DE3927311A1 - Elektromotorischer schienenfahrzeug-direktantrieb - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienen­ fahrzeugräder, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß axial neben dem anzutreibenden Rad ein elektro­ nisch kommutierter Elektromotor angeordnet ist, dessen Rotor zur Drehmomentübertragung an das anzu­ treibende Rad angeschlossen ist, wobei die Rota­ tionsachsen des Rotors und des anzutreibenden Rads mindestens im wesentlichen miteinander fluchten;
• b) daß der Rotor als Außenrotor des gehäuselosen Elek­ tromotors ausgebildet ist und ringförmig verteilte Dauermagnete aufweist; und
• c) daß der Stator des Elektromotors an der dem anzu­ treibenden Rad abgewandten Seite drehfest an dem Fahrzeug gehalten ist.

Unter "Direktantrieb" versteht man üblicherweise und in der vorliegenden Anmeldung solche Antriebe, bei denen der Elektromotor einem anzutreibenden Rad ohne Zwischenschaltung eines Getriebes räumlich eng zuge­ ordnet ist. Der Drehmomentübertragungsanschluß des Rotors des Elektromotors an das anzutreibende Rad ist bei der Erfindung entweder an das anzutreibende Rad selbst oder an eine Achswelle vorgenommen, auf der das anzutreibende Rad drehfest sitzt. Elektromotorische Direktantriebe werden zuweilen auch als Achsmotoren bezeichnet.

Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, mit mindestens einem Achsmotor auszustatten, erscheint einerseits als eine attraktive Möglichkeit, weil Getriebe, rechtwink­ lige Umlenkungen des Drehmomentflusses oder dergl. ein­ gespart werden können, so daß man auf die Erreichung von Kostenvorteilen und Raumvorteilen hoffen kann. Auf der anderen Seite sind Achsmotoren, gleiches Drehmoment vorausgesetzt, wegen des Wegfalls eines Getriebes größer und schwerer. Bei Fahrzeugen, insbesondere auch bei Schienenfahrzeugen, steht weder auf der Radaußenseite noch auf der Radinnenseite, insbesondere wenn es sich um sogenannte Niederflurfahrzeuge handelt, viel Platz zur Verfügung. Diese Schwierigkeiten haben bisher den praktischen Einsatz von Achsmotoren verhindert. Zu Versuchszwecken hat man Asynchronmotoren als Achsmotoren eingebaut. Diese Versuche haben nicht zu unter wirt­ schaftlichen Gesichtspunkten verwertbaren Ergebnissen geführt, weil das erreichbare Motordrehmoment zu gering war oder sich von Masse und Volumen her zu große Motoren ergeben haben.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen ver­ gleichsweise leichten und raumsparenden Direktantrieb verfügbar zu machen, der jedoch - gemessen am benötigten Einbauvolumen und dem Gewicht - ein vergleichsweise hohes Drehmoment liefert.

Erfindungsgemäß wird ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit Außenläufer und ohne Gehäuse vorge­ sehen. Dadurch befindet sich die im wesentlichen zylindrische Luftspaltfläche auf einem optimal großen Durchmesser. Der vorgesehene Motor ist aufgrund des Aufbaus mit Dauermagneten und aufgrund der elektro­ nischen Kommutierung hinsichtlich Volumen, Masse und verarbeitbarer Stromstärke optimal ausgenutzt. All dies zusammen führt zu einem - gemessen an Volumen und Masse - optimal hohen, lieferbaren Drehmoment.

Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind an sich bekannt, so daß in dieser Hinsicht keine weiteren Ein­ zelheiten beschrieben werden müssen. Elektronisch kommutierte Elektromotoren lassen sich von der Bauart­ systematik her am ehesten mit Gleichstrommotoren ver­ gleichen. Üblicherweise wird durch einen Rotations­ stellungssensor, häufig einen Hall-Sensor, die jeweils momentane Rotationsstellung des Rotors erfaßt und wird aufgrund von Signalen des Rotationsstellungssensors den Statorwicklungen bzw. Statorspulen zeitrichtig und vorzeichenrichtig elektrische Spannung aufgeschaltet.

Besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Direkt­ antrieb für Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeuge, weil bei diesen hohe Raddrehzahlen auftreten, also bei gegebenem Drehmoment des Antriebsmotors hohe Antriebs­ leistungen verfügbar werden, und weil bei diesen der Gesichtspunkt eines großen Anfahrbeschleunigungsver­ mögens nicht im Vordergrund steht. Als Hochgeschwin­ digkeits-Schienenfahrzeuge werden solche angesehen, die eine Höchstgeschwindigkeit im Bereich von 200 bis 300 km/h, oder auch darüber, erreichen.

