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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen elektrischer Fahrmotoren.
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Bei der Konstruktion neuer Fahrzeuge ist es häufig erwünscht, den Anteil des Nutzraumes größtmöglich zu gestalten. So werden beispielsweise bei Schienenfahrzeugen möglichst alle Komponenten der Traktionsanlage unterflur oder auf dem Dach eingebaut.
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Weiterhin wird angestrebt, die Anzahl der eingesetzten Fahrzeugkomponenten zu reduzieren und bestehende Komponenten bestmöglich weiterzuverwenden. Aufgrund der restriktiven Platzverhältnisse steht beispielsweise oft nicht genügend Einbauvolumen für eine Fremdbelüftung der Fahrmotoren zur Verfügung. Eigenbelüftete Fahrmotoren können zwar platzsparend eingebaut werden, haben aber wiederum den Nachteil, dass bei niederen Drehzahlen die Kühlwirkung zu gering sein kann, um das Leistungspotenzial bzw. die Lebensdauer des Fahrmotors auszuschöpfen. Bei Langsamfahrt, z. B. wegen einer Baustelle oder Fahrt auf Sicht, dreht sich das Lüfterrad nur langsam, wodurch nur eine geringe Kühlung des Fahrmotors zustande kommt. Falls ein Triebzug wegen zu hoher Komponententemperatur des eigenbelüfteten Fahrmotors liegenbleiben sollte, ist eine aktive Kühlung des Fahrmotors im Stand nicht möglich, so dass sich in diesem Falle sehr lange Abkühlzeiten ergeben.
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Die
EP 0 623 988 A2 beschreibt eine elektrische Maschine zum Antrieb von Fahrzeugen, die gekühlt wird, indem im Innern des Ständers wenigstens ein von Flüssigkeit durchströmter Kühlmantel angeordnet ist und der Ständer radial weiter innen wenigstens einen Kühlkanal aufweist, der von einem zirkulierenden Innenkühlmedium, vorzugsweise Luft, durchströmt ist.
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Aufgrund der Flüssigkeitskühlung wird auch bei niedrigen Drehzahlen eine verbesserte Kühlung erzielt.
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Der Nachteil an einer geschlossenen inneren Luftkühlung liegt allerdings darin, dass die Kühlleistung im Vergleich zu einer Durchzugsbelüftung geringer ausfällt.
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Aus der
DE 101 22 425 B4 ist eine elektrische Maschine bekannt, welche zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine weist Wicklungsköpfe, einen wassergekühlten Ständer, einen luftgekühlten Läufer mit Läuferdurchtritten und Lagerschilde auf. Durch einen Lufteintritt und einen Luftaustritt in den jeweiligen Lagerschilden ist die Maschine durchzugbelüftet. Weiterhin sorgen Lüfter für eine Eigenbelüftung des Läufers. Aufgrund der Kombination von wassergekühltem Ständer und durchzugsbelüftetem Läufer ist die Gesamtkühlwirkung besser als bei einer reinen Luftkühlung von Ständer und Läufer oder bei einem geschlossenen Luftinnenkreis mit wassergekühltem Ständer. Dadurch wird die Leistung der Maschine besser ausgeschöpft und gleichzeitig ein kompakter Aufbau erreicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die – aufbauend auf dem in der
DE 101 22 425 B4 beschriebenen Stand der Technik – mit flüssigkeitsgekühltem Ständer und luftgekühltem Läufer, über alle Drehzahlbereiche hinweg eine ausreichende Kühlung des Fahrmotors gewährleisten, wobei die Bauweise des Fahrmotors und seiner Kühlung noch kompakter gestaltet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 stellt eine Vorrichtung zum Kühlen elektrischer Fahrmotoren zum Antrieb von Schienenfahrzeugen zur Verfügung. Die Fahrmotoren weisen einen luftgekühlten, vorzugsweise eigenbelüfteten Läufer und einen flüssigkeits- und ggf. luftgekühlten Ständer auf. Der Läufer des elektrischen Fahrmotors ist durchzugbelüftet, d. h., er weist Läuferdurchtritte auf, durch die Umgebungsluft zur Kühlung des Läufers durchgeleitet wird. Hierzu ist es auch möglich, mithilfe eines oder mehrerer, vorzugsweise auf der Fahrmotorläuferwelle montierter, Ventilatoren die Luft durch die Läuferdurchtritte zu saugen, bzw. zu blasen. Durch die Luftkühlung wird auch der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer gekühlt.
