-
Die Erfindung betrifft ein Schienenrad nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass Schienenräder typischerweise einen Radkranz aufweisen und dass dieser Radkranz über eine sogenannte Radscheibe aufgenommen und mit einer Radnabe verbunden ist. Das Schienenrad dreht sich dann um eine Achse. Insbesondere für den Einsatz im Bereich von Schienenfahrzeugen im Nahverkehr ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik außerdem bekannt, eine elektrische Antriebsmaschine unmittelbar in das Schienenrad zu integrieren. Derartige elektrische Antriebsmaschinen sind als Asynchronmaschinen ausgebildet und werden typischerweise zwischen einer Radachse und der Radscheibe, welche den Radkranz trägt, angeordnet. Über eine solche elektrische Antriebsmaschine kann das Schienenrad gegenüber der drehfest, beispielsweise in einem Drehgestell aufgenommenen Radachse, angetrieben werden.
-
Der Aufbau ist dabei vergleichsweise empfindlich gegenüber Bewegungen zwischen einem Rotor und einem Stator der Asynchronmaschine, da hierdurch eine nachteilige Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften der Asynchronmaschine auftritt. Der Aufbau zur Lagerung des Rotors auf dem Stator muss also entsprechend starr und damit groß, teuer und sehr schwer ausgeführt werden, um eine sichere Funktionalität zu gewährleisten. Ein schwerer Aufbau hat darüber hinaus immer den Nachteil, dass er hinsichtlich des Energiebedarfs ungünstig ist.
-
Ein weiterer Nachteil bei diesem Aufbau besteht darin, dass typischerweise sowohl der Rotor als auch der Stator gekühlt werden müssen. Hierfür ist die Zuführung von Kühlmedium notwendig. Ein flüssiges Kühlmedium, welches eine sehr gute Kühlung gewährleistet, muss dann über Drehdurchführungen außerordentlich aufwändig transportiert werden. Die Kühlung mit einem gasförmigen Medium, welches die Bauteile umströmt, ist konstruktiv einfacher zu lösen, benötigt jedoch zur Gasführung aufgrund der benötigten hohen Volumenströme zum Erreichen der notwendigen Kühlleistung sehr viel Bauraum.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Schienenrad mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und welches einen einfachen und effizienten Aufbau ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Schienenrad ist es vorgesehen, dass die elektrische Antriebsmaschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Ein solcher Einsatz einer permanenterregten Synchronmaschine ermöglicht einen sehr viel einfacheren Aufbau der elektrischen Antriebsmaschine und erlaubt durch eine gewisse Toleranzfestigkeit der permanenterregten Synchronmaschine gegenüber einer Änderung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator einen deutlich einfacheren Aufbau der Lagerung des Schienenrads mit den entsprechenden Vorteilen bei Kosten, Gewicht und Bauraum.
-
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schienenrads ist es dabei vorgesehen, dass die permanenterregte Synchronmaschine als Außenläufer ausgebildet ist, mit einem drehfest auf der Radachse angeordneten Stator und einem um die Radachse und den Stator umlaufenden Rotor. Insbesondere eine solche Ausbildung der permanenterregten Synchronmaschine als sogenannter Außenläufer ist besonders einfach und erlaubt einen sehr kompakten Aufbau. Der Rotor mit dem Permanentmagneten kann als umlaufendes Bauteil ausgebildet werden, welches über die in diesem Fall kreisringförmige Radscheibe mit dem Radkranz verbunden wird. Dieser Aufbau wird dann über dem drehfest auf der Radachse angeordneten Stator angeordnet und über eine Lagerung des Rotors gegenüber der Radachse drehbar aufgenommen. Hierdurch entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher einen sehr guten Antrieb des Schienenrads mit hoher Funktionalität gewährleistet.
