DE60037496T2

DE60037496T2 - Lüftungsvorrichtung und elektrischer Bahn-Traktionsmotor ausgerüstet mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE60037496T2
Application number: DE60037496T
Authority: DE
Inventors: Ludovic Morel; Jean-Luc Raguideau; Bruno Raguin
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2020-10-14
Also published as: KR20010051518A; BR0005310A; FR2800931A1; CZ20004169A3; BR0005310B1; HK1038835A1; ATE381805T1; US6570276B1; PL199771B1; TW563287B; EP1100184B1; CZ300907B6; RU2298868C2; AU764381B2; DE60037496D1; MXPA00010867A; DK1100184T3; CA2325722C; AU7144500A; KR100732598B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilatorvorrichtung und Elektro-Bahntraktionsmotor mit einer derartigen Ventilatorvorrichtung.
Im Bereich des Bahnantriebs ist ein Elektromotor im allgemeinen in Höhe des Fahrgestells unterhalb des Chassis einer Lokomotive oder eines Wagens angeordnet. Da ein Elektromotor eine erhebliche elektrische Leistung aufnehmen kann, muss er gekühlt werden, um einen Teil dieser Leistung als Wärme abzuführen. Hierzu ist es bekannt, die Umgebungsluft heranzuziehen. Die Umgebung der Bahnantriebsmotoren ist im allgemeinen schmutzig, einerseits wegen Verunreinigungen, die sich auf der Bahnstrecke befinden können, und andererseits wegen Regens oder Schlamms aufgrund von ungünstigen Witterungsbedingungen. Aus den zuvor erläuterten Gründen ist es bekannt, einen Elektromotor gegenüber seiner Umgebung zu schützen, indem Filter oder Gitter am Einlass für Kühlluft angebracht werden. Es ist ebenfalls bekannt, die Kühlluft für den Motor über eine Leitung aus einer Zone mit geringer Verschmutzung anzusaugen, wie etwa einem Abteil im Inneren des Zuges oder aus einer Zone im Bereich der Dachkonstruktion der Lokomotive. Diese Maßnahmen führen zu erheblichen Ladungsverlusten in der Bahn der Luft, so dass der Wirkungsgrad verschlechtert wird. Es kann auch zu einer Verschmutzung des Motors kommen.
Durch die EP 0 849 858 ist ein Motor bekannt, der einen Ventilator umfasst der in der Luftauslaßkammer des Motors angeordnet ist und Luft durch den Motor hindurch ansaugt. Dieser Motor weist eine Umhüllung auf, die einen Teil des Stators einschließt. Kanäle sind im Stator vorgesehen. Die Risiken der Verschmutzung und Verunreinigung sind erhöht, da die angesaugte Luft mit Partikeln belastet ist.
Weiterhin ist aus der EP 0 387 743 ein Motor bekannt, der einen Ventilator aufweist, der in einer Anlaßkammer angeordnet ist und Luft transportiert, die in Kanäle eintritt, die den magnetischen Statorbereich durchlaufen. Dieser Motor umfasst eine Umhüllung, die einen Teil des Rotors einschließt und durch einen zweiten Kreis von eingeschlossener Luft belüftet wird.
Aus der FR-A-2 645 817 ist es bekannt, einen Bahnantriebsmotor mit Luft zu belüften, die durch einen Ventilator bewegt wird. Ein Teil dieser Luft wird durch Zentrifugalwirkung in eine Öffnung abgesaugt, in der ein Abscheideelement angeordnet ist. Die schwersten Partikel werden durch Zentrifugalkraft abgesaugt und nicht in Richtung des Innenbereichs des Motors transportiert. Die Wirksamkeit der Zentrifugalbewegung hängt im wesentlichen von der Drehzahl des Ventilators am Einlaß ab, die ihrerseits verbunden ist mit der Drehzahl des Motors. Ein Motor kann sich um so schneller drehen, je geringer die Belastung ist, insbesondere bei städtischen Schienenfahrzeugen vom Typ Straßenbahn oder bei O-Bussen. Diese ist ihrerseits verbunden mit der Schnelligkeit der Arbeitsweise des Motors. Ein Motor kann sich öfter drehen bei geringer Belastung, insbesondere für städtische Schienenfahrzeuge, wie etwa einer Straßenbahn oder einem O-Bus. Außerdem bewirkt Luft, die durch Umfangsöffnungen angesaugt wird, keine Kühlung, und tiefe Geräusche können erzeugt werden durch den Abstrom eines Teils der Luft direkt zur Atmosphäre.
