EP4706155A1 - Optimierte elektrische maschine zum antrieb eines schienenfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs. Sie umfasst eine innerhalb eines Gehäuses (2) angeordnete, gekapselte Aktivanordnung (3) mit einem Stator (4) und mit einem Rotor (5). Ein Außenkühlweg (6) ist zur Führung von aus der Umgebung (U) angesaugter Kühlluft außerhalb der gekapselten Aktivanordnung (3) vorgesehen, ein Innenkühlweg (7) zur Führung von Kühlluft innerhalb der gekapselten Aktivanordnung (3). Der Rotor (5) weist eine Polzahl (N) an Magnetpolen (P) auf, welche jeweils durch zwei V-förmig angeordnete Permanentmagnete (11) gebildet sind. Der Rotor (5) weist je Magnetpol (P) wenigstens ein das Rotorblechpaket (8) axial durchsetzendes Kühlloch (13) auf, durch das der Innenkühlweg (7) führt. Erfindungsgemäß liegt ein Verhältnis eines Zwischenwinkels (WZ) zu einem Polwinkel (WP) im Bereich von 0,2 bis 0,4, wobei der Polwinkel (WP) einen von den Permanentmagneten (11) eines Magnetpols (P) abgedeckten Winkelbereich und der Zwischenwinkel (WZ) einen sich zwischen den Polwinkeln (WP) benachbarter Magnetpole (P) erstreckenden Winkelbereich bezeichnet. Des Weiteren liegt ein Verhältnis eines Lochwinkels (WL) zum Polwinkel (WP) im Bereich von 0,925 und 1,075, wobei der Lochwinkel (WL) einen von den zwei Kühllöchern (13) abgedeckten Winkelbereich bezeichnet. Hierdurch wird mit Blick auf das Fahrspielverhalten des Schienenfahrzeugs eine Optimierung der Maschine (1) hinsichtlich Energieeffizienz, Geräuschemission, Herstellungskosten und vor allem Kühlungsverhalten bereitgestellt.

Description

Beschreibung

Optimierte elektrische Maschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs

Die Erfindung betri f ft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs nach dem Oberbegri f f des Patentanspruches 1 .

Elektrische Maschinen zum Antrieb von Fahrzeugen müssen vielfältigen Anforderungen genügen . Die optimale Auslegung einer solchen Maschine für ihren j eweiligen Betriebseinsatz stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar, zumal zu der Viel zahl an unterschiedlichen Anforderungen erschwerend hinzukommt , dass sich diese gegenseitig beeinflussen . Zur Lösung dieser Optimierungsaufgabe sind multikriterielle Optimierungsverfahren bekannt , bei welchen durch eine große Zahl an simulierten Designvarianten für eine Maschine der Einfluss eines j eden veränderbaren Parameters auf die zu erfüllenden Anforderungen ermittelt wird, um daraus den optimalen Parametersatz für eine auf das Betriebsverhalten ausgelegte elektrische Maschine zu gewinnen .

Aus der Patentschri ft EP 3 542 445 Bl ist eine optimierte elektrische Maschine zum Antrieb eines Hybridfahrzeugs , etwa eines Personen- oder Lastkraftwagens oder eines Busses , bekannt . Bei der in den Verbrennungsmotor integrierten Synchronmaschine wird ein Rotor mit j e zwei zueinander V- förmig angeordneten Polmagneten pro Pol verwendet . Der Stator weist axial verlaufende , gleichmäßig um eine Achse der elektrischen Maschine verlaufende Statornuten auf , durch die eine Statorwicklung verläuft . Der Rotor umfasst axial verlaufende Pole und ist innerhalb des Stators um die Achse der elektrischen Maschine drehbar gelagert . Die Polmagnete weisen einen rechteckigen Querschnitt auf und sind j eweils in axial verlaufenden Polöf fnungen angeordnet . Die elektrische Maschine weist eine Lochzahl von größer gleich 1 auf , wobei unter Lochzahl die Anzahl der Statornuten geteilt durch die Anzahl der Pha- sen und geteilt durch die Pol zahl des Rotors verstanden wird . Mittels einer Multi-Ziel-Optimierung werden das maximale Drehmoment , die maximale Leistung, der Kurzschlussstrom, der Geräuschpegel , die Tonalität , der Zykluswirkungsgrad, die Materialkosten, die Verluste und die Drehmomentwelligkeit der Maschine optimiert . Zusammen mit einer äußeren und einer inneren Polabdeckung und einem bestimmten Versetzungswinkel der Polmagnete gibt es für den Stator zwei optimierte Parametersätze für die Verhältnisse von Zahnhöhe zu Jochdicke , von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahngrund und am Zahnkopf , und von der Nutbreite am Zahngrund zur Nutbreite am Zahnkopf .

Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art , die als Traktions- beziehungsweise Fahrmotoren von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden, müssen ein hohes Leistungsgewicht bei gleichzeitig ef fi zienter und kostengünstiger Kühlung aufweisen . Des Weiteren sind Herstellungskosten, Gesamtgewicht und Geräuschemission gering zu halten . Hinzu kommt der sehr beengte Einbauraum im Bereich des Drehgestells eines Schienenfahrzeugs , weshalb die Maschinen möglichst kompakt sein müssen . Aus dem vorgegebenen Fahrspiel , also dem Bewegungs- oder Fahrtablauf hinsichtlich Anfahren, Fahren, Abbremsen und Halten des Schienenfahrzeugs , erfordert der Betrieb der elektrischen Maschine einen großen Drehzahl- und Lastbereich mit hohen Wirkungsgraden . Da bei Traktionsantrieben von Schienenfahrzeugen eine große Anzahl an Getriebelösungen zum Einsatz kommen können, muss für ein optimales Fahrspielverhalten auch ein Übersetzungsverhältnis des j eweiligen Getriebes berücksichtig werden . Speziell bei gekapselten Maschinen ist eine Multi-Ziel-Optimierung anspruchsvoll , da diese Maschinenausführungen aufgrund ihrer gekapselten Aktivanordnung hohe Anforderungen an eine ausreichende Kühlung stellen und gleichzeitig ef fi zient und leise sein müssen .

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde , eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, die aufgrund ihres Fahrspielverhaltens hinsichtlich Energieef fi- zienz , Geräuschemission, Herstellungskosten und vor allem Kühlungsverhalten optimiert ist .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen .

Eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs , beispielsweise eines Metrozuges , eingerichtet und vorgesehen . Sie umfasst eine innerhalb eines Gehäuses der Maschine angeordnete und gegenüber einer Umgebung der Maschine gekapselte Aktivanordnung mit einem Stator und mit einem um eine Rotorachse relativ zum Stator drehbaren Rotor . Die Kapselung schützt die Aktivanordnung vor Feuchtigkeit und Schmutz aus der Umgebung . Die Maschine umfasst ferner einen Außenkühlweg zur Führung von aus der Umgebung angesaugter Kühlluft außerhalb der gekapselten Aktivanordnung und einen Innenkühlweg zur Führung von Kühlluft innerhalb der gekapselten Aktivanordnung . Dabei weist der Rotor ein hohl zylindrisches Rotorblechpaket auf , welches drehfest mit einer im Gehäuse drehbar gelagerten, um die Rotorachse drehbaren Rotorwelle verbunden ist . Der Rotor weist dabei eine Pol zahl an Magnetpolen auf , welche j eweils durch j e zwei zueinander V- förmig angeordnete und in das Rotorblechpaket axial durchsetzende Magnettaschen eingepasste Permanentmagnete gebildet sind . Außerdem weist der Rotor j e Magnetpol wenigstens ein das Rotorblechpaket axial durchsetzendes Kühlloch auf , durch das der Innenkühlweg führt . Vorzugsweise sind zwei parallel verlaufende Kühllöcher j e Magnetpol vorgesehen, die beispielsweise nebeneinander und in gleichem radialen Abstand zur Rotorachse angeordnet sein können und kreis förmige oder langlochartige Lochquerschnitte aufweisen können .

Erfindungsgemäß liegt ein Verhältnis eines Zwischenwinkels zu einem Polwinkel im Bereich von 0 , 2 bis 0 , 4 . Dabei bezeichnet der Polwinkel einen von den Permanentmagneten eines Magnetpols abgedeckten, um die Rotorachse gemessenen Winkelbereich . Der Zwischenwinkel bezeichnet dabei einen sich zwischen den Polwinkeln benachbarter Magnetpole erstreckenden Winkelbereich . Zusätzlich liegt erfindungsgemäß ein Verhältnis eines Lochwinkels zum Polwinkel im Bereich von 0 , 925 und 1 , 075 , vorzugsweise bei 1 . Dabei bezeichnet der Lochwinkel einen von dem wenigstens einen Kühlloch abgedeckten, um die Rotorachse gemessenen Winkelbereich . Der Lochwinkel eines Magnetpols ist also der kleinste Winkelbereich, der das eine Kühlloch oder die mehreren Kühllöchern eines Magnetpols abdeckt . Durch die Wahl dieser Parameter wird unter Optimierung der eingangs genannten Zieleigenschaften eine elektrische Maschine mit einer hohen Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung geschaf fen .

