DESCRIPCIÓN

30 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 electromagnéticos que emplean como principio las corrientes de Foucault.

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 de un mantenimiento constante. Además por otro lado, su nivel de ruido y de vibraciones son considerables, afectando seriamente a las ruedas y heles por deformación de los mismos.

Los retardadores electromagnéticos, al no friccionar, son silenciosos y respetuosos con el medio ambiente, al no emitir partículas. Su funcionamiento está basado la variación de resistencia mecánica que ofrecen unos rotores al girar dentro de un campo magnético. El campo magnético es creado por unos electroimanes de configuración muy definida. Los retardadores electromagnéticos están generalmente constituidos por un estator central, donde van fijados los electroimanes y dos rotores laterales, uno a cada lado del estator central. Los retardadores electromagnéticos phmordialmente se instalan en vehículos industriales, y cuando los rotores del retardador giran y se aplica corriente eléctrica a las bobinas que constituyen los electroimanes, se originan en los rotores unas corrientes inducidas de Foucault, que crean un par de fuerzas de sentido contrario al giro de los rotores.

Los rotores, en estas aplicaciones, están conformados para refrigerar en un solo sentido de giro. Los retardadores electromagnéticos, necesitan una cantidad importante de energía eléctrica para su funcionamiento, siendo su fuente de alimentación las baterías que van en el vehículo donde va instalado el retardador.

Esta configuración del retardador lo hace impracticable en transporte ferroviario, ya que habría que recurrir a grandes dimensiones para obtener el par de frenado óptimo y la alimentación del sistema sería prácticamente imposible.

Existen unos frenos electromagnéticos que se aplican en ferrocarril como frenos de emergencia, que consisten en dos largueros donde van instalados unos electroimanes, este conjunto cuelga del bogie y disponen de un mecanismo que permite que los electroimanes desciendan hasta rozar. Para frenar el bogie, se envía una corriente considerablemente elevada a las bobinas de los electroimanes. Al estar el bogie en movimiento, se induce unas corrientes de Foucault en los heles, creando una fuerza contraria al movimiento.

Por todo ello y ante la demanda existente de una tecnología de frenado alternativo o complementaria a la existente, y que además cumpla necesariamente con todas las normativas medioambientales como son entre otras: emisión de partículas, ruidos, vibraciones, ahorro energético y generación de energía, se crea esta solución para el freno ferroviario con carácter autónomo.

Breve descripción de la invención

A la luz del estado de la técnica, sería deseable un sistema de frenado electromagnético para un vehículo que afronte los problemas y limitaciones existentes.

Es un objeto de la invención un sistema de frenado electromagnético con las características de la reivindicación independiente. Es otro objeto de la invención un vehículo que incorpora dicho sistema de frenado electromagnético.

El sistema de frenado electromagnético es especialmente aplicable como freno de servicio a partir de una velocidad de 30 Km/h y se puede montar en una amplia gama de vehículos ferroviarios (de transporte de mercancías o de personas, incluyendo el metropolitano), con distintas capacidades de carga y velocidades. Es escaladle y modular.

Puede incorporar uno o dos generadores para ser autónomo, e incluso para generar energía almacenadle en daterías. El generador puede ser de flujo radial (simplemente denominado generador aquí) o de flujo axial.

Su aplicación permite reducir sensidlemente el conjunto de la instalación de aire comprimido necesaria para actuar los frenos de fricción, es decir, motor, compresor, refrigerador, depósitos, etc.

A continuación, se exponen características interesantes de algunas realizaciones de la invención que no deden considerarse necesariamente imprescindidles en otras.

Ventajosamente, el sistema de frenado electromagnético desarrollado cuenta con un nuevo retardador compuesto de dos estatores y tres rotores, puede ser completamente autónomo al integrar un generador que suministra la energía eléctrica al retardador. Tamdién se puede preparar el generador (o generadores) para que aparte de suministrar energía eléctrica al retardador, pueda proporcionar energía eléctrica a daterías como acumuladores de reserva para aplicar en otras necesidades.

