DE10047911A1 - Antrieb eines Radsatzes - Google Patents

Abstract

Antrieb eines Radsatzes (1) eines Fahrwerks, der zwei auf einer Radsatzwelle (2) befindliche Räder (3) aufweist, die durch zumindest einen die Radsatzwelle (2) umfassenden Innenläufermotor antreibbar sind, der einen Ständer (10) und einen Läufer (19) aufweist. Damit ist ein kompakter Direktantrieb geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb eines Radsatzes eines Fahrwerks.

Aus der EP 0 413 337 A1 ist ein elektromotorischer Schienen­ fahrzeugdirektantrieb bekannt, der axial neben dem anzutrei­ benden Rad einen elektronisch kommutierten Elektromotor auf­ weist, dessen Rotor zur Drehmomentübertragung an das anzu­ treibende Rad angeschlossen ist, wobei die Rotationsachsen des Rotors und des anzutreibenden Rades im wesentlichen mit­ einander fluchten. Außerdem ist der Rotor dort als Außenrotor des gehäuselosen Elektromotors ausgebildet und weist ringför­ mig verteilte Dauermagnete auf. Des Weiteren ist der Stator dieses Elektromotors an der dem anzutreibenden Rad abgewand­ ten Seite drehfest an dem Fahrzeug gehalten.

Nachteilig dabei ist, dass dieser Antrieb aufgrund seiner An­ ordnung und Bauform für Schienenfahrzeuge mit herkömmlichen Radsätzen, die außen oder innen gelagert sind, kaum anwendbar ist. Bei dem anzutreibenden Radsatz muss der Antrieb nach in­ nen zwischen die beiden Räder verlagert werden, wobei die scheibenähnliche Ausführung dieses Direktantriebs nur unter erhöhtem konstruktiven Aufwand in dem zur Verfügung stehenden Bauraum zwischen den beiden Rädern unterzubringen ist. Für den Antrieb eines Radsatzes mit durchgehender Welle ist somit dieser Antrieb nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen An­ trieb eines Radsatzes eines Fahrwerks zu schaffen, der gegen­ über herkömmlichen Antriebssystemen einen geringeren War­ tungsaufwand und geringere Herstellkosten verursacht. Außer­ dem soll dieses Antriebskonzept einen geringeren Energiever­ brauch aufweisen und geringere Lärmemissionen verursachen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Antriebssystem so auszubilden, dass es auch bei Niederflurschienen­ fahrzeugen einzusetzen ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch den Antrieb eines Radsatzes eines Fahrwerks, der zwei auf einer Welle be­ findliche Räder aufweist, die durch zumindest einen die Welle umfassenden Innenläufermotor antreibbar sind, der einen Stän­ der und einen Läufer aufweist.

Unter dem Begriff Fahrwerke sind u. a. Drehgestelle und Ein­ zelachsen zu verstehen.

Damit entfällt sowohl das Getriebe, als auch eine elastische Kupplung zwischen Motor und Radsatz. Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Antriebskonzepts ist das reduzierte Einbauvolumen und das gegenüber herkömmlichen Antrieben ge­ ringe Gewicht der gesamten Antriebsanordnung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest abschnittsweise die Welle des Radsatzes als Läufer ausgebildet. Damit über­ nimmt die Welle sowohl elektromagnetische als auch konstruk­ tive Funktionen. Sie wirkt einerseits als Läufer des Innen­ läufermotors und stellt außerdem als Welle die mechanische Verbindung der beiden Räder des Radsatzes her. Damit wird ei­ ne weitere Reduktion der Herstellkosten der Antriebs er­ reicht. Vorteilhafterweise ist dabei die Welle als Stahlhohl­ welle ausgebildet, die zu einer weiteren Reduktion des Ge­ wichts des gesamten Antriebsordnung führt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befinden sich auf der Welle Permanentmagnete, die mit dem Ständer des In­ nenläufermotors elektromagnetisch wechselwirken, um somit den Radsatz anzutreiben. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Permanentmagnete direkt auf die Stahlhohlwelle geklebt sind. Die Verluste im Läufer sind sehr gering, so dass das Joch des Läufers nicht notwendigerweise geblecht auszuführen ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Antrieb als perma­ nenterregter Synchronmotor ausgebildet, Um den Synchronmotor mit einer erhöhten Drehmomentdichte auszustatten, ist eine hohe Polzahl von insbesondere größer gleich 16 Polen vorteil­ haft. Diese Polzahl, die sich aufgrund der geringen Jochhöhe bei dem durch den vorgegebenen Bauraum gegebenen Außendurch­ messer ergibt, führt zu einem möglichst großen Luftspalt­ durchmesser. Aus diesem Grund ist dieser Antrieb aufgrund dieses Synchronmotors auch für die in zunehmendem Maße klei­ nen Raddurchmesser geeignet, die eine Komfortsteigerung durch niedere Fußbodenhöhen im Eingangsbereich und Türbereich von Schienenfahrzeugen ermöglichen.

Die hohe Polzahl führt auch zu sehr kurzen Wickelköpfen, was den Wirkungsgrad des Synchronmotors steigert und es dabei er­ möglicht, bei vorgegebener Einbaulänge des Antriebs die Blechpaketlänge zu erhöhen. Dadurch lässt sich die Synchron­ maschine dem vorhandenen insbesondere röhrenähnlichen Einbau­ volumen vor allem auch bei kleinen Rädern vorzüglich anpas­ sen.

Da die Verluste der Synchronmaschine im wesentlichen im ru­ henden Teil, im vorliegenden Fall im Ständer auftreten, sind diese aus diesem Bereich der Synchronmaschine abzuführen. Da­ bei eignen sich die an sich bekannten Eigen- und Fremdbelüf­ tungsarten. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Erfindung weist der Ständer, insbesondere um Geräuschemissionen der Lüfter zu vermeiden, Flüssigkeitskühlung auf. Die zur Flüs­ sigkeitskühlung notwendigen Kühlkanäle sind vor allem bei ei­ nem mehreckigen Querschnitt des Gehäuses des Ständers in den Ecken angeordnet. Dabei sind dort im wesentlichen axiale Kühlkanäle vorgesehen, die parallel zur Welle des Radsatzes verlaufen. Insbesondere bei einem viereckigen Querschnitt des Gehäuses des Ständers reduziert sich der Blechpaketaußen­ durchmesser nicht durch die Anordnung dieser axialen Kühlka­ näle. Durch die nahezu vollständige Kapselung der Synchronma­ schine durch ein Gehäuse mit Flüssigkeitskühlung insbesondere Wasserkühlung und der niederen Drehzahl sowie des damit ver­ bundenen Entfalls eines Luftkühlers werden sehr niedrige Ge­ räuschemissionen erreicht. Da Drehzahl und Wellendurchmesser von Radsatz und Antrieb gleich sind, können insbesondere bei einer Innenlagerung des Radsatzes die Lager von Innenläufer­ motor und Radsatz kombiniert werden. Dadurch reduziert sich die Anzahl der notwendigen Lager, wie bei einem nicht ange­ triebenen Radsatz auf zwei Wälzlager. Dies reduziert die Her­ stellkosten des Antriebs und auch dessen Wartungsaufwand. Insbesondere entfällt die Nachschmierung. Bei den neuen La­ gertechnologien weisen die Radsatzlager mittlerweile längere Standzeiten auf als die Radscheiben, so dass eine früher sinnvolle Außenlagerung der Radsätze hinfällig wird.

Da der Synchronmotor auf der Welle des Radsatzes gelagert ist, ist eine aufwendige Fahrmotoraufhängung im Fahrwerk nicht mehr erforderlich. Es bedarf vielmehr nur noch einer Drehmomentstütze zwischen Antrieb und dem Fahrzeug. Die damit verbundene Erhöhung der ungefederten Massen durch diesen er­ findungsgemäßen Antrieb spielt weder für die Oberbaubelastung noch für die Fahrdynamik eine Rolle. Insbesondere ist die Er­ höhung der ungefederten Massen in einem Geschwindigkeitsbe­ reich bis 160 km/h völlig vernachlässigbar.

Vor allem in dem Geschwindigkeitsbereich darüber ist es vor­ teilhaft, wenn die Massen des Antriebs, zumindest teilweise, vom Radsatz durch geeignete Mittel z. B. Elastomeren entkop­ pelt sind.

Dabei sind zwischen Läufer und Welle des Radsatzes z. B. Gum­ mielemente angeordnet.

Ebenso ist es möglich zwischen Läufer und Ständer, z. B. im Bereich des Luftspalts, eine derartige Kopplung vorzusehen.

Vorteilhafterweise weist diese Drehmomentstütze zumindest ei­ ne zwischen den Rädern eines Radsatzes mittig angeordnete Zugdruckstange auf. Damit werden u. a. die Zugkräfte des An­ triebs direkt auf das Fahrzeug übertragen. Dies führt zu ei­ ner Reduktion der Nickmomente des Fahrwerks. Es vermeidet au­ ßerdem eine Radsatzentlastung bei Zugkraftausübung, da das Fahrwerk keinerlei Reaktionsmomente und Kräfte des Antriebs mehr erfährt. Es findet außerdem keine Übertragung von dyna­ mischen Reaktionsmomenten ins Fahrwerk statt, was die Körper­ schallübertragung reduziert.

Eine mittig angeordnete Zugdruckstange als einfache Drehmo­ mentstütze ist insbesondere bei einer harten Längsführung des Radsatzes vorteilhaft, da dort die Zugkraft ohnehin über äu­ ßere Lenker übertragen wird.

Bei einer weichen Längsführung des Radsatzes ist es vorteil­ haft eine doppelte Zug-Druck-Stange vorzusehen.

Außerdem sind bei Konstruktion der Bauteile des Fahrwerks nicht mehr die Antriebs- und Bremsmomente bzw. die Antriebs- und Bremskräfte ausschlaggebend, sondern es braucht nach Kräften der Fahrdynamik dimensioniert zu werden.

Durch diesen Antrieb der vorzugsweise für Schienenfahrzeuge mit Radsätzen anwendbar ist, wird ein wirtschaftliches An­ triebskonzept für einen Direktantrieb für Schienenfahrzeuge vorgestellt, der auch für kleine Räder mit Durchmessern von ca. 620 mm geeignet ist. Dabei spielen die grundsätzlichen Vorteile, wie geringerer Energieverbrauch, geringere War­ tungsaufwand, reduzierte Herstellkosten, geringere Geräusch­ emissionen und Vermeidung von Ölverlusten des Getriebes eine wesentliche Rolle.

Durch die Innenlagerung von Radsatz und Innenläufermotor ist eine Schallschutzvorrichtung am Fahrwerk wesentlich leichter zu realisieren.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmale der Unteransprüche werden im folgen­ den anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines prinzipiell dargestellten An­ triebs eines Radsatzes,

Fig. 2 einen Längsschnitt dieses Radsatzes,

Fig. 3 einen Querschnitt dieses Antriebs des Radsatzes.

Ein Radsatz 1 eines nicht näher dargestellten Fahrwerks nach Fig. 1 zeigt eine Radsatzwelle 2 und die an dieser Radsatzwel­ le 2 befestigten Rädern 3. Die Räder 3 sind auf der Radsatz­ welle 2 befestigt, insbesondere aufgeschrumpft. Auf der Radsatzwelle 2 befindet sich nach Fig. 2 ein Läufer 19 eines als Innenläufermotor ausgebildeten Elektromotors, der insbe­ sondere als Synchronmotor ausgeführt ist. Der Läufer 19 ist im wesentlichen rohrförmig ausgebildet und befindet sich zwi­ schen zwei Stahlscheiben 4 auf der Radsatzwelle 2. Dabei ist der rohrförmig ausgebildete Läufer 19 vorzugsweise als Stahl­ hohlwelle 5 ausgebildet, die Permanentmagnete 6 an der Ober­ fläche aufweist. Vorteilhafterweise ist die Stahlhohlwelle 5 über Gummielemente 31 mit der Radsatzwelle 2 gekoppelt. Stän­ der 10 und Läufer 19, der sich auf der Radsatzwelle 2 befin­ det, stehen über Wälzlager 7 mechanisch in Verbindung. Diese Wälzlager 7 beinhalten sowohl die Funktion Radsatzlager als auch die Funktion Fahrmotorlager, so dass nur zwei Wälzlager 7 pro Radsatz 1 vorzusehen sind. Auf das Gehäuse 11 des Stän­ ders 10 bzw. des Lagers der Wälzlager 7 stützen sich in ver­ tikaler Richtung die nicht näher dargestellten Fahrwerklängs­ träger über eine Primärfederung 8 ab. In Längsrichtung und für Bewegungen um seine Hochachse wird der Antrieb des Rad­ satzes 1 über elastische Lenker 9 von den Fahrwerklängsträ­ gern geführt. Der Ständers 10 des als Synchronmaschine ausge­ führten Antriebs weist ein Blechpaket, ein Gehäuse 11 als auch durch die in Nuten 20 des Ständers 10 befindliche Wick­ lungen auf, die auf der jeweiligen Stirnseite des Blechpakets Wickelköpfe 12 formen. Durch elektromagnetische Wechselwir­ kung des Ständers 10 mit seinen Läufer 19 und dessen starre Verbindung mit der Radsatzwelle 2 dreht sich die Radsatzwelle 2 und damit die an den jeweiligen Enden der Radsatzwelle 2 befindlichen Räder 3.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgeführten Direktantriebs eines Radsatzes 1 die Primärfederung 8 an den Fahrwerklängsträgern 30, das im wesentlichen quadratisch aus­ geführte Gehäuse 11 des Ständers 10 an dem seitlich eine Dop­ pelzugstange 15 angebracht ist, die das Drehmoment aufnimmt und damit gleichzeitig den Längszugriff mittig abnimmt und direkt in den Wagenkasten überträgt. Das Gehäuse 11 des Stän­ ders 10 zeigt Kühlkanäle 13, die insbesondere von Flüssigkeit durchströmt werden und so zu einer effizienten Kühlung des Ständers 10 beitragen.

Das Blechpaket des Ständers 10 zeigt die allgemein übliche Nut-Zahn-Geometrien. Es kann insbesondere auch das Blechpa­ ket, mit axialen Kühlkanälen versehen sein, durch die vor­ zugsweise Luft hindurchströmt. Der Läufer 19 eines derartigen erfindungsgemäßen Direktantriebs ist direkt auf der bzw. um die Radsatzwelle 2 positioniert, wobei auf der dem Luftspalt 21 zugewandten Seite des Läufers 19 Permanentmagnete 6 ange­ ordnet sind. Die Permanentmagnete 6 können dabei als kreis­ segmentähnliche Gebilde am Läufer 19 und insbesondere der Stahlhohlwelle 5 angeordnet sein, wobei die Krümmung dieser Kreissegmente im wesentlichen der Krümmung des Läufers 19 entspricht. Der Läufer 19 ist somit wie ein rotationssymmet­ rischer Vollpol-Läufer aufgebaut. Es sind ebenso andere An­ ordnungen von Permanentmagneten 6 möglich, wie z. B. kreisse­ kanten- oder v-förmig. Ebenso können durch geeignete Maßnah­ men z. B. einer Bandage die Permanentmagnete 6 insbesondere bei hohen Drehzahlen der Bahnantriebe am Läufer 19 fixiert werden.

Der erfindungsgemäße Direktantrieb eines Radsatzes 1 ermög­ licht einen denkbar einfachen Antrieb. Gegenüber den bisher verwendeten Antrieben sind weder Getriebekupplungen noch un­ nötige Wälzlager 7 vorzusehen, da nur noch zwei fettge­ schmierte integrierte Wälzlager 7 für den Betrieb notwendig sind. Das führt zu einer deutlichen Reduzierung des Wartungs­ aufwandes. Der erfindungsgemäße Radsatzdirektantrieb führt zu geringeren Energiekosten und weist einen höheren Antriebswir­ kungsgrad auf. Durch die mehrfach erwähnte Eignung für kleine Raddurchmesser ist dieser Direktantrieb auch vorteilhafter­ weise für niederflurige Fahrwerke und Wagenkästen geeignet.

Claims (15)

1. Antrieb eines Radsatzes (1) eines Fahrwerks, der zwei auf einer Radsatzwelle (2) befindliche Räder (3) aufweist, die durch zumindest einen die Radsatzwelle (2) umfassenden Innen­ läufermotor antreibbar sind, der einen Ständer (10) und einen Läufer (19) aufweist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Radsatzwelle (2) des Radsatzes (1) zumindest abschnittsweise bzgl. ihrer Länge als Läufer (19) ausgebildet ist.

3. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Radsatzwelle (2) als Stahlhohl­ welle ausgebildet ist.

4. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Radsatz­ welle (2) in dem als Läufer (19) ausgebildeten Teil Perma­ nentmagnete (6) aufweist, die mit dem Ständer (10) des Innen­ läufermotors elektromagnetisch wechselwirken, um den Radsatz (1) anzutreiben.

5. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Permanentmagnete (6) auf die Radsatzwelle (2) geklebt sind.

6. Antrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Antrieb als permanenter­ regter Synchronmotor ausgebildet ist.

7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Synchronmotor hochpolig ausge­ führt ist.

8. Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Polzahl des Synchronmotors grö­ ßer oder gleich 16 ist.

9. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Ständer (10) des Innenläufermotors flüs­ sigkeitsgekühlt ist.

10. Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Gehäuse des Ständers (10) einen mehreckigen Querschnitt aufweist, wobei in den Ecken axiale Kühlkanäle (13) vorgesehen sind.

11. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zwei Lager (7) vorhanden sind, die sowohl der Lagerung des Radsatzes (1) als auch der des Innenläufermotors dienen.

12. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen den Rädern (3) eines Radsatzes (1) zumindest eine mittig angeord­ nete Zug-Druck-Stange vorgesehen ist.

13. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Massen des Antriebs, zumindest teilweise, vom Rad­ satz (1) durch geeignete Mittel entkoppelt sind.

14. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für Schienenfahrzeuge mit Radsätzen (1) an­ wendbar ist.

15. Antrieb nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schienenfahrzeuge Niederflur­ drehgestelle aufweisen.