In einer vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt ein Verhältnis einer Magnetfläche zur einer Rotorfläche im Bereich zwischen 0 , 05 und 0 , 25 . Dabei bezeichnet die Magnetfläche die Summe der Magnetquerschnitts flächen aller Permanentmagnete des Rotorblechpakets . Die Permanentmagnete können einen rechteckigen Magnetquerschnitt aufweisen, deren Flächen sich aus dem Produkt aus Länge und Breite des Magnetquerschnitts ergibt . Da j e Magnetpol zwei Permanentmagnete verwendet werden, muss die Magnetquerschnitts fläche mit der doppelten Pol zahl multipli ziert werden . Die Rotorfläche bezeichnet dabei den Flächeninhalt der kreisringförmigen Rotorquerschnitt fläche des Rotorblechpakets . Sie ergibt sich aus dem Produkt der Kreis zahl n mit der Di f ferenz der Quadrate eines Rotoraußenradius und eines Rotorinnenradius .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt ein Verhältnis einer Lochfläche zur Magnetfläche im Bereich von 0 , 95 bis 1 , 15 , vorzugsweise bei etwa 1 , 05 . Dabei bezeichnet die Lochfläche die Summe der Lochquerschnitts flächen aller Kühllöcher des Rotorblechpakets .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist der Stator ein hohlzylindrisches Statorj och mit einem äußeren Mantel und einem inneren Mantel auf, wobei der Außenkühlweg durch an einer zylindrischen Gehäuseinnenseite des Gehäuses angeordnete, nutförmige Kühlkanäle führt, die durch jeweils einen Kühlabschnitt des äußeren Mantels des Statorjochs begrenzt sind. Dabei liegt ein Verhältnis der Kühlfläche zur Mantelfläche des äußeren Mantels des Statorjochs im Bereich von 0,40 bis 0,75. Die Kühlfläche bezeichnet dabei die Summe der Abschnittsflächen aller Kühlabschnitte.

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind am äußeren Mantel des Statorjochs in die Kühlkanäle ragende Kühlrippen angeformt, welche vergrößerte Kühlabschnitte bilden. Dabei liegt ein Verhältnis einer vergrößerten Kühlfläche zur Kühlfläche im Bereich von 1,00 bis 1,25. Die vergrößerte Kühlfläche bezeichnet dabei die Summe der vergrößerten Abschnittsflächen aller vergrößerten Kühlabschnitte.

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt ein Verhältnis einer Rotorjochhöhe zu einer Polhöhe im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65. Dabei bezeichnet die Rotorjochhöhe die radiale Ringbreite des breitesten sich um die Rotorachse erstreckenden Kreisrings, der radial innerhalb der Permanentmagnete und radial außerhalb der Kühllöcher liegt. Die Polhöhe bezeichnet dabei die radiale Ringbreite des schmälsten sich um die Rotorachse erstreckenden Kreisrings, innerhalb dessen die Permanentmagnete liegen.

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt ein Verhältnis einer Polfläche zur Rotorfläche im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65. Dabei bezeichnet die Polfläche die Ringfläche des schmälsten sich um die Rotorachse erstreckenden Kreisrings, innerhalb dessen die Permanentmagnete liegen.

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist der Stator vom inne- ren Mantel des Statorj ochs radial nach innen ragende Statorzähne auf , die j eweils durch axial verlaufende Statornuten zur Aufnahme einer Statorwicklung voneinander beabstandet sind . Dabei liegt ein Verhältnis einer Statorj ochfläche zu einer Statorfläche im Bereich von 0 , 36 bis 0 , 65 . Die Statorj ochfläche bezeichnet dabei die Ringfläche des sich um die Rotorachse erstreckenden Kreisrings , dessen Außenradius dem Radius des äußeren Mantels und dessen Innenradius dem Radius des inneren Mantels des Statorj ochs entspricht . Die Statorfläche bezeichnet dabei die Ringfläche des sich um die Rotorachse erstreckenden Kreisrings , dessen Außenradius dem Radius des äußeren Mantels und dessen Innenradius , dem um eine Zahnhöhe der Statorzähne verringerten Radius des inneren Mantels des Statorj ochs entspricht .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt ein Verhältnis einer Statorzahnf läche zu einer Statornut fläche im Bereich von 0 , 95 bis 1 , 10 , vorzugsweise bei etwa 1 , 05 . Dabei bezeichnet die Statorzahnf läche die Summe der Zahnquerschnitts flächen aller Statorzähne . Die Statornut fläche bezeichnet die Summe der Nutquerschnitts flächen aller Statornuten .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die Statorwicklung an stirnseitigen Enden des Stators aus Statornuten herausgeführt und unter Bildung von Wickelköpfen in Statornuten hineingeführt . Dabei liegt ein Verhältnis einer Wickelkopfausladung zu einer Statorlänge im Bereich zwischen 0 , 10 und 0 , 40 . Die Wickelkopfausladung bezeichnet dabei die Länge des axialen Überstands der Wickelköpfe über einem stirnseitigen Ende des Stators . Die Statorlänge bezeichnet dabei den axialen Abstand zwischen den stirnseitigen Enden des Stators , wobei etwaige Endbleche eines Statorblechpakets nicht zur aktiven Statorlänge zählen .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beträgt ein Verhältnis der Statorlänge zu einem Außendurchmesser des Stators mindestens 0 , 75 .

