EP0413337B2 - Elektromotorischer Schienenfahrzeug-Direktantrieb - Google Patents

Elektromotorischer Schienenfahrzeug-Direktantrieb Download PDF

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EP0413337B2
EP0413337B2 EP90115713A EP90115713A EP0413337B2 EP 0413337 B2 EP0413337 B2 EP 0413337B2 EP 90115713 A EP90115713 A EP 90115713A EP 90115713 A EP90115713 A EP 90115713A EP 0413337 B2 EP0413337 B2 EP 0413337B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wheel
rotor
electric motor
drive according
driven
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP90115713A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0413337A1 (de
EP0413337B1 (de
Inventor
Götz Dipl.-Phys. Heidelberg
Peter Dr. Ehrhart
Andreas Dr. Gründl
Johannes Dipl.-Ing. Pleger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
L3 Magnet Motor GmbH
Original Assignee
Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=6387376&utm_source=***_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0413337(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH filed Critical Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH
Publication of EP0413337A1 publication Critical patent/EP0413337A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0413337B1 publication Critical patent/EP0413337B1/de
Publication of EP0413337B2 publication Critical patent/EP0413337B2/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • 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
    • B61C9/48—Transmission systems in or for locomotives or motor railcars with electric motor propulsion with motors supported on vehicle frames and driving axles, e.g. axle or nose suspension
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F3/00—Types of bogies
    • B61F3/02—Types of bogies with more than one axle
    • B61F3/04—Types of bogies with more than one axle with driven axles or wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F3/00—Types of bogies
    • B61F3/16—Types of bogies with a separate axle for each wheel

Definitions

  • the invention relates to an electric motor direct drive for Vehicle wheels the preamble of claim 1.
  • a direct drive is known from DE-A-38 17 537.
  • Direct drive is usually understood and in the present application such drives in which the electric motor a wheel to be driven without the interposition of a transmission is spatially closely assigned.
  • the torque transmission connection of the Rotor of the electric motor to the wheel to be driven is in the invention either on the wheel to be driven itself or on an axle shaft made on which the wheel to be driven rotates.
  • Electromotive direct drives are sometimes also used as axis motors designated.
  • the invention is based, a comparative task light and space-saving direct drive available however - measured by the required installation volume and weight provides comparatively high torque.
  • the magnetic flux density at the air gap-side pole faces of the rotor is larger than at the end faces the permanent magnet.
  • Electronically commutated electric motors are known per se, so that no further details are described in this regard have to.
  • Electronically commutated electric motors can be used by the Compare the design system most closely with DC motors.
  • a rotation position sensor often one Hall sensor, which detects the current rotational position of the rotor and is based on signals from the rotation position sensor Stator windings or stator coils with correct timing and correct sign electrical voltage applied.
  • the direct drive according to the invention is particularly preferred for High-speed rail vehicles because these are high Wheel speeds occur, that is, given the torque of the Drive motor high drive powers become available, and because at this is the aspect of a large acceleration ability is not in the foreground.
  • high-speed rail vehicles are considered those that Top speed in the range of 200 to 300 km / h, or too about that.
  • the rotor weight is low, as measured by the torque of the engine according to the invention is achievable, advantageous because the rotor of the motor in many cases belongs to the unsprung vehicle masses.
  • the rotor is preferably equipped with highly coercive permanent magnets or Permanent magnets built with a high energy product.
  • Permanent magnets are known, especially from rare earth-cobalt material or iron neodymium material.
  • the rare earth material part can consist of one or more rare earth elements, in particular Samarium.
  • Highly coercive permanent magnets or permanent magnets with high energy product deliver high permanent magnet excitation, allow a high motor EMF with comparatively low Inductance, allow a particularly compact structure of the rotor, and allow the engine to be constructed with a comparatively large, radial air gap width, which is mentioned from below Reasons is favorable.
  • connection device it is possible and preferred to use a rotor Connection device to connect to the wheel, the small one Allows relative movements between the wheel and the rotor, especially in the direction perpendicular to the axis of rotation of the wheel or the rotor, especially in the vertical direction.
