Einzelradantriebseinheit eines elektrisch anetriebenen Fahrzeugs

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.

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Die gegenständliche Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine sehr kompakte, kostengünstige Einzelrad-Antriebseinheit hoher Leistungsdichte mit einer einfachen und sicheren Kühlung anzugeben.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Die gegenständliche Erfindung wird anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Fig. 1 näher beschrieben.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

Ansprüche

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.

Zeichnung