Drehgestell eines Schienenfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Drehgestell eines Schienenfahr zeugs mit zumindest einem Radsatz mit zwei gegenüberliegenden starr miteinander verbundenen Rädern, wobei eine Radsatzlage rung des Radsatzes innerhalb der beiden Rädern erfolgt und der Fahrmotor zwischen den Rädern des Radsatzes angeordnet ist .

Drehgestelle von Schienenfahrzeugen weisen Fahrmotoren auf, die als selbst- oder fremdbelüftete Asynchronmaschinen oder permanenterregte Synchronmaschinen ausgeführt sind, die über ein Getriebe die Radsätze der Drehgestelle antreiben. Die Ge triebe werden durch den Fahrtwind, der im Unterflurbereich durchströmt, gekühlt. Eigenbelüftete Fahrmotoren saugen im Drehgestellbereich die Kühlluft an und geben sie dort auch wieder an die Umgebung ab. Fremdbelüftete Fahrmotoren geben ihre erwärmte Kühlluft auch im Drehgestellbereich an die Um gebung ab. Bei höherer Geschwindigkeit führt dann der Fahrt wind die aufgeheizte Kühlluft dieser Fahrmotoren im Drehge stellbereich ab.

Bei Schienenfahrzeugen im höheren Geschwindigkeitsbereich ist jedoch die Aerodynamik, insbesondere auch die des Drehge stellbereichs für den Energieverbrauch der Schienenfahrzeuge signifikant .

Deshalb wird, wie aus der WO 2014/206643 Al und der

WO 2010/086201 Al bekannt Verkleidungen für die Drehgestelle vorgesehen, um die Aerodynamik zu verbessern.

Dies ist aus aerodynamischen Gründen zwar vorteilhaft, es kann jedoch die Verlustwärme der Fahrmotoren schlecht oder gar nicht mehr abgegeben werden. Des Weiteren sind bei Schienenfahrzeugen die Radsatzwellen außerhalb der Räder gelagert.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Drehgestell mit mindestens einem Fahrmotor für Schienenfahr zeuge, insbesondere für Hochgeschwindigkeitszüge bereitzu stellen, das auch bei einer Verkleidung des Drehgestells in der Lage ist, die Wärmeabfuhr des mindestens einen Fahrmotors zuzulassen .

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Drehge stell eines Schienenfahrzeugs mit:

- zumindest einem Radsatz mit zwei gegenüberliegenden starr miteinander verbundenen Rädern,

- einer Radsatzlagerung des Radsatzes innerhalb der beiden Räder,

- einem Fahrmotor, der den Radsatz direkt antreibt, wobei der Fahrmotor ein permanenterregter Synchronmotor mit Flüssig keitskühlung ist,

- einer aerodynamischen Verkleidung des Drehgestells.

Erfindungsgemäß wird nun bei einem Drehgestell mit innengela gerter Radsatzwelle eine Vollverkleidung vorgesehen, die ins besondere von vorne betrachtet vergleichsweise schmal ausge führt sein kann, da die außenliegende Lagerung der Radsatz welle nach innen, also zwischen die Räder des Radsatzes ver legt wurde und somit mehr Raum und Teile für eine aerodynami sche Verkleidung des Drehgestells zulässt.

Des Weiteren wird dadurch der gesamte Luftwiderstand des Schienenfahrzeugs reduziert und trägt dazu bei, den Energie verbrauch des Fahrzeugs signifikant zu verringern. Als Fahr motor eignen sich insbesondere Antriebsmotoren, die ver gleichsweise effizient arbeiten und nur einer vergleichsweise geringen Kühlung bedürfen.

Erfindungsgemäß eignet sich deshalb ein flüssigkeitsgekühlter permanenterregter Synchronmotor ohne Getriebe in einem voll- verkleideten innengelagerten Fahrwerk zur Lösung der oben ge stellten Aufgabe.

Permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich vergleichswei se gut für eine Flüssigkeitskühlung, da die abzuführenden Ro torverluste deutlich geringer sind als beispielsweise bei Asynchronmaschinen .