  • the Connection device can be a type of flexible coupling.
  • the connecting device is preferably resilient and / or dampening. The main advantage of the connection device mentioned is that Keep the shock maxima of the wheel away from the rotor. This applies itself then when the rotor by means of the bearing of the wheel or the Axle shaft of the wheel is mounted.
  • the rotor is supported by its own bearing, whereby a wheel primary suspension without rotor primary suspension and a stronger one Decoupling the wheel joints from the rotor are possible. Furthermore, the Variant possible that the entire electric motor, i.e. stator and rotor, is supported and / or damped supported on the vehicle, wherein for example the wheels, their axles or axle shafts and their Electric motors the unsprung vehicle masses turn off.
  • the wheel to be driven with the interposition of a Arranged as early as possible in the shock transmission chain Primary suspension is connected to the vehicle.
  • the "earliest" or closest to the bike The location of the primary suspension is a primary suspension between the actual wheel and its stationary wheel axis or its co-rotating axle shaft.
  • the "two earliest” or the second closest location of the primary suspension to the wheel is between the stationary wheel axle or the rotating axle shaft and the vehicle. It it is pointed out that in both cases the rotor of the electric motor either to that through the primary suspension unsprung mass (wheel or wheel axle or Axle shaft) may belong to or through the primary suspension sprung mass in the shock transmission chain behind the primary suspension.
  • the wheel to be driven can at least on one axial side a brake disc can be rigidly assigned.
  • On the axial side opposite the electric motor is normally sufficient for such a brake disc Place.
  • this brake disc can between the electric motor and the wheel to be driven a brake disk rigidly assigned to the wheel is provided his.
  • the rotor of the electric motor has a brake disc rigidly assignable. This often offers spatial Benefits.
  • the brake disc the sprung mass downstream of the primary suspension be assigned.
  • the electric motor provided according to the invention is measured on its torque - so small that it often arranged on the outside of the wheel to be driven can be, especially still within that for railway vehicles prescribed vehicle limit.
  • a rail vehicle 2 for example a motor car for passenger transport, whereby a rail wheel 4 to be driven on one side of the vehicle, whose axle motor 6, part of the wheel 4 and the motor 6 supporting chassis 8 of the vehicle 2, and a lower part of the vehicle body or the vehicle body 10 for receiving the payload or the people to be transported.
  • the chassis For example, 8 can be one of two bogies be on which the vehicle body 10 rests. It can but also act as a chassis 8, which is non-rotatable is connected to the vehicle body 10. Between the wheel 4 and the chassis 8 and / or between the Chassis 8 and the vehicle body 10 can not Drawn in suspension and possibly damping be provided.
  • the wheel 4 is rigidly attached to an axle shaft 12. Axial left and right of the wheel is one Brake disc 14 rigidly attached to the axle shaft 12. The axle shaft 12 is rotatable in the bearing 16 Chassis 8 stored.
  • the axle shaft 12 is on the right side in FIG. 1 extended and with a flange-like end region 18 larger diameter.
  • end region 18 1 is essentially open to the right in FIG cup-shaped outer rotor 20 of the axis motor 8 connected, with the interposition of a springy one compliant, damping connecting ring 22, for example made of suitable rubber or plastic.
  • the connecting ring 22 sits on the axial side facing the wheel of the end region 18, and the end wall of the rotor 20 there projects radially inwards to the connecting ring 22.
  • the axle motor 6 is seated to the right of the wheel in FIG. 1, So outside of the vehicle from the wheel 4.
  • the chassis 8 points to the right of the rotor in FIG. 1 20 an extension 24 projecting downwards.
  • the inside of this extension 24 is circular Mounting flange 26 attached.
  • the mounting flange 26 wears an inwardly projecting, strong, tubular support 28.
  • On the outer circumference of support 28 are annularly distributed stator poles 30 made of ferromagnetic Material with windings 32 attached.
  • the Rotor 20 has permanent magnets distributed in a ring, 1 in order to increase clarity are drawn.
  • the pole pitch of the permanent magnets is matched to the pole pitch of the stator poles 30, so that through the stator constructed with the stator poles 30 and those attached to the rotor 20 Permanent magnets an electric motor with permanent magnetic Arousal is formed.
