Asymmetrischer Antrieb eines Schienenfahrzeugs mit Längsrad ^¬ sätzen

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit zumindest zwei Umrichtern zur Energieversorgung von Fahrmotoren zum Antrieb von Rädern des Schienenfahrzeugs.

Aus dem Schienenverkehr sind verschiedene Antriebskonzepte für Schienenfahrzeuge bekannt. Konventionell weist ein Schie ^¬ nenfahrzeug mehrere Fahrwerke oder Drehgestelle auf. Bei ei ^¬ nem Drehgestell mit konventionellen Radsätzen sind die sich gegenüberliegenden Räder durch Achsen starr miteinander verbunden. Dadurch sind die Räder mechanisch quergekoppelt. Solche Schienenfahrzeuge können Bögen nur bis zu einem vorgege ^¬ benen minimalen Radius ohne Reibungsverluste durchfahren, welche durch Rollradienunterschiede bedingt sind. Bei übli ^¬ chen konischen Radreifenprofilen beträgt dieser minimale Radius ungefähr 120 m.

Daneben sind Drehgestelle mit Losradsätzen im Einsatz. Die Räder an Achsstummeln sind einzeln gelagert und ohne mechanische Querkopplung. Dadurch ist zwar das Problem der genannten Reibungsverluste gelöst, jedoch treten Reibungsverluste aus Schräglauf aufgrund fehlender SelbstZentrierung selbst auf gerader Strecke auf.

Werden die Losräder einer Fahrzeugseite nun gemeinsam durch eine mechanische Längskopplung angetrieben, wird von einem Längsradsatz gesprochen. Üblicherweise werden die Längsradsätze von Fahrmotoren angetrieben, welche dann über einen für jedes Drehgestell gemeinsamen Umrichter mit Energie versorgt werden. Es handelt sich dabei um eine elektrische Querkopp ^¬ lung der Längsradsätze. Als Beispiel für einen solchen An ^¬ trieb sei das Fahrzeug „Combino Plus" der Siemens AG ange ^¬ führt, welches zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung in Buda ^¬ pest eingesetzt wird. Fig. 1 zeigt schematisch ein dreiteiliges Schienenfahrzeug mit drei angetriebenen Drehgestellen mit Längsradsätzen. Jeder Längsradsatz wird durch jeweils einen Fahrmotor 10, 11 angetrieben. Somit weist jedes Drehgestell zwei Fahrmotoren 10 und 11 auf. Die zwei Fahrmotoren 10 und 11 jedes angetrie ^¬ benen Drehgestells werden über einen gemeinsamen Umrichter 12 mit Energie versorgt. Die Längsradsätze jedes Drehgestells sind somit elektrisch quergekoppelt. Fig. 2 veranschaulicht hingegen ein vierteiliges Schienenfahrzeug, wobei es drei an ^¬ getriebene Drehgestelle mit Längsradsätzen umfasst und ein Laufdrehgestell . Beide skizzierten Schienenfahrzeuge weisen somit drei Umrichter 12 auf. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verschleiß und den Energieverbrauch eines Schienenfahrzeugs zu reduzieren.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängi ^¬ gen Patentansprüche 1 und 6. Weiterbildungen und Ausgestal- tungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche wieder.

Ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, umfasst zumindest zwei angetriebene Längsradsätze auf jeder Fahrzeugseite und zum Antrieb der Räder der Längsradsätze einen ersten Umrichter und zumindest einen weiteren, zweiten Umrichter. Über den ersten Umrichter werden dabei ausschließlich Räder einer ersten Fahrzeugseite angetrieben und über den zweiten Umrichter werden ausschließlich Räder einer zweiten Fahrzeugseite angetrieben. Das Schienenfahrzeug ist dabei so ausgestaltet, dass mit beiden Umrichtern zumindest jeweils zwei Längsradsätze angetrieben werden. Jeweils zumindest zwei Längsradsätze ei ^¬ ner Fahrzeugseite sind somit über einen gemeinsamen Umrichter angetrieben.

Durch die bedarfsfähig auch asymmetrische Aufteilung des Antriebs werden die aus Drehzahldifferenzen resultierenden Ver- luste minimiert und das Bogeneinstellverhalten des Schienenfahrzeugs optimiert.

Bei dem Schienenfahrzeug handelt es sich insbesondere um ein mehrteiliges Schienenfahrzeug, insbesondere des Personennah ^¬ verkehrs .