Ventajosamente, con la configuración de dos estatores y tres rotores permite optimizar el par de frenado respecto al peso, y neutralizar adecuadamente las fuerzas axiales creadas por el flujo magnético. Esta configuración tamdién permite reducir y simplificar consideradlemente el conjunto de rodadura. Por ejemplo, admite el montaje de rodamientos de dolas en vez de rodamientos cónicos permitiendo ajustes más precisos y eliminar prácticamente el efecto choque por las trepidaciones entre rueda y riel.

Ventajosamente, se puede recurrir a rotores de diámetros más reducidos, concepto clave para trenes con velocidades superiores a 120 km/h. Usar rotores más pequeños para disminuir el factor de inercia. Ventajosamente, este sistema de frenado electromagnético con el retardador de nuevo diseño es muy versátil y autónomo. Puede ser instalado en toda la gama de ejes ferroviarios con distintas capacidades de carga y velocidades. Ventajosamente, los componentes del sistema de frenado electromagnético se montan sobre un buje, formando un conjunto integral, compacto y de reducido peso. El sistema de frenado puede ser instalado en el eje ferroviario con un ajuste a presión (calado).

Preferiblemente, el rotor central del retardador es de fundición de un material muy específico y, lo forman dos discos que están unidos por unos nervios de sección circular. Entre ambos discos hay provistas unas aperturas laterales que facilitan la ventilación. La circulación de aire se realiza a través del espacio libre que existe entre las bobinas del retardador.

Preferiblemente, los rotores laterales del retardador están conformados en su cara externa por una nervadura trapecial circular concéntrica, que aparte de refuerzo, también facilita la ventilación.

Para evitar la deformación axial y mantener los entrehierros inalterables, tanto el rotor central como los rotores laterales del retardador son rígidos. Preferentemente, los estatores del retardador se componen de una carcasa de fundición de acero inoxidable amagnético con unos alojamientos para fijar los electroimanes (polos).

Ventajosamente, los estatores son operativos en ambas caras y consiguen un flujo magnético simétrico que está optimizado, evita la dispersión de flujo y cumplen con la normativa de compatibilidad electromagnética.

El generador del sistema de frenado electromagnético es de nuevo diseño y comprende a su vez un estator y un rotor. Preferiblemente, el estator del generador está constituido por una armadura formada por un conjunto de láminas de acero magnético ensambladas en forma de corona circular, con dichas láminas aisladas eléctricamente entre sí. En el perímetro interior de las láminas, se encuentran practicadas unas ranuras donde se alojan las bobinas inducidas. Exte norm ente, van dispuestas otras ranuras para su acoplamiento y ensamblaje en la carcasa, y con una tapa externa se cierra el conjunto. Preferiblemente, el inducido lo forman tres bobinas conectadas entre sí, y a su vez, están aisladas eléctricamente de la carcasa. Las bobinas se encuentran uniformemente repartidas en toda la periferia. La carcasa con su respectiva tapa, están realizadas en fundición de aluminio, con aperturas y aletas para facilitar su refrigeración. Preferiblemente, el rotor es un conjunto robusto y equilibrado dinámicamente, constituido por fundición de aluminio o acero inoxidable amagnético. Los ¡manes permanentes que forman las masas polares son ensamblados en la superficie de la periferia del rotor, equidistantes y con los polos magnéticamente alternados.

La misión del generador es suministrar energía eléctrica al retardador. También se puede configurar para la carga de baterías auxiliares.

Todo ello se realiza con una línea de control, que engloba los componentes eléctricos y electrónicos, que se encargan de activar o desactivar la alimentación del retardador o baterías secuencialmente.

Al ser trifásico, genera corriente alterna, no obstante, el sistema eléctrico de las unidades en las cuales van a montar el retardador y el propio retardador, requieren corriente continua, y mantener el valor de la tensión estable y constante, independientemente de las revoluciones y de la carga a la que está sometida.

Por todo ello, la tensión alterna trifásica creada en los devanados estatóricos tiene que ser rectificada y regulada por un dispositivo regulador mediante técnicas conocidas.

Por ejemplo, la corriente alterna trifásica generada en el inducido, pasa a una placa de puente de diodos, donde la corriente es rectificada, para pasar a ser continua.

Para aprovechar tanto las semiondas positivas como las negativas de cada fase, es decir, rectificación doble o de onda completa, se colocan dos diodos por cada fase, uno el lado positivo y otro en el negativo, por lo tanto, son necesarios seis diodos de potencia.