Man kann den Rotor des Elektromotors mittels der Lagerung des anzutreibenden Rads lagern, also auf eine eigene Rotorlagerung verzichten. Insbesondere in diesem Fall ist ein geringes Rotorgewicht, wie es erfindungsgemäß gemessen am Drehmoment des Motors erreichbar ist, von Vorteil, weil der Rotor des Motors in vielen Fällen zu den ungefederten Fahrzeugmassen gehört. Es ist je­ doch alternativ möglich, den Rotor des Motors selbst zu lagern, wenn man es - insbesondere aus weiter unten noch geschilderten Gründen - für vorteilhafter hält.

Vorzugsweise ist der Rotor mit hochkoerzitiven Dauer­ magneten bzw. Dauermagneten mit einem hohen Energie­ produkt aufgebaut. Derartige Dauermagnete sind bekannt, insbesondere aus seltene Erden-Kobalt-Material oder Eisen-Neodym-Material. Der seltene Erden-Materialanteil kann aus einem oder mehreren Seltenerdenelementen, ins­ besondere Samarium, bestehen. Hochkoerzitive Dauer­ magnete bzw. Dauermagnete mit hohem Energieprodukt liefern eine hohe Dauermagneterregung, erlauben eine hohe Motor-EMK mit vergleichsweise geringer Induktivität erlauben einen besonders kompakten Aufbau des Rotors, und erlauben die Konstruktion des Motors mit vergleichsweise großer, radialer Luftspaltweite, was aus nachfolgend noch ange­ sprochenen Gründen günstig ist.

Eine weitere, bevorzugte Maßnahme zur Steigerung der Kompaktheit bzw. des Drehmoments des Elektromotors be­ steht darin, den Rotor nach dem Gesichtspunkt der Fluß­ konzentration auszubilden, wobei die Magnetflußdichte an den luftspaltseitigen Polflächen des Rotors größer ist als an den Endflächen der Dauermagnete.

Es ist möglich und bevorzugt, den Rotor mittels einer Verbindungseinrichtung an das Rad anzuschließen, die kleine Relativbewegungen zwischen dem Rad und dem Rotor zuläßt, insbesondere in Richtung rechtwinklig zur Rotationsachse des Rades bzw. des Rotors, ganz besonders in Vertikalrichtung. Die Verbindungseinrichtung kann eine Art nachgiebige Kupplung sein. Die Verbindungsein­ richtung ist vorzugsweise federnd-nachgiebig und/oder dämpfend. Hauptvorteil der genannten Verbindungseinrich­ tung ist das Fernhalten von Stoßmaxima des Rads von dem Rotor. Dies gilt selbst dann, wenn der Rotor mittels der Lagerung des Rads bzw. der Achswelle des Rads gelagert ist. Es gilt aber in günstigerer Auswirkung, wenn der Rotor mittels einer eigenen Lagerung gelagert ist, wo­ durch eine Rad-Primärfederung ohne Rotor-Primärfederung sowie ein stärkeres Entkoppeln der Radstöße von dem Rotor möglich werden. Ferner ist die Variante möglich, daß der gesamte Elektromotor, also Stator und Rotor, gefedert und/oder gedämpft am Fahrzeug abgestützt ist, wobei bei­ spielsweise die Räder, deren Achsen bzw. Achswellen und deren Elektromotoren die ungefederten Fahrzeugmassen ausmachen.

Insbesondere bei Schienenfahrzeugen ist es günstig, wenn das anzutreibende Rad unter Zwischenschaltung einer möglichst früh in der Stoßweiterleitungskette angeord­ neten Primärfederung mit dem Fahrzeug verbunden ist. Der "früheste" bzw. am dichtesten am Rad befindliche Ort der Primärfederung ist eine Primärfederung zwischen dem eigentlichen Rad und seiner stillstehenden Radachse oder seiner mitrotierenden Achswelle. Der "zweifrüheste" bzw. am zweitnächsten am Rad befindliche Ort der Primär­ federung ist zwischen der stillstehenden Radachse oder der mitrotierenden Radachswelle und dem Fahrzeug. Es wird darauf hingewiesen, daß in beiden Fällen der Rotor des Elektromotors entweder zu der durch die Primär­ federung unabgefederten Masse (Rad oder Radachse bzw. Achswelle) gehören kann oder zu der durch die Primär­ federung abgefederten Masse in der Stoßübertragungs­ kette hinter der Primärfederung.

