用於轉動應用的發電機組件的製作方法

2023-10-07 09:16:14

背景技術：

包括了轉動部和非轉動部的發電機組件是眾所周知的。於是作為非轉動部的定子通常被構造成使得其完全包圍(encompasses)作為轉動部的轉子。

一種類型的發電機組件是所謂的可變磁阻發電機，其中由永磁體提供能量(powered)並穿過線圈的磁路周期性地打開和閉合。作為振蕩磁場的結果而在線圈中感應出的交流(ac)電壓可以被用於產生能量或驅動其它設備。

在一些應用中，包圍轉子的定子的空間可能是有限的並僅能在一側獲得。例如在具有鞍座式懸架的列車轉向架中，也許可能的是在鞍座適配器上或鞍座適配器中布置附加結構，而布置在輪軸下方的結構可能出於安全原因和極端環境條件而被排除。

技術實現要素：

本發明尋求提供一種適用於在轉動部的不同徑向上的可用空間的數量或質量(anamountoraquality)不均勻的情況下使用的通用的發電機組件。

本發明涉及一種發電機組件，包括轉動部和非轉動部，特別涉及用於列車輪軸箱的發電機組件，其中轉動部被構造成安裝在端蓋上。

提出了：轉動部至少包括第一和第二在周向上布置的發電機單元。各發電機單元優選為模塊式並且包括至少一個線圈、至少一個永磁體和兩個極靴，這兩個極靴具有面向徑向外側的極面。非轉動部包括與所述極面有徑向間隙地布置的鐵磁材料的弧形鞍座適配器。鞍座適配器被構造成在鞍座適配器與發電機單元的極靴重疊的至少一個第一轉動位置處閉合經由極靴穿過線圈而傳遞的磁路，其中如果鞍座適配器不與極靴兩者重疊或者不與極靴兩者完全重疊，則磁路至少部分地打開。

上述構造基於可變磁阻發電機原理工作，其中周期性打開和閉合的磁路的振蕩磁場在各發電機單元的線圈中感應出振蕩電壓。該振蕩電壓可以用於在沒有外部電源的情況下根據需要驅動布置在轉動部上的電子器件設備。

在本發明的上下文中，弧形的表述意思是鞍座適配器不是在整個圓周上延伸而是僅在圓周的某一分數(fraction)上延伸，其中該分數與0°和360°兩者相差至少發電機單元的角度長度，即極面的中點或外邊緣之間的距離。

特別地，發電機單元的周向長度和鞍座適配器的周向長度使得存在鞍座適配器不與發電機單元的極靴重疊的至少一個第二轉動位置。在該構造中，磁路應至少部分地打開，並且磁通將顯著降低。因此，當轉動部從第二轉動位置轉動到第一轉動位置時，磁通從最小變化到最大，反之亦然。

如所提及的，發電機組件至少具有第一和第二發電機單元。如果需要，可以添加額外的單元以增大輸出功率。優選的是，發電機單元基本上彼此相同並且在周向上彼此相鄰地布置。

結果，在發電機單元之間存在磁通洩漏的風險，這可能會不利地影響隨著轉動部從第二轉動位置轉動到第一轉動位置而穿過發電機線圈的最大磁通與最小磁通之間的差值的大小，反之亦然。

根據本發明，通過以下緩解了該問題：相鄰的發電機單元的磁化方向被反向定向。換言之，相鄰的發電機單元的相鄰極靴具有相同的磁極性。

在進一步的發展中，通過以下進一步減小了磁通的洩漏：在至少第一和第二發電機單元的相鄰的極靴之間布置有附加永磁體。適當地，附加永磁體的磁化方向使得磁通與相鄰的極靴的磁通方向相同。附加永磁體將被稱為引導磁體，並且具有排斥雜散磁通的作用，以使得將磁通引導至鞍座適配器。