Wegen dieser Nachteile sucht die Erfindung Abhilfe, indem eine Ventilationsvorrichtung vorgeschlagen wird, bei der der gesamte Luftstrom, der durch einen Ventilator angesaugt wird, für die Kühlung des Motors genutzt wird, wobei die Risiken einer Verschmutzung oder Verunreinigung minimal sind.
In diesem Sinne betrifft die Erfindung eine Ventilationsvorrichtung eines Elektromotors für den Bahnantrieb mit einem Zentrifugalventilator, der in einem Sinne oder im doppelten Sinne drehbar ist. Der Ventilator befindet sich in einer Lufteinlaßkammer und pumpt einen Luftstrom in Richtung des Motors. Eine Umhüllung umschließt wenigstens den Rotor des Motors. Kühlkanäle sind im Stator vorgesehen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Ventilator gepumpte Luftstrom in einen inneren Strom, der in das Innere der Umhüllung geleitet wird, und einen äußeren Strom unterteilt wird, der aufgrund des Zentrifugatoreffekts mit Schmutzteilen beladen ist und der in Richtung der Kühlkanäle des Stators des Motors geleitet wird.
Erfindungsgemäß wird der Luftstrom, der durch den einlaßseitigen Ventilator gepumpt wird, für die Kühlung des Rotors und des Stators des Motors verwendet. Der Teil der Luft, der am ehesten der Verschmutzung mit relativ schweren Partikeln ausgesetzt ist, wird unter dem Einfluss der Zentrifugal kraft nach außen gelenkt, d. h. in Richtung der Kanäle für die Kühlung des Stators, während der Teil der Luft der am wenigsten verschmutzt ist und der den inneren Strom bildet, zum Inneren der Umhüllung gelenkt werden kann, ohne dass es zu einem nennenswerten Verschmutzungsrisiko im Inneren des Motors kommt.
Entsprechend vorteilhaften Aspekten, die im Rahmen der Erfindung jedoch nicht obligatorisch sind, weist die Vorrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf:
Der Ventilator pumpt Luft in einen Rohrabschnitt zur Versorgung der Kanäle, wobei eine Trennwand zur Trennung des inneren Volumens des Rohrabschnitts und der äußeren Umhüllung durch mindestens eine Öffnung durchbrochen sind, die eine Verbindung zur Zirkulation des ersten Stromes schafft. Es kann eine oder können mehrere Öffnungen zwischen dem inneren Volumen des Rohrabschnitts und der Umhüllung vorgesehen sein. Die Öffnungen sind im wesentlichen regelmäßig um eine zentrale Achse des Motors herum angeordnet. Es ist auch möglich, die Öffnungen in Radialrichtung im Inneren der Bahn vorzusehen, die definiert wird durch den Rohrabschnitt für den zweiten Strom. Aufgrund dieses Aspekts der Erfindung, ist der erste Kühlluftstrom, der in Richtung der Umhüllung gerichtet ist, abgeleitet von dem Strom, der in Richtung der Kanäle des Stators fließt, welche Ableitung auf einer Innenfläche des Rohrabschnitts stattfindet, dessen Luft am meisten verunreinigt ist, d. h. mit relativ schweren Partikeln belastet ist, und am weitesten entfernt ist.

– Es ist wenigstens eine Auslaßöffnung aus der Umhüllung für den ersten Luftstrom vorgesehen. Diese Auslaßöffnung kann sich in der Nähe eines Kühlkanals des Stators befinden. In diesem Falle ist vorzugsweise eine Trennrippe für den Luftstrom vorgesehen, der aus dieser Öffnung und diesem Kanal austritt.
– Ein zweiter Ventilator erzeugt oder unterstützt einen Luftstrom im Inneren der Umhüllung von dem inneren Strom aus. Der zweite Ventilator vergrößert die Luftbewegung in der Umhüllung und verbessert so die Wirksamkeit der Kühlung der Elemente, die in der Umhüllung enthalten sind.