-
In einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass der Rotor der permanenterregten Synchronmaschine eine zylindrische Hülse aufweist, in welche innen die Permanentmagnete eingebracht sind, und auf welche außen die Radscheibe montiert ist. Dieser Aufbau mit einer Hülse, welche innen die Permanentmagnete aufnimmt und welche außen zur Aufnahme der Radscheibe geeignet ist, stellt einen in der Herstellung und Montage sehr einfachen und zuverlässigen Aufbau bereit. Insbesondere können die Permanentmagnete dabei in die Hülse eingepresst werden, was zusätzliche Bauteile zur Befestigung der Permanentmagnete und den damit verbundenen Aufwand hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und der Montage einspart. Der Aufbau lässt sich hierdurch sehr effizient und leicht realisieren.
-
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schienenrads ist es ferner vorgesehen, dass die permanenterregte Synchronmaschine mittels eines Fluids, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, aktiv gekühlt ist, wobei das Fluid ausschließlich den Stator der permanenterregten Synchronmaschine kühlt. Durch den speziellen Aufbau der permanenterregten Synchronmaschine, und dies gilt insbesondere wenn diese als Außenläufer realisiert ist, wird erreicht, dass der größte Teil der anfallenden Abwärme im Bereich des Stators selbst auftritt. Es reicht daher aus, den Stator entsprechend zu kühlen, um den Wärmeeintrag in Richtung des Schienenrads, und dies ist insbesondere bei Schienenrädern von Interesse, bei welchen der Radkranz über ein Gummielement an der Radscheibe angeordnet ist, entsprechend zu kühlen. Die Kühlung kann somit sehr effizient ausgeführt werden, da keinerlei Drehdurchführungen für das Kühlfluid notwendig sind. Eventuelle Undichtheiten können somit zuverlässig verhindert werden, was die Kühlung insbesondere für die Verwendung eines flüssigen Fluids als Kühlmedium prädestiniert. Hierdurch wird die Kühlleistung entsprechend verbessert und ein Wärmeeintrag in den Bereich des Radkranzes und der Radscheibe, insbesondere in das Gummielement, wird weitgehend verhindert.
-
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es bei dem erfindungsgemäßen Schienenrad des weiteren vorgesehen sein, dass das Fluid in dem Bereich des Stators über eine Bohrung zugeführt wird, wobei zentral in der Bohrung eine Rohrleitung angeordnet ist, welche lediglich auf der der Zufuhr des Fluids abgewandten Seite wenigstens eine mit der Bohrung korrespondierende Öffnung aufweist. Dieser Aufbau gewährleistet eine sehr einfache und effiziente Kühlung des Stators über die Bohrung, welche beispielsweise zentral in der Radachse angeordnet sein kann, auf welcher der Stator drehfest aufgenommen ist. Über die Bohrung kann dann das Kühlfluid, insbesondere eine Flüssigkeit, einströmen und strömt zur Aufnahme von Wärme entlang der äußeren Zylinderfläche in dieser Bohrung in axialer Richtung durch die Bohrung. Durch die zentral in der Bohrung angeordnete Rohrleitung, welche lediglich auf der der Zufuhr des Fluids abgewandten Seite wenigstens eine Öffnung aufweist, kann das so erwärmte Kühlfluid dann wieder zurückströmen und kann auf derselben Seite, auf welcher es zugeführt worden ist, auch wieder abgeführt werden. Hierdurch entsteht ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher Anschlüsse für das Kühlfluid lediglich auf einer einzigen Seite aufweist und daher hinsichtlich der Montage und der Wartung besonders freundlich ist.
-
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schienenrads ist es ferner vorgesehen, dass zwischen einer Lagerung des Rotors gegenüber der Radachse und dem Bereich des Stators, sowie insbesondere auch gegenüber der Umgebung der Lagerung, Labyrinthdichtungen angeordnet sind. Der Bereich der Lagerung ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau über Labyrinthdichtungen zumindest gegenüber dem Bereich des Stators sicher und zuverlässig abgedichtet. Hierdurch wird eine Schmierung der Lagerung möglich, ohne dass Schmiermittel in den Bereich des Stators eindringt und dessen elektrische Funktionalität beeinträchtigt. Ferner ist es möglich, eine vergleichbare Abdichtung auch gegenüber der Umgebung vorzunehmen und so den Austritt von Schmiermedium aus dem Bereich der Lagerung an die Umgebung, in den Bereich des Drehgestells oder dergleichen, sicher und zuverlässig zu verhindern.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schienenrads ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines konkretisierten Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
-
Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht eines Schienenrads in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
-
2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II in 1.