Zum Antrieb der Räder umfasst das Fahrzeug zumindest vier, insbesondere jedoch mehrere Fahrmotoren. Jeder Fahrmotor treibt einen oder mehrere Längsradsätze an, jedoch aus ^¬ schließlich Räder von Längsradsätzen einer vorgegebenen Fahrzeugseite. Die Fahrmotoren werden über die Umrichter mit Energie versorgt. Dabei sind die Umrichter mit den Fahrmoto ^¬ ren so verbunden, dass je ein Umrichter zwei oder mehrere Fahrmotoren zum Antrieb von zumindest zwei Längsradsätzen einer Fahrzeugseite mit Energie versorgt. Gilt beispielsweise als erste Fahrzeugseite die in Fahrtrichtung rechte Seite des Schienenfahrzeugs, dann wird die in Fahrtrichtung linke Seite des Schienenfahrzeugs als zweite Fahrzeugseite bezeichnet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Schienenfahrzeug auf jeder Fahrzeugseite zumindest drei angetriebene Längsradsätze auf, welche jeweils von einem gemeinsamen Um ^¬ richter mit Energie versorgt werden. Der erste Umrichter ist vorgesehen zum Antrieb von zumindest drei ersten Längsradsät ^¬ zen auf der ersten Fahrzeugseite und der zumindest eine wei ^¬ tere, zweite Umrichter ist vorgesehen zum Antrieb von zumindest drei weiteren, zweiten Längsradsätzen auf der zweiten Fahrzeugseite .

Eine weitere Weiterbildung sieht den ersten und den zweiten Umrichter zum Antrieb von jeweils drei oder mehr Längsradsät ^¬ zen auf jeder Fahrzeugseite vor. Die Längsradsätze, also insbesondere jeweils zwei Räder, wer ^¬ den gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung von jeweils einem Fahrmotor angetrieben. Somit verfügt das Schienenfahrzeug bei drei Längsradsätzen auf jeder Fahrzeugseite über drei Fahrmo- toren auf jeder Fahrzeugseite, welche insbesondere sechs Rä ^¬ der auf jeder Fahrzeugseite antreiben. Die drei Fahrmotoren zum Antrieb der Räder auf einer Fahrzeugseite werden von ei ^¬ nem Umrichter mit Energie gespeist. Somit lässt sich bei drei Längsradsätzen auf jeder Fahrzeugseite ein Umrichter einsparen. Unter der Annahme, dass im Stand der Technik immer eine gerade Anzahl von Fahrmotoren, insbesondere zwei oder vier, über einen gemeinsamen Umrichter mit Energie versorgt werden, verringert die Möglichkeit, auch eine ungerade Anzahl von Fahrmotoren, insbesondere drei oder fünf, über einen gemeinsamen Umrichter mit Energie zu versorgen, Aufwand, Kosten und Gewicht für die elektrische Ausrüstung des Schienenfahrzeugs. Einen wirtschaftlichen Vorteil bietet somit auch ein Schienenfahrzeug mit einer ungeraden Anzahl von mindestens drei angetriebenen Fahrwerken oder Triebdrehgestellen und somit mindestens sechs Längsradsätzen, so dass auf der ersten Fahrzeugseite zumindest drei Fahrmotoren von dem gemeinsamen ersten Umrichter mit Energie versorgt werden und so, dass auf der zweiten Fahrzeugseite zumindest drei Fahrmotoren von dem gemeinsamen zweiten Umrichter mit Energie versorgt werden. Ein solches Schienenfahrzeug könnte selbst im Falle des Aus ^¬ falls des ersten oder des zweiten Umrichters einseitig ange ^¬ trieben werden.

Die Räder des Schienenfahrzeugs sind mittels sogenannten Fahrwerken, insbesondere Drehgestellen, insbesondere selbst ^¬ zentrierenden Drehgestellen, mit einem Wagenkasten des Schienenfahrzeugs verbunden. Ein Drehgestell weist beispielsweise vier angetriebene Räder in zwei Längsradsätzen mit jeweils einem Fahrmotor auf. Die Längsradsätze liegen sich dabei ge ^¬ genüber .

Das Schienenfahrzeug weist zumindest vier angetriebene, sich paarweise gegenüberliegende Räder auf. Diese sind frei von Querkopplungen, sowohl von elektrischen Querkopplungen, als auch von mechanischen Querkopplungen. Eine mechanische Querkopplung zwischen zwei sich gegenüberliegenden Rädern liegt beispielsweise vor, wenn die sich gegenüberliegenden Räder über eine gemeinsame Achse mechanisch starr miteinander verbunden sind. Eine elektrische Querkopplung hingegen liegt beispielsweise vor, wenn die sich gegenüberliegenden Räder über jeweils einen eigenen Fahrmotor angetrieben, diese beiden Fahrmotoren jedoch über einen gemeinsamen Umrichter mit Energie versorgt werden.