Des Weiteren wäre eine Entwärmung des Rotors durch eine Flüs sigkeitskühlung u.a. aufgrund der rotierenden Dichtungen nur vergleichsweise technisch aufwändig zu realisieren.

Um auch die Wärmequelle eines Getriebes auszuschließen, wird erfindungsgemäß ein permanenterregter Synchronmotor als Di rektantrieb eingesetzt, so dass eine Kühlung des Getriebes entfällt. Derartige Direktantriebe lassen sich sinnvoller weise mit permanenterregten Synchronmotoren realisieren, es sind aber auch Asynchronmotoren denkbar.

Der Direktantrieb ist dabei über eine Kupplung mit der Rad- satzwelle gekoppelt. Der Direktantrieb ist entweder um die Radsatzwelle angeordnet, die Radsatzwelle greift also durch eine Hohlwelle eines Rotors des Direktantriebs. Dabei treibt der Direktantrieb mittels einer Kardanhohlwellenkupplung den Radsatz an.

Der Direktantrieb kann alternativ auch beispielsweise im We sentlichen achsparallel neben der Radsatzwelle angeordnet sein .

Durch den Wegfall des Getriebes wird somit Bauvolumen inner halb des innengelagerten Fahrwerks gewonnen und die zusätzli che Wärmelast durch das Getriebe vermieden.

Die Flüssigkeitskühlung des Fahrmotors ist im und/oder am Stator dieses Fahrmotors angeordnet. Dabei weist der Flüssig- keitskühlmantel Kühlschlangen in Umfangrichtung verlaufend oder achsparallel mäandernd auf. Des Weiteren können auch er- gänzend oder alternativ im Blechpaket des Stators Kühlrohre angeordnet sein.

Über eine Flüssigkeitskühlung im oder am Statorgehäuse, ins besondere einen Wasserkühlmantel, der sich auf der Rückseite des Stators und zwischen Luftführungskanälen des Innenkühl kreislaufs des Fahrmotors befindet, können nunmehr auch aus dem nicht mit Außenluft durchströmten Fahrwerksbereich auf grund der vergleichsweise dichten Verkleidung des Drehge stells, der oder die Fahrmotoren ausreichend gekühlt werden.

Die durch das Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit aufge nommene Wärmemenge von Rotor und/oder Stator wird über eine Kühlanlage innerhalb des Schienenfahrzeugs und/oder über die Kühlanlage des Stromrichters an die Außenluft abgegeben.

Es liegt somit eine kompakter gekapselter Fahrmotor vor, wo bei insbesondere durch eine Hochpoligkeit des Direktantriebs eine weitere Reduzierung des Durchmessers des Stators und axial kürzere Wickelköpfe erhalten werden.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbei spiele näher erläutert. Darin zeigen:

FI G 1 einen prinzipiellen Fahrmotor,

FI G 2 einen weiteren Fahrmotor,

FI G 3 die Anordnung eines Fahrmotors auf einer Rad- satzwelle,

FI G 4 , 5 Prinzipdarstellungen von Verkleidungen des Dreh gestells und die Anordnung der Fahrmotoren.

FIG 1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Längsschnitt eines permanenterregten Synchronmotors als Fahrmotor 1 eines nicht näher dargestellten Schienenfahrzeugs, insbesondere Hochgeschwindigkeitszuges mit einem in axialer Richtung ge schichteten Blechpaket, das die Basis eines Stators 2 bildet. Auf der Rückseite des Stators 2, also der einem Luftspalt des Fahrmotors 1 abgewandten Seite des Stators 2 ist eine Wasser mantelkühlung 7 angeordnet, um die Verlustwärme, die im Be trieb des Fahrmotors 1 anfällt aus dem Stator 2 abführen zu können. In diesem Fall verlaufen die Kühlrohre der Wasserman telkühlung 7 im Wesentlichen in Umfangrichtung.

In Nuten des Stators 2 ist ein Wicklungssystem angeordnet, das durch elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Rotor 3, der mit Permanentmagneten 10 versehen ist, eine Drehung des Rotors 3 um eine Achse 4 bewirkt. Das Wicklungssystem bildet an den Stirnseiten des Stators 2 Wickelköpfe 5 aus.

