WO2012031966A1 - Fahrmotor mit kühlung - Google Patents

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WO2012031966A1
WO2012031966A1 PCT/EP2011/065067 EP2011065067W WO2012031966A1 WO 2012031966 A1 WO2012031966 A1 WO 2012031966A1 EP 2011065067 W EP2011065067 W EP 2011065067W WO 2012031966 A1 WO2012031966 A1 WO 2012031966A1
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drive
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Olaf KÖRNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the invention relates to an electrically driven vehicle, in particular a rail vehicle with at least one Ge ⁇ stell, which is coupled to a vehicle frame and at least ⁇ a traction motor, which is positioned in the frame, wherein the traction motor via a drive pinion with a shaft, in particular Wheel set shaft, rotatably connected large ⁇ wheel drives this shaft.
  • the installation space for the electric Be ⁇ drive means for driving this vehicle is called.
  • the gauge is the distance between the left and right wheel of an axle, more specifically the distance between the tire centers.
  • a disadvantage is that such a fan occupies axial space of the drive motor within the track, which is thus not available as an active part of the traction motor of this space. In such electrically powered vehicles, this leads to losses in the torque and power density of the drive motor. Likewise, the installation of electrically driven forced ventilation in a car body is possible, but this causes higher costs, increase in size and space consumption in the vehicle itself, so the utility room or passenger compartment. Furthermore, additional ancillary operating services are required as a result, for example a separate electrical supply and its monitoring.
  • the present invention is based on the object ei ⁇ ne cooling of an electrically driven vehicle, in particular rail vehicle to provide that ensures reliable cooling of a drive motor and / or mechanical drive components, without the installation space necessary for driving electrical equipment, such as For example, restrict drive motors.
  • At least one traction motor which is positioned in the frame, wherein the longitudinal axis is arranged parallel to an axis of a driven wheelset and wherein the driving ⁇ motor drives via a drive pinion with a shaft, in particular ⁇ special wheelset rotatably connected large wheel of this wave,
  • the rotational speed of the traction motor can also be above the rotational speed limit of a conventional self-ventilation of approximately 4500 to 5000 rpm. This reduces the noise caused by the fan.
  • traction motors with speeds over 5000 1 / min can be used.
  • the close proximity of the fan for transmission promoted by the fan cooling air ge ⁇ aims is at least sucked some parts of the transmission and therefore brought about a cooling of these components prior ⁇ geous legally.
  • the Ge ⁇ gear sets include, inter alia from the drive pinion, the large wheel and the fan gear and their lubricants and La ⁇ ger together.
  • two ways of arranging the fan and its housing are possible:
  • the cooling of the traction motor according to the invention is also conceivable for any type of electrically driven vehicles of rail vehicles with gear drives, as they are e.g. in the form of Tatzlagerantrieben or fully sprung drives are present.
  • the cooling of the drive motor is designed to be ventilated according to one embodiment of the invention, ie the air flow injected through the air inlet openings in the interior of the drive motor exits at a predetermined location from the housing of the drive motor.
  • the air flow injected through the air inlet openings in the interior of the drive motor exits at a predetermined location from the housing of the drive motor.
  • encapsulated form guide that is, in its hermetically sealed interior space to the outside, there is a gaseous or liquid cooling medium ⁇ , air, or oil.
  • This cooling medium is cooled by the directed on the housing cooling air flow and thus contributes to the cooling of the drive motor. Cooling fins or heat exchangers on the housing of the traction motor increase the cooling effect.
  • the figure shows in principle shown a bogie 1 ei ⁇ nes electric vehicle, not shown in detail, in particular a rail vehicle.
  • the bogie is attached to a vehicle frame, not shown, such as on a car body of an electric traction vehicle.
  • the traction motor 2 has in a housing 5 to a stator 3 and rotor 4, wherein the rotor 4 via a shaft and a coupling 16, which is designed re insbesonde ⁇ re as a gear coupling, a drive pinion 18 drives.
  • the stator 3 also has, as well as the Ro ⁇ gate 4 substantially axially extending recesses 7, which form axial cooling channels and the leadership of a cooling air flow ⁇ serve and thus among others contribute to the cooling of the laminated cores of the stator 3 and rotor 4.
  • winding heads 6 of a winding system not shown in the stator 3 are present.
  • the longitudinal axis of the drive motor 2 is aligned parallel to an axis 15 of a wheel set shaft 13.