Zur Energieversorgung der Fahrmotoren sind die Fahrmotoren mit den Umrichtern elektrisch gekoppelt, insbesondere galva ^¬ nisch miteinander verbunden.

Weiterhin wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ge ^¬ löst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

- Antreiben von zumindest zwei Längsradsätzen einer ersten Fahrzeugseite mittels Fahrmotoren, welche von einem ge ^¬ meinsamen, ersten Umrichter mit Energie versorgt werden, und

- Antreiben von zumindest zwei Längsradsätzen einer der ersten Fahrzeugseite gegenüberliegenden, zweiten Fahrzeugseite mittels Fahrmotoren, welche von einem gemeinsamen, zweiten Umrichter mit Energie versorgt werden.

Auch hier handelt es sich bei den Umrichtern insbesondere um Pulswechselrichter. Über jeden Umrichter werden dabei ausschließlich Fahrmotoren mit Energie zum Antrieb von Rädern ausschließlich einer Fahrzeugseite versorgt.

Bei dem erfindungsgemäß betriebenen Schienenfahrzeug handelt es sich weitergebildet um ein erfindungsgemäßes Schienenfahr ^¬ zeug, insbesondere des Personenverkehrs, beispielsweise des Personennahverkehrs, mit zumindest zwei Längsradsätzen auf jeder Fahrzeugseite, wobei die zumindest zwei Längsradsätze jeder Fahrzeugseite mittels eines gemeinsamen Umrichters frei von elektrischen oder mechanischen Querkopplungen angetrieben werden .

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird das Schienenfahrzeug trassierungsabhängig asymmetrisch betrieben. Dazu werden die zumindest zwei Längsradsätze der in einem Bogen inneren Fahrzeugseite, beispielsweise der ersten Fahrzeugseite, mit einer geringeren Antriebsleistung angetrieben, als die zumindest zwei Längsradsätze der in dem Bogen äußeren Fahrzeugseite, hier dann der zweiten Fahrzeugseite. Dem liegt auch der Sachverhalt zugrunde, dass zum Anfahren ein mit dem Radius abneh ^¬ mender Energiebedarf besteht. Zur Erfassung einer Bogenfahrt umfasst das Schienenfahrzeug Mittel zur Erfassung einer Bo ^¬ genfahrt des Schienenfahrzeugs. Dazu sind insbesondere Mittel zur Erfassung einer Drehzahldifferenz von zumindest zwei sich gegenüberliegenden Rädern des Schienenfahrzeugs geeignet.

Weitergebildet werden die zumindest zwei Längsradsätze der ersten Fahrzeugseite und die zumindest zwei Längsradsätze der zweiten Fahrzeugseite in Abhängigkeit ihrer Positionen im Bo ^¬ gen und damit in Abhängigkeit einer jeweils vorgegebenen Drehzahl angetrieben. Die Drehzahldifferenz zwischen zumindest einem ersten Rad der ersten Fahrzeugseite und zumindest einem dem ersten Rad gegenüberliegenden zweiten Rad der zwei- ten Fahrzeugseite wird zunächst erfasst, insbesondere über einen vorgegebenen Zeitraum, um anschließend in Abhängigkeit der Drehzahldifferenz und/oder in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Drehzahldifferenz die zumindest zwei Längsrad ^¬ sätze der ersten Fahrzeugseite und die zumindest zwei Längs- radsätze der zweiten Fahrzeugseite anzutreiben. Zum Antrieb des Schienenfahrzeugs in Abhängigkeit seiner Positionen im Bogen respektive in Abhängigkeit der Drehzahldifferenz und/oder in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Drehzahldifferenz umfasst das Schienenfahrzeug eine entsprechend ausgestaltete Steuereinheit. Diese steuert den ersten und den zweiten Umrichter unabhängig voneinander so, dass die Fahrmotoren der ersten Fahrzeugseite und die Fahrmotoren der zweiten Fahrzeugseite unterschiedlich mit Energie versorgt werden können .