Die Permanentmagnete 10 des Rotors 3 sind als vergrabene Per manentmagnete 10 in im Wesentlichen axial verlaufenden Aus nehmungen des Rotors 3 oder als Oberflächenmagnete auf dem Rotor 3 angeordnet und dort beispielsweise durch eine Bandage fixiert. Der Rotor 3 bildet eine Hohlwelle 9 aus, durch den die Radsatzwelle 16 verläuft. Des Weiteren sind im Rotor 3 auch Kühlkanäle 17 für einen Innenkühlkreislauf 8 vorgesehen sind .

Der Innenkühlkreislauf 8 wird dabei durch Lüfter 30, insbe sondere Radiallüfter aufrechterhalten. Der Rotor 3 verursacht vergleichsweise geringe Verluste, so dass auch ein Fahrmotor denkbar ist, der keinen Innenkühlkreislauf 8 aufweist, son dern lediglich durch eine Wassermantelkühlung 7 am Rücken des Stators 2 die Verluste aus dem Fahrmotor 1 abführt.

Der Innenkühlkreislauf 8 dient aufgrund der Führung des Luft stromes auch der Wärmeabfuhr aus den beiden stirnseitigen Wi ckelköpfen 5 des Stators 2 und zur Temperaturvergleichmäßi gung innerhalb des Fahrmotors 1.

Die Wassermantelkühlung 7 bewirkt nunmehr eine Kühlung des Stators 2, und über den Innenkühlkreislauf 8 eine Kühlung des Rotors 3 und der stirnseitigen Wickelköpfe 5. Dies dient ei ner gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Fahrmo tors 1 und den Motorlagern 27. Das Gehäuse der elektrischen Maschine 1 ist über Motorlager 27 am Rotor 3 abgestützt. Des Weiteren ist das Gehäuse über eine Drehmomentstütze 26 und eine Motorabstützung 25 im nicht näher dargestellten Drehgestell positioniert.

FIG 2 zeigt eine alternative Ausführung der elektrischen Ma schine 1, die ebenfalls wie in FIG 1 als permanenterregter Synchronmotor ausgeführt ist. Der Flüssigkeitskühlmantel, der ebenfalls als Wasserkühlmantel 7 ausgeführt sein kann, ist hier im Wesentlichen aus zwei koaxial übereinander geschobe nen Zylindern gebildet, wobei der radial innere Zylinder um laufende Ausnehmungen aufweist, die das Wasser führen. Der Stator 2 ist durch ein Spaltrohr 28 vom Rotor 3 getrennt, so dass der Stator 2 zusätzlich durch ein isolierendes Kühlmit tel 34 z.B. Öl über einen Einlass 32 und einen Auslass 33 ge kühlt werden kann. Dabei verlaufen durch das Blechpaket des Stators 2 axiale Kühlkanäle.

Im Rotor 3 ist ein Innenkühlkreislauf 8, dessen Luftumwälzung durch einen Lüfter 30, insbesondere Radiallüfter aufrecht erhalten wird. Eine Rückkühlung des Innenkühlkreislaufs 8 er folgt im Kontakt mit den umliegenden Teilen, insbesondere auch an dem Spaltrohr 28.

Der Rotor 3 ist als Hohlwelle 9 ausgeführt und ist mit einer Kupplung 12 drehfest verbunden, die wiederum mit der Radsatz welle 3 fest verbunden ist, so dass das Drehmoment des Fahr motors 1 auf die Radsatzwelle übertragbar ist. Es eignet sich dafür insbesondere eine Kardan-Hohlwellen-Kupplung .

Innerhalb des Rotors 3 können grundsätzlich Versteifungsele mente 14 vorgesehen sein, die den Rotor 3 in sich stabilisie ren. Radsatzlager 15 innerhalb der Räder 11 gestatten eine Drehung der Radsatzwelle 16.

