EP1386815B1 - Einzelradantriebseinheit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs - Google Patents

Einzelradantriebseinheit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs Download PDF

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EP1386815B1 EP03025148A EP03025148A EP1386815B1 EP 1386815 B1 EP1386815 B1 EP 1386815B1 EP 03025148 A EP03025148 A EP 03025148A EP 03025148 A EP03025148 A EP 03025148A EP 1386815 B1 EP1386815 B1 EP 1386815B1
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electric motor
single wheel
cooling
gear
drive unit
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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 a Einzelradantriebsappel an electrically driven vehicle, in particular a rail vehicle, with an electric motor whose motor shaft is arranged normal to the wheel axle and which drives a single wheel, wherein between the electric motor and a single gear is arranged.
  • a Einzelradantriebshim with the features defined in the preamble of claim 1 is known from the WO-A-9824675 known.
  • Low-floor trams are characterized by a particularly low floor level, which makes getting in and out a lot easier. Modern trams must also meet high demands on the acceleration of the vehicle trim to allow the shortest possible travel times. This results in two requirements for the drive unit of such a vehicle: the highest possible power density with the most compact possible construction.
  • the high power densities typically eg 40kW for a single wheel drive, thereby causing a considerable cooling effort, since the heat generated during operation in the electric motor must be dissipated, otherwise the engine can be overheated and damaged or even destroyed. Therefore, only water-cooled electric motors or electric motors with a forced air cooling by means of fan for air circulation or external cooling via an independent cooling unit have been used in the traction field, ie in drives of rail vehicles.
  • the disadvantage of water cooling lies in the complex engine design and the need for a circulation pump and a heat exchanger for cooling the cooling water.
  • the pump and the heat exchanger are in stark contrast to the demand for a compact, low-maintenance, cost-effective drive.
  • the cooling devices must even be located away from the drive unit, for example in the roof area of a wagon, in which case of course long supply lines are required.
  • water cooling is certainly a very expensive solution.
  • a fan wheel in turn, requires valuable space and also causes a considerable noise, especially in the passenger compartment, which is a major problem especially in urban transport.
  • such cooling requires considerable design effort and planning effort, since the air duct must be planned exactly and possibly realized with special complex air handling systems or sheets.
  • Both cooling variants own the problem of lack of cooling, if an external unit, eg fan, pump, etc., and thus the whole cooling fails and in extreme cases, the engine is destroyed. This would require a costly maintenance or repair of the drive unit and thus forcibly cause a failure of the vehicle trim.
  • an external unit eg fan, pump, etc.
  • a particularly compact drive unit is for example the AT 403 789 B can be seen in which a vertically arranged electric motor via a gearbox, but without a clutch, is connected directly to the single wheel axle, whereby a particularly small size is achieved.
  • the subject invention has now taken on the task of specifying a very compact, inexpensive single-wheel drive unit high power density with a simple and safe cooling.
  • the drive is particularly compact when a gear is arranged directly on a single or multi-piece motor shaft and in addition a further gear is arranged directly on the single wheel axle.
  • a clutch can be saved, which brings a significant space savings.
  • a number of cooling fins are advantageously provided on the surface of the electric motor.
  • the cooling surface and consequently the cooling effect can be increased.
  • a brake disk can be arranged on the motor shaft, which generates an increased air flow over at least part of the surface of the electric motor.
  • a supporting air flow can be generated, which improves the cooling performance.
  • 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 in a sufficient known, not described in detail bearing 10 is rotatably mounted.
  • the electric motor 4 is perpendicular, arranged normal to the wheel axle and drives the single wheel 4 via a gear 3, which can be designed arbitrarily.
  • the transmission 3 is a bevel gear, consisting of a gear 8, which is arranged at one end of the motor shaft 6, and a second gear 9, which is arranged on the Einzelradachse 7.
  • Such an arrangement is for example from the AT 403 789 B known.
  • the drive can be made very compact.
  • the second gear 9 would be arranged on its own gear shaft, which would be connected via the clutch with the Einzelradachse 7.
  • the electric motor 2 For traction applications, e.g. for trams, the electric motor 2 must also have a high power density. For a single wheel drive in this application, an electric motor with a power of approximately 40kW is typically used. The resulting heat is dissipated here substantially only over the surface of the electric motor 2, wherein 2 known cooling fins 12 may be provided to support the cooling on the surface of the electric motor.
  • a brake disk 11 is arranged in this example, to which a brake means (not shown), such as that shown in FIG. Brake shoes, can act.
  • the brake disk 11 can now be designed so that an increased air flow over the surface of the electric motor 2 is generated by the brake disk 11, which indeed rotates with the motor shaft 6, compared to the air flow during a travel movement of the rail vehicle.
  • the brake disk 11 could be used to generate a suitable air flow, e.g. be provided with recesses or openings and / or surveys.

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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.
  • Eine Einzelradantriebseinheit mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 definierten Merkmalen ist aus der WO-A-9824675 bekannt.
  • 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 mit einer Einzelradantriebseinheit nach Anspruch 1 gelöst.
    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. Das Getriebe 3 ist 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 (4)

  1. Einzelradantriebseinheit eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit einem Elektromotor (2), dessen Motorwelle (6) im Wesentlichen normal zur Radachse angeordnet ist und der ein Einzelrad (4) antreibt, wobei zwischen Elektromotor (2) und Einzelrad (4) ein Getriebe (3) angeordnet ist, wobei der Elektromotor (2) ein lüfterloser luftgekühlter Elektromotor ist, wobei die Kühlung des Elektromotors ohne Zwangsluftkühlung über die äußere Oberfläche des Elektromotors erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (3) ein Kegelradgetriebe ist, dass ein Getrieberad (8) des Getriebes (3) als Getrieberitzel (8) ausgebildet und an einem Ende der Motorwelle (6) angeordnet ist, und dass ein weiteres Getrieberad (9) des Getriebes (3) direkt an der Einzelradachse (7) angeordnet ist.
  2. Einzelradantriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Getrieberad des Getriebes (3) an einer Getriebewelle angeordnet ist und die Getriebewelle mittels einer Kupplung mit der Einzelradachse verbunden ist.
  3. Einzelradantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Elektromotors (2) eine Anzahl von Kühlrippen (12) vorgesehen sind.
  4. Einzelradantriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle ein- oder mehrstückig ausgebildet ist.
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