So wird weiterbildungsgemäß der Beginn eines Bogens über eine Drehzahldifferenz eines Radpaars, insbesondere des in Fahrt ^¬ richtung des Schienenfahrzeugs führenden Radpaars, erfasst. In der Folge kann die Bemessung der Leistungen zum Antreiben der Räder beider Fahrzeugseiten in Abhängigkeit der Drehzahldifferenz und/oder des zeitlichen Verlaufs der Drehzahldifferenz erfolgen, indem eine an den Gradienten des Drehzahlrück- gangs gekoppelte Rücknahme der Leistung erfolgt, die den bo- geninneren Antrieb versorgt. Die Rücknahme der Leistung er ^¬ folgt dabei beispielsweise in Form einer Drehzahl- und/oder Momentenreduktion. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Dreh ^¬ zahlvorgabe an die vom Radius bestimmte Abrolldifferenz her- angeführt, so dass nach einer Übergangsphase, in welcher für die zumindest drei Fahrwerke oder Drehgestelle unterschiedli ^¬ che Randbedingungen existieren, mit Einfahrt in den Bogen keine Differenzen zwischen der vorgegebenen Drehzahl und einer erforderlichen optimalen Drehzahl, welche aus einer Dif- ferenz der Abrollwege resultiert, mehr bestehen. Wird die

Leistungsrücknahme überproportional reduziert oder wird diese Leistung des bogeninneren Antriebs über eine vollständige Rücknahme des Moments Null, ist eine das Selbsteinstellver ^¬ halten des Schienenfahrzeugs und seiner Fahrwerke oder Dreh- gestelle im Bogen unterstützende Wirkung zu erwarten. Ein

Radpaar wird dabei gebildet durch zwei sich gegenüberliegende Räder eines Fahrwerks. Die Drehzahldifferenz wird beispiels ^¬ weise dadurch ermittelt, dass zumindest die Drehzahlen beider Räder des Radpaars gemessen und anschließend voneinander sub- trahiert werden. Die Drehzahldifferenz kann auch über einen vorgegebenen Zeitraum aufgezeichnet und ausgewertet werden, um beispielsweise einen zeitlichen Verlauf der Drehzahldiffe ^¬ renz zu erhalten. Verlässt das Schienenfahrzeug den Bogen wird die Leistung wiederum gleichermaßen erhöht, so dass erst mit dem Verlassen des Bogens wieder die volle Antriebsleistung zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise zur Einhaltung verschiedener Sicherheitsvorschriften gegen zu frühes Beschleunigen aus ei- nem Bogen nutzbar. Bisher wurden hierzu Winkelsensoren in Gelenken eingesetzt, welche jedoch nur eine einstufige Beein ^¬ flussung der Fahrzeugsteuerung mit festem Grenzwert erlaubten. Die Winkelsensoren können durch die beschriebenen Maß- nahmen ersetzt oder als Referenzelemente weiter eingesetzt werden .

Idealerweise würde jedes angetriebene Rad der ersten Fahr- zeugseite und jedes angetriebene Rad der zweiten Fahrzeugsei ^¬ te in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Positionen im Bogen und/oder zum Bogen angetrieben werden, also gegebenenfalls mit voneinander unterschiedlichen Drehzahlen. Da hier zumindest zwei Längsradsätze auf jeder Fahrzeugseite mittels eines gemeinsamen Umrichters angetrieben werden, werden hier die zumindest zwei Längsradsätze der ersten Fahrzeugseite zusam ^¬ men und mit gleicher Leistung angetrieben und die zumindest zwei Längsradsätze der zweiten Fahrzeugseite werden ebenfalls zusammen und mit gleicher Leistung angetrieben.

Ein Antrieb von zumindest zwei Längsradsätzen einer Fahrzeug ^¬ seite mit einer unterschiedlichen Leistung im Vergleich zur anderen Fahrzeugseite erfolgt dabei insbesondere erst, wenn die zwischen zumindest dem ersten Rad der ersten Fahrzeugsei- te und zumindest dem zweiten Rad der zweiten Fahrzeugseite erfasste Drehzahldifferenz größer ist als die Differenz zwischen dem Laufkreisdurchmesser und dem

Spurkranzkuppendurchmesser der Räder des Schienenfahrzeugs. Damit wird verhindert, dass die Räder beim Befahren von

Flachrillenbereichen mit unterschiedlichen Leistungen angetrieben werden.

Zum Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl im bogenäußeren Antrieb kann bei einer Anfahrt des Schienenfahrzeugs in einem engen Bogen auf einer Steigung auch der heruntergeregelte bo- geninnere Antrieb einbezogen werden. Im Falle einer Notbremsung kann die bogenabhängige Steuerung außer Kraft gesetzt und die volle Bremsleistung zur Verfügung gestellt werden. Auch beim Ansprechen des Gleit- oder Schleuderschutzes kann die bogenabhängige Steuerung abgeschaltet werden. Bei Ausfall eines oder mehrerer Umrichter zum Antrieb der Räder einer Fahrzeugseite können auch die einem intakten Umrichter nächstgelegenen Antriebe, welche über einen der ausgefallenen Umrichter mit Energie versorgt werden, über eine Hilfsschal ^¬ tung symmetrisch zusammengefasst werden. Eine mechanische Bremse ist so auszulegen, dass sie den Ausfall des elektri ^¬ schen Anteils kompensieren kann.

Dazu umfasst das Schienenfahrzeug Mittel zur Erfassung der Drehzahlen und/oder einer Drehzahldifferenz von zumindest zwei sich gegenüberliegenden Rädern des Schienenfahrzeugs, seien diese angetrieben oder nicht. Gemäß einer Ausführungs- form sind die Mittel geeignet zur Erfassung der Drehzahlen des führenden Radpaars. Soll ein zeitlicher Verlauf zumindest einer Drehzahl und/oder der Drehzahldifferenz errechnet werden, umfasst das Schienenfahrzeug entsprechende Mittel zur Speicherung und Auswertung.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Sie wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausgestaltungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen ver- sehen.

Wie bereits näher ausgeführt zeigen die Figuren 1 und 2 Aus ^¬ führungsbeispiele aus dem Stand der Technik. In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug 1 in ei ^¬ ner ersten, dreiteiligen Ausführungsform schematisch dargestellt. Es umfasst hier einen Pulswechselrichter 2, 3 zum Antrieb bzw. zur Energieversorgung der Fahrmotoren 4, 5 zum Antrieb von jeweils sechs Rädern jeder Fahrzeugseite.

Die Fahrmotoren 4, 5 jeweils einer Wagenseite, also einer in Fahrtrichtung rechten und linken Seite des Schienenfahrzeugs, sind hier über Motorstromwandler 6, 7 elektrisch gekoppelt mit dem gemeinsamen Pulswechselrichter 2, 3. Die Motorstrom- wandler 6 und 7 sind für den Betrieb der Pulswechselrichter 2 und 3 erforderlich, stehen jedoch in keinem Zusammenhang mit der Erfindung. Die sich gegenüberliegenden, von unterschiedlichen Pulswechselrichtern 2, 3 angetriebenen Räder verschiedener Fahrzeugseiten sind frei von mechanischen Querkopplungen. Darüber hinaus sind auch die Fahrmotoren 4, 5 frei von elektrischen Querkopplungen, wodurch die Räder frei von elektrischen Querkopplungen von den Fahrmotoren 4, 5 angetrieben werden. Die Räder sind der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeichnet. Je ^¬ der Teil des dreiteiligen Schienenfahrzeugs 1 umfasst ein Drehgestell, in welchen jeweils zwei Fahrmotoren 2, 3 ange- ordnet sind. Es umfasst somit drei angetriebene Drehgestelle.

Fig. 4 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug in einer zweiten Ausgestaltung. Hier ist das Schienenfahrzeug 1 vierteilig mit einem Laufdrehgestell ausgeführt. Die ange- triebenen Drehgestelle weisen Längsradsätze auf. Auch hier sind lediglich zwei Pulswechselrichter 2, 3 zum Antrieb der Räder des Schienenfahrzeugs vorgesehen, wobei ein erster Pulswechselrichter 2 vorgesehen ist zur Energieversorgung von drei Fahrmotoren 4 zum Antrieb von Rädern einer ersten Fahr- zeugseite und wobei ein weiterer, zweiter Pulswechselrichter 3 vorgesehen ist zur Energieversorgung von drei Fahrmotoren 5 zum Antrieb von Rädern einer der ersten Fahrzeugseite gegenüberliegenden, zweiten Fahrzeugseite. Bei einer Bogenfahrt kann der Antrieb der Räder in Abhängigkeit ihrer Position im oder zum Bogen erfolgen. So werden die Räder der bogeninneren Fahrzeugseite mit einer geringeren Leistung angetrieben werden, als die Räder der bogenäußeren Fahrzeugseite. Hierzu weisen die Räder Drehzahlgeber 8 auf. Zusätzlich oder alternativ verfügen die Fahrmotoren über die Drehzahlgeber.