La corriente de salida rectificada no se corresponde a una corriente continua ideal, por ser de tipo pulsatoria.

La ondulación de la corriente trifásica pulsatoria se reduce aún más al incorporar un circuito de filtrado de rizado, con el fin de reducir las variaciones de amplitud de la corriente y conseguir que sea lo más constante posible en la carga a alimentar. La regulación de tensión se consigue mediante un control, consistente en un circuito electrónico compuesto de componentes activos, tales como tiristores, transistores, diodos, etc. y componentes pasivos como condensadores, resistencias, etc. Esta regulación puede estar monitorizada y controlada a su vez por un microprocesador o microcontrolador adecuado.

Breve descripción de las figuras

Figura 1A realización del sistema que comprende el retardador con un generador acoplado, donde el sistema está montado sobre un eje ferroviario y donde se aprecia el flujo de aire para la ventilación y los brazos de fijación del estator del generador al estator del retardador.

FIG. 1B vista de la realización de la FIG. 1A, donde se aprecian los tirantes de ajuste axial de los estatores del retardador.

FIG. 1C realización del sistema que comprende el retardador con un generador acoplado.

FIG. 1 D despiece de una realización del sistema que comprende el retardador con un generador acoplado.

FIG. 1E vista de una realización del sistema que comprende el retardador con tirantes extensibles para fijar los estatores del retardador a bogie o chasis del vehículo o vagón para evitar su giro.

FIG. 2A vista en sección de una realización del sistema que ¡lustra las partes fijas del retardador con un generador donde se aprecian los dos estatores del retardador y el estator del generador.

FIG. 2B vista en sección de una realización del sistema que ¡lustra las partes móviles del retardador con generador único donde se aprecian los tres rotores del retardador y el rotor del generador. FIG. 3A instalación de una realización del sistema que comprende el retardador con generador único en un eje ferroviario que monta un disco de freno por fricción.

FIG. 3B instalación de una realización del sistema que comprende el retardador con generador único con un eje ferroviario que monta dos discos de freno por fricción.

FIG. 3C instalación de una realización del sistema que comprende el retardador con doble generador en un eje ferroviario que monta dos discos de freno por fricción.

FIG. 3D instalación de una realización del sistema que comprende el retardador con doble generador en un eje ferroviario que monta un disco de freno por fricción.

FIG. 4 instalación de dos realizaciones del sistema de uno y de dos generadores, en un eje diferente de un bogie ferroviario, apreciándose los tirantes que fijan los estatores de cada retardador al bogie para evitar que gire y asimismo se observa el sistema de frenos por fricción con un disco.

Descripción detallada de la invención

Con ayuda de las figuras anteriores, se describen diversos aspectos de realizaciones de la invención sin carácter limitativo para su mejor comprensión.

Para mayor claridad, se presenta a continuación un listado con aquellas referencias numéricas empleadas en las figuras y el elemento al que cada una se refiere:

1 Eje de rotación ferroviario.

2 Buje sobre el que se montan todos los componentes del retardador.

3 Brida solidaria al buje a través de un estriado y una tuerca de fijación.

4 Rodamientos.

5 Tuerca de fijación de la brida.

6 Tornillo con tuerca para la fijación del rotor lateral a la brida.

10 Retardador.

11 Rotor central del retardador. 12 Estator del retardador.

13 Rotor lateral del retardador.

15 Discos del rotor central.

16 Ventana de ventilación del estator.

17 Nervio del rotor central.

18 Electroimán, compuesto de núcleo y bobina.

19 Tirante de ajuste axial de estatores.

21 Brazo de unión del estator del generador al estator del retardador.

24 Bobinas del estator del generador.

25 Tuerca de bloqueo exterior y ajuste de rodamientos.

30 Generador.

31 Rotor del generador.

32 Estator del generador.

33 Polos de imán permanente del rotor del generador.

34 Carcasa del generador.

40 Sistema de frenado electromagnético

50 Chasis.

51 Rueda

52 Freno de fricción.

53 Bogie de vagón.

58 Tirante extensible para montar en chasis.

Las FIGs. 1A-1B ¡lustran diferentes aspectos generales del sistema de frenado electromagnético 40 y de los elementos que lo integran. Se explica detalladamente el acoplamiento entre un retardador de nuevo diseño y uno o más generadores que se integran en el sistema de frenado electromagnético. El sistema de frenado electromagnético 40 está montado sobre un buje 2 que se fija a un eje 1 de rotación de un vehículo ferroviario. El retardador 10 incorpora tres rotores 11 , 13 y dos estatores 12 a lo largo del mismo eje 1. Un primer rotor es un rotor central 11 y, a cada lado del mismo, se ubica un estator 12. Otros dos rotores son rotores laterales 13 se ubican en un lado exterior de su correspondiente estator 12. Unos tirantes de ajuste 19 se distribuyen en varias zonas en la periferia de la carcasa del retardador 10. Los tirantes de ajuste 19 unen los dos estatores 12 del retardador 10 y ajustan axialmente el entrehierro, también se ajusta con ayuda de unas tuercas de bloqueo 25. Es importante notar que los estatores 12 son operativos por ambas caras. Haciendo operativas ambas caras de los estatores 12 del retardador 10, se obtiene un flujo electromagnético simétrico y optimizado. Se evita también sobredimensionar otras zonas de los estatores y se minimiza la dispersión de flujo electromagnético que puede perturbar el funcionamiento de dispositivos cercanos. La configuración de elementos es simétrica en el retardador 10 y neutraliza las fuerzas axiales que se producen durante el funcionamiento, lo que admite reducir y simplificar el mecanismo de rodadura.

Las FIGs. 1A-1B ¡lustran una vista frontal de un sistema de frenado electromagnético 40 montado sobre un eje y cómo circula el flujo de aire de ventilación (el camino seguido y la dirección aparece mostrado en líneas ondulantes). Se puede apreciar asimismo como se ensambla el generador 30 al retardador 10.

Con el incremento de la temperatura de los rotores por el funcionamiento del retardador el par de frenada se reduce. Los rotores rígidos axialmente se dilatan lo que reduce el entrehierro y, al menos en parte, la disminución de par de frenada es compensada.

El retardador, puede funcionar largos periodos de tiempo, dado que en su diseño está contemplada la estabilización de los parámetros funcionales, como son el par de frenada, temperaturas y consumos, manteniendo en todo momento la integridad del sistema de frenado electromagnético.

Un aspecto importante que también muestran ambas FIGs. 1A-1B se refiere al intercambio de calor. Los elementos son ventilados mediante la circulación de un flujo de aire. El rotor central 11 permite entrehierros fijos, regulables con tuercas de ajuste radial 25, y puede funcionar de forma optimizada, independientemente del sentido de giro. Estructuralmente, en la región exterior, el rotor central 11 cuenta con una pareja de discos 15 paralelos unidos entre sí por unos nervios 17 axiales. Los discos 15 tienen un orificio amplio con medios de conexión interior para acoplarse con un amplio buje 2. A su vez, el buje 2 ha de acoplarse con el eje 1 de rotación. Generalmente, se acopla a presión (calado). Los nervios 17 conectan ambos discos 15 por su región periférica y tienen una geometría capaz de ventilar con aire el interior del rotor 11 independientemente del sentido de giro. Por ejemplo, la geometría cilindrica se ha comprobado adecuada. Así, la ventilación no está condicionada por el sentido de giro del rotor central 11 y se favorece la disipación del calor producido. El empleo de tres rotores mejora la capacidad de refrigeración. Se promueve la circulación de un flujo de aire debido al giro de los rotores. Se crea una capa laminar de aire en contacto la parte exterior del rotor por tener una velocidad lineal superior. La presión que sufre el aire varía con el cuadrado de la velocidad. Se produce un efecto de aspiración que trae el aire desde la parte central a la periferia y que desplaza el aire a la superficie del rotor. El aire se calienta paulatinamente, lo que tiende a incrementar dicha circulación.

A través de unos rodamientos 4 se acoplan los elementos no-giratorios al buje 2. El buje 2 suele acoplarse a un eje 1 de unión directa a las ruedas en el caso de vagones de ferrocarril (ver FIGs. 3A-3D, FIG. 4).

