WO2005049399A1 - Einzelradantriebseinheit - Google Patents
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- 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 single-wheel drive unit of an electrically driven vehicle, in particular a rail vehicle, with an electric motor, the motor shaft of which is arranged normal to the wheel axis and which drives a single wheel, a gear being arranged between the electric motor and the single wheel.
- 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 e.g. 40kW for a single wheel drive cause a considerable cooling effort because the heat generated during operation in the electric motor must be dissipated, otherwise the motor can overheat and be damaged or even destroyed.
- a fan wheel requires valuable space and also causes considerable noise, especially in the passenger compartment, which is a major problem, especially in urban public transport.
- such cooling requires a considerable amount of construction and planning, since the air routing has to be planned precisely and, under certain circumstances, must be implemented with special complex air guidance systems or sheets.
- a particularly compact drive unit can be found, for example, in AT 403 789 B, in which a vertically arranged electric motor is connected directly to the independent wheel axle via a gearbox, but without a clutch, as a result of which a particularly small size is achieved.
- the object of the invention has now set itself the task of specifying a very compact, cost-effective single-wheel drive unit with a high power density and simple and safe 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 use electric motors for traction applications such as for rail vehicles that have outputs of up to 40kW without considering 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 arranged directly on a single or multi-piece motor shaft and in addition a further gear wheel is arranged directly on the single wheel axle. This saves a clutch, which saves considerable space.
- a number of cooling fins are advantageously provided on the surface of the electric motor. This allows the cooling surface and consequently the cooling effect to 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 that 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 an independent wheel axle 7, which in turn is sufficiently long known, not described storage 10 is rotatably mounted.
- 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. Due to the direct drive of the individual wheel 4 without a coupling between the electric motor 2 and the gear 3 or the individual wheel 4, 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 have a high power density. An electric motor with an output of approximately 40 kW is typically used for a single wheel drive in this area of application. The heat generated here is essentially dissipated only via the surface of the electric motor 2, and known cooling fins 12 can be provided on the surface of the electric motor 2 to support the cooling.
- a brake disc 11 is arranged on the end of the motor shaft 6 facing away from the transmission 3, onto which a brake means, not shown, such as e.g. Brake shoes, can act.
- the brake disk 11 can now be designed such that an increased air flow over the surface of the electric motor 2 is generated by the brake disk 11, which rotates with the motor shaft 6, compared to the air flow during a travel movement of the rail vehicle.
- the brake disc 11 could be used to generate a suitable air flow e.g. be provided with recesses or openings and / or elevations.
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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.
Description
Einzelradantriebseinheit
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 zwi- sehen 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 bis- her 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. Beson- ders 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 ver- wirklicht 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, kos- tengünstige 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 Elektro- motor 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 angeord- net 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 dar- gestelltes 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
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 Ge- trieberad 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 gekennzeich- net, 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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