In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt die Pol zahl zwischen 6 und 12 , vorzugsweise bei 8 .

Weitere Eigenschaften und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Aus führungsbeispiels der Erfindung anhand von Zeichnungen, in deren

FIG 1 ein zu einem Magnetpol gehörender Kreisausschnitt eines Querschnittes durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine und

FIG 2 ein aus zwei Halbschnitten zusammengesetzter Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine schematisch veranschaulicht sind .

FIG 1 zeigt einen Kreisausschnitt eines Querschnittes durch eine achtpolige erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 quer zu einer senkrecht auf der Zeichenebene stehenden Rotorachse R, wobei der Kreisausschnitt einem der acht Magnetpole P zugeordnet ist . FIG 2 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Maschine 1 , der aus zwei Halbschnitten zusammen gesetzt ist . Oberhalb der Rotorachse R ist der Halbschnitt gemäß Schnittlinie I la - I la aus FIG 1 dargestellt , während unterhalb der Rotorachse R der Halbschnitt gemäß Schnittlinie I lb - I lb aus FIG 1 gezeigt ist . Gemäß FIG 1 und FIG 2 umfasst eine elektrische Maschine 1 zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs , beispielsweise eines Metrozuges , eine innerhalb eines Gehäuses 2 der Maschine 1 angeordnete und gegenüber einer Umgebung U der Maschine 1 gekapselte Aktivanordnung 3 mit einem Stator 4 und mit einem die Rotorachse R relativ zum Stator 4 drehbaren Rotor 5 . Die Kapselung schützt die Aktivanordnung 3 vor Feuchtigkeit und Schmutz aus der Umgebung U . Die Maschine 1 umfasst ferner einen Außenkühlweg 6 , durch den aus der Umgebung U angesaugte Kühlluft außerhalb der gekapselten Aktivanordnung 3 geführt ist , und einen Innenkühlweg 7 zur Führung von Kühlluft innerhalb der gekapselten Aktivanordnung 3 , um die im Betrieb der als Traktionsantrieb verwendeten Maschine 1 entstehende Wärme abzuführen .

Der Rotor 5 der elektrischen Maschine 1 weist ein hohl zylindrisches Rotorblechpaket 8 auf , welches drehfest - beispielsweise durch Auf schrumpf en - mit einer um die Rotorachse R drehbaren Rotorwelle 10 verbunden ist . Die Rotorwelle 10 ist im Gehäuse 2 etwa über Wäl zlager 9 drehbar gelagert . Der Rotor 5 weist dabei eine Pol zahl N auf , welche die Anzahl an Magnetpolen P angibt . Im dargestellten Aus führungsbeispiel beträgt die Pol zahl N = 8 , sie kann aber j e nach anzutreibendem Schienenfahrzeug auch N = 12 oder N = 10 oder N = 6 sein . Jeder Magnetpol P ist durch j e zwei zueinander V- förmig angeordnete Permanentmagnete 11 gebildet . Das Rotorblechpaket 8 ist von sich axial erstreckenden Magnettaschen 12 durchsetzt , in welche die Permanentmagnete 11 eingepasst sind . Die Permanentmagnete 11 weisen beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt auf und sind der Übersichtlichkeit halber in Fig 2 nicht dargestellt . Die nach Einpassen der Permanentmagnete 11 frei bleibenden Lücken der Magnettaschen 12 werden mit einem nicht dargestellten Füllmaterial ausgefüllt . Außerdem weist der Rotor j e Magnetpol P wenigstens ein das Rotorblechpaket 8 axial durchsetzendes Kühlloch 13 auf , durch das der Innenkühlweg 7 führt .

Der Stator 4 der elektrischen Maschine 1 weist ein hohl zylindrisches Statorj och 14 mit einem äußeren Mantel 15 und einem inneren Mantel 16 auf , das auch als Blechpaket ausgeführt sein kann . Der Außenkühlweg 6 führt durch an einer zylindrischen Gehäuseinnenseite 17 des Gehäuses 2 angeordnete , nutförmige Kühlkanäle 18 , die durch j eweils einen Kühlabschnitt 19 der äußeren Mantel fläche 15 des Statorj ochs 14 begrenzt sind . Am äußeren Mantel 15 des Statorj ochs 14 können in die Kühlkanäle 18 ragende Kühlrippen 20 angeformt sein, welche - gegenüber den Kühlabschnitten 19 ohne Kühlrippen 20 - vergrö- ßerte Kühlabschnitte 21 auf dem Statorj och 14 bilden . Der Stator 4 weist vom inneren Mantel 16 des Statorj ochs 14 radial nach innen ragende Statorzähne 22 auf , die j eweils durch axial verlaufende Statornuten 23 zur Aufnahme einer Statorwicklung 24 voneinander beabstandet sind . Die Statorwicklung 24 ist gemäß FIG 2 an stirnseitigen Enden 25 des Stators 4 aus Statornuten 23 herausgeführt und unter Bildung von Wickelköpfen in andere , winkelversetzte Statornuten 23 wieder hineingeführt .