在更進一步的發展中，發電機組件包括至少一個分流磁體，其具有增大當發電機單元在第一轉動位置與第二轉動位置之間轉動時的最大值與最小值之間的淨磁通差的作用。該至少一個分流磁體布置在發電機單元中的至少一個附近，並且被構造成產生相對於由所述至少一個發電機單元產生的磁場反向定向的磁場。當至少一個發電機單元不在鞍座適配器下方時，即處於「打開的」第一轉動位置時，分流磁體減小了該至少一個發電機單元的淨磁通。磁通甚至可能變為負值。當發電機單元在鞍座適配器下方時，即處於「閉合的」第二轉動位置時，分流磁體也減小了淨磁通。然而，當單元處於閉合位置時的磁通減小相對較少，意味著得到了更大的最大磁通與最小磁通之間的差。這改善了發電機單元的功率輸出。

在本發明的優選實施方式中，轉動部被構造成安裝在被構造成保持列車輪軸的軸承的端蓋上，鞍座適配器被構造成安裝在列車轉向架側框架上。

如有必要，轉動部包括被構造成補償由至少兩個相鄰的發電機單元的布置產生的不平衡的至少一個配重單元。

配重單元自身可以包括發電機單元，該發電機單元具有至少一個線圈、至少一個永磁體和兩個極靴，這兩個極靴具有面向徑向外側的極面。例如，發電機組件的轉動部可以包括第一發電機設備，其具有兩個或更多個在周向上相鄰的發電機單元，並且包括第二發電機設備，其具有兩個或更多個在周向上相鄰的發電機單元，由此第二發電機設備被與第一發電機設備成角度間隔地布置，該間隔被選擇成使轉動部轉動平衡。

如將理解的，當確定配重單元的角度位置時，考慮轉動部的其它組成部件的質量(mass)和位置。

根據進一步的發展，提出了鞍座適配器包括主體部和至少一個附加件，該至少一個附加件被構造成增大鞍座適配器的表面積和/或減小設置在鞍座適配器與極靴之間的氣隙。在列車輪軸箱的情況下，主體可以集成在鞍座式列車轉向架懸架的鞍座或鞍座適配器中。

在一個示例中，所述至少一個附加件包括齒形的徑向內側面，使得在鞍座適配器與極靴之間設置有變化的徑向間隙。這具有增大磁通變化的優點。在另一示例中，鞍座適配器的徑向內側面直接設置有這種齒形輪廓。

本發明還提出，轉動部包括電力採集電子器件，其被配置成積聚由穿過線圈的振蕩磁場產生的交流(ac)電力。

此外，提出了轉動部包括被配置成由至少一個發電機單元產生的電力驅動的至少一個狀態監測傳感器和無線發射器。狀態監測傳感器可以是溫度傳感器、振動傳感器或用於監測關心的工作參數的其它類型的傳感器。

本發明還提出，轉動部包括用於監測來自至少一個發電機單元的輸出信號的裝置。適當地，監測所產生的電壓信號。信號本質上必然是周期的，因而可以被用於確定轉動部的轉速，在列車輪軸的情況下，確定行進的直線距離。

還可以監測信號振幅。振幅根據極靴與鞍座適配器的徑向內側面之間的徑向間隙和極靴與所述面之間的軸向重疊程度而變化。

在包括根據本發明的第一和第二發電機組件的列車輪軸的情況下，有利的是，分別在輪軸的第一端和第二端處，被監測的來自第一和第二組件的電壓信號可以被彼此進行比較。例如，如果兩個信號展現出類似的電壓變化，則這可以被用於檢測包括了輪軸的列車轉向架的側向運動。

本發明的另一方面涉及包括了根據本發明的發電機組件的列車轉向架。

本發明的上述實施方式以及所附權利要求和附圖以特定組合示出了本發明的多個表徵特徵。技術人員將能夠容易地想到這些特徵的進一步組合或子組合，以便使如權利要求中限定的本發明適應其具體需求。

