EP1386815A2 - Einzelradantriebseinheit eines elektrisch anetriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Einzelradantriebseinheit eines elektrisch anetriebenen Fahrzeugs Download PDF

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EP1386815A2
EP1386815A2 EP03025148A EP03025148A EP1386815A2 EP 1386815 A2 EP1386815 A2 EP 1386815A2 EP 03025148 A EP03025148 A EP 03025148A EP 03025148 A EP03025148 A EP 03025148A EP 1386815 A2 EP1386815 A2 EP 1386815A2
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EP
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wheel drive
cooling
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Richard Dipl.-Ing. Ensbacher
Josef Dipl.-Ing. Haas
Andreas Dr. Dipl.-Ing. Trenner
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Siemens AG Oesterreich
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Elin EBG Traction GmbH
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    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C9/00—Locomotives or motor railcars characterised by the type of transmission system used; Transmission systems specially adapted for locomotives or motor railcars
    • B61C9/38—Transmission systems in or for locomotives or motor railcars with electric motor propulsion
    • B61C9/52—Transmission systems in or for locomotives or motor railcars with electric motor propulsion with transmission shafts at an angle to the driving axles

Definitions

  • the present invention relates to an independent wheel drive unit of an electrically driven one Vehicle, in particular a rail vehicle, with an electric motor, the Motor shaft is arranged normal to the wheel axis and which drives a single wheel, between Electric motor and single wheel a gear is arranged.
  • Low-floor trams are characterized by a particularly low car floor level, which makes boarding and alighting much easier.
  • modern trams also have to meet high requirements for accelerating vehicle sets in order to make travel times as short as possible. This results in two requirements for the drive unit of such a vehicle: the highest possible power density with the most compact possible design.
  • the high power densities typically 40kW for a single wheel drive, cause considerable cooling, since the heat generated during operation in the electric motor has to be dissipated, otherwise the motor can overheat and be damaged or even destroyed. For this reason, only water-cooled electric motors or electric motors with forced air cooling using a fan wheel for air circulation or external cooling via an independent cooling unit have been used in the traction area, i.e.
  • the disadvantage of water cooling is the complex motor design and the need for a circulation pump and a heat exchanger for cooling the cooling water.
  • the pump and the heat exchanger in particular contradict the requirement for a compact, low-maintenance, inexpensive drive.
  • the cooling devices may even have to be arranged at a distance from the drive unit, for example in the roof area of a wagon, in which case long supply lines are of course required. All in all, water cooling is certainly a very expensive solution.
  • a fan wheel on the other hand, requires valuable space and also causes considerable noise, especially in the passenger compartment, which is a major problem, especially in urban public transport.
  • cooling requires a considerable amount of design and planning effort, since the air routing must be carefully planned and, under certain circumstances, implemented with special, complex air guidance systems or sheets.
  • Both cooling variants have the problem of the lack of cooling if an external unit, such as a fan, pump, etc., and thus the entire cooling fails and, in extreme cases, the motor is destroyed. This would require extensive maintenance or repair of the drive unit and thus inevitably lead to failure of the vehicle set.
  • a particularly compact drive unit is e.g. can be found in AT 403 789 B, at a vertically arranged electric motor via a gearbox, but without a clutch, directly with the independent wheel axle is connected, whereby a particularly small size is achieved.
  • the object of the invention has now set itself the task of being a very compact, inexpensive Single wheel drive unit high power density with a simple and safe Specify cooling.
  • the electric motor is a fanless, air-cooled electric motor, the cooling of the electric motor taking place via the outer surface of the electric motor. So far, it has been excluded to consider electric motors for traction applications, such as for rail vehicles, which have outputs of up to 40kW without an external cooling system, such as water cooling or air cooling with a ventilation wheel or external cooling. So far, the common opinion has been that typical loads (often rapid acceleration) would overheat at such power levels and on rail vehicles. Experiments by the applicant have surprisingly shown that modern electric motors in this performance class can only be operated with air cooling, without an additional cooling system.
  • the drive becomes particularly compact if a gear wheel is directly connected to one or multi-piece motor shaft is arranged and in addition another gear wheel directly on the single wheel axle is arranged. This can save a clutch, which is a brings considerable space savings.
  • a brake disc can be attached to the motor shaft are arranged, which have an increased air flow over at least part of the surface of the electric motor.
  • a supporting air flow can be created generated, which improves the cooling performance.
  • the subject invention is based on the exemplary, schematic and not restricting Fig. 1 described in more detail.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a single wheel 4 of a rail vehicle, which is driven by an electric motor 2 and rolls on a rail 5.
  • the single wheel is arranged at one end of a single wheel axle 7, which in turn is rotatably mounted in a well-known bearing 10, not described in detail.
  • the electric motor 4 is arranged perpendicular to the wheel axis and drives the single wheel 4 via a gear 3, which can be of any design.
  • the gear 3 is a bevel gear, consisting of a gear pinion 8, which is arranged at one end of the motor shaft 6, and a second gear wheel 9, which is arranged on the single wheel axis 7.
  • Such an arrangement is known for example from AT 403 789 B.
  • the drive can be made particularly compact.
  • the second gear wheel 9 would be arranged on its own gear shaft, which would be connected to the independent wheel axle 7 via the clutch.
  • the electric motor 2 For traction applications, e.g. for trams, the electric motor 2 must also be one have high power density. For a single wheel drive in this area of application typically an electric motor with an output of approximately 40 kW is used. The the heat generated here is essentially only from the surface of the electric motor 2 dissipated, in order to support the cooling on the surface of the electric motor 2 known cooling fins 12 can be provided.
  • the brake disc 11 can now be designed so that through the brake disc 11, which is yes with the motor shaft 6th rotates in comparison to the air flow during a travel movement of the rail vehicle an increased air flow over the surface of the electric motor 2 is generated.
  • the brake disc 11 could be used to generate a suitable air flow e.g. With Recesses or openings and / or elevations may be provided.