Dem anzutreibenden Rad kann mindestens auf einer Axial­ seite eine Bremsscheibe starr zugeordnet sein. Auf der dem Elektromotor entgegengesetzten Axialseite ist nor­ malerweise für eine derartige Bremsscheibe genügend Platz. Zusätzlich oder statt dieser Bremsscheibe kann zwischen dem Elektromotor und dem anzutreibenden Rad eine dem Rad starr zugeordnete Bremsscheibe vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich und in vielen Fällen sogar bevorzugt, dem Rotor des Elektromotors eine Brems­ scheibe starr zuzuordnen. Dies bietet häufig räumliche Vorteile. Außerdem kann in diesem Fall die Bremsscheibe der der Primärfederung nachgeordneten, gefederten Masse zugeordnet werden.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Elektromotor ist - ge­ messen an seinem Drehmoment - so klein, daß er häufig außenseitig von dem anzutreibenden Rad angeordnet werden kann, insbesondere noch innerhalb der für Eisen­ bahnfahrzeuge vorgeschriebenen Fahrzeugbegrenzung.

Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Schienenfahrzeugs mit Achsmotor;

Fig. 2 einen detaillierteren Teil-Axialschnitt des Elektromotors von Fig. 1 längs II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit abgewandelter Lagerung des Rotors des Elektromotors.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Schienenfahrzeugs 2, bei­ spielsweise eines Triebwagens zur Personenbeförderung, wobei man ein anzutreibendes Schienenrad 4 einer Fahr­ zeugseite, dessen Achsmotor 6, einen Teil des das Rad 4 und den Motor 6 abstützenden Fahrgestells 8 des Fahr­ zeugs 2, und einen unteren Teil des Fahrzeugkastens bzw. der Fahrzeugkarosserie 10 zur Aufnahme der Nutzlast bzw. der zu befördernden Personen erkennt. Das Fahrge­ stell 8 kann beispeilsweise eines von zwei Drehgestellen sein, auf denen der Fahrzeugkasten 10 ruht. Es kann sich aber auch um ein Fahrgestell 8 handeln, welches undreh­ bar mit dem Fahrzeugkasten 10 verbunden ist. Zwischen dem Rad 4 und dem Fahrgestell 8 und/oder zwischen dem Fahrgestell 8 und dem Fahrzeugkasten 10 kann eine nicht eingezeichnete Federung und gegebenenfalls eine Dämpfung vorgesehen sein.

Das Rad 4 ist starr auf einer Achswelle 12 befestigt. Axial links und rechts neben dem Rad ist jeweils eine Bremsscheibe 14 starr auf der Achswelle 12 befestigt. Die Achswelle 12 ist mittels Wälzlagern 16 drehbar im Fahrgestell 8 gelagert.

Auf der in Fig. 1 rechten Seite ist die Achswelle 12 verlängert und mit einem flanschartigen Endbereich 18 größeren Durchmessers versehen. An diesen Endbereich 18 ist ein in Fig. 1 nach rechts offener, im wesentlichen becherförmiger Außenrotor 20 des Achsmotors 8 ange­ schlossen, und zwar unter Zwischensetzen eines federnd nachgiebigen, dämpfenden Verbindungsrings 22, beispiels­ weise aus geeignetem Gummi oder Kunststoff. Der Verbin­ dungsring 22 sitzt auf der dem Rad zugewandten Axial­ seite des Endbereichs 18, und die Stirnwand des Rotors 20 ragt dort radial nach innen zu dem Verbindungsring 22. Der Achsmotor 6 sitzt in Fig. 1 rechts von dem Rad, also fahrzeugaußenseitig von dem Rad 4.

Das Fahrgestell 8 weist in Fig. 1 rechts von dem Rotor 20 einen nach unten ragenden Fortsatz 24 auf. An der Innenseite dieses Fortsatzes 24 ist ein kreisförmiger Befestigungsflansch 26 befestigt. Der Befestigungs­ flansch 26 trägt eine nach innen ragende, kräftige, rohrförmige Stütze 28. Am Außenumfang der Stütze 28 sind ringförmig verteilt Statorpole 30 aus ferroma­ gnetischem Material mit Wicklungen 32 angebracht. Der Rotor 20 weist ringförmig verteilt Dauermagnete auf, die in Fig. 1 zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet sind. Die Polteilung der Dauermagnete ist auf die Polteilung der Statorpole 30 abgestimmt, so daß durch den mit den Statorpolen 30 aufgebauten Stator und die am Rotor 20 angebrachten Dauermagnete ein Elektromotor mit dauermagnetischer Erregung gebildet ist. Die Dauermagnete sind mit längs des Rotorumfangs wechselnder Polung angeordnet.