– Die Umhüllung umschließt den Rotor, einen mittleren inneren Bereich des Stators, wenigstens eine Spule, die dem Stator oder dem Motor zugeordnet ist, eine Partie der zentralen Welle des Motors und eventuell einen zweiten Ventilator. Die Anordnung der zuvor genannten Elemente wird ebenfalls durch den ersten Luftstrom gekühlt.

Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Elektromotor für den Bahnantrieb, der mit einer Ventilatorvorrichtung der zuvor beschriebenen Art ausgerüstet ist. Ein derartiger Motor arbeitet sehr zufriedenstellend, auch in einer verschmutzten Umgebung. Die Kühlwirkung ist besonders stark. Daher kann ein Motor gemäß der Erfindung mit großer Leistung auf relativ begrenztem Raum hergestellt werden.
Die Erfindung wird besser verstanden werden aufgrund der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nehmen:
1 ist ein Längsschnitt durch einen Bahntraktionsmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein entsprechender Schnitt zu 1 für einen Bahntraktionsmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Der Motor 1, der in 1 dargestellt ist, umfasst eine Mittelwelle 2, die durch Lager 3 und 4 getragen wird und auf der ein Rotor 5 montiert ist.
Mit X-X' ist die Längsachse der Welle 2 bezeichnet, die Drehachse des Rotors 5 ist.
Ein Stator 8, der in Bezug auf die Achse X-X' zentriert ist, ist radial um den Rotor 5 herum angeordnet und mit einer Spule 9 ausgerüstet. Mit e ist Luftspalt zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 8 bezeichnet.
Ein Lagerschild 11 trägt das Lager 3 und ist verbunden mit einem Flanschring 12, der mit dem Stator 8 verbunden ist.
Andererseits ist der Flanschring 12 mit Hilfe von Schrauben 16 mit einem Rohransatz 17 verbunden, der eine Einlaßöffnung 18 für Kühlluft des Motors 1 bildet und das Lager 4 trägt.
Der Rohransatz 17 umfasst eine äußere Umhüllung 20 und einen Teil einer inneren Umhüllung 21, die miteinander ein inneres Volumen V des Rohransatzes 17 begrenzen, wobei die Öffnung 18 in dem Bereich 20 ausgebildet ist, während das Lager 4 mit dem Bereich 21 zusammenhängt. Ein Gitter 22 ist vor der Öffnung 18 vorgesehen und gestattet es, Unrat wie Papiere oder Blätter, die tendenziell in den Rohransatz 17 durch die Öffnung 18 eindringen würden, fernzuhalten.
Ein Ventilator 24, dessen Flügel mit 25 bezeichnet sind und sich in Radialrichtung erstrecken, ist an einem Ende 2a der Welle 2 innerhalb der Lufteintrittskammer C angebracht, die in dem Rohransatz 17 zwischen dem Gitter 22 und dem inneren Bereich 21 gebildet wird.
Wegen der Form und der Anordnung der Elemente 11, 12 und 21 bilden diese eine Umhüllung für den Rotor 5, einen Teil der Welle 2, einen Teil 8a des Stators, der von der Achse X-X' entfernt liegt, mit einem Abstand, der geringer ist als ein Radius R, der annähernd dem maximalen Innenradius R₂₁ des Bereichs 21 und der Spule 9 entspricht. Die Umhüllung E gestattet somit einen Schutz der Elemente 5, 8a und 9 gegenüber der Umgebungsatmosphäre insbesondere gegenüber Staub.
Erfindungsgemäß durchläuft der Luftstrom F₁ die Öffnung 18 in dem Rohransatz 17 und wird durch den Ventilator 24 zum einen in Richtung des Inneren der Umhüllung A und in Richtung des Stators 8 gefördert, wie die Luftströme F₂ und F₃ anzeigen.
Der innere Luftstrom F₄ durchströmt die Öffnungen 26 in dem Bereich 21 des Rohransatzes 17. Diese Öffnungen sind um die Achse X-X' herum verteilt. Der Luftstrom F₂, der in die Hülle E eintritt, wird unterteilt in zwei Luftströme F₄ und F₅. Der Luftstrom F₄ durchströmt die Kanäle 27, die in dem Rotor 5 parallel zur Achse X-X' vorgesehen sind. Dies gestattet es, den Rotor 5 wirksam zu kühlen. Der Luftstrom F₅ durchströmt den Luftspalt e zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 8 und überstreicht den Rotor 5.