  • a drive pinion 18 a rotatably connected to the wheelset 13 large gear 19, which in turn, ideally on the other side of the wheelset 13, a fan pinion 20 drives, which is coupled directly to the fan 21 and this set in rotation.
  • the fan 21 generates an air flow 25, which is supplied to the traction motor 2 via an air duct 10.
  • the Lüf ⁇ tergeophuse 23 is fixedly connected in the present embodiment with the transmission ⁇ housing, is advantageously between the air duct 10 and the fan housing 23 is a flexible Ver ⁇ bond, in particular a bellows 11 is provided. Shocks and vibrations transmitted through the drive wheels 14, the large gear and the fan gear on the fan housing 23, thus leading to the required degrees of freedom, since the air duct 10 with the housing 5 of the drive motor 2 rigid verbun ⁇ is.
  • the fan 21 now advantageously over at least parts of the transmission (An ⁇ drive pinion, large gear, pinion fan) sucks the air to be conveyed ⁇ current 25th
  • the transmission is cooled.
  • the air flow 25 enters via an air inlet opening 8 in the housing 5 of the drive motor 2 and flows through, inter alia, the ⁇ recesses 7 of the rotor 4 and stator 3 and leads overall in the housing for cooling the existing components there, such as windings, laminated core, bearings, winding system Etc.
  • the air flow within the housing 5 of the drive motor 2 can be designed by air guide elements such that be special heat sources are preferably cooled, so that a constant temperature level within the drive motor 2 is achieved.
  • Such heat sources in particular present winding heads 6 on the front sides of the stator 3.
  • the now heated air stream 25 is directed outwards.
  • the air flow 25 can also cool an encased drive motor 2, whereby the closed internal cooling circuit of the traction motor 2 is recooled by the air flow from the outside via suitable heat exchangers, for example cooling fins.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Gestell (1), das mit einem Fahrzeugrahmen mechanisch gekoppelt ist, zumindest einem Fahrmotor (2), der in dem Gestell (1) positioniert ist, wobei dessen Längsachse parallel zu einer Achse (15) eines anzutreibenden Radsatzes (12) angeordnet ist und wobei der Fahrmotor (2) über ein Antriebsritzel (18) ein mit einer Welle, insbesondere Radsatzwelle (13) drehfest verbundenes Großrad (19) antreibt, einem Lüfter (21), der über ein Lüfterritzel (20) mit dem Großrad gekoppelt ist, einem Luftkanal (10), der den von Lüfter (21) erzeugten Luftstrom (25) zu mindestens einem Fahrmotor (2) führt.

Description

Beschreibung
Fahrmotor mit Kühlung
Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem Ge¬ stell, das mit einem Fahrzeugrahmen gekoppelt ist und zumin¬ dest einem Fahrmotor, der in dem Gestell positioniert ist, wobei der Fahrmotor über ein Antriebsritzel ein mit einer Welle, insbesondere Radsatzwelle, drehfest verbundenes Gro߬ rad diese Welle antreibt.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, aber auch Elektroautomobilen, wird durch die vorgebbare Spurweite, der Bauraum für die elektrischen Be¬ triebsmittel zum Antrieb dieses Fahrzeuges stark einge¬ schränkt. Als Spurweite wird bei einer Eisenbahn oder einem Schienenfahrzeug der Abstand zwischen den Innenkanten der Schiene eines Gleises bezeichnet. Bei Automobilen ist die Spurweite der Abstand zwischen dem linken und rechten Rad einer Achse, genauer der Abstand zwischen den Reifenmitten.
Eine angestrebte kompakte Bauweise von derartigen Fahrzeugen mit ausreichender Leistung des Antriebs und ausreichender Kühlung der Antriebskomponenten, beispielsweise der Fahrmotoren wird dadurch erheblich erschwert.
So ist die Kühlung eines Fahrmotors durch einen Eigenlüfter bekannt, der auf der Welle des Fahrmotors angeordnet ist und mit der Drehzahl des Fahrmotors umläuft.
Nachteilig dabei ist, dass ein solcher Lüfter axialen Bauraum des Fahrmotors innerhalb der Spurweite einnimmt, wobei der dieser Bauraum somit nicht als Aktivteil dem Fahrmotor zur Verfügung steht. Bei derartigen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen führt dies zu Einbußen in der Drehmoment- und Leistungsdichte des Fahrmotors. Ebenso ist der Einbau von elektrisch angetriebenen Fremdlüftern in einem Wagenkasten möglich, was aber höhere Kosten, Maßerhöhung und Bauraumverbrauch im Fahrzeug selbst, also dem Nutzraum oder Fahrgastraum verursacht. Des Weiteren werden dadurch zusätzliche Hilfsbetriebeleistungen benötigt, beispielsweise eine eigene elektrische Versorgung und deren Überwachung .