-
In der Darstellung der 1 ist ein Schienenrad 1 in einer Seitenansicht zu erkennen. Es besteht von außen nach innen gesehen aus einem sogenannten Radkranz 2, welcher das Schienenrad 1 an seinem Außenumfang abschließt und die Lauffläche des Schienenrads aufweist. Über eine Radscheibe 3 ist dieser Radkranz 2 in später noch näher beschriebener Art und Weise mit einer elektrischen Antriebsmaschine 4, welche als permanenterregte Synchronmaschine 4 ausgebildet sein soll, und welche in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen ist, mit einer Radachse 5 verbunden. Diese Radachse 5 ist in einem hier nicht dargestellten Drehgestell eines Schienenfahrzeugs drehfest aufgenommen. Zur Kühlung der permanenterregten Synchronmaschine 4 wird ein Kühlfluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, zugeführt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich dabei insbesondere um eine Flüssigkeit als Kühlmedium handeln. Diese Kühlflüssigkeit wird über Anschlusselemente 6 der Radachse 5 zur Kühlung der permanenterregten Synchronmaschine 4 zu- und wieder abgeführt.
-
Der Aufbau des gesamten Schienenrads 1 ist dabei in der Schnittdarstellung der 2 detailliert zu erkennen. Im Zentrum steht dabei die Radachse 5, welche in nicht näher bezeichneter, aber an sich bekannter Art und Weise drehfest in einem Drehgestell eines Schienenfahrzeugs aufgenommen ist. Um die Radachse 5 umlaufend ist der Radkranz 2 mit der Radscheibe 3 angeordnet. Die Radscheibe 3 umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Teilelemente 3.1, 3.2, zwischen welchen ein im Querschnitt U-förmig beziehungsweise trapezförmig ausgebildetes Gummielement 7 angeordnet ist. Dieser Aufbau ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise wird eines der Teilelemente 3.1, 3.2 der Radscheibe 3 montiert, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise indem das Teilelement 3.1 auf eine Hülse 8 in der Darstellung der 2 von links aufgepresst wird. Dann wird der Radkranz 2 mit daran angebrachtem Gummielement 7 ebenfalls von links her positioniert und die Radscheibe 3 durch die Montage des zweiten Teilelements 3.2 komplettiert. Auch dieses kann beispielsweise aufgepresst oder mit der Hülse 8 beziehungsweise dem ersten Teilelement 3.1 der Radscheibe 3 verschraubt sein oder dergleichen.
-
Innerhalb der Hülse 8 befindet sich die permanenterregte Synchronmaschine 4. Diese umfasst einen Stator 9 mit seinen hier nur angedeuteten elektrischen Wicklungen. Dieser Stator 9 ist drehfest auf dem Außendurchmesser der Radachse 5 montiert. Umlaufend um diesen Stator 9 ist der Rotor 10 der permanenterregten Synchronmaschine 4 angeordnet. Dieser besteht im Wesentlichen aus der bereits angesprochenen Hülse 8, in welche einzelne Permanentmagnete 11 eingebracht, insbesondere eingepresst sind. Diese sind in der Darstellung der 2 dabei nur teilweise mit einem Bezugszeichen versehen. Zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 9 beziehungsweise dem Permanentmagneten 11 des Rotors 10 und dem Stator 9 bildet sich dann der Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine 4 aus.
-
Der Rotor 10 ist drehbar sowohl um den Stator 9 als auch um die Radachse 5 angeordnet und über eine Lagerung 12, 13 auf der Radachse 5 gelagert. Bei der permanenterregten Synchronmaschine 4 muss zum Antrieb derselben im motorischen Betrieb lediglich der Stator 9 mit elektrischer Leistung versorgt werden. Dies erfolgt über prinzipmäßig angedeutete Anschlussklemmen 14, welchen über angedeutete Kanäle 15 für Kabel die elektrische Leistung zugeführt wird. Die elektrische Leistung wird dabei in dem Stator 9 in an sich bekannter Art und Weise eingesetzt, um den Rotor 10 im motorischen Betrieb zu bewegen. Selbstverständlich ist auch ein generatorischer Betrieb möglich. In diesem Fall wird durch die Bewegung des Rotors 10 gegenüber dem Stator 9 elektrische Leistung im Bereich des Stators 9 erzeugt und kann beispielsweise in eine Energiespeichereinrichtung oder ein elektrisches Netz abgeführt werden.
-
Im Bereich der permanenterregten Synchronmaschine 4, und hier insbesondere im Bereich des Stators 9, entsteht dabei aufgrund der unvermeidlichen ohmschen Verluste in den Wicklungen des Stators 9 Abwärme. Diese muss abgeführt werden, um eine übermäßige Erhitzung des Schienenrads 1, und hier insbesondere des Gummielements 7 zwischen der Radscheibe 3 und dem Radkranz 2, sicher und zuverlässig zu vermeiden. Zur Kühlung des Stators 9 ist deshalb eine zentrale Bohrung 16 in der Radachse 5 vorgesehen. Dieser Bohrung 16 wird, wie eingangs bereits erläutert, eine Kühlflüssigkeit über die Anschlusselemente 6 zugeführt und über ein weiteres Anschlusselement 6 wieder abgeführt. In der Darstellung der 2 ist dabei nur eines der Anschlusselemente 6 zu erkennen. Die zugeführte Kühlflüssigkeit strömt vorzugsweise, wie durch die Pfeile angedeutet, entlang der äußeren Kontur der zentralen Bohrung 16 und nimmt einen Großteil der in der permanenterregten Synchronmaschine 4 anfallenden Abwärme auf. Durch ein zentrales Rohr 17 in der Bohrung 16, welches lediglich auf der dem Anschluss 6 abgewandten Seite eine mit der Bohrung 16 korrespondierende Öffnung 18 aufweist, strömt die Kühlflüssigkeit, nachdem sie die Wärme aufgenommen hat, wieder zurück und wird durch den zweiten Anschluss 6 aus dem Bereich des Schienenrads 1 wieder abgeführt. Hierdurch entsteht sehr einfach und effizient die Möglichkeit, den größten Teil der in der permanenterregten Synchronmaschine 4 anfallenden Abwärme sicher und zuverlässig auf die Kühlflüssigkeit zu übertragen und hierdurch einen unerwünscht hohen Wärmeeintrag insbesondere in den Bereich des Gummielements 7 sicher und zuverlässig zu vermeiden. Eine Kühlung des Rotors 10 ist dazu nicht notwendig. Die den Rotor 10 umströmende Luft reicht zur Kühlung aus.
-
Zwischen der Lagerung 12, 13 und dem Stator 9 beziehungsweise seinen elektrischen Wicklungen sind jeweils Labyrinthdichtungen 19 angeordnet, welche für eine sichere und zuverlässige Abdichtung der Lagerung 12, 13 gegenüber dem Stator 9 sorgen.
-
Über weitere Labyrinthdichtungen 20 kann der Bereich der Lagerungen 12, 13 außerdem gegenüber der Umgebung abgedichtet sein. Die Labyrinthdichtungen 19 zwischen der Lagerung 12, 13 und dem Stator 9 weisen dabei mehr Lamellen auf, als die Labyrinthdichtungen 20 zwischen der Lagerung 12, 13 und der Umgebung. Dies gewährleistet, dass in jedem Fall eine sichere und zuverlässige Abdichtung der Lagerung 12, 13 gegenüber dem Stator 9 erfolgt und dass eventuelle Leckagen typischerweise erst in Richtung der Umgebung auftreten und nicht in Richtung des Stators 9. Hierdurch wird erreicht, dass der Stator 9 sicher und zuverlässig vor dem im Bereich der Lagerung 12, 13 befindlichen Schmiermedium geschützt wird. Dies stellt die sichere und zuverlässige Funktionalität der permanenterregten Synchronmaschine 4 bei der Möglichkeit einer sehr guten Schmierung der Lagerung 12, 13 sicher.