附圖說明

圖1是配備有根據本發明的發電機組件的列車輪軸的端部的示意圖；

圖2a和圖2b是發電機組件的工作原理的示意圖；以及

圖3a是包括了兩個相鄰的發電機單元的發電機組件的示意圖，其中這兩個相鄰的發電機單元的磁場沿相同方向定向；

圖3b是包括了相鄰的發電機單元的根據本發明的發電機組件的示意圖，其中所述相鄰的發電機單元的磁場被反向定向。

圖3c是根據本發明的組件的另一實施方式的示意圖。

圖4a和圖4b是分別示出處於第一轉動位置和第二轉動位置的本發明的更進一步實施方式的發電機單元的示意圖。

具體實施方式

圖1是列車輪軸(trainaxle)的端部的示意圖，在圖中能夠看到被構造成將輪軸12安裝在列車轉向架的鞍座式適配器26中的雙列圓錐滾子軸承的外圈10a、10b。

端蓋14藉助於三個螺栓緊固於輪軸12的端面並在軸向上預緊軸承的分離式內圈(splitinnerring)。根據本發明的發電機組件(powergeneratorassembly)的轉動部16a設置在端蓋14的外緣上。端蓋14的外緣大致分成兩半。一個部分16c容納電子器件，而另一半包括多個發電機單元18a-18d。在示出的實施方式中設置有四個發電機單元18a-18d。

發電機組件包括轉動部16a和非轉動部16b。發電機單元18a-18d為模塊式並且在構造上基本相同。各發電機單元18a-18d均包括：一個線圈20，其布置在兩個永磁體22a、22b之間；以及第一極靴和第二極靴，其各自具有面向徑向外側的極面24a、24b。在所示的實施方式中，第一極靴和第二極靴由第一永磁體22a和第二永磁體22b形成，第一永磁體22a和第二永磁體22b被布置成使得第一極面24a具有第一極性、第二極面24b具有相反的極性。極靴還可以由單個磁體的相反極形成。

非轉動部16b包括鐵磁材料(特別是鐵)的弧形鞍座適配器26，其與極面24a、24b(之間)布置有徑向間隙。

鞍座適配器被構造成在鞍座適配器26與發電機單元18a-18d中的一個發電機單元的極靴22a、22b重疊的轉動位置處閉合經由極靴22a、22b穿過線圈而傳遞(passing)的磁路，其中如果鞍座適配器26不與極靴22a、22b兩者重疊或不與極靴22a、22b兩者完全重疊，則磁路至少部分地打開。

當輪軸轉動時，鞍座適配器26周期性地經過發電機單元18a，使得磁通(magneticflux)將周期性地變化。周期性地打開和閉合的磁路的振蕩磁場在發電機單元的線圈中感應出振蕩電壓。然後，該振蕩電壓可以用於在沒有外部電源的情況下根據需要驅動布置在組件的電子器件部分16c中的電子器件設備。

第一發電機單元18a的周向長度和鞍座適配器26的周向長度使得存在有鞍座適配器26不與第一發電機單元的極靴22a、22b重疊的至少一個轉動位置。特別地，鞍座適配器26的周向長度是發電機單元18a-18d的周向長度和節距(pitch)的倍數，使得發電機單元18a-18d在第一轉動位置閉合併在第二轉動位置打開。

工作原理如圖2a和圖2b所示，在圖2a和圖2b中為了簡便起見，示出了沒有曲率的鞍座適配器26和第一發電機單元18a。圖2a示出了鞍座適配器26未與發電機單元的極靴22a、22b重疊的情況。主要地，磁通從各永磁體22a、22b的n極傳遞到s極，如由第二極靴22b處的虛線磁場線所示。還可以有在兩個磁體22a、22b之間傳遞(passing)並穿過線圈的弱磁通，如由在發電機單元18a的極面24a、24b之間延伸的虛線所示。

在存在鐵磁材料的情況下，即當鞍座適配器26與發電機單元18a的極靴22a、22b重疊時，磁通的大部分被引導通過鞍座適配器26，如圖2b中的虛線所示，形成了使強磁通穿過線圈的磁路。圖2b中的箭頭34示出了所產生的磁路的原理的方向。相關聯的磁場將被稱為發電機場(generatorfield)。

當兩個或更多個發電機彼此挨著布置時，在相鄰的(發電機)單元之間存在磁通洩漏的風險。考慮圖3a所示的狀況，在圖3a中，示意性地示出了第一發電機單元18a和第二發電機單元18b』。再一次，發電機單元的極靴由永磁體形成。第一發電機單元18a的第二極靴22b與相鄰的第二發電機單元的第一極靴22a』具有相反的磁極性。虛線磁場線表示在兩個單元18a與18b』之間產生的磁通。該磁通表示洩漏，並將在單元處於「打開的」第一轉動位置和處於「閉合的」第二轉動位置時產生。結果，穿過各發電機單元的線圈20的磁通將更少，磁通變化將更小，導致較低的發電量。