Die Funktionsweise einer derart aufgebauten Permanentmagneterregten Synchronmaschine 1 ist an sich bekannt , wobei hier die Rotorwelle 10 über ein nicht dargestelltes Getriebe und gegebenenfalls Kupplungselemente ein Schienenrad oder einen Radsatz des Schienenfahrzeugs antreibt . Dabei entsteht Wärme in der Aktivanordnung 3 , die von Kühlluft abgeführt werden muss . Die im Innenkühlweg 7 zirkulierende Kühlluft wird durch einen durch die Rotorwelle 10 angetriebenen Innenlüfter 27 gefördert . Sie strömt j eweils unter Wärmeaufnahme an ersten Wickelköpfen der Statorwicklung 24 vorbei , durch die Kühllöcher 13 im Rotor 5 hindurch und an zweiten, den ersten Wickelköpfen gegenüber liegenden Wickelköpfen der Statorwicklung 24 vorbei . Von dort strömt sie unter Wärmeabgabe durch Axialkanäle 26 im Gehäuse 2 zurück, wo sich der Innenkühlkreislauf schließt . Die den Außenkühlweg 6 durchströmende Kühlluft wird durch einen ebenfalls von der Rotorwelle 10 angetriebenen Außenlüfter 28 aus der Umgebung U der Maschine 1 durch Gehäuseöf fnungen angesaugt und durch die Kühlkanäle 18 im Gehäuse 2 an den Kühlabschnitten 19 , im dargestellten Ausführungsbeispiel an den durch Kühlrippen 20 vergrößerten Kühlabschnitten 21 , entlang geführt und durch andere Gehäuseöf fnungen wieder in die Umgebung U ausgeblasen, um Wärme aus dem Stator 4 , dem Gehäuse 2 und dem Innenkühlweg 7 an die Umgebung U abzutransportieren .

Mittels der eingangs beschriebenen Multi-Ziel-Optimierung wurden geometrische Parameter, insbesondere Verhältnisse von Flächen, Winkeln oder Längen, der erfindungsgemäßen elektri- sehen Maschine 1 dahingehend optimiert, dass im Hinblick auf das Fahrspielverhalten des anzutreibenden Schienenfahrzeugs ihre Energieeffizienz, Geräuschemission, Herstellungskosten und vor allem ihr Kühlungsverhalten optimiert ist. Dabei wird das Auftreten besonders heißer Stellen in der Maschine 1 vermieden und dafür eine möglichst homogene Temperaturverteilung mit geringen Temperaturabweichungen von einem Mittelwert erreicht .

Ein optimiertes thermisches Verhalten ist gegeben, wenn ein Verhältnis eines Zwischenwinkels WZ zu einem Polwinkel WP im Bereich von 0,2 bis 0,4, vorzugsweise bei etwa 0,3 liegt. Dabei bezeichnet der Polwinkel WP einen von den Permanentmagneten 11 eines Magnetpols P abgedeckten, um die Rotorachse R gemessenen Winkelbereich. Anders ausgedrückt, ist der Polwinkel WP der kleinste Winkelbereich, in dem die Permanentmagneten 11 eines Magnetpols P liegen. Der Polwinkel WP kann bei einer Polzahl N = 8 zwischen 34° und 35° betragen. Der Zwischenwinkel WZ bezeichnet dabei einen sich zwischen den Polwinkeln WP benachbarter Magnetpole P erstreckenden Winkelbereich. Der Zwischenwinkel WZ kann bei einer Polzahl N = 8 zwischen 10° und 11° liegen. Zusätzlich liegt ein optimiertes Verhältnis eines Lochwinkels WL zum Polwinkel WP im Bereich von 0,925 und 1,075, vorzugsweise bei 1. Dabei bezeichnet der Lochwinkel WL im dargestellten Ausführungsbeispiel einen von den zwei Kühllöchern 13 abgedeckten, um die Rotorachse R gemessenen Winkelbereich. Anders ausgedrückt, ist der Lochwinkel WL der kleinste Winkelbereich, in dem die Kühllöcher 13 eines Magnetpols P liegen. Der Lochwinkel WL kann bei einer Polzahl N = 8 etwa 35° betragen.

Eine weitere Optimierung des thermischen Verhaltens wird erreicht, wenn ein Verhältnis einer Magnetfläche AM zu einer Rotorfläche AR im Bereich zwischen 0,05 und 0,25, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,15, oder besonders bevorzugt zwischen 0,10 und 0,11 liegt. Dabei bezeichnet die Magnetfläche AR die Summe der Magnetquerschnittsflächen All aller Permanentmagnete 11 im Rotorblechpaket 8, also AM = 2 -N-A11. Die Rotorflä- ehe AR bezeichnet dabei den Flächeninhalt der kreisringförmigen Rotorquerschnitt fläche des Rotorblechpakets 8, die einen Außenradius R8A und einen Innenradius R8I aufweist, berechnet sich also gemäß AR = n (R8A² - R8I²) .