Die Zirkulation der Luft im Inneren der Umhüllung E wird unterstützt durch einen zweiten Ventilator 28, der auf der Welle 2 im Inneren der Umhüllung montiert ist und dessen Flügel 29 erzeugen eine Strömung der Luft von den Öffnungen 26 in Richtung mehrerer Auslaßöffnungen 30, die sich in dem Flanschring 12 befinden. Durch die Pfeile F₆ und F₇ ist der Kühlluftstrom im stromabwertigen Bereich und am Auslass der Umhüllung E gekennzeichnet, der sich ergibt aus der Vereinigung der Ströme F₄ und F₅.
Der Luftstrom F₃ wird seinerseits durch die Kanäle 31 geleitet, die in dem Stator 8 außerhalb des Bereiches 8a ausgebildet sind. Die Kanäle 31 können gleichmäßig verteilt um die Achse X-X' herum angeordnet oder in bestimmten Sektoren, insbesondere in dem Fall, dass der Stator eine polygonale äußere Kontur aufweist, angeordnet sein. Beispielsweise können in dem Fall, dass der Stator eine orthogonale äußere Kontur aufweist, während sein zentraler Bereich kreisförmig ist, die Kanäle 31 in vier äußeren Zonen des Stators ausgebildet sein. Der Luftstrom F₃ gestattet eine Kühlung des Stators 8 und mündet bei F₈ durch eine Auslaßöffnung 32, die am stromabwertigen Ende jedes Kanals 31 in dem Flanschring 12 in der Nähe der Öffnungen 30 ausgebildet ist.
Eine Rippe 33 ist in der Nähe jeder Öffnung 32 vorgesehen und leitet den Luftstrom F₈ um und vermeidet so die Erzeugung eines Gegendrucks in Höhe der nächsten Öffnung 30.
Da der zweite Luftstrom F₃ einer Bahn folgt, die durch den Rohransatz 17 und die Kanäle 31 gebildet wird und die radial außerhalb der Bahn liegt, der der erste Strom F₂ folgt, enthält er mehr Verunreinigungen, die relativ schwer sind und durch den Ventilator 17 der Zentrifugalkraft ausgesetzt sind. Das ist nicht sonderlich nachteilig, da die Kanäle 31 von dem inneren Volumen des Motors getrennt sind, das durch die Umhüllung E begrenzt wird, und da dieser Abschnitt ausreichend wichtig ist für eine Belüftung. Im übrigen sind die Kanäle 31 insgesamt gradlinig, so dass der Strom F₃ am Abströmen nicht gehindert wird, so dass die Verunreinigungen keine Tendenz haben, sich in den Kanälen 31 abzusetzen.
Im Gegensatz dazu ist der Luftstrom F₂ relativ sauber, da die Öffnungen 26 radial innerhalb des Bereichs des Radius R angeordnet sind, d. h. im Inneren der Bahn des zweiten Stroms F₂. Im übrigen sind die Öffnungen 26 im wesentlichen senkrecht zum Luftstrom F₃ in der vom Rohransatz 17 erfassten Zone angeordnet. Der Strom F₃ bildet den Hauptabstrom, derart, dass die Verunreinigungen vorzugsweise der Bahn des Flusses 3 folgen.
Daher ist die Luft, die in der Umhüllung 6 strömt, relativ sauber, so dass nicht das Risiko besteht, dass die drehenden Teile des Motors 1 verschmutzen und Schmutz sich im Luftspalt e oder der Spule 9 ansammelt, selbst wenn der Bereich des Luftstroms F₄ bis F₆ in der Umhüllung A relativ gewunden ist. Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 dargestellt ist, tragen die entsprechenden Elemente zu den bereits verschriebenen Elementen der ersten Ausführungsform gleiche Bezugsziffern.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass die Öffnungen des Auslasses 30 des inneren Luftstroms im Winkel gegenüber den Kanälen 31 versetzt sind. Somit sind die Auslaßöffnungen 32, durch die der äußere Abstrom mündet, wie der Pfeil F₈ zeigt, so angeordnet, dass die Abströme F₇ und F₈ einander nicht überkreuzen. Wie in 2 gezeigt ist, kann eine Öffnung 32 diametral gegenüber einer Öffnung 30 angeordnet sein.