Oberhalb des Rads 4 erkennt man eine Tragsäule 34. An der in Fig. 1 rechten Seite der Tragsäule 34 befindet sich ein Einbauraum für die Steller des Motors 6, die Steuerelektronik des Motors 6 und für ein dem Motor 6 zugeordnetes Kühlaggregat. Die Steller des Motors 6 werden mittels eines nicht eingezeichneten Rotations­ stellungssensors des Motors 6 so angesteuert, daß sie den einzelnen Wicklungen 32 der Statorpole 30 elektri­ schen Strom zeitrichtig und vorzeichenrichtig zuführen. Von dem Einbauraum 36 zu dem Fortsatz 24 und durch den Fortsatz 24 hindurch in das Innere der Stütze 28 führt ein Kanal 38, in dem Stromkabel und Kühlungsleitungen verlaufen.

Mit der Linie 39 ist die äußere Fahrzeugkontur ange­ deutet, die beispielsweise bei der deutschen Bundes­ bahn 2950 mm breit ist. Mit der Linie 40 ist die engst­ zulässige Fahrwegbegrenzung angedeutet, also diejenige Grenze, bis zu der hin äußere Fahrwegteile, wie Tunnel­ wände, Masten und dergl., maximal dicht zu den Schienen des Fahrwegs hin angeordnet sein dürfen. Es handelt sich beispielsweise um die sogenannte Fahrzeugbegrenzung II der Eisenbahnbetriebsordnung der Deutschen Bundes­ bahn. Man erkennt, daß sich der Achsmotor 6 innerhalb der Fahrzeugkontur 39 und innerhalb der Begrenzung 40 befindet. Mit 42 ist der sogenannte Lemniskatenlenker zur Laufwerkseinstellung angedeutet.

Das Gezeichnete muß man sich links spiegelbildlich er­ gänzt, um einen Fahrzeugmittelteil ergänzt und um einen oberen Fahrzeugbereich ergänzt vorstellen, um das ge­ samte Fahrzeug 2 im Querschnitt vor sich zu haben. Am oberen Ende des Einbauraums 36 ist mit 44 ein Kühlluft­ austritt angedeutet.

Der Fahrzeugkasten 10 reicht als Niederflurfahrzeug tiefer herab als dem oberen Bereich des Umfangs des Rads 4 entspricht. Das korrespondierende Rad 4 auf der anderen Fahrzeugseite ist ebenfalls mit einem Achs­ motor 6 versehen. Es ist jedoch alternativ möglich, die Achswelle 12 zum gegenüberliegenden Rad 4 durchzuführen und beide Räder 4 durch einen gemeinsamen Achsmotor 6 anzutreiben.

Statt den Rotor 20 wie beschrieben an die Achswelle 12 anzuschließen, könnte er auch beispielsweise durch Bolzen direkt mit dem Rad 4 oder der rechten Bremsscheibe 14 verbunden sein. In diesem Fall könnte das Rad 4 auf der Achse 12 drehbar gelagert sein. Die rechte Abstützung der Achse 12 müßte dann beispielsweise am Fortsatz 24 des Fahrwerks 8 erfolgen.

Der federnd-nachgiebige und dämpfende Verbindungsring 22 führt dazu, daß Stöße, insbesondere Stoßmaxima, reduziert an den Rotor 20 weitergegeben werden.

Es ist möglich, zwischen den Lagern 16 und dem Fahrwerk 8 Federelemente und/oder Dämpfungselemente zwischenzu­ setzen. Sofern die Nachgebewege dieser Elemente klein genug sind, kann der Rotor 20 diese Nachgebebewegungen mitmachen, da man den radialen Luftspalt 46 zwischen den radial nach außen gerichteten Polflächen der Stator­ pole 30 und dem Innenumfang des Rotors 20 bei dem er­ findungsgemäßen Motoraufbau ohne weiteres groß genug ausbilden kann. Es ist ferner möglich, zwischen dem Rad 4 und der stillstehenden Achse 12 bzw. der dreh­ momentübertragenden, drehenden Achswelle 12 federnde und/oder dämpfende Zwischenelemente vorzusehen.