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Abstract

Elektromotoren für Einzelradantriebe im Traktionsbereich, wie. z.B. für Schienenfahrzeuge müssen eine hohe Leistungsdichte aufweisen, um den Anforderungen an die hohen Beschleunigungen, vor allem im Nahverkehrsbereich, gerecht zu werden. Damit ist aber immer ein Kühlproblem verbunden, da die vom Elektromotor erzeugte Wärme abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Motors zu verhindern. Dazu wurden bisher immer externe Kühlsysteme eingesetzt, wie z.B. eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung mit einem Lüftungsrad. Die Erfindung schlägt eine Einzelachsantriebseinheit mit einem lüfterlosen luftgekühlten Elektromotor vor. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelradantriebseinheit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit einem Elektromotor, dessen Motorwelle normal zur Radachse angeordnet ist und der ein Einzelrad antreibt, wobei zwischen Elektromotor und Einzelrad ein Getriebe angeordnet ist.
Niederflur-Straßenbahnen zeichnen sich durch ein besonders niedriges Wagenbodenniveau aus, was das Ein- und Aussteigen erheblich erleichtert. Moderne Straßenbahnen müssen aber auch hohe Anforderungen an die Beschleunigung der Fahrzeuggarnituren erfüllen, um möglichst kurze Fahrtzeiten zu ermöglichen. Dadurch ergeben sich zwei Anforderungen an die Antriebseinheit eines solchen Fahrzeugs: möglichst hohe Leistungsdichte bei einer möglichsten kompakten Bauweise. Die hohen Leistungsdichten, typischerweise z.B. 40kW für einen Einzelradantrieb, verursachen dabei einen erheblichen Kühlungsaufwand, da die während des Betriebs im Elektromotor erzeugte Wärme abgeführt werden muss, da der Motor ansonsten überhitzt und beschädigt bzw. sogar zerstört werden kann. Deshalb wurden bisher im Traktionsbereich, also bei Antrieben von Schienenfahrzeugen, ausschließlich wassergekühlte Elektromotoren oder Elektromotoren mit einer Zwangsluftkühlung mittels Lüfterrad zur Luftumwälzung oder Fremdkühlung über eine eigenständige Kühleinheit eingesetzt.
Der Nachteil einer Wasserkühlung liegt im aufwendigen Motordesign und an der Notwendigkeit, einer Umwälzpumpe und eines Wärmetauschers zur Kühlung des Kühlwassers. Besonders die Pumpe und der Wärmetauscher stehen im krassen Widerspruch zur Forderung eines kompakten, wartungsarmen, kostengünstigen Antriebs. Gegebenenfalls müssen die Kühleinrichtungen sogar von der Antriebseinheit entfernt angeordnet werden, z.B. im Dachbereich eines Waggons, wobei dann natürlich lange Zuleitungen erforderlich sind. In Summe ist eine Wasserkühlung sicherlich auch eine sehr teure Lösung.
Ein Lüfterrad wiederum, benötigt wertvollen Platz und verursacht darüber hinaus eine erhebliche Geräuschentwicklung, insbesondere im Fahrgastinnenraum, was gerade im städtischen Nahverkehrsbereich ein großes Problem darstellt. Außerdem erfordert eine solche Kühlung einen beachtlichen konstruktiven Aufwand und Planungsaufwand, da die Luftführung genau geplant und unter Umständen mit speziellen aufwendigen Luftleitsysteme bzw. -bleche verwirklicht werden muss.