在根據本發明的組件中，如圖3b所示，相鄰單元之間的磁通洩漏減小。這裡，第一發電機單元18a的第二極靴22b與相鄰的第二發電機單元18b的第一極靴22a具有相同的磁極性。結果，避免了在相鄰的單元之間產生磁路。在各永磁體的n極與s極之間仍然會產生一些磁通，這表示各發電機單元18a、18b內的磁通洩漏。

在本發明的優選實施方式中，發電(機)組件包括布置在至少一組相鄰的發電(機)單元18a、18b的相鄰極靴22b、22a之間的引導磁體。引導磁體28的作用在圖3c中示出，在圖3c中第一單元18a和第二單元18b被示出處於以下狀況：第一單元18a和第二單元18b這兩者均位於鞍座適配器26的下方。引導磁體28被沿與第一發電機單元和第二發電機單元的相鄰極靴相同的方向磁化。結果，「雜散(stray)」磁通被引導通過鞍座適配器並穿過各單元的線圈20，以增強各發電機的期望的磁路和發電機場。優選的是，在各組相鄰的發電機單元之間均布置有引導磁體28，如圖1所示。

在本發明的更進一步發展中，至少一個發電機單元包括分流磁體(shuntmagnet)，分流磁體具有提高單元的功率效率的作用。這將參照圖2a、圖2b、圖4a和圖4b進行解釋。

發電機單元18a的功率輸出取決於當該單元在第一轉動位置與第二轉動位置之間轉動時磁通變化的大小(magnitude)。在第一轉動位置，如圖2a所示，弱磁通φ1在極靴22a、22b之間傳遞並穿過線圈20。如圖2b所示，在第二轉動位置，強得多的磁通φ2在極靴22a、22b之間傳遞並穿過線圈20。這導致了第一磁通變化δφ1，其中δφ1＝φ2–φ1。

在圖4a和圖4b所示的實施方式中，發電機單元包括分別布置在第一極靴22a和第二極靴22b的徑向內側且布置在端蓋14的徑向外側的第一分流磁體30a和第二分流磁體30b。除了分流磁體以外，圖4a和圖4b的單元與圖2a和圖2b的單元相同。分流磁體30a、30b和由鐵磁材料製成的端蓋14產生磁路，由此相關聯的穿過線圈的磁通將被稱為分流磁通，並在圖4a中由箭頭32表示。由箭頭33所示的、在極靴22a、22b之間傳遞並穿過線圈20的磁通將被稱為發電機磁通。分流磁通與發電機磁通反向地定向，並且在打開的第一位置(如圖4a所示)比發電機磁通強。因此，與圖2a所示的構造的磁通φ1相比，淨磁通φ3相對較弱，並且甚至可能是負的。

在圖4b所示的閉合位置，由箭頭34表示的發電機磁通顯著強於打開位置(的發電機磁通)。反向定向的分流磁通與發電機磁通相互作用，使得淨磁通φ4穿過線圈20。淨磁通φ4小於在圖2b的構造中產生的初始磁通φ2；然而，與在打開位置的減少相比，該減少相對較小。特別是當初始磁通φ2將導致飽和時，尤其如此。結果，由φ4-φ3給出的、作為結果的磁通變化δφ2大於沒有分流磁體的構造的磁通變化δφ1，導致了改善的功率輸出。

本發明的其它實施方式包括以下情況：轉動部包括被構造成補償由發電機單元18a-18d的布置(arrangement)產生的不平衡的至少一個配重單元。此外，鞍座適配器26可以包括主體部和至少一個附加件，該至少一個附加件被構造成增大鞍座適配器26的表面積和/或減小設置在鞍座適配器26與極靴22a、22b之間的氣隙。

轉動部16a的電子器件部分16c包括：電力採集電子器件(powerharvestingelectronics)，其被配置為積聚(accumulate)由穿過線圈的振蕩磁場產生的交流電力；和至少一個狀態監測傳感器，諸如用於測量軸承和/或輪軸的工作參數的溫度傳感器、聲發射傳感器或振動傳感器。此外，電子器件部分包括無線發射器，該無線發射器被配置成由發電機單元18a-18d產生的電力驅動。