In Fig. 3 erkennt man eine Variante, bei der der Rotor 20 in der Stütze 28 gelagert ist. Zwischen dem Rotor 20 und dem Endbereich 18 der Achswelle 12 ist wiederum ein federnder und dämpfender Verbindungsring 22 angeordnet. Bei dieser Ausführung kommen Stöße des Rads 4 noch wesentlich reduzierter auf den Rotor 20. Außerdem hat man in diesem Fall die Freiheit, das Rad 4 oder die Achswelle 12 mit größerem Nachgebeweg gefedert und/oder gedämpft abzustützen, weil der Verbindungsring 22 den Nachgebeweg aufnimmt. Wenn der Rotor 20 eine eigene Lagerung 17, beispielsweise gemäß Fig. 3 aufweist, kann er beispielsweise in nicht eingezeichneter Weise durch geeignete Verbindungselemente, die kleine Relativbe­ wegungen zulasssen und gewünschtenfalls federnd und/oder dämpfend wirken, direkt mit dem Rad 4 oder der rechten Bremsscheibe 14 verbunden sein. Alternativ kann der Rotor 20 rechts an dem Fortsatz 24 drehbar gelagert sein.

Die Stirnwand 48 des Rotors 20 kann in nicht einge­ zeichneter Weise radial vergrößert sein, um dort einen Bremsbereich auszubilden.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsmöglichkeit des Rotors 20 in magnetischer Hinsicht dargestellt. Die eingezeichneten Dauermagnete 50 weisen Endflächen 52 auf, an denen der Magnetfluß in anschließendes ferromagnetisches Material 54 übertritt und die - grob gesprochen - in Umfangsrichtung des Rotors 20 weisen. Die ferromagnetischen Materialbereiche 54 jeweils zwischen zwei mit entgegengesetzter Polung angeordneten Dauermagneten 50 bilden radial nach innen gerichtete Polflächen 56. Jede Polfläche 56 weist eine kleinere Magnetflußaustrittsfläche auf als es der Summe der Magnetflußübertrittsflächen 52 der beiden anschließenden Dauermagnete 50, gemessen jeweils in einer Radialebene, entspricht, so daß sich ein Flußkonzentrationseffekt ergibt.

Man erkennt, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 die Rotationsachsen des Rads 4 und des Rotors 20 im Nor­ malfall miteinander fluchten. Wenn das Rad 4 oder die Achswelle 12 mit Nachgebeweg abgestützt sind, können sich Situationen ergeben, in denen - wegen des nachgiebigen Verbindungsrings 22 - diese Rotationsachsen nicht mehr exakt, aber immer noch im wesentlichen miteinander fluchten. Dies gilt auch für die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Ausführungsformen.

Claims (12)

1. Elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienenfahrzeugräder, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß axial neben dem anzutreibenden Rad (4) ein elektronisch kommutierter Elektromotor (6) ange­ ordnet ist, dessen Rotor (20) zur Drehmomentüber­ tragung an das anzutreibende Rad (4) angeschlossen ist, wobei die Rotationsachsen des Rotors (20) und des anzutreibenden Rads (4) mindestens im wesent­ lichen miteinander fluchten;
• b) daß der Rotor (20) als Außenrotor des gehäuselosen Elektromotors (6) ausgebildet ist und ringförmig verteilte Dauermagnete (50) aufweist; und
• c) daß der Stator (30) des Elektromotors (6) an der dem anzutreibenden Rad (4) abgewandten Seite dreh­ fest an dem Fahrzeug (2) gehalten sein.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) mittels der Lagerung (16) des Rads (4) gelagert ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß hochkoerzitive Dauermagnete (50), vor­ zugsweise aus seltene Erden-Kobalt-Material oder Eisen- Neodym-Material, vorgesehen sind.

4. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) nach dem Gesichts­ punkt der Flußkonzentration ausgebildet ist, wobei die Magnetflußdichte an den luftspaltseitigen Polflächen (56) des Rotors (20) größer ist als an den Endflächen (52) der Dauermagnete (50) .

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (20) mittels einer Ver­ bindungseinrichtung (22) an das Rad (4) angeschlossen ist, die kleine Relativbewegungen zwischen dem Rad (4) und dem Rotor (20) zuläßt.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (22) federnd-nachgiebig ist.

7. Antrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (22) dämpfend ist.

8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radachse (12) gefedert am Fahr­ zeug (4) abgestützt ist.

9. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad gefedert auf der Radachse (12) abgestützt ist.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rotor (20) eine Bremsscheibe (14) starr zugeordnet ist.

11. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (6) außenseitig von dem Rad (4) angeordnet ist.

12. Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb innerhalb der für Eisenbahnfahrzeuge vorgeschriebenen Fahrzeugbegrenzung (28) angeordnet ist.