Beiden Kühlungsvarianten eigen ist das Problem der fehlenden Kühlung, wenn ein externes Aggregat, z.B. Lüfter, Pumpe, etc., und damit die ganze Kühlung ausfällt und im Extremfall der Motor zerstört wird. Das würde eine aufwendige Wartung bzw. Reparatur der Antriebseinheit erfordern und damit zwangsweise einen Ausfall der Fahrzeuggarnitur bewirken.
Eine besonders kompakte Antriebseinheit ist z.B. der AT 403 789 B zu entnehmen, bei der ein senkrecht angeordneter Elektromotor über ein Getriebe, aber ohne Kupplung, direkt mit der Einzelradachse verbunden ist, wodurch eine besonders kleine Baugröße erzielt wird.
Die gegenständliche Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine sehr kompakte, kostengünstige Einzelrad-Antriebseinheit hoher Leistungsdichte mit einer einfachen und sicheren Kühlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch Erfindung gelöst, indem der Elektromotor ein lüfterloser luftgekühlter Elektromotor ist, wobei die Kühlung des Elektromotors über die äußere Oberfläche des Elektromotors erfolgt.
Bis jetzt wurde es ausgeschlossen, Elektromotoren für Traktionsanwendungen, wie z.B. für Schienenfahrzeuge, die Leistungen von bis zu 40kW aufweisen ohne externes Kühlsystem, wie eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung mit Lüftungsrad oder eine Fremdkühlung in Betracht zu ziehen. Die gängige Meinung war bisher, dass bei solchen Leistungen und bei Schienefahrzeugen typischen Belastungen (oftmaliges starkes Beschleunigen) der Elektromotor überhitzen würde. Versuche der Anmelderin haben aber überraschenderweise gezeigt, dass moderne Elektromotoren in dieser Leistungsklasse durchaus nur mit Luftkühlung, ohne zusätzliches Kühlsystem betrieben werden können.
Der Antrieb wird besonders kompakt, wenn ein Getrieberad direkt an einer ein- oder mehrstückigen Motorwelle angeordnet ist und zusätzlich ein weiteres Getrieberad direkt an der Einzelradachse angeordnet ist. Damit kann eine Kupplung eingespart werden, was eine erhebliche Platzersparnis mit sich bringt.
Um die Kühlwirkung zu verbessern, sind an der Oberfläche des Elektromotors vorteilhafter Weise eine Anzahl von Kühlrippen vorgesehen. Damit lässt sich die Kühloberfläche und folglich auch die Kühlwirkung vergrößern.
Um die Kühlwirkung noch weiter zu erhöhen, kann an der Motorwelle eine Bremsscheibe angeordnet werden, die eine erhöhte Luftströmung über zumindest einen Teil der Oberfläche des Elektromotors erzeugt. Damit kann zusätzlich zum Fahrtwind ein unterstützende Luftströmung erzeugt werden, die die Kühlleistung verbessert.
Die gegenständliche Erfindung wird anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Fig. 1 näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Einzelrad 4 eines Schienenfahrzeugs, das über einen Elektromotor 2 angetrieben wird und auf einer Schiene 5 abrollt. Das Einzelrad ist dabei an einem Ende einer Einzelradachse 7 angeordnet, die wiederum in einer hinlänglich bekannten, nicht näher beschriebenen Lagerung 10 drehbar gelagert ist. Der Elektromotor 4 ist senkrecht, normal zur Radachse angeordnet und treibt das Einzelrad 4 über ein Getriebe 3, das beliebig ausgeführt sein kann. In diesem Beispiel ist das Getriebe 3 ein Kegelradgetriebe, bestehend aus einem Getrieberitzel 8, das an einem Ende der Motorwelle 6 angeordnet ist, und einem zweiten Getrieberad 9, das auf der Einzelradachse 7 angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist z.B. aus der AT 403 789 B bekannt. Durch den direkten Antrieb des Einzelrades 4 ohne Kupplung zwischen Elektromotor 2 und Getriebe 3 bzw. Einzelrad 4, kann der Antrieb besonders kompakt ausgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, zwischen Einzelradachse 7 und dem Getriebe 3 eine Kupplung vorzusehen. In diesem Fall wäre das zweite Getrieberad 9 auf einer eigenen Getriebewelle angeordnet, die über die Kupplung mit der Einzelradachse 7 verbunden wäre.