Des Weiteren ist der Einbau eines elektrischen Fremdlüfters in das Drehgestell eines Schienenfahrzeugs vorstellbar, dies setzt den Motor des Lüfters aber äußerst hohen Schwingungs¬ und Stoßbelastungen aus, was die Zuverlässigkeit eines derar¬ tigen Fremdlüfters reduziert.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei¬ ne Kühlung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs zu schaffen, die eine zuverlässige Kühlung eines Fahrmotors und/oder mechanischer Antriebskompo- nenten gewährleistet, ohne den Einbauraum der für den Antrieb notwendigen elektrischen Betriebsmittel, wie z.B. Fahrmotoren einzuschränken .
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug insbesondere Schienenfahrzeug mit folgenden Merkmalen:
- zumindest einem Gestell, das mit einem Fahrzeugrahmen me¬ chanisch gekoppelt ist,
- zumindest einem Fahrmotor, der in dem Gestell positioniert ist, wobei dessen Längsachse parallel zu einer Achse eines anzutreibenden Radsatzes angeordnet ist und wobei der Fahr¬ motor über ein Antriebsritzel ein mit einer Welle, insbe¬ sondere Radsatzwelle drehfest verbundenes Großrad dieser Welle antreibt,
- einem Lüfter, der über ein Lüfterritzel mit dem Großrad ge¬ koppelt ist,
- einem Luftkanal, der den von Lüfter erzeugten Luftstrom zu mindestens einem Fahrmotor führt. Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Lüfter durch einen separaten Antrieb eines Großrades durch ineinandergreifen der jeweili¬ gen Zähne der Ritzel angetrieben. Dies hat den Vorteil, dass durch diese zusätzliche Getriebeübersetzung vom Großrad auf ein Lüfterritzel die Drehzahl des Lüfters unabhängig von der Drehzahl des Fahrmotors gewählt werden kann.
Damit kann vorteilhafterweise die Drehzahl des Fahrmotors auch über der Drehzahlgrenze einer herkömmlichen Eigenbelüf- tung von ca. 4500 bis 5000 1/min liegen. Damit reduzieren sich die durch den Lüfter verursachten Geräusche. Somit sind auch Fahrmotoren mit Drehzahlen über 5000 1/min einsetzbar.
Durch den mechanischen Antrieb des Lüfters über ein Lüfter- ritzel, das über das Großrad angetrieben wird, bleibt eine hohe Zuverlässigkeit der Belüftung des Fahrmotors erhalten. Dies ist insbesondere bei permanenterregten Fahrmotoren im Ausfallbetrieb (Umrichterausfall) wegen der Eisenverluste bei hohen Fahrgeschwindigkeiten des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs wichtig.
Durch die räumliche Nähe des Lüfters zum Getriebe wird vor¬ teilhafterweise die durch den Lüfter geförderte Kühlluft ge¬ zielt über zumindest einige Teile des Getriebes angesaugt und damit eine Kühlung dieser Komponenten herbeigeführt. Das Ge¬ triebe setzt sich dabei u.a. aus dem Antriebsritzel, dem Großrad und dem Lüfterritzel und deren Schmiermittel und La¬ ger zusammen. Insbesondere bei einem halbabgefederten Antrieb eines elekt¬ rischen Fahrzeugs mit achsreitendem Getriebe sind somit zwei Möglichkeiten der Anordnung des Lüfters und dessen Gehäuse möglich :
- eine getriebefeste Anordnung des Gehäuses des Lüfters, so dass die angesaugte Kühlluft über einen flexiblen Kühlka¬ nal, z.B. einem Faltenbalg zum Fahrmotor geführt wird. Der drehgestellfeste Fahrmotor und das achsreitende Getriebe, also Großrad, Antriebsritzel und Lüfterritzel, bewegen sich relativ zueinander im Rahmen der Freiheitsgrade der Primärfederstufe des Gestells,
- eine drehgestellfeste Anordnung des Gehäuses des Lüfters, so dass das Antriebsmoment des Lüfters über eine flexible Kupplung oder Welle vom Getriebeabrieb des achsreitenden Getriebes, also vom Lüfterritzel zum drehgestellfesten Lüf¬ ter und dessen Gehäuse übertragen wird.
