DE102020210211A1

DE102020210211A1 - Anordnung mit Hohlwellenmotor

Info

Publication number: DE102020210211A1
Application number: DE102020210211.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Adam; Peter Seitz
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US20230211812A1; EP4143070B1; WO2022033989A1; EP4143070C0; EP4143070A1; US11845474B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf eine Anordnung (5) mit zumindest einem elektrischen Hohlwellenmotor (10), durch dessen hohlen Rotor (12) eine Welle (20) hindurch verläuft, wobei der Rotor (12) von der Welle (20) zumindest abschnittsweise durch einen radialen Luftspalt (50) getrennt ist, der ein mechanisches Spiel zwischen der Welle (20) und dem Rotor (12) gewährleistet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Bereich des radialen Luftspalts (50) zwischen dem Rotor (12) und der Welle (20) ein Schutzmaterial angeordnet ist, das im Falle eines Versagens einer Motorbefestigung (14) des Hohlwellenmotors (10) und einem nachfolgenden Abstützen des Rotors (12) auf der Welle (20) den Rotor (12) von der Welle (20) trennt, wobei das Schutzmaterial weicher als das Material der Welle (20) und weicher als zumindest ein Material des Rotors (12) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen mit zumindest einem elektrischen Hohlwellenmotor, durch dessen hohlen Rotor eine Welle hindurch verläuft, wobei der Rotor von der Welle zumindest abschnittsweise durch einen radialen Luftspalt getrennt ist, der ein mechanisches Spiel zwischen der Welle und dem Rotor gewährleistet.
Hohlwellenmotoren können beispielsweise in Fahrzeugen, wie Schienenfahrzeugen, als Antriebsmotoren eingesetzt werden. Durch den Hohlwellenmotor erstreckt sich in diesem Falle vorzugsweise eine Radsatzwelle des Fahrzeugs. Der Hohlwellenmotor wird mittels einer Motorbefestigung von der Radsatzwelle radial beabstandet gehalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der beschriebenen Art anzugeben, bei der im Falle eines Versagens der Motorbefestigung des Hohlwellenmotors die Unfallgefahr und insbesondere die Gefahr von Personenschäden reduziert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich des radialen Luftspalts zwischen dem Rotor und der Welle ein Schutzmaterial angeordnet ist, das im Falle eines Versagens der Motorbefestigung des Hohlwellenmotors und einem nachfolgenden Abstützen des Rotors auf der Welle den Rotor von der Welle trennt, wobei das Schutzmaterial weicher als das Material der Welle und weicher als zumindest ein Material des Rotors ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, dass im Falle des etwaigen Versagens der Motorbefestigung der Rotor des Hohlwellenmotors nicht unmittelbar auf die darin geführte Welle fallen kann, da das erfindungsgemäß vorgesehene weiche Schutzmaterial Welle und Rotor getrennt hält.
Die Welle ist vorzugsweise eine Radsatzwelle eines Fahrzeugs.
Vorteilhaft ist es, wenn das Schutzmaterial zumindest einen Schutzring oder zumindest ein Schutzrohr bildet, der oder das auf der Innenseite des hohlen Rotors angeordnet ist, einen kleineren Innendurchmesser als der Rotor aufweist und im Falle eines Versagens einer den Hohlwellenmotor haltenden Motorbefestigung auf der Welle aufliegt oder auf der Außenseite der Welle angeordnet ist, einen größeren Außendurchmesser als die Welle aufweist und im Falle eines Versagens der Motorbefestigung den Rotor abstützt.