Für Traktionsanwendungen, z.B. für Straßenbahnen, muss der Elektromotor 2 auch eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Für einen Einzelradantrieb in diesem Anwendungsbereich wird typischerweise ein Elektromotor mit einer Leistung von ungefähr 40kW eingesetzt. Die dabei entstehende Wärme wird hier im Wesentlichen nur über die Oberfläche des Elektromotors 2 abgeführt, wobei zur Unterstützung der Kühlung an der Oberfläche des Elektromotors 2 bekannte Kühlrippen 12 vorgesehen sein können.
Am dem Getriebe 3 abgewandten Ende der Motorwelle 6 ist in diesem Beispiel eine Bremsscheibe 11 angeordnet, auf die zum Bremsen in hinlänglich bekannter Weise ein nicht dargestelltes Bremsmittel, wie z.B. Bremsbacken, einwirken können. Die Bremsscheibe 11 kann nun so gestaltet werden, dass durch die Bremsscheibe 11, die sich ja mit der Motorwelle 6 mitdreht, im Vergleich zur Luftströmung während einer Fahrtbewegung des Schienenfahrzeuges eine erhöhte Luftströmung über die Oberfläche des Elektromotors 2 erzeugt wird. Dazu könnte die Bremsscheibe 11 zur Erzeugung einer geeigneten Luftströmung z.B. mit Ausnehmungen bzw. Öffnungen und/oder Erhebungen versehen sein.
Die Verbindung des Einzelradantriebs wie in Fig. 1 dargestellt mit dem Fahrgestell bzw. dem Fahrzeugkasten wird hier nicht näher beschrieben, da es dazu eine Vielzahl von konstruktiven Lösungen gibt, wie z.B. aus der EP 580 566 B1 bekannt.

Claims (6)

  1. Einzelradantriebseinheit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit einem Elektromotor, dessen Motorwelle im Wesentlichen normal zur Radachse angeordnet ist und der ein Einzelrad antreibt, wobei zwischen Elektromotor und Einzelrad ein Getriebe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein lüfterloser luftgekühlter Elektromotor ist, wobei die Kühlung des Elektromotors über die äußere Oberfläche des Elektromotors erfolgt.
  2. Einzelradantriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getrieberad des Getriebes direkt an einer ein- oder mehrstückigen Motorwelle angeordnet ist.
  3. Einzelradantriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Getrieberad des Getriebes direkt an der Einzelradachse angeordnet ist.
  4. Einzelradantriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Getrieberad des Getriebes an einer Getriebewelle angeordnet ist und die Getriebewelle mittels einer Kupplung mit der Einzelradachse verbunden ist.
  5. Einzelradantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Elektromotors eine Anzahl von Kühlrippen vorgesehen sind.
  6. Einzelradantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Motorwelle eine Bremsscheibe angeordnet ist, die eine erhöhte Luftströmung über zumindest einen Teil der Oberfläche des Elektromotors erzeugt.
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