Die erfindungsgemäße Kühlung des Fahrmotors ist bei jeder Art von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen auch von Schienenfahrzeugen mit Getriebeantrieben denkbar, wie sie z.B. in Form von Tatzlagerantrieben oder vollabgefederten Antrieben vorliegen .
Die Kühlung des Fahrmotors ist gemäß einer Aus führungs form der Erfindung durchzugsbelüftet ausgeführt werden, d.h. der über Lufteintrittsöffnungen in den Innenraum des Fahrmotors eingeblasene Luftstrom tritt an einer vorgegebenen Stelle aus dem Gehäuse des Fahrmotors aus. Während seines Durchgangs durch den Fahrmotor werden die Im Fahrmotor liegenden Komponenten, wie Wickelköpfe, Blechpakete, Lager, eventuelle Per¬ manentmagnete gekühlt.
Gemäß einer anderen Aus führungs form ist der Fahrmotor gekapselt, d.h. in seinem nach außen hermetisch abgeschlossenen Innenraum befindet sich ein gasförmiges oder flüssiges Kühl¬ medium, Luft oder Öl. Dieses Kühlmedium wird durch den auf das Gehäuse gerichteten Kühlluftstrom gekühlt und trägt somit zur Kühlung des Fahrmotors bei. Kühlrippen oder Wärmetauscher am Gehäuse des Fahrmotors verstärken die Kühlwirkung.
Vorteilhafterweise wird durch die erfindungsgemäße Anordnung des Lüfters außerhalb des Bereichs der mechanischen Bremsen „saubere" Kühlluft angesaugt und so eine Verschmutzung des Fahrmotors oder des Gehäuses durch metallischen Bremsabtrieb vermieden . Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand einer Figur dargestellt.
Die Figur zeigt prinzipiell dargestellt ein Drehgestell 1 ei¬ nes nicht näher dargestellten elektrischen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs. Das Drehgestell ist dabei an einem nicht näher dargestellten Fahrzeugrahmen befestigt, wie z.B. an einem Wagenkasten eines elektrischen Triebfahrzeugs.
Die wesentlichen Grundgedanken der Erfindung können selbstverständlich ohne weiteres auf ein Automobil mit Elektroan¬ trieb übertragen werden.
An dem Drehgestell 1 eines Schienenfahrzeugs oder einem Fahr¬ zeugrahmen eines Automobils ist ein Fahrmotor 2 über Aufhängeelemente 24 oder Schrauben verbunden. Der Fahrmotor 2 weist in einem Gehäuse 5 einen Stator 3 und Rotor 4 auf, wobei der Rotor 4 über eine Welle und eine Kupplung 16, die insbesonde¬ re als Bogenzahnkupplung ausgeführt ist, ein Antriebsritzel 18 antreibt. Der Stator 3 weist außerdem, ebenso wie der Ro¬ tor 4 im Wesentlichen axial verlaufende Ausnehmungen 7 auf, die axiale Kühlkanäle bilden und der Führung eines Kühlluft¬ stromes dienen und somit u.a. zur Kühlung der Blechpakete von Stator 3 und Rotor 4 beitragen.
An den Stirnseiten des Stators 3 sind Wickelköpfe 6 eines nicht näher dargestellten Wicklungssystems im Stator 3 vorhanden. Die Längsachse des Fahrmotors 2 ist parallel zu einer Achse 15 einer Radsatzwelle 13 ausgerichtet. Die Radsatzwelle 13 bildet zusammen mit den beiden Treibrädern 14 einen Radsatz 12. Durch das Drehgestell 1 oder einen Fahrzeugrahmen, den Zwischenraum zwischen den Treibrädern 14, einem Gleiskörper oder Fahrbahnbelag ist nunmehr das zur Verfügung stehende Bauvolumen für den Fahrmotor 2, eine Kupplung, Teile des Getriebes, der Bauraum für die Bremse 26 und einer Kühlungsvorrichtung vorgegeben. Nunmehr wird ein Luftstrom zur Kühlung des Fahrmotors 2 nicht in axialer Verlängerung des Fahrmotors 2 erzeugt, da dies ei¬ ne axiale Reduzierung der Aktivteile also des Stators 3 und des Rotors 4 des Fahrmotors 2 zur Folge hätte, sondern unter Beibehaltung der axialen Ausdehnungen wird der Luftstrom zur Kühlung über einen Luftkanal 10 bereitgestellt.
