми фазными обмотками 6, создает в осевом направлении магнитный поток, часть которого, вследствие того, что зубцы 5 расположены на колесе 1, проходит через контакт колеса 1 с рельсом 14. Поскольку ось 2, на которой расположен статор 4 электродвигателя, не вращается, то магнитное поле, создаваемое обмотками статора, вращаясь относительно зубцов 5 колеса 1, практически не меняет своего положения относительно оси 2, через контакт колеса 1 с рельсом 14 проходит магнитный поток, близкий к постоянному по направлению, что приводит к увеличению коэффициента сцепления колеса 1 с рельсом 14. В случае присутствия на поверхности колеса 1 или рельса 14 смазочного масла, в масло поступают продукты износа в виде ферромагнитной пыли, которые всегда присутствуют на пути. Продукты износа вместе с попавшим на рельсы 14 смазочным маслом образуют ферромагнитную жидкость. Взаимодействие магнитного поля с ферромагнитной жидкостью в точке контакта колеса 1 с рельсом 14 приводит к тому, что величина коэффициента сцепления колеса 1 с рельсом 14 не уменьшается, что предотвращает возникновение буксования колеса 1. При этом на сумматор 10 поступает сигнал датчика 12 тягового усилия, пропорциональный тяговому усилию, развиваемому осью 2, и сигнал блока 11 уставки, пропорциональный силе тяги колеса 1, требуемой для данного режима движения и задаваемой системой управления рельсового транспортного средства. Если сигнал датчика 12 тягового усилия больше или равен сигналу блока 11 уставки, на выходе сумматора 10 нет сигнала, регулятор 9 тока закрыт и ток от источника 8 тока не проходит через обмотку 7 подмагничивания.Wheel 1 is mounted on rail 14. When driving in the coast mode, wheel 1 rolls freely along rail 14, rotating on bearings 3 located on a fixed axle 2. When moving in traction mode, unipolar rectangular voltage pulses from a voltage converter are fed to the end phase windings 6 (not shown in the figure) in accordance with the angular position of the wheel 1. At the same time, the stator 4, due to the fact that it is made in the form of a disk with end phase windings 6, creates a magnetic flux in the axial direction, part of which, due to the fact that the teeth 5 located on the wheel 1, passes through the contact of the wheel 1 with the rail 14. Since the axis 2, on which the stator 4 of the electric motor is located, does not rotate, the magnetic field created by the stator windings, rotating relative to the teeth 5 of the wheel 1, practically does not change its position relative to the axis 2, through the contact of the wheel 1 with the rail 14 passes a magnetic flux close to constant in direction, which leads to an increase u coefficient of adhesion of wheel 1 to rail 14. In the presence of lubricating oil on the surface of wheel 1 or rail 14, wear products in the form of ferromagnetic dust, which are always present on the way, enter the oil. The wear products, together with the lubricating oil that has fallen on the rails 14, form a ferromagnetic fluid. The interaction of the magnetic field with the ferromagnetic fluid at the point of contact of the wheel 1 with the rail 14 leads to the fact that the value of the adhesion coefficient of the wheel 1 with the rail 14 does not decrease, which prevents the wheel 1 from slipping. traction force developed by the axle 2, and a setpoint signal 11 proportional to the traction force of the wheel 1 required for a given mode of motion and set by the control system of the rail vehicle. If the signal of the traction force sensor 12 is greater than or equal to the signal of the setting block 11, there is no signal at the output of the adder 10, the current regulator 9 is closed and the current from the current source 8 does not pass through the bias winding 7.

В случаях, когда необходимо развивать предельную силу тяги (при трогании состава с места или на руководящем подъеме), коэффициент сцепления колеса 1 с рельсом 14 может оказаться недостаточным для реализации силы тяги и приводить к проскальзыванию колеса 1 по рельсу 14. Проскальзывание колеса 1 по рельсу 14 вызывает снижение реализуемой силы тяги по сравнению с заданной, вследствие чего сигнал датчика 12 тягового усилия становится меньше сигнала блока 11 уставки, в результате чего на выходе сумматора 10 появляется сигнал, пропорциональный разности сигнала блока 11 уставки и сигнала датчика 12 тягового усилия, сигнал с выхода сумматора 10 поступает на регулятор 9 тока, который открывается, и от источника 8 тока через обмотку 7 подмагничивания проходит ток, пропорциональный сигналу с выхода сумматора 10, при этом обмотка 7 подмагничивания создает дополнительный магнитный поток, который, складываясь с магнитным потоком, создаваемым торцевыми фазными обмотками 6, увеличивает его, что приводит к увеличению магнитного потока, проходящего через контакт колеса 1 с рельсом 14, увеличению коэффициента сцепления колеса 1 и рельса 14 и прекращению проскальзывания.In cases where it is necessary to develop the ultimate traction force (when starting the train from a standstill or on a guiding ascent), the coefficient of adhesion of wheel 1 to rail 14 may be insufficient to implement the traction force and lead to slippage of wheel 1 along rail 14. Slippage of wheel 1 along the rail 14 causes a decrease in the implemented traction force compared to the specified one, as a result of which the signal of the traction force sensor 12 becomes less than the signal of the setpoint block 11, as a result of which a signal appears at the output of the adder 10, proportional to the difference between the signal of the setpoint block 11 and the signal of the traction force sensor 12, signal c the output of the adder 10 is supplied to the current regulator 9, which opens, and from the current source 8 through the bias winding 7 passes a current proportional to the signal from the output of the adder 10, while the bias winding 7 creates an additional magnetic flux, which, adding up with the magnetic flux generated by the end phase windings 6, increases it that the drive and thus to increase the magnetic flux passing through the contact of the wheel 1 with the rail 14, increase the friction coefficient of the wheel 1 and the rail 14 and stop slippage.

Claims

A traction drive of a rail vehicle, comprising a wheel placed on the wheel axis by means of a rotating support made in the form of bearings, and an electric motor, the stator of which is fixed on the wheel axis, characterized in that the rotor of the electric motor is the wheel itself with end teeth made on it, the stator made in the form of a disk with end phase windings and a bias winding connected to a current source through a current regulator connected to a slave control system containing an adder, two inputs of which are connected to the outputs of the setting unit and the traction force sensor, and the output of the adder is connected to the input of the current regulator .