  • the permanent magnets are along of the rotor circumference alternating polarity.
  • a support column 34 can be seen above the wheel 4 1 is the right side of the support column 34 an installation space for the actuator of the motor 6, the Control electronics of engine 6 and for engine 6 assigned cooling unit.
  • the actuators of the engine 6 are by means of a rotational position sensor, not shown of the motor 6 controlled so that it the individual windings 32 of the stator poles 30 electrical Supply electricity in the correct time and with the correct sign.
  • From the installation space 36 to the extension 24 and through the Extension 24 leads into the interior of the support 28 a channel 38 in which power cables and cooling lines run.
  • Line 39 indicates the outer contour of the vehicle, for example with the German Federal Railways Is 2950 mm wide.
  • Line 40 is the narrowest permitted Route limitation indicated, that is Limit up to the outer parts of the track, such as tunnel walls, Masts and the like, as close as possible to the rails of the driveway may be arranged. It deals the so-called vehicle limitation, for example II of the railway operating regulations of the Deutsche Bundesbahn. It can be seen that the axis motor 6 within the vehicle contour 39 and within the boundary 40 located.
  • At 42 is the so-called lemniscate handlebar indicated for drive setting.
  • the drawing has to be added in mirror image on the left, supplemented by a middle part of the vehicle and one introduce the upper vehicle area to the whole Cross-section of vehicle 2 in front of you.
  • a cooling air outlet At the upper end of the installation space 36 is a cooling air outlet at 44 indicated.
  • the vehicle body 10 is sufficient as a low-floor vehicle deeper than the top of the perimeter of the Rads 4 corresponds.
  • the corresponding wheel 4 on the other side of the vehicle is also with an axle motor 6 provided.
  • Axle shaft 12 to the opposite wheel 4 to perform and both wheels 4 by a common axle motor 6 to drive is also possible.
  • the rotor 20 could also be connected, for example, by bolts directly with the wheel 4 or the right brake disc 14 be connected.
  • the wheel 4 on the Axis 12 can be rotatably mounted.
  • the right support of the Axis 12 would then, for example, on the extension 24 of the Chassis 8 take place.
  • the springy, flexible and damping connecting ring 22 leads to impacts, in particular impact maxima, be passed on reduced to the rotor 20.
  • FIG. 3 shows a variant in which the rotor 20 is supported in the support 28. Between the rotor 20 and the end region 18 of the axle shaft 12 is in turn one resilient and damping connecting ring 22 arranged. In this version, impacts of wheel 4 still occur much reduced to the rotor 20. Also in this case the freedom, the wheel 4 or the Axle shaft 12 with a larger yield path and / or damped support because the connecting ring 22 the Yield path. If the rotor 20 has its own Storage 17, for example according to FIG. 3, can for example in a manner not shown suitable fasteners, the small relative movements allow and if necessary springy and / or have a dampening effect, directly with bike 4 or the right one Brake disc 14 may be connected. Alternatively, the rotor 20 be rotatably mounted on the right on the extension 24.
  • the end wall 48 of the rotor 20 can not be shown in FIG Way radially enlarged to be there Train the braking area.
  • Fig. 2 is a preferred embodiment of the rotor 20 shown in magnetic terms.
  • the permanent magnets 50 shown have end faces 52 on which the magnetic flux in subsequent ferromagnetic material 54 passes and the - rough spoken - point in the circumferential direction of the rotor 20.
  • the ferromagnetic material areas 54 each arranged between two with opposite polarity Permanent magnets 50 form radially inwards Pole faces 56.
  • Each pole face 56 has a smaller one Magnetic flux exit area than it is the sum of the Magnetic flux transfer surfaces 52 of the two subsequent ones Permanent magnets 50, each measured in a radial plane, corresponds, so that there is a flux concentration effect results.

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Description

Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Direktantrieb für Fahrzeugräder dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Direktantrieb ist aus der DE-A-38 17 537 bekannt.