Erfindungsgemäß treibt nunmehr ein Antriebsritzel 18 ein mit der Radsatzwelle 13 drehfest verbundenes Großrad 19 an, das wiederum, idealerweise auf der anderen Seite der Radsatzwelle 13 ein Lüfterritzel 20 antreibt, das direkt mit dem Lüfter 21 gekoppelt ist und diesen in Rotation versetzt.
Der Lüfter 21 erzeugt einen Luftstrom 25, der über einen Luftkanal 10 dem Fahrmotor 2 zugeführt wird. Nachdem das Lüf¬ tergehäuse 23 in der vorliegende Ausführung mit dem Getriebe¬ gehäuse fest verbunden ist, ist vorteilhafterweise zwischen dem Luftkanal 10 und dem Lüftergehäuse 23 eine flexible Ver¬ bindung, insbesondere ein Faltenbalg 11 vorgesehen. Stöße und Erschütterungen die über die Treibräder 14, das Großrad und das Lüfterritzel auf das Lüftergehäuse 23 übertragen werden, führen somit zu den erforderlichen Freiheitsgraden, da der Luftkanal 10 mit dem Gehäuse 5 des Fahrmotors 2 starr verbun¬ den ist.
In der vorliegenden Aus führungs form saugt nunmehr der Lüfter 21 vorteilhafterweise über zumindest Teile des Getriebes (An¬ triebsritzel, Großrad, Lüfterritzel) den zu fördernden Luft¬ strom 25 an. Dabei wird zumindest zum Teil das Getriebe mit gekühlt .
Der Luftstrom 25 tritt über eine Lufteinlassöffnung 8 in das Gehäuse 5 des Fahrmotors 2 ein und durchströmt u.a. die Aus¬ nehmungen 7 von Rotor 4 und Stator 3 und führt insgesamt im Gehäuse zur Kühlung der dort vorhandenen Komponenten, wie Wickelköpfe, Blechpaket, Lager, Wicklungssystem etc. Die Luftführung innerhalb des Gehäuses 5 des Fahrmotors 2 kann durch Luftleitelemente derart gestaltet werden, dass be sondere Wärmequellen bevorzugt gekühlt werden, so dass ein gleichbleibendes Temperaturniveau innerhalb des Fahrmotors 2 erreicht wird. Solche Wärmequellen stellen insbesondere dies Wickelköpfe 6 an den Stirnseiten des Stators 3 dar. An Luft¬ austrittsöffnungen 9 wird der nunmehr erwärmte Luftstrom 25 nach außen gelenkt.
In einer nicht näher dargestellten Aus führungs form kann der Luftstrom 25 auch einen gekapselten Fahrmotor 2 kühlen, wob dabei der geschlossene Innenkühlkreislauf des Fahrmotors 2 durch den Luftstrom von außen über geeignete Wärmetauscher beispielsweise Kühlrippen rückgekühlt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Schienen¬ fahrzeug mit folgenden Merkmalen:
- zumindest einem Gestell (1), das mit einem Fahrzeugrahmen mechanisch gekoppelt ist,
- zumindest einem Fahrmotor (2), der in dem Gestell (1) positioniert ist, wobei dessen Längsachse parallel zu einer Achse (15) eines anzutreibenden Radsatzes (12) angeordnet ist und wobei der Fahrmotor (2) über ein Antriebsritzel
(18) ein mit einer Welle, insbesondere Radsatzwelle (13) drehfest verbundenes Großrad (19) antreibt,
- einem Lüfter (21), der über ein Lüfterritzel (20) mit dem Großrad gekoppelt ist,
- einem Luftkanal (10), der den von Lüfter (21) erzeugten
Luftstrom (25) zu mindestens einem Fahrmotor (2) führt.
2. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Luftka- nal (10) über einen Faltenbalg (11) mit dem Lüftergehäuse
(23) und/oder mit dem Gehäuse (5) des Fahrmotors (2) verbunden ist.
3. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der
Fahrmotor (2) durchzugsbelüftet ist.
4. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t , dass der Luftstrom (25) des Lüfters (21) und/oder Geräuschemissionen des Lüfters (21) durch geeignete Auswahl eines Lüfterritzels (20) vorgebbar sind.
5. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach einem der vorherge- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fahrmotor (2) ein Asynchronmotor oder ein permanenterregter Motor ist.
6. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Luftansaugöffnungen (22) des Lüfters (21) derart angeordnet sind, dass die angesaugte Luft zumindest zum Teil über das durch Antriebsritzel (18), Großrad (19) und
Lüfterritzel (20) gebildete Getriebe gesaugt und so zur Küh¬ lung des Getriebes beiträgt.
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