Bei einer als besonders vorteilhaft angesehenen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schutzmaterial zumindest zwei Schutzringe bildet, die jeweils auf der Innenseite des hohlen Rotors angeordnet sind, einen kleineren Innendurchmesser als der Rotor aufweisen und axial zueinander beabstandet sind, wobei einer der Schutzringe im Bereich des einen axialen Endes des Rotors und der andere Schutzring im Bereich des anderen axialen Endes des Rotors angeordnet ist.
Die zwei axial beabstandeten Schutzringe bestehen vorzugsweise aus unterschiedlich harten Materialien.
Ein radial innenliegendes Rotorrohr kann in vorteilhafter Weise zwischen den zwei axial beabstandeten Schutzringen angeordnet sein und wird vorzugsweise von zumindest einem der Schutzringe axial fixiert. Das innenliegendes Rotorrohr kann Hohlräume im Rotor von der Welle abschirmen.
Der Rotor umfasst vorzugsweise eisenhaltige Blechpakete; das Schutzmaterial ist in diesem Falle vorzugsweise weicher als das Material der eisenhaltigen Blechpakete.
Der oder die Schutzringe und/oder das Schutzrohr können als separate Teile auf der Innenfläche des Rotors oder der Außenfläche der Welle montiert sein; alternativ oder zusätzlich können sie auf der Innenfläche des Rotors oder der Außenfläche der Welle durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht sein.
Das Schutzmaterial ist vorzugsweise eisenfrei.
Vorteilhaft ist es, wenn das Schutzmaterial Aluminium, Kupfer Gummi, zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, und/oder Naturkautschuk aufweist oder daraus besteht.
Das Schutzmaterial weist vorzugsweise eine Streckgrenze von maximal 200 N/mm² auf.
Der Hohlwellenmotor wird vorzugsweise von einem Fahrgestell oder Rahmen eines Fahrzeugs gehalten; die Welle wird vorzugsweise mittels an dem Fahrgestell oder dem Rahmen angebrachter Lager drehbar gelagert.
Der Rotor ist vorzugsweise an einem seiner beiden Rotorenden mittels einer axial und/oder radial beweglichen, drehfesten Verbindungseinrichtung mit der Welle drehfest verbunden, wobei die Verbindungseinrichtung eine relative axiale und/oder radiale Relativbewegung zwischen dem Rotorende und der Welle ermöglicht.
Ein der Verbindungseinrichtung naher Schutzring ist vorzugsweise weicher als ein der Verbindungseinrichtung ferner Schutzring, weil die mechanische Belastung des nahen Schutzringes im Falle eines Versagens der Motorbefestigung kleiner als die des fernen Schutzringes ist.
Bei einer anderen als sehr vorteilhaft angesehenen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schutzmaterial zumindest zwei Schutzringe bildet, die jeweils auf der Außenseite der Welle angeordnet sind, einen größeren Außendurchmesser als die Welle aufweisen und axial zueinander beabstandet sind, wobei einer der Schutzringe im Bereich des einen axialen Endes des Rotors und der andere Schutzring im Bereich des anderen axialen Endes des Rotors auf der Welle angebracht ist.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Fahrzeug. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeug mit mindestens einer Anordnung wie oben beschrieben ausgestattet ist.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch über Stromabnehmer fremdgespeistes Schienenfahrzeug, ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug, ein mit Brennstoffzellen ausgestattetes Schienenfahrzeug oder ein hybrides Schienenfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:

1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, die einen Bestandteil eines nicht weiter gezeigten Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, bildet, wobei ein Hohlwellenmotor von einer Motorbefestigung in seiner Normallage gehalten wird,
2 die Anordnung gemäß 1 im Falle eines Versagens der Motorbefestigung und eines Herunterfallens des Hohlwellenmotors auf eine darin geführte Radsatzwelle,
3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der Schutzmaterial ein inneres Schutzrohr bildet,
4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der ein radial innenliegendes Rotorrohr zwischen zwei axial beabstandeten Schutzringen angeordnet ist, und
5 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der Schutzringe auf der Radsatzwelle angeordnet sind.

In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung 5, die einen Bestandteil eines nicht weiter gezeigten Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, bildet. Die Anordnung 5 umfasst einen Hohlwellenmotor 10, der einen äußeren Stator 11 und einen innenliegenden, hohlen Rotor 12 aufweist.
Der Rotor 12 umfasst eisenhaltige Blechpakete, die während des Betriebs des Hohlwellenmotors 10 von Magnetfeldern, die vom Stator 11 erzeugt werden, durchsetzt werden.
Der Stator 11 wird von einem Gehäuse 13 des Hohlwellenmotors 10 gehalten, das wiederum von einer nur angedeuteten Motorbefestigung 14 an einem nicht weiter gezeigten Fahrgestell oder Rahmen des Fahrzeugs gehalten wird.
Durch den innen hohlen Rotor 12 erstreckt sich eine Radsatzwelle 20, an deren Wellenenden jeweils ein Fahrzeugrad 30 des Fahrzeugs angebracht ist. Die Radsatzwelle 20 wird am Fahrgestell oder Rahmen des Fahrzeugs mittels Lager drehbar gelagert, die aus Gründen der Übersicht in der 1 ebenfalls nicht gezeigt sind.
Der Rotor 12 ist drehfest mit der Radsatzwelle 20 mittels einer Verbindungseinrichtung 40 verbunden, die vorzugsweise axial und radial beweglich ist und eine gewisse axiale und radiale Relativbewegung zwischen dem Rotor 12 und der Radsatzwelle 20 ermöglicht, beispielsweise um Schwingungen der Radsatzwelle 20 während der Fahrt aufnehmen zu können.
Durch die Motorbefestigung 14 wird der Hohlwellenmotor 10 und damit auch der Rotor 12 von der Radsatzwelle 20 unter Bildung eines radialen Luftspaltes 50 getrennt gehalten. In dem Luftspalt 50 befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zwei Schutzringe 60 und 70, die an der Innenseite 12a des hohlen Rotors 12 angebracht sind und einen kleineren Innendurchmesser als der Rotor 12 aufweisen. Die Funktion der Schutzringe 60 und 70 besteht darin, ein Schutzmaterial zu bilden, das im Falle eines Versagens der Motorbefestigung 14 den Rotor 12 von der Radsatzwelle 20 getrennt hält. Kommt es nämlich zu einem Versagen der Motorbefestigung 14, so wird der Hohlwellenmotor 10 entlang der Pfeilrichtung Z nach unten fallen. Die Schutzringe 60 und 70 verhindern in diesem Falle, dass der Rotor 12 auf die Radsatzwelle 20 schlägt und diese beschädigt. Die Schutzringe 60 und 70 bestehen mit Blick auf die angesprochene Schutzwirkung aus einem Material, das weicher als das Material der vorzugsweise aus Stahl bestehenden Radsatzwelle 20 und weicher als das Material der eisenhaltigen Blechpakete des Rotors 12 ist.
Die 2 zeigt die Anordnung 5 gemäß 1 nach einem Versagen der Motorbefestigung 14. Es lässt sich erkennen, dass sich der Hohlwellenmotor 10 abgesenkt hat und sich die Schutzringe 60 und 70 auf der Radsatzwelle 20 abstützen. Der Rotor 12 bleibt durch die Schutzringe 60 und 70 von der Radsatzwelle 20 getrennt, sodass er diese nicht beschädigen kann.
Die beiden Schutzringe 60 und 70 bestehen vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Gummi oder Kautschuk. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der der Verbindungseinrichtung 40 nahe Schutzring 60 aus einem weicheren Material besteht als der der Verbindungseinrichtung 40 fernere Schutzring 70.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung, bei der ein Schutzmaterial zwischen dem Rotor 12 und der Radsatzwelle 20 angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bildet das Schutzmaterial ein Schutzrohr 80, das auf der Innenseite 12a des Rotors 12 anliegt und mit dem Rotor 12 fest verbunden ist. Das Schutzrohr 80 kann ein separates Teil sein, das in den Rotor 12 eingesetzt ist; alternativ kann das Schutzrohr 80 auch im Rahmen eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise durch Kaltgasspritzen, auf der Innenseite 12a des Rotors 12 aufgebracht worden sein.
Kommt es zu einem Versagen der Motorbefestigung 14, so trennt das Schutzrohr 80 den Rotor 12 von der Radsatzwelle 20, wie dies im Zusammenhang mit den Schutzringen 60 und 70 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 oben erläutert wurde.
Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der zwischen Rotor 12 und Radsatzwelle 20 Schutzmaterial vorhanden ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 üben die beiden Schutzringe 60 und 70 eine Doppelfunktion aus. Zum einen dienen sie dazu, wie im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert, im Falle eines Versagens der Motorbefestigung 14 den Rotor 12 von der Radsatzwelle 20 getrennt zu halten; zum anderen dienen sie dazu, ein radial innenliegendes Rotorrohr 90, das Hohlräume 91 innerhalb des Rotors 12 von der Radsatzwelle 20 trennt, axial zu fixieren. Hohlräume 91 innerhalb des Rotors 12 können in vorteilhafter Weise vorgesehen werden, um mit Blick auf ein hohes Drehmoment des Hohlwellenmotors 10 einen großen Rotordurchmesser bei möglichst geringem Gesamtgewicht zu erreichen.
Die 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der Schutzmaterial zwischen Radsatzwelle 20 und Rotor 12 vorgesehen ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 4 ist bei der Anordnung gemäß 5 das Schutzmaterial auf der Radsatzwelle 20 vorgesehen, und zwar in Form zweier Schutzringe 60 und 70, die auf der Außenseite 20a der Radsatzwelle 20 montiert sind. Bezüglich der Schutzwirkung der Schutzringe 60 und 70 gelten die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den 1 und 2 entsprechend.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

5: Anordnung
10: Hohlwellenmotor
11: Stator
12: Rotor
12a: Innenseite
13: Gehäuse
14: Motorbefestigung
20: Radsatzwelle
20a: Außenseite
30: Fahrzeugrad
40: Verbindungseinrichtung
50: Luftspalt
60: Schutzring
70: Schutzring
80: Schutzrohr
90: Rotorrohr
91: Hohlraum
Z: Pfeilrichtung

Claims

Anordnung (5) mit - zumindest einem elektrischen Hohlwellenmotor (10), durch dessen hohlen Rotor (12) eine Welle (20) hindurch verläuft, - wobei der Rotor (12) von der Welle (20) zumindest abschnittsweise durch einen radialen Luftspalt (50) getrennt ist, der ein mechanisches Spiel zwischen der Welle (20) und dem Rotor (12) gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass - im Bereich des radialen Luftspalts (50) zwischen dem Rotor (12) und der Welle (20) ein Schutzmaterial angeordnet ist, das im Falle eines Versagens einer Motorbefestigung (14) des Hohlwellenmotors (10) und einem nachfolgenden Abstützen des Rotors (12) auf der Welle (20) den Rotor (12) von der Welle (20) trennt, - wobei das Schutzmaterial weicher als das Material der Welle (20) und weicher als zumindest ein Material des Rotors (12) ist.
Anordnung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (20) eine Radsatzwelle eines Fahrzeugs ist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmaterial zumindest einen Schutzring (60, 70) oder zumindest ein Schutzrohr (80) bildet, der oder das - auf der Innenseite (12a) des hohlen Rotors (12) angeordnet ist, einen kleineren Innendurchmesser als der Rotor (12) aufweist und im Falle eines Versagens einer den Hohlwellenmotor (10) haltenden Motorbefestigung (14) auf der Welle (20) aufliegt oder - auf der Außenseite (20a) der Welle (20) angeordnet ist, einen größeren Außendurchmesser als die Welle (20) aufweist und im Falle eines Versagens der Motorbefestigung (14) den Rotor (12) abstützt.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Schutzmaterial zumindest zwei Schutzringe (60, 70) bildet, die jeweils auf der Innenseite (12a) des hohlen Rotors (12) angeordnet sind, einen kleineren Innendurchmesser als der Rotor (12) aufweisen und axial zueinander beabstandet sind, - wobei einer der Schutzringe (60, 70) im Bereich des einen axialen Endes des Rotors (12) und der andere Schutzring (60,70) im Bereich des anderen axialen Endes des Rotors (12) angeordnet ist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die zwei axial beabstandeten Schutzringe (60, 70) aus unterschiedlich harten Materialien bestehen.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial innenliegendes Rotorrohr (90) zwischen den zwei axial beabstandeten Schutzringen (60, 70) angeordnet ist und vorzugsweise von zumindest einem der Schutzringe (60, 70) axial fixiert wird.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass - der Rotor (12) eisenhaltige Blechpakete umfasst und - das Schutzmaterial weicher als das Material der eisenhaltigen Blechpakete ist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass der oder die Schutzringe (60, 70) und/oder das Schutzrohr (80) als separate Teile auf der Innenfläche des Rotors (12) oder der Außenfläche der Welle (20) montiert sind und/oder auf der Innenfläche des Rotors (12) oder der Außenfläche (20a) der Welle (20) durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht sind.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmaterial eisenfrei ist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Schutzmaterial Aluminium und/oder Kupfer aufweist oder daraus besteht und/oder - das Schutzmaterial Gummi, zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, und/oder Naturkautschuk aufweist oder daraus besteht und/oder - das Schutzmaterial eine Streckgrenze von maximal 200 N/mm² aufweist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass - der Hohlwellenmotor (10) von einem Fahrgestell oder Rahmen eines Fahrzeugs gehalten wird und - die Welle (20) mittels an dem Fahrgestell oder dem Rahmen angebrachter Lager drehbar gelagert wird.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Rotor (12) an einem seiner beiden Rotorenden mittels einer axial und/oder radial beweglichen, drehfesten Verbindungseinrichtung (40) mit der Welle (20) drehfest verbunden ist, - wobei die Verbindungseinrichtung (40) eine relative axiale und/oder radiale Relativbewegung zwischen dem Rotorende und der Welle (20) ermöglicht.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Verbindungseinrichtung (40) naher Schutzring (60) weicher als ein der Verbindungseinrichtung (40) ferner Schutzring (70) ist.
Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmaterial zumindest zwei Schutzringe (60, 70) bildet, die jeweils auf der Außenseite (20a) der Welle (20) angeordnet sind, einen größeren Außendurchmesser als die Welle (20) aufweisen und axial zueinander beabstandet sind, wobei einer der Schutzringe (60, 70) im Bereich des einen axialen Endes des Rotors (12) und der andere Schutzring (60, 70) im Bereich des anderen axialen Endes des Rotors (12) auf der Welle (20) angebracht ist.
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit mindestens einer Anordnung (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestattet ist.