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 zugeordnet 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, rechtwinkelige Umlenkungen des Drehmomentflusses oder dergl. eingespart 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 wirtschaftlichen Gesichtspunkten verwertbaren Ergebnissen geführt, weil das erreichbare Motordrehmoment zu gering war oder sich von Masse und Volumen her zu große Motoren ergeben haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vergleichsweise leichten und raumsparenden Direktantrieb verfügbar zu machen, der jedoch - gemessen am benötigten Einbauvolumen und dem Gewicht - ein vergleichsweise hohes Drehmoment liefert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung.
Es ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit Außenläufer und ohne Gehäuse vorgesehen. 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 elektronischen Kommutierung hinsichtlich Volumen, Masse und verarbeitbarer Stromstärke optimal ausgenutzt. All dies zusammen führt zu einem - gemessen an Volumen und Masse - optimal hohen, lieferbaren Drehmoment.
Zur Steigerung der Kompaktheit bzw. des Drehmoments des Elektromotors ist der Rotor nach dem Gesichtspunkt der Flußkonzentration ausgebildet, wobei die Magnetflußdichte an den luftspaltseitigen Polflächen des Rotors größer ist als an den Endflächen der Dauermagnete.
Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind an sich bekannt, so daß in dieser Hinsicht keine weiteren Einzelheiten beschrieben werden müssen. Elektronisch kommutierte Elektromotoren lassen sich von der Bauartsystematik her am ehesten mit Gleichstrommotoren vergleichen. Üblicherweise wird durch einen Rotationsstellungssensor, 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 Direktantrieb für Hochgeschwindigkeits-Schienenfahrzeuge, weil bei diesen hohe Raddrehzahlen auftreten, also bei gegebenem Drehmoment des Antriebsmotors hohe Antriebsleistungen verfügbar werden, und weil bei diesen der Gesichtspunkt eines großen Anfahrbeschleunigungsvermögens nicht im Vordergrund steht. Als Hochgeschwindigkeits-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 jedoch 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 Dauermagneten bzw. Dauermagneten mit einem hohen Energieprodukt 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, insbesondere Samarium, bestehen. Hochkoerzitive Dauermagnete 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 vergleichweise großer, radialer Luftspaltweite, was aus nachfolgend noch angesprochenen Gründen günstig ist.
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 Verbindungseinrichtung ist vorzugsweise federnd-nachgiebig und/oder dämpfend. Hauptvorteil der genannten Verbindungseinrichtung 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, wodurch 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 beispielsweise 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 angeordneten 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 Primärfederung 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 Primärfederung unabgefederten Masse (Rad oder Radachse bzw. Achswelle) gehören kann oder zu der durch die Primärfederung abgefederten Masse in der Stoßübertragungskette hinter der Primärfederung.
Dem anzutreibenden Rad kann mindestens auf einer Axialseite eine Bremsscheibe starr zugeordnet sein. Auf der dem Elektromotor entgegengesetzten Axialseite ist normalerweise 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 Bremsscheibe 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 - gemessen an seinem Drehmoment - so klein, daß er häufig außenseitig von dem anzutreibenden Rad angeordnet werden kann, insbesondere noch innerhalb der für Eisenbahnfahrzeuge 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, beispielsweise eines Triebwagens zur Personenbeförderung, wobei man ein anzutreibendes Schienenrad 4 einer Fahrzeugseite, dessen Achsmotor 6, einen Teil des das Rad 4 und den Motor 6 abstützenden Fahrgestells 8 des Fahrzeugs 2, und einen unteren Teil des Fahrzeugkastens bzw. der Fahrzeugkarosserie 10 zur Aufnahme der Nutzlast bzw. der zu befördernden Personen erkennt. Das Fahrgestell 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 undrehbar 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 angeschlossen, und zwar unter Zwischensetzen eines federnd nachgiebigen, dämpfenden Verbindungsrings 22, beispielsweise aus geeignetem Gummi oder Kunststoff. Der Verbindungsring 22 sitzt auf der dem Rad zugewandten Axialseite 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 Befestigungsflansch 26 trägt eine nach innen ragende, kräftige, rohrförmige Stütze 28. Am Außenumfang der Stütze 28 sind ringförmig verteilt Statorpole 30 aus ferromagnetischem 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 Rotationsstellungssensors des Motors 6 so angesteuert, daß sie den einzelnen Wicklungen 32 der Statorpole 30 elektrischen 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 angedeutet, die beispielsweise bei der deutschen Bundesbahn 2950 mm breit ist. Mit der Linie 40 ist die engstzulässige Fahrwegbegrenzung angedeutet, also diejenige Grenze, bis zu der hin äußere Fahrwegteile, wie Tunnelwände, 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 Bundesbahn. 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 ergänzt, um einen Fahrzeugmittelteil ergänzt und um einen oberen Fahrzeugbereich ergänzt vorstellen, um das gesamte Fahrzeug 2 im Querschnitt vor sich zu haben. Am oberen Ende des Einbauraums 36 ist mit 44 ein Kühlluftaustritt 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 Achsmotor 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 zwischenzusetzen. Sofern die Nachgebewege dieser Elemente klein genug sind, kann der Rotor 20 dieser Nachgebebewegungen mitmachen, da man den radialen Luftspalt 46 zwischen den radial nach außen gerichteten Polflächen der Statorpole 30 und dem Innenumfang des Rotors 20 bei dem erfindungsgemäßen Motoraufbau ohne weiteres groß genug ausbilden kann. Es ist ferner möglich, zwischen dem Rad 4 und der stillstehenden Achse 12 bzw. der drehmomentübertragenden, 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 Relativbewegungen 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 eingezeichneter 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 Normalfall miteinander fluchten. Wenn das Rad 4 oder die Achswelle 12 mit Nachgebeweg abgesützt 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 (11)

  1. Elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienenfahrzeugräder, umfassend die Merkmale:
    a) axial neben dem anzutreiberden Rad (4) ist ein Elektromotor (6) angeordnet, dessen Rotor (20) zur Drehmomentübertragung an das anzutreibende Rad (4) angeschlossen ist, wobei die Rotationsachsen des Rotors (20) und des anzutreibenden Rads (4) mindestens im wesentlichen miteinander fluchten;
    b) der Rotor (20) ist als Außenrotor des gehäuselosen Elektromotors (6) ausgebildet; und
    c) der Stator (30) des Elektromotors (6) ist an der dem anzutreibenden Rad (4) abgewandten Seite drehfest an dem Fahrzeug (2) gehalten,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Rotor des elektronisch kommutierten Elektromotors (6) ringförmig verteilt abwechselnd Dauermagnete (50) sowie ferromagnetische Materialbereiche (54) aufweist und nach dem Gesichtspunkt der Flußkonzentration mit größerer Magnetflußdichte an den luftspaltseitigen Polflächen (56) des Rotors (20) als an den Endflächen (5) der Dauermagnete (50) ausgebildet ist, wobei - im Querschnitt betrachtet - die Dauermagnete (50) von außen nach innen stetig schmaler werden und die ferromagnetischen Materialbereiche (54) von außen nach innen stetig breiter werden.
  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 gekennzeichnet,
    daß hochkoerzitive Dauermagnete (50), vorzugsweise 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) mittels einer Verbindungseinrichtung (22) an das Rad (4) angeschlossen ist, die kleine Relativbewegungen zwischen dem Rad (4) und dam Rotor (20) zuläßt.
  5. Antrieb nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verbindungseinrichtung (22) federndnachgiebig ist.
  6. Antrieb nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verbindungseinrichtung (22) dämpfend ist.
  7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Radachse (12) gefedert am Fahrzeug (4) abgestützt ist.
  8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Rad gefedert auf dar Radachse (12) abgestützt ist.
  9. Antrieb nach einen der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß dein Rotor (20) eine Bremsscheibe (14) starr zugeordnet ist.
  10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Elektromotor (6) außenseitig von dem Rad (4) angeordnet ist.
  11. Antrieb nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Antrieb innerhalb der für Eisenbahnfahrzeuge vorgeschriebenen Fahrzeugbegrenzung (28) angeordnet ist.
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