Welche Ausführungsform auch in Betracht gezogen wird, es ergibt sich eine ausgezeichnete Kühlwirkung, da der Strom F₁ in seiner Gesamtheit zur Kühlung des Motors 1 verwendet wird. Der Durchmesser des Ventilators 1 kann daher gegenüber dem Stand der Technik verkleinert werden, so dass das Geräusch, das der Ventilator erzeugt, reduziert wird.
Im Hinblick auf die Zentrifugalwirkung, durch die Verunreinigungen zum äußeren Bereich der Umhüllung 6 befördert werden, kann das Gitter 22 eine relativ große Maschenweite aufweisen. Dadurch werden die Verluste verringert und es ist nicht notwendig, eine regelmäßige Wartung des Filterelements durchzuführen, wie es bei manchen Motoren im Stand der Technik der Fall ist.
Die Erfindung ist unabhängig vom Typ des Motors 1 anwendbar. Der Motor kann ein Synchron- oder Asynchronmotor sein. Die Erfindung ist auch unabhängig vom Typ des Ventilators 24, der in einem Sinn oder in beiden Sinnen um die Achse X-X' laufen kann. Die Erfindung ist auch unabhängig anwendbar vom Aufbau des Motors, der durch ein Blechpaket gebildet sein kann, der in einen Ring eingefügt sein kann, evtl. mit äußeren Flügeln.
Entsprechend einer nicht dargestellten Variante der Erfindung kann der Flanschring 12 mehrteilig ausgebildet sein, insbesondere zur Erleichterung der Montage des Stators.

Claims

Vorrichtung zur Belüftung eines elektrischen Bahntraktionsmotors mit – einem Zentrifugalventilator (24), der sich in einem Sinn oder in zwei Sinnen drehen kann und untergebracht ist in einer Lufteintrittskammer (C) und einen Luftstrom (F1) in Richtung des Motors abgibt, – ein Umhüllung (E), die wenigstens den Rotor (5) des Motors einschließt, – Kanäle (31) zur Abkühlung des Stators (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (F1), der durch den Ventilator abgegeben wird, unterteilt wird in einen inneren Strom (F2), der in das Innere der Umhüllung (E) geleitet wird, und einen äußeren Strom (F3), der belastet ist mit Verunreinigungen aufgrund des Zentrifugaleffekts des Ventilators (24), der zur Außenseite der Umhüllung (E) in Richtung der Kanäle (31) zur Abkühlung des Stators (8) des Motors geleitet wird.
Vorrichtung zur Belüftung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator (24) in einen Rohransatz (17) zur Versorgung der Kanäle (31) fördert, wobei eine Zwischenwand (21) zur Trennung des Volumens innerhalb des Rohransatzes und innerhalb der Umhüllung (E) durch wenigstens eine Öffnung (26) durchbrochen ist, die eine Verbindung herstellt, die eine Zirkulation des ersten Stroms (F2) ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehre Verbindungsöffnungen (26) zwischen dem Volumen (F) innerhalb des Rohransatzes (17) und innerhalb der Umhüllung (E) umfasst, welche Öffnungen im wesentlichen gleichmäßig um die Mittelachse (X-X') des Motors (1) verteilt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung oder die Öffnungen (26) radial ausgebildet sind im Inneren der Bahn, die begrenzt wird durch den Rohransatz (17) für den zweiten Strom (F3).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Auslassöffnung (30) des ersten Luftstromes (F2) der Umhüllung (E) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (30) hergestellt ist in der Nähe der Mündung (32) eines Kanals (31) zur Abkühlung des Stators (8).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Rippe (33) zur Trennung der Luftströme (F7, F8) umfasst, die aus der Auslassöffnung (30) des Kanals (31) austreten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Ventilator (28) umfasst, der vorgesehen ist zur Erzeugung oder Verstärkung eines Luftstroms (F4, F5, F6) im Inneren der Umhüllung (E) von dem inneren Strom (F2) aus.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (E) den Rotor (5), einen inneren radialen Bereich (8a) des Stators (8), wenigstens eine Spule (9), die dem Stator oder dem Rotor zugeordnet ist, einen Bereich der Mittelwelle (2) des Motors (1) und evtl. einen zweiten Ventilator (28) einschließt.
Bahntraktionsmotor (1), ausgerüstet mit einer Lüftungsvorrichtung (11–33, E, C) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.