Das Gehäuse der elektrischen Maschine 1 ist über Motorlager 27 am Rotor 3 abgestützt. Des Weiteren ist das Gehäuse über eine Drehmomentstütze 26 und eine Motorabstützung 25 im nicht näher dargestellten Drehgestell positioniert.

FIG 3 zeigt einen Radsatz 24 mit einem elektrischen Fahrmotor 1, der gemäß der FIG 1 oder der FIG 2 ausgeführt sein kann. Über eine Kupplung 12, insbesondere Kardan-Hohlwellen- Kupplung wird das Antriebsmoment des Fahrmotors 1 zur Rad satzwelle 16 geleitet. Ebenso ist die Radsatzlagerung zwi schen den Rädern 11 angeordnet.

Somit ist der elektrische Fahrmotor 1 vollgekapselt und wir kungsvoll vor Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt.

FIG 4 zeigt in prinzipieller Darstellung ein Drehgestell 21, dessen Radsätze 24 mit den jeweiligen Rädern 11, die um die Achsen 4 drehbar sind. Des Weiteren wird eine Verkleidung 20 sowohl am Unterboden, an den Seitenbereichen als auch am vor deren und hinteren Bereich des Drehgestells 21 gezeigt. Damit ergibt sich eine aerodynamische Gestaltung des Drehgestells 21. Dies kann aber zu den oben beschriebenen Abwärmeproblemen eines Fahrmotors 1 führen. Erfindungsgemäß ist nunmehr das Kühlsystem derart ausgelegt, dass die Abwärme, insbesondere des Fahrmotors 1 aus dem Drehgestellbereich geführt wird.

FIG 5 zeigt in einer prinzipiellen perspektivischen Darstel lung einen Radsatz 24 eines Drehgestells 21, dessen Drehge stellrahmen 23 über eine Feder 19 an einem Träger 18 auch Radsatzlagerschwinge genannt, abgestützt ist und zwischen den Rädern 11 der Fahrmotor 1 angeordnet ist. Sekundärfedern 22 stützen das Drehgestell 21 an einem nicht näher dargestellten Wagenkasten oder Schienenfahrzeugkasten ab.

Schalenförmige Verkleidungselemente sowohl an den Seiten als auch in Fahrtrichtung ebenso wie auf der der Fahrtrichtung abgewandten Seite des Drehgestells 21, bilden die Verkleidung 20. Dabei wird versucht, die Spaltmaße zwischen den einzelnen Verkleidungselementen möglichst gering zu halten, um auch ei ne funktionsfähige Aerodynamik im ausgedrehten bzw. im nicht- ausgedrehten Zustand des Drehgestells 21 zu erhalten. Auch ist die Unterseite des Drehgestells 21 verkleidet, weist je doch nicht näher dargestellte Ausnehmungen für die Räder 11 auf, um den Rad-Schiene-Kontakt herzustellen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fahrmotors 1 als permanenterregte Synchronmaschine mit den beschriebenen Küh lungsarten, insbesondere Wassermantelkühlung und/oder Spalt rohrkühlung des Stators 2 und/oder Innenkühlkreislauf 8, wo bei dabei die Verlustwärme außerhalb des Bereichs des Drehge stells 21 geführt wird, ist nunmehr ein voll funktionsfähiges und aerodynamisch gestaltetes Drehgestell 21 geschaffen das vor allem auch für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet ist .

Das erfindungsgemäß beschriebene Drehgestell 21 mit einem o- der mehreren permanenterregten Synchronmotoren, die als Di rektantrieb um die Radsatzwelle 15 angeordnet sind, eine Flüssigkeitskühlung des Stators 2 aufweisen, einen gekapsel ten Innenkühlkreislauf 8 aufweisen und eine Radsatzlagerung axial innerhalb der Räder 11 aufweisen, ermöglicht somit eine besonders aerodynamische Verkleidung dieses Drehgestells 21.

Grundsätzlich lassen sich auch andere Motortypen als Fahrmo tor 1 einsetzen, wie z.B. Asynchronmotoren mit Käfigläufern oder permanenterregte Transversalflussmaschinen als die Rad- satzwelle umgreifende Direktantriebe. Ebenso können diese beