DE102010063270A1

DE102010063270A1 - Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit Zusatzlüfter

Info

Publication number: DE102010063270A1
Application number: DE102010063270A
Authority: DE
Inventors: Manfred Hannes; Bernd Pfannschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit
– einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine (1), insbesondere einer Asynchronmaschine mit Käfigläufer, wobei ein Gehäuse der elektrischen Maschine (1) ein Blechpaket eines Stators (4) und ein Blechpaket eines Rotors (5) aufweist,
– einem Lüfter (11), der drehfest mit einer Welle (3) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist und eine Grundkühlung der elektrischen Maschine (1) bewirkt,
– zumindest einem Zusatzlüfter (17), der lüftungstechnisch der elektrischen Maschine (1) zugeordnet ist und bedarfsweise, insbesondere bei vergleichsweise geringen Drehzahlen und/oder erhöhten Temperaturen der elektrischen Maschine (1) zuschaltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine, insbesondere einer Asynchronmaschine mit Käfigläufer, wobei ein Gehäuse der elektrischen Maschine ein Blechpaket eines Stators und ein Blechpaket eines Rotors aufweist, und einem Lüfter, der drehfest mit einer Welle der elektrischen Maschine verbunden ist und eine Grundkühlung der elektrischen Maschine bewirkt.
Bei eigenbelüfteten elektrischen Maschinen ist ein Lüfter drehfest mit der Motorwelle verbunden. Deshalb ist die Kühlwirkung von der Motordrehzahl und damit von der Lüfterdrehzahl abhängig. Nach diesen Kriterien werden elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen zum Antrieb elektrischer Fahrzeuge, beispielsweise Bahnantriebe, ausgelegt und erfüllen damit die für die normalen Betriebsanforderungen innerhalb des beschränkten Einbauraums im Drehgestell die an sie gestellten Anforderungen.
Für Sonderbetriebsfälle jedoch, bei denen das elektrisch angetriebene Fahrzeug mit vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit und/oder bei erhöhten Außentemperaturen und/oder entsprechender Belastung eine längere Strecke bewältigen muss, führt dies zu einer thermischen Überlastung der elektrischen Maschine und damit letztendlich zum Ausfall dieser elektrischen Maschine.
Zur Lösung dieses Problems werden bisher redundante Motoren auf diesem Fahrzeug als zusätzliche Antriebsmotoren zur Verfügung gestellt, um damit auch längere Steigungen bei hoher Beladung mit niedriger Geschwindigkeit bewältigen zu können, ohne dass es zu einem thermischen Ausfall der Antriebsmotoren kommt. Jedoch erhöhen sich dadurch das Fahrzeuggewicht und die Anschaffungskosten des Fahrzeugs.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Antriebskonzept bereitzustellen, das auch die oben genannten Sonderbetriebsfälle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs abdeckt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit

– einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine, insbesondere einer Asynchronmaschine mit Käfigläufer, wobei ein Gehäuse der elektrischen Maschine ein Blechpaket eines Stators und ein Blechpaket eines Rotors aufweist,
– einem Lüfter, der drehfest mit einer Welle der elektrischen Maschine verbunden ist und eine Grundkühlung der elektrischen Maschine bewirkt,
– zumindest einem Zusatzlüfter, der lüftungstechnisch der elektrischen Maschine zugeordnet ist und bedarfsweise, insbesondere bei vergleichsweise geringen Drehzahlen und/oder erhöhten Temperaturen der elektrischen Maschine zuschaltbar ist.

Erfindungsgemäß wird bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug mit einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine als Antriebsmotor ein Zusatzlüfter, insbesondere ein zusätzlicher Sauglüfter vorgesehen. Dies führt zu einem höheren Kühlluftdurchsatz. Dabei saugt nun dieser zusätzliche Lüfter ergänzend zu dem bisherigen drehfest mit einer Motorwelle verbundenen Lüfter zusätzlich Kühlluft durch den Innenraum der elektrischen Maschine. Dies sind u. a. die Kühlbohrungen im Stator- und/oder Rotorblechpaket der elektrischen Maschine und der Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine. Die nunmehr erwärmte Kühlluft wird abluftseitig wieder ausgeblasen.
Damit ist auch bei vergleichsweise niedriger Motordrehzahl für eine ausreichende Durchströmung und damit Kühlung der elektrischen Maschine gesorgt. Durch den zusätzlichen Lüfter wird die bisherige durch die Selbstkühlung herbeigeführte Luftströmung unterstützt, wobei nunmehr der zusätzliche Lüfter direkt am abluftseitigen Ende des Blechpakets angeordnet ist. Dies führt zu einem kompakten Aufbau, wie er besonders bei Drehgestellen von Triebfahrzeugen erforderlich ist.
Als niedrige Motordrehzahlen werden beispielsweise Schleichfahrten eines Fahrzeugs mit fünf Kilometer pro Stunde angesehen, was ungefähr einer Motordrehzahl von ungefähr 100 U/min entspricht. Der zusätzliche Lüfter sorgt für eine ausreichende Durchströmung und damit Kühlung der elektrischen Maschine, so dass damit die für die Isolation der dynamoelektrischen Maschine erforderlichen Temperaturklassen, beispielsweise Temperaturklasse 200 eingehalten werden, wie sie in der DIN VDE 0530 festgelegt sind.
Um die Kühleffizienz zu steigern, ist insbesondere am abluftseitigen Ende, also dort, wo der zusätzliche Lüfter die erwärmte Kühlluft aus der Maschine saugt, eine Luftleit-Vorrichtung, insbesondere strömungstechnisch vorteilhaft ausgebildete Blenden vorgesehen, die eine Vergleichmäßigung des zusätzlichen Kühlluftstrom und/oder des gesamten Kühlluftstroms herbeiführen. Diese Vorrichtung bewirkt dahingehend eine Vergleichmäßigung des Saugeffekts, dass umfangsseitig eine gleichmäßige Verstärkung der Strömung des Kühlluftstroms eintritt. Ein lüftungstechnischer Kurzschluss zwischen den dem Sauglüfter und den am nächsten liegenden Kühlöffnungen wird somit vermieden. Es tritt somit eine Vergleichmäßigung dieser zusätzlichen Durchströmung am gesamten Umfang des Stators bzw. Rotors ein.
Dies wird vorteilhafterweise durch eine scheibenförmige Blende erreicht, die am abluftseitigen Ende speziell im Bereich der Wickelköpfe angeordnet ist und somit zusätzlich zu einer Verbesserung der Kühlung des abluftseitigen Wickelkopfes führt.
Die bedarfsweise Zuschaltung erfolgt also bei den oben genannten Sonderbetriebsarten, die sich durch eine Temperaturerhöhung innerhalb der dynamoelektrischen Maschine bemerkbar machen. Diese Temperaturerhöhung wird durch Sensoren innerhalb der dynamoelektrischen Maschine und/oder durch Sensoren im Kühlluftstrom festgestellt und daraufhin eine Zuschaltung des oder der Zusatzlüfter veranlasst.
Vorteilhafterweise ist je nach Temperaturerhöhung oder Temperaturverlauf der Zusatzlüfter in seiner Drehzahl stufenlos regelbar, sodass innerhalb der elektrischen Maschine die vorgeschriebene Temperatur einstellbar ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figuren zu entnehmen. Dabei zeigen:
1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer elektrischen Maschine,
2 die prinzipielle Anordnung einer elektrischen Maschine bei einem elektrischen Triebfahrzeug.
1 zeigt eine dynamoelektrische Maschine 1, in einem prinzipiellen Längsschnitt, wobei ein Stator 4 innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, und wobei sich ein Rotor 5, drehfest mit einer Welle 3 verbunden ist und im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 1 ein Antriebsmoment bewirkt.
Der Rotor 5 kann dabei als Kurzschlussläufer einer Asynchronmaschine oder als permanent erregter Rotor 5 einer permanenterregten Synchronmaschine ausgeführt sein. Aus zeichnerischen gründen ist in 1 die konkrete Ausführung des Rotors 5 nicht näher dargestellt, um Kühlkanäle 8 besser darstellen zu können. Die Kühlkanäle 8 befinden sich, bezogen auf die Welle 3 bei beiden Rotorausführungen radial innerhalb der Kurzschlussstäbe des Kurzschlussläufers bzw. radial innerhalb der Permanentmagnete.
Die Welle 3 ist über Lager 9 und ein Lagerschild 10 am Gehäuse fixiert. Auf dem abluftseitigen Ende der elektrischen Maschine 1 (hier am rechten Teil der elektrischen Maschine) ist vorteilhafterweise, insbesondere bei kompakt auszuführenden Bahnmaschinen ein speziell angepasster Lüfter 11 vorgesehen, der drehfest mit der Welle 3 verbunden ist und so eine Selbstkühlung, insbesondere eine Kühlung mittels Luftdurchzug der elektrischen Maschine 1 bewirkt.
Um nun im oben genannten Sonderbetriebsfall eine zusätzliche Kühlwirkung des Stators 4 und Rotors 5 zu bewirken, d. h. eine erhöhte Kühlluftströmung also einen erhöhten Kühlluftdurchsatz durch die Kühlkanäle 7 und 8 und den Luftspalt der elektrischen Maschine 1 zu erreichen, ist über einen abluftseitig angeordneten zusätzlichen Luftaustritt 13 ein in dieser Figur nicht näher dargestellter Zusatzlüfter 17 vorgesehen. Der Zusatzlüfter 17 ist dabei über Luftstutzen, wie in 2 dargestellt oder direkt an dem Gehäuse der elektrischen Maschine 1 angeordnet.
Vorteilhaftweise liegt der Zusatzlüfter 17 als Modul vor, das nur noch in die verbleibende Ausnehmung im Gehäuse oder am Ende des Luftstutzens eingesetzt und elektrisch in eine dementsprechende Temperaturregelung der elektrischen Maschine 1 implementiert werden muss.
Vorteilhafterweise ist im Bereich des in der Figur rechten Wickelkopfes 6 eine Blende 12 vorgesehen, die zu einer Vergleichmäßigung und thermisch günstigen Führung des zusätzlich angesaugten Kühlluftstromes sorgt und so eine Temperaturvergleichmäßigung innerhalb der elektrischen Maschine 1 gewährleistet. Die Blende 12 unterbindet des Weiteren u. a. einen unerwünschten Luftaustausch zwischen den Luftaustrittsöffnungen 14 und den zusätzlichen Luftaustrittsöffnungen 13.
Auf der in der 1 linken Seite wird auch im Betriebsfall zusätzlich Luft über Lufteintrittsöffnungen 2 und gegebenenfalls Filter in die elektrische Maschine 1 durch den Lüfter 11 gesaugt. Im Sonderbetriebsfall wird nunmehr durch den zusätzlichen Lüfter 17 der Kühlungsluftdurchsatz durch die gesamte dynamoelektrische Maschine 1 erhöht. Dadurch wird natürlich auch über die Lufteintrittsöffnung 2 mehr Luft angesaugt.
Die dabei relevanten Parameter sind die gefahrene Geschwindigkeit des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und die Beladung, d. h. die Belastung der elektrischen Maschine 1, als auch die Außentemperatur.
2 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine Anordnung einer dynamoelektrischen Maschine 1 im Drehgestell einer Bahnmaschine. Dabei wird eine Radsatzwelle 16 mit ihren beiden Rädern 15 über eine elektrische Maschine 1, ein Ritzel 19 und ein mit der Radsatzwelle 15 drehfest verbundenem Großrad 18 angetrieben. Neben den für den Normalfall erforderlichen Luftaustrittsöffnungen 14 sind zusätzlich eine oder mehrere Luftaustrittsöffnung 13 vorgesehen, so dass durch den Zusatzlüfter 17 der Luftdurchsatz in der elektrischen Maschine bedarfsweise erhöht werden kann.
Bei mehreren zusätzlichen Luftaustrittsöffnungen 13 sind diese am Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Von dort erfolgt eine Zusammenführung der Luftströme mittels Luftstutzen, so dass nur ein Zusatzlüfter 17 für sämtliche Luftaustrittsöffnungen 13 vorgesehen ist. Eine abluftseitige Vergleichmäßigung des zusätzlichen Luftstroms erfolgt auch in diesem Fall vorteilhafterweise durch eine Blende 12.
In einer anderen Ausführungsform, die ebenfalls mehrere Luftaustrittsöffnungen 13 aufweist, ist an jeder Luftaustrittseite im Gehäuse der elektrischen Maschine 1 ein Zusatzlüfter 17 vorgesehen, die jeweils einzeln je nach Temperatur der bedarfsweise zuschaltbar sind. Auch dort sorgt eine Blende für eine Vergleichmäßigung des abluftseitigen Luftstroms.
Auch bei mehreren Luftaustrittsöffnungen können vorteilhafterweise die Zusatzlüfter 17 als Modul eingesetzt werden.
Der Zusatzlüfter ist vorteilhafterweise als Axiallüfter ausgeführt, um Lärmemissionen zu verringern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN VDE 0530 [0009]

Claims

Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit – einer durchzugsbelüfteten elektrischen Maschine (1), insbesondere einer Asynchronmaschine mit Küfigläufer, wobei ein Gehäuse der elektrischen Maschine (1) ein Blechpaket eines Stators (4) und ein Blechpaket eines Rotors (5) aufweist, – einem Lüfter (11), der drehfest mit einer Welle (3) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist und eine Grundkühlung der elektrischen Maschine (1) bewirkt, – zumindest einem Zusatzlüfter (17), der lüftungstechnisch der elektrischen Maschine (1) zugeordnet ist und bedarfsweise, insbesondere bei vergleichsweise geringen Drehzahlen und/oder erhöhten Temperaturen der elektrischen Maschine (1) zuschaltbar ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzlüfter (17) strömungstechnisch am abluftseitigen Ende des Blechpakets des Stators (4) angeordnet ist.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zumindest im abluftseitigen Bereich des Blechpakets des Stators (4) vorgesehen ist, die eine Vergleichmäßigung der abgesaugten Luftströme von Lüfter (11) und/oder Zusatzlüfter (17) gestattet.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als scheiben- oder kegelförmige Blende (12) ausgestaltet ist und im Bereich eines Wickelkopfes (6) am abluftseitigen Bereich des Blechpakets des Stators (4) angeordnet ist.