El generador 30 no lleva escobillas ni colector, lo que evita el desgaste al que están sometidas estas piezas. El generador 30 dispone de un rotor 31 y de un estator 32. El estator 32 incluye dos piezas que forman unidas una carcasa 34, donde se colocan y fijan, circunferencialmente distribuidas, unas bobinas inducidas. Unos brazos de unión 21 fijan el estator 32 del generador 30 al estator 12 del retardador 10. Los rodamientos del retardador 10 son los únicos necesarios. El rotor 31 del generador 30 está montado solidario a los rotores 11 , 13 del retardador 10.

El campo magnético es creado por los electroimanes de los estatores del retardador, y cuando los rotores giran, originan las corrientes inducidas de Foucault en los discos 15 del rotor central 11 y de los rotores laterales 13 del retardador 10, que proporcionan la capacidad de frenado. En el rotor 31 del generador 30, el mismo giro da origen a una corriente trifásica en el inducido. Esta energía, una vez rectificada y regulada, alimenta al propio retardador 10, pero también puede hacerlo a otros dispositivos.

La carcasa 34 del generador 30 se realiza en material amagnético como aluminio. El rotor 31 se compone de un disco y de ¡manes circunferencialmente distribuidos y fijados al disco. Al girar el rotor 31 , los ¡manes 33 se mueven respecto de las bobinas inducidas 24 y generan una corriente eléctrica alterna que ha de rectificarse para ser empleada en alimentar al retardador 10 y/o adicionalmente ser almacenada en una batería para diversos empleos.

Las FIG. 1C-1D ¡lustran respectivamente una vista en perspectiva y un despiece de un sistema de frenado electromagnético 40, donde se pueden apreciar varios de los elementos anteriormente descritos.

En la FIG. 1C se muestran los elementos ya montados formando un conjunto compacto y robusto. Se aprecia la sujeción mediante los brazos 21 del generador 30 y el retardador 10 en un monobloque que comparte un mismo eje de rotación 1. Los brazos de unión 21 , que están acodados en sus extremos, unen la carcasa del estator 32 del generador 30 a la carcasa del estator 12 del retardador 10. Los brazos de unión 21 permiten establecer una separación fija que facilita la refrigeración por aire. Se aprecia en la cara exterior de los rotores laterales 13 del retardador 10 una región con nervios circulares y concéntricos, que ayudan a la ventilación y además aportan robustez permitiendo además el giro en ambos sentidos sin alterar la capacidad de refrigeración.

La FIG. 1D ¡lustra un despiece de vahos elementos del retardador 10 y cómo se acopla el generador 30 con el retardador 10. El rotor central 11 del retardador 10 se monta solidario al buje 2. El generador 30 se monta con su rotor solidario a los rotores 11,13 del retardador 10. Los rodamientos empleados en el sistema son los usados por el propio retardador 10. Los estatores 12 del retardador 10 incorporan múltiples ventanas de ventilación 16. Un tipo de ventanas de ventilación 16 están distribuidas lateralmente alrededor de unos alojamientos donde se instalan los electroimanes 18 con las bobinas enrolladas en sus núcleos correspondientes. Otras ventanas de ventilación 16 se forman en el borde frontal de la periferia como muescas o aberturas. Unas tuercas 25 nos permiten ajustar los estatores 12 para el montaje de los rotores 13. Se realiza por medio de la brida 3 montada sobre el buje con los tornillos, con sus respectivas tuercas 6 y las tuercas de fijación en los extremos (ver FIG. 1A-1B, tuercas de fijación 5).

La FIG. 1E ¡lustra un ejemplo de cómo se instala el sistema de frenado electromagnético 40 en el chasis 50 de un vagón. Los estatores tanto del retardador como del generador, aseguran un correcto montaje en el chasis 50 del vagón por unos tirantes extensibles 58 capaces de absorber y limitar posibles desplazamientos relativos entre el eje 1 y la estructura del vagón.

Las FIGs. 2A-2B muestran frontalmente las partes fijas y móviles, respectivamente, de un sistema de frenado electromagnético 40.

Diversas partes no-giratorias se observan en la FIG. 2A. Los rodamientos empleados en el sistema son los usados por el propio retardador 10 y compartidos por el generador 30. Para el transporte ferroviario este sistema se instala en un eje 1 , se monta solidario al mismo, generalmente como unión forzada (calado). El generador 30 dispone de bobinas fijadas en el estator 32. Por otra parte, en los estatores 12 del retardador 10, hay también unos electroimanes 24 con sus respectivas bobinas que se alimentan de la corriente eléctrica que suministra dicho generador 30. Cuando circula corriente por las bobinas de los electroimanes 24 que están instalados en cada estator 12, se produce un campo magnético que origina las corrientes inducidas en los rotores cuanto estos se mueven. Ambos lados o caras de casa estator 12 son operativas e inducen tanto en el rotor central 11 como en los rotores laterales 13 las corrientes inducidas de Foucault, y con ello una fuerza que se opone al sentido de giro. De esta forma se aumenta el rendimiento y la eficacia de frenado.

En la FIG. 2B se observa cómo el buje 2 sirve de apoyo para fijar los elementos giratorios: el rotor central 11 y los rotores laterales 13 del retardador 10. Se aprecia la brida 3 que va solidaria al buje 2 a través de un estriado y tuerca de fijación 6. El rotor 31 del generador 30 se monta solidario a los rotores laterales 13 y rotor central 11 del retardador 10. A través de unos rodamientos 4 se montan el resto de elementos no- giratorios del retardador y generador. Las FIGs. 3A-3D muestran diferentes configuraciones de instalación del sistema de frenado electromagnético 40 acoplado con un buje 2 a un eje 1 de rotación que une las ruedas 51 de un vehículo ferroviario con al menos un freno de fricción 52.

La FIG. 3A ¡lustra un sistema de frenado electromagnético 40 con el retardador 10 y con único generador 30 próximo a una de las ruedas 51 y en el extremo opuesto del freno de fricción 52 del vehículo ferroviario.

La FIG. 3B ¡lustra un sistema de frenado electromagnético 40 con el retardador 10 y con único generador 30. El sistema de frenado electromagnético 40 se ubica axialmente en posición intermedia entre los dos frenos de fricción 52 del vehículo ferroviario.

La FIG. 3C ¡lustra un sistema de frenado electromagnético 40 con el retardador 10 y dos generadores 30. doble freno de fricción 52. El sistema de frenado electromagnético 40 está ubicado axialmente en posición intermedia entre los dos frenos de fricción 52 del vehículo ferroviario.

La FIG. 3D ¡lustra un sistema de frenado electromagnético 40 con el retardador 10 y con doble generador 30 ubicado axialmente próximo a una de las ruedas 51 del vehículo ferroviario donde no hay freno de fricción 52.

La FIG. 4 ¡lustra un sistema de frenado electromagnético 40 con el retardador 10 y con doble generador 30 ubicado axialmente próximo a una de las ruedas 51 del bogie 53 vehículo ferroviario en el lado donde no hay freno de fricción 52. Se aprecia también como el buje 2 se acopla con el eje 1 y sirve para montar este sistema 40.

Todas las realizaciones de la presente invención anteriormente descritas deben entenderse a modo de ejemplo. Un experto puede entender que es posible realizar diversas modificaciones en las características mostradas en las figuras. Tales modificaciones han de considerarse compatibles entre sí, salvo indicación de lo contrario. Es posible tener diferentes tamaños para el rotor central que para los rotores laterales del retardador. Es posible destinar parte de la energía eléctrica generada a otros dispositivos aparte del propio retardador con una debida adaptación. Es posible igualmente almacenarla para un uso posterior. Es posible incluir uno o dos generadores y pueden ser de diferente tipo. Si bien las realizaciones de la invención descritas en las figuras muestran un tipo de generador de flujo radial, es igualmente válido optar por un generador de flujo axial para alimentar al retardador y a otros dispositivos. En un generador de flujo axial, los polos de ¡manes permanentes están ubicados radialmente en un rotor, siendo operativos en ambas caras de dicho rotor. A cada lado del rotor se encuentra un estator con una serie de bobinas inducidas distribuidas radialmente. Así se forman parejas de bobinas con el estator de cada lado, lo que conlleva ciertas ventajas (mayor flujo, menor tamaño y masa de rotor). En suma, la invención permite ser adaptada a múltiples circunstancias particulares a partir de la información suministrada.