Eine weitere Optimierung gewinnt man, wenn ein Verhältnis einer Lochfläche AL zur Magnetfläche AM im Bereich von 0,95 bis 1,15 liegt, vorzugsweise bei 1,05. Dabei bezeichnet die Lochfläche AL die Summe der Lochquerschnittsflächen A13 aller Kühllöcher 13 im Rotorblechpakets 8, im dargestellten Ausführungsbeispiel also gemäß AL = 2 -N-A13.

Eine weitere Optimierung hinsichtlich der Wärmeabfuhr erhält man, wenn ein Verhältnis der Kühlfläche AK zur Mantelfläche A15 des äußeren Mantels 15 des Statorjochs 14 im Bereich von 0,40 bis 0,75 liegt, vorzugsweise zwischen 0,40 und 0, 60, und besonders bevorzugt bei etwa 0,45. Die Kühlfläche bezeichnet dabei die Summe der Abschnittsflächen A19 aller Kühlabschnitte 19. Die durch Anformung von Kühlrippen 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel vergrößerte Kühlfläche AK+ bezeichnet die Summe der vergrößerten Abschnittsflächen A21 aller vergrößerten Kühlabschnitte 21 des Statorjochs 14. Optimiert liegt ein Verhältnis der vergrößerten Kühlfläche AK+ zur Kühlfläche AK im Bereich von 1,00 bis 1,25, vorzugsweise zwischen 1,110 und 1, 115.

Ein optimiertes thermisches Verhalten der elektrischen Maschine 1 ist weiter gegeben, wenn ein Verhältnis einer Rotorjochhöhe H zu einer Polhöhe Hll im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65, vorzugsweise zwischen 0,45 und 0,50, liegt. Dabei bezeichnet die Rotorjochhöhe H die radiale Ringbreite des breitesten sich um die Rotorachse R erstreckenden Kreisrings, der radial innerhalb der Permanentmagnete 11 und radial außerhalb der Kühllöcher 13 liegt. Die Polhöhe Hll bezeichnet dabei die radiale Ringbreite des schmälsten sich um die Rotorachse R erstreckenden Kreisrings, innerhalb dessen die Permanentmagnete 11 liegen. Die Rotorjochhöhe H kann bei- spielsweise zwischen 12 mm und 13 mm liegen, die Polhöhe Hll zwischen 26 mm und 27 mm.

Eine weitere Optimierung der elektrischen Maschine 1 zeigt sich, wenn ein Verhältnis einer Polfläche AP zur Rotorfläche AR im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65 liegt, vorzugsweise zwischen 0,45 und 0,55. Dabei bezeichnet die Polfläche AP die Ringfläche des schmälsten sich um die Rotorachse R erstrecken Kreisrings, innerhalb dessen die Permanentmagnete 11 liegen. Der Außenradius dieses Kreisrings kann als Außenradius R8A des Rotorblechpakets 8 angenommen werden, die radiale Ringbreite des Kreisringes entspricht der Polhöhe Hll.

Neben den Parametern des Rotors 5 bieten auch die Parameter des Stators 4 Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich des Kühlverhaltens der elektrischen Maschine 1, die durch Multi- Ziel-Optimierung ermittelt wurden. Demnach liegt ein optimiertes Verhältnis einer Statorjochfläche A14 zu einer Statorfläche A4 im Bereich von 0,35 bis 0, 65, vorzugsweise zwischen 0,40 und 0,50, besonders bevorzugt bei etwa 0,45. Die Stator ochfläche A14 bezeichnet dabei die Ringfläche des sich um die Rotorachse R erstreckenden Kreisrings, dessen Außenradius dem Radius R15 des äußeren Mantels 15 und dessen Innenradius dem Radius RI 6 des inneren Mantels 16 des Statorjochs 14 entspricht. Die Statorfläche A4 bezeichnet die Ringfläche des sich um die Rotorachse R erstreckenden Kreisrings, dessen Außenradius dem Radius R15 des äußeren Mantels 15 und dessen Innenradius dem um eine Zahnhöhe H22 der Statorzähne 22 verringerten Radius R16 des inneren Mantels 16 des Statorjochs 14 entspricht.

Eine weitere Optimierung der elektrischen Maschine 1 zeigt sich, wenn ein Verhältnis einer Statorzahnf läche AZ zu einer Statornut fläche AN im Bereich von 0,95 bis 1,10 liegt, vorzugsweise bei etwa 1,05. Dabei bezeichnet die Statorzahnf läche AZ die Summe der Zahnquerschnittsflächen A22 aller Statorzähne 22 des Stators 4. Die Statornut fläche AN bezeich- net die Summe der Nutquerschnittsflächen A23 aller Statornuten 23 des Stators 4.

Eine weitere Optimierung hinsichtlich der Wärmeabfuhr erhält man, wenn ein Verhältnis einer Wickelkopfausladung L24 zu einer Statorlänge L4 im Bereich zwischen 0,10 und 0,40, vorzugsweise zwischen 0,20 und 0,30, besonders bevorzugt bei etwa 0,25 liegt. Die Wickelkopfausladung L24 bezeichnet dabei die Länge des axialen Überstands der Wickelköpfe der Statorwicklung 24 über einem stirnseitigen Ende 25 des Stators 4. Die Statorlänge L4 bezeichnet dabei den axialen Abstand zwischen den gegenüberliegenden, stirnseitigen Enden 25 des Stators 4. Bei einer Statorlänge L4 von 300 mm kann die Wickelkopfausladung L24 etwa 70 mm betragen.

Eine Optimierung der elektrischen Maschine 1 ergibt sich auch, wenn ein Verhältnis der Statorlänge L4 zu einem Außendurchmesser D4 des Stators 4, also dem doppelten Radius R15 des äußeren Mantels 15, mindestens 0,75 beträgt, vorzugsweise etwa 0,88. Dabei kann der Statoraußendurchmesser D4 etwa 340 mm betragen.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine (1) zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs, umfassend

- eine innerhalb eines Gehäuses (2) der Maschine (1) angeordnete und gegenüber einer Umgebung (U) der Maschine (1) gekapselte Aktivanordnung (3) mit einem Stator (4) und mit einem um eine Rotorachse (R) relativ zum Stator (4) drehbaren Rotor (5) ,

- einen Außenkühlweg (6) zur Führung von aus der Umgebung (U) angesaugter Kühlluft außerhalb der gekapselten Aktivanordnung ( 3 ) , und

- einen Innenkühlweg (7) zur Führung von Kühlluft innerhalb der gekapselten Aktivanordnung (3) ,

- wobei der Rotor (5) ein hohlzylindrisches Rotorblechpaket

(8) aufweist, welches drehfest mit einer im Gehäuse (2) drehbar gelagerten, um die Rotorachse (R) drehbaren Rotorwelle

(10) verbunden ist,

- wobei der Rotor (5) eine Polzahl (N) an Magnetpolen (P) aufweist, welche jeweils durch je zwei zueinander V-förmig angeordnete und in das Rotorblechpaket (8) axial durchsetzende Magnettaschen (12) eingepasste Permanentmagnete (11) gebildet sind, und

- wobei der Rotor (5) je Magnetpol (P) wenigstens ein das Rotorblechpaket (8) axial durchsetzendes Kühlloch (13) aufweist, durch das der Innenkühlweg (7) führt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- dass ein Verhältnis eines Zwischenwinkels (WZ) zu einem Polwinkel (WP) im Bereich von 0,2 bis 0,4 liegt,

- wobei der Polwinkel (WP) einen von den Permanentmagneten

(11) eines Magnetpols (P) abgedeckten, um die Rotorachse (R) gemessenen Winkelbereich bezeichnet,

- wobei der Zwischenwinkel (WZ) einen sich zwischen den Polwinkeln (WP) benachbarter Magnetpole (P) erstreckenden Winkelbereich bezeichnet, und

- dass ein Verhältnis eines Lochwinkels (WL) zum Polwinkel (WP) im Bereich von 0,925 und 1,075 liegt, - wobei der Lochwinkel (WL) einen von dem wenigstens einen Kühlloch (13) abgedeckten, um die Rotorachse (R) gemessenen Winkelbereich bezeichnet.

2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1,

- wobei ein Verhältnis einer Magnetfläche (AM) zu einer Rotorfläche (AR) im Bereich zwischen 0,05 und 0,25 liegt,

- wobei die Magnetfläche (AM) die Summe der Magnetquerschnittsflächen (All) aller Permanentmagnete (11) des Rotorblechpakets (8) bezeichnet, und

- wobei die Rotorfläche (AR) den Flächeninhalt der kreisringförmigen Rotorquerschnitt fläche (A8) des Rotorblechpakets (8) bezeichnet .

3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2,

- wobei ein Verhältnis einer Lochfläche (AL) zur Magnetfläche (AM) im Bereich von 0,95 bis 1,15 liegt,

- wobei die Lochfläche (AL) die Summe der Lochquerschnittsflächen (A13) aller Kühllöcher (13) des Rotorblechpakets (8) bezeichnet .

4. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

- wobei der Stator (4) ein hohlzylindrisches Statorjoch (14) mit einem äußeren Mantel (15) und einem inneren Mantel (16) aufweist, und

- wobei der Außenkühlweg (6) durch an einer zylindrischen Gehäuseinnenseite (17) des Gehäuses (2) angeordnete, nutförmige Kühlkanäle (18) führt, die durch jeweils einen Kühlabschnitt (19) des äußeren Mantels (15) des Statorjochs (14) begrenzt sind,

- wobei ein Verhältnis einer Kühlfläche (AK) zur Mantelfläche (A15) des äußeren Mantels (15) des Statorjochs (14) im Bereich von 0,40 bis 0,75 liegt,

- wobei die Kühlfläche (AK) die Summe der Abschnittsflächen (A19) aller Kühlabschnitte (19) bezeichnet.

5. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4,

- wobei am äußeren Mantel (15) des Statorjochs (14) in die Kühlkanäle (18) ragende Kühlrippen (20) angeformt sind, welche vergrößerte Kühlabschnitte (21) bilden,

- wobei ein Verhältnis einer vergrößerten Kühlfläche (AM+) zur Kühlfläche (AM) im Bereich von 1,00 bis 1,25 liegt,

- wobei die vergrößerte Kühlfläche (AM+) die Summe der vergrößerten Abschnittsflächen (A21) aller vergrößerten Kühlabschnitte (21) bezeichnet.

6. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüchl 1 bis 5,

- wobei ein Verhältnis einer Rotor ochhöhe (H) zu einer Polhöhe (Hll) im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65 liegt,

- wobei die Rotorjochhöhe (H) die radiale Ringbreite des breitesten sich um die Rotorachse (R) erstreckenden Kreisrings bezeichnet, der radial innerhalb der Permanentmagnete (11) und radial außerhalb der Kühllöcher (13) liegt, und

- wobei die Polhöhe (Hll) die radiale Ringbreite des schmälsten sich um die Rotorachse (R) erstreckenden Kreisrings bezeichnet, innerhalb dessen die Permanentmagnete (11) liegen.

7. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

- wobei ein Verhältnis einer Polfläche (AP) zur Rotorfläche (AR) im Bereich zwischen 0,35 und 0, 65 liegt,

- wobei die Polfläche (AP) die Ringfläche des schmälsten sich um die Rotorachse (R) erstreckenden Kreisrings bezeichnet, innerhalb dessen die Permanentmagnete (11) liegen.

8. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

- wobei der Stator (4) vom inneren Mantel (16) des

Statorjochs (14) radial nach innen ragende Statorzähne (22) aufweist, die jeweils durch axial verlaufende Statornuten (23) zur Aufnahme einer Statorwicklung (24) voneinander beab- standet sind,

- wobei ein Verhältnis einer Statorjochfläche (A14) zu einer Statorfläche (A4) im Bereich von 0,36 bis 0, 65 liegt,

- wobei die Statorjochfläche (A14) die Ringfläche des sich um die Rotorachse (R) erstreckenden Kreisrings bezeichnet, des- sen Außenradius dem Radius (R15) des äußeren Mantels (15) und dessen Innenradius dem Radius (R16) des inneren Mantels (16) des Statorjochs (14) entspricht,

- wobei die Statorfläche (A4) die Ringfläche des sich um die Rotorachse (R) erstreckenden Kreisrings bezeichnet, dessen Außenradius dem Radius (R15) des äußeren Mantels (15) und dessen Innenradius dem um eine Zahnhöhe (H22) der Statorzähne (22) verringerten Radius (R16) des inneren Mantels (16) des Statorjochs (14) entspricht.

9. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8,

- wobei ein Verhältnis einer Statorzahnf läche (AZ) zu einer Statornut fläche (AN) im Bereich von 0,95 bis 1,10 liegt,

- wobei die Statorzahnf läche (AZ) die Summe der Zahnquerschnittsflächen (A22) aller Statorzähne (22) bezeichnet, und

- wobei die Statornut fläche (AN) die Summe der Nutquerschnittsflächen (A23) aller Statornuten (23) bezeichnet.

10. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8 oder 9,

- wobei die Statorwicklung (24) an stirnseitigen Enden (25) des Stators (4) aus Statornuten (23) herausgeführt und unter Bildung von Wickelköpfen in Statornuten (23) hineingeführt ist,

- wobei ein Verhältnis einer Wickelkopfausladung (L24) zu einer Statorlänge (L4) im Bereich zwischen 0,10 und 0,40 liegt,

- wobei die Wickelkopfausladung (L24) die Länge des axialen Überstands der Wickelköpfe über einem stirnseitigen Ende (25) des Stators (4) bezeichnet, und

- wobei die Statorlänge (L4) den axialen Abstand zwischen den stirnseitigen Enden (25) des Stators (4) bezeichnet.

11. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 8 bis

10,

- wobei ein Verhältnis der Statorlänge (L4) zu einem Außen- durchmesser (D4) des Stators (4) mindestens 0,75 beträgt.

12. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis

11, - wobei die Polzahl (N) zwischen 6 und 12, vorzugsweise bei 8, liegt.