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Der Ständer des Fahrmotors ist flüssigkeitsgekühlt. Das Kühlmittel kann beispielsweise mithilfe von Kühlkanälen auf oder in dem Ständer zirkulieren. Ergänzend ist eine Durchzugsbelüftung des Ständers möglich, wobei der Kühlluftstrom durch den Ventilator verursacht wird, der der Belüftung des Läufers dient. Damit ist auch die die ggf. vorhandene Lüftkühlung des Ständers abhängig von der Fahrmotordrehzahl. Niedrige Kühlleistung bei geringer Fahrmotordrehzahl, hohe Kühlleistung bei hoher Fahrmotordrehzahl.
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Der Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors ist an mindestens einen bestehenden Flüssigkeitskühlkreislauf mindestens einer anderen Fahrzeugkomponente angeschlossen. Über diesen Anschluss kann dem Fahrmotor zusätzlich zur Luftkühlung die zur Verfügung stehende Kühlleistung des Flüssigkeitskreislaufs zugeschaltet werden. Dies kann variabel erfolgen, d. h. die Kühlleistung des Flüssigkeitskreislaufs wird nur in dem Maß zugeschaltet, wie sie anhand vorgegebener Kriterien vom Fahrmotor benötigt wird. Die Zuschaltung der Kühlleistung kann aber auch einfach dadurch erfolgen, dass die gesamte zur Verfügung stehende Kühlleistung des Flüssigkeitskreislaufs dem Fahrmotorkühlkreislauf entweder zugeschaltet wird oder nicht.
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Der Fahrmotor selbst braucht wegen der Mitnutzung eines bestehenden Flüssigkeitskühlkreislaufs einer anderen Fahrzeugkomponente nicht über einen eigenen, in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlkreislauf mit allen zugehörigen Komponenten wie z. B. einem Rückkühler zu verfügen. Diese werden von dem Flüssigkeitskühlkreislauf der anderen Fahrzeugkomponente geliefert. Dies ist natürlich nur in dem Maße möglich, wie der Flüssigkeitskühlkreislauf der anderen Fahrzeugkomponente entsprechende Kühlleistungsreserven aufweist, d. h., nur dann, wenn die zusätzliche Fahrzeugkomponente weniger Kühlleistung benötigt, als der Gesamtkühlleistung des Flüssigkeitskühlkreislaufs entspricht. Der Fahrmotor kann jedoch trotzdem auch über einen eigenen Flüssigkeitskühlkreislauf verfügen, der entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.
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Erfindungsgemäß ergibt sich die Gesamtkühlleistung der Vorrichtung als Summe aus Kühlleistung durch Luftkühlung und Kühlleistung durch Flüssigkeitskühlung. Die Kühlleistung durch Flüssigkeitskühlung teilt sich wiederum auf in die Kühlleistung für den Fahrmotor und die Kühlleistung für die mindestens eine weitere Fahrzeugkomponente.
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Im Bereich niederer Fahrmotor-Drehzahlen steht dem Fahrmotor nur eine entsprechend niedrige Kühlleistung durch Eigenbelüftung zur Verfügung. Bei hohen Drehzahlen wiederum reicht die Kühlung durch Eigenbelüftung aus, so dass keine zusätzliche Flüssigkeitskühlung für den Fahrmotor erforderlich ist.
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Die Kühlleistung durch Eigenbelüftung ist also so dimensioniert, dass der Fahrmotor ab einer bestimmten Drehzahl allein durch die Luftkühlung ausreichend gekühlt wird. In diesem Drehzahlbereich steht der Flüssigkeitskühlkreislauf somit ausschließlich der weiteren Fahrzeugkomponente zur Verfügung.
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Weiterhin muss die Kühlleistung des Flüssigkeitskühlkreislaufs gewährleisten, dass bei Fahrmotor-Drehzahlen, die unterhalb einer ausreichenden Kühlung durch Eigenbelüftung liegen, allein durch die Flüssigkeitskühlung, bzw. durch das Zusammenwirken zwischen Flüssigkeits- und drehzahlabhängiger Luftkühlung, eine ausreichende Kühlung des Fahrmotors erreicht wird. Bei geringen Drehzahlen, bei denen nahezu keine wirkungsvolle Kühlung des Fahrmotors durch Eigenbelüftung erfolgt, muss deshalb praktisch die gesamte Fahrmotor-Kühlleistung von der Flüssigkeitskühlung aufgebracht werden. Sie kann deshalb nur dann von einem gemeinsamen Kühlkreislauf von Fahrmotor und Fahrzeugkomponenten aufgebracht werden, wenn die Fahrzeugkomponenten bei niedrigen Drehzahlen des Fahrmotors selbst keine oder nur eine geringe Kühlleistung benötigen.
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Durch die Zusammenfassung der Flüssigkeitskühlkreisläufe von Fahrmotor und mindestens einer Fahrzeugkomponente, erreicht man eine optimale Kühlung des Fahrmotors auch bei geringen Drehzahlen, bei gleichzeitig kompakter Bauweise.
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Als Fahrzeuge kommen alle elektrisch angetriebenen Fahrzeuge in Betracht, also z. B. Schienenfahrzeuge wie Triebzüge, Lokomotiven, Straßenbahnen, etc; weiterhin Busse, PKW, LKW usw.
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Anspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte Ausgestaltung des Anspruchs 1.
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Bei geringen Drehzahlen des Fahrmotors ist die bei maximaler Zug-/Bremskraft im Transformator entstehende elektrische Verlustleistung wesentlich geringer als bei hohen Drehzahlen. Der Flüssigkeitskühlkreislauf des Transformators bietet daher eine entsprechende Kühlleistungsreserve, die vom Fahrmotor genutzt werden kann. Die Verluste im Stromrichter bei maximaler Zug-/Bremskraft sind ebenfalls von der Drehzahl abhängig, so dass bei bestimmten Drehzahlbereichen Kühlleistungsreserven des Stromrichter-Flüssigkeitskühlkreislaufs vorhanden sind. Gemäß Anspruch 2 werden die Kühlleistungsreserven der Flüssigkeitskühlkreisläufe dieser Fahrzeugkomponenten genutzt, um den Fahrmotor zu kühlen. Hierbei ist es möglich, dass der Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors beispielsweise an den Transformatorkühlkreislauf allein angeschlossen wird. Weiterhin kann auch der Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors an den Stromrichterkühlkreislauf allein angeschlossen werden. Der Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors kann aber auch sowohl mit dem Flüssigkeitskühlkreislauf des Transformators als auch mit dem Flüssigkeitskühlkreislauf des Stromrichters zusammengeschaltet werden. So können die Leistungsreserven beider Kühlvorrichtungen für die zusätzliche Flüssigkeitskühlung des Fahrmotors ausgeschöpft werden.
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Gemäß Anspruch 3 sorgt die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine vorteilhafte Kopplung eines flüssigkeitsgekühlten Transformator-Kühlkreislaufs an den Fahrmotor-Kühlkreislauf. Wenn der Flüssigkeitskühlkreislauf des Transformators auch zur Fahrmotorkühlung benutzt würde, wäre der Aufwand bei einem Fahrmotoraustausch erhöht, da nach einem Öffnen des Flüssigkeitskühlkreislauf des Transformators wieder gewährleistet werden muss, dass sich vor der erneuten Inbetriebnahme keine Luftblasen im Flüssigkeitskühlkreislauf des Transformators befinden. Deshalb ist es vorteilhaft, die beiden Kühlkreisläufe über einen Wärmetauscher zu koppeln. Somit bleibt der flüssigkeitsgekühlte Kreislauf des Transformators unbeeinträchtigt von Arbeiten, die am Wasser-Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors durchgeführt werden.
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Gemäß Anspruch 4 gewährleistet eine geeignete elektronische Steuerung mithilfe eines steuernden Ventils, dass das Kühlleistungsvermögen des Rückkühlers der Flüssigkeitskühlung bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit nicht überschritten wird. Das Ventil schaltet in Abhängigkeit von der ermittelten, aus dem Kühlkreislauf der Fahrzeugkomponente frei für den Fahrmotor zur Verfügung stehenden Kühlleistung den Durchfluss des Flüssigkeitsstroms im Fahrmotor.
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Anspruch 5 beschreibt ein Verfahren zum Kühlen elektrischer Fahrmotoren zum Antrieb von Schienenfahrzeugen, wobei die Fahrmotoren einen luftgekühlten Läufer und einen flüssigkeits- sowie ggf. luftgekühlten Ständer aufweisen. Erfindungsgemäß wird von einer Steuerung die freie Kühlleistung des bestehenden Flüssigkeitskühlkreislaufes ermittelt. Je nachdem, wie viel Kühlleistung von der Fahrzeugkomponente nicht benötigt wird und somit für den Fahrmotor zur Verfügung steht, wird von der Steuerung der Flüssigkeitsstrom im Fahrmotor so geregelt, dass die maximale Kühlleistungsfähigkeit des bestehenden Kühlkreislaufes nicht überschritten wird. Die Kühlleistung aus dem Flüssigkeitskühlkreislauf entspricht demnach maximal dem Anteil an der Gesamtkühlleistung des Flüssigkeitskühlkreislaufs, der nicht zum Kühlen der anderen Fahrzeugkomponente benötigt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mehrerer Figuren näher erläutert:
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1 zeigt beispielhaft einen Innenläufermotor mit wassergekühltem Ständer und durchzugbelüftetem Läufer. Weiterhin ist eine ggf. vorhandene Luftkühlung des Ständers dargestellt.
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2 zeigt beispielhaft die Verluste eines Transformators in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und somit von der Drehzahl des Fahrmotors bei maximaler Zug-/Bremskraft. Bei niedrigen Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten sind die Trafoverluste gering und steigen bei hohen Drehzahlen auf einen Maximalwert an. Je höher die Verluste sind, desto größer ist die durch die Verluste erzeugte Wärme, die durch das Transformatorkühlsystem abgeführt werden muss.
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Das Transformatorkühlsystem muss in der Lage sein, die maximal anfallende Verlustwärme abzuführen. Bei niedrigen Drehzahlen steht demnach entsprechend viel Kühlleistungsreserve zur Verfügung.
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3 zeigt beispielhaft die Verluste eines elektrischen Fahrmotors in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und somit von der Drehzahl des Fahrmotors. Auch hier muss die durch die Verluste erzeugte Wärme abgeführt werden. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Verluste wesentlich größer als bei höheren Drehzahlen.
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4 zeigt beispielhaft eine Darstellung der Kühlleistung des Kühlluftstroms durch Eigenbelüftung bei einem Fahrmotor, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und somit von der Drehzahl des Fahrmotors. Die Kühlleistung steigt mit der Drehzahl.
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Die 5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen elektrischer Fahrmotoren zum Antrieb von Schienenfahrzeugen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Fahrmotoren einen luftgekühlten Läufer (2) und einen flüssigkeits- und ggf. luftgekühlten Ständer auf (1, s. 1). Der Läufer (2) des elektrischen Fahrmotors ist durchzugbelüftet, d. h., er weist Läuferdurchtritte (7) auf, durch die Umgebungsluft zur Kühlung des Läufers (2) durchgeleitet wird. Weiterhin sorgen ein oder mehrere, vorzugsweise auf der Motorwelle (8) montierte Ventilatoren (6) dafür, dass Luft durch die Durchtritte in Läufer und ggf. im Ständer (7) gesaugt bzw. geblasen wird. Durch die Luftkühlung wird auch der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer gekühlt.
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Der Ständer (1) des Fahrmotors ist flüssigkeits- und ggf. luftgekühlt. Das Kühlmittel zirkuliert mithilfe von Kühlkanälen (3) auf dem Ständer. Bei zusätzlich vorhandener Luftkühlung wird die Kühlluft durch das Ständerblechpaket geführt. Die Verlustleistung eines Fahrmotors in Abhängigkeit von dessen Drehzahl ist in 3 qualitativ dargestellt. Da die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs proportional zur Drehzahl des Fahrmotors ist, zeigt diese Darstellung auch die Verlustleistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Die durch die Verluste erzeugte Wärme muss abgeführt werden. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Verluste größer als bei höheren Drehzahlen. Deshalb ist es vorteilhaft, auch bei geringen Drehzahlen eine entsprechend hohe Kühlleistung zu erreichen.
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In 4 ist gezeigt, welche Kühlleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl bei Eigenbelüftung für den Fahrmotor erreicht werden kann. Im Bereich niederer Fahrmotor-Drehzahlen steht dem Fahrmotor nur eine entsprechend niedrige Kühlleistung durch Eigenbelüftung zur Verfügung. Bei hohen Drehzahlen wiederum reicht die Kühlung durch Eigenbelüftung aus, so dass keine zusätzliche Flüssigkeitskühlung für den Fahrmotor erforderlich ist.
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Bei reiner Luftkühlung kann die erforderliche Kühlung im niederen Drehzahlbereich nicht gewährleistet werden.
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Der Flüssigkeitskühlkreislauf des Fahrmotors ist deshalb – wie in 5 dargestellt – erfindungsgemäß über ein Ventil, z. B. ein Magnetventil (11) an den bestehenden Flüssigkeitskühlkreislauf (12) des Transformators angeschlossen. Über diesen Anschluss kann dem Fahrmotor zusätzlich zur Luftkühlung die zur Verfügung stehende Kühlleistung des Transformator-Flüssigkeitskreislaufs (12) zugeschaltet werden.
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Da vom Transformator bei niedrigen Drehzahlen weniger Verlustwärme abgeführt werden muss als bei hohen Drehzahlen, kann die resultierende Kühlreserve des Rückkühlers der Transformator-Flüssigkeitskühlung (12) vom Fahrmotor genutzt werden. Dies erfolgt dadurch, dass die freie zur Verfügung stehende Kühlleistung des Transformator-Flüssigkeitskreislaufs (12) dem Fahrmotorkühlkreislauf zugeschaltet wird, sobald die Kühlreserve des Rückkühlers der Transformator-Flüssigkeitskühlung (12) dies zulässt.
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Die Höhe der zur Verfügung stehenden freien Kühlleistung ergibt sich aus den fahrzeugspezifischen Verlust-Kennlinien der Traktionskomponenten (siehe 2 bis 4) und wird durch eine geeignete elektronische Steuerung ermittelt. Diese steuert ein Ventil (11) so, dass das Kühlleistungsvermögen des Rückkühlers der Flüssigkeitskühlung (12) bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit nicht überschritten wird.
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Der Fahrmotor selbst verfügt im Ausführungsbeispiel wegen der Mitnutzung des bestehenden Transformator-Flüssigkeitskühlkreislaufs (12) nicht über einen eigenen, in sich geschlossenen Flüssigkeitskühlkreislauf mit allen zugehörigen Komponenten wie z. B. einem eigenen Rückkühler.
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Die Kühlleistung durch Eigenbelüftung ist so dimensioniert, dass der Fahrmotor ab einer bestimmten Drehzahl allein durch die Luftkühlung ausreichend gekühlt wird. In diesem Drehzahlbereich steht der Flüssigkeitskühlkreislauf (12) somit ausschließlich der weiteren Fahrzeugkomponente zur Verfügung.
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Weiterhin gewährleistet die Kühlleistung des Transformator-Flüssigkeitskühlkreislaufs (12), dass bei Fahrmotor-Drehzahlen, die unterhalb einer ausreichenden Kühlung durch Eigenbelüftung liegen, allein durch die Flüssigkeitskühlung (12), bzw. durch das Zusammenwirken zwischen Flüssigkeits- und drehzahlabhängiger Luftkühlung, eine ausreichende Kühlung des Fahrmotors erreicht wird. Bei geringen Drehzahlen, bei denen nahezu keine wirkungsvolle Kühlung des Fahrmotors durch Eigenbelüftung erfolgt, wird deshalb praktisch die gesamte Fahrmotor-Kühlleistung von der Flüssigkeitskühlung (12) aufgebracht.
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Auch wenn das Fahrzeug aus irgend welchen Gründen überhitzt zum Stehen kommen würde, wäre es durch die Flüssigkeitskühlung (12) des Fahrmotors möglich, die Standzeit im Vergleich zu einem rein luftgekühlten Motor erheblich zu verkürzen.
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Durch die Zusammenfassung der Flüssigkeitskühlkreisläufe von Fahrmotor und mindestens einer Fahrzeugkomponente, erreicht man eine optimale Kühlung des Fahrmotors auch bei geringen Drehzahlen, bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Dies beeinflusst auch die Lebensdauer des Fahrmotors in günstiger Weise.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Ständer
- 2.
- Läufer
- 3.
- Kühlkanäle für Wasserkühlung
- 4.
- Kühlwasserzufluss
- 5.
- Kühlwasserabfluss
- 6.
- Lüfterrad
- 7.
- Läuferdurchtritt für Luftkühlung
- 8.
- Welle
- 9.
- Kühllufteintritt/-austritt (je nach Luftrichtung)
- 10.
- Kühlluftaustritt/-eintritt (je nach Luftrichtung)
- 11.
- Magnetventil
- 12.
- Trafo-Kühlkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0623988 A2 [0004]
- DE 10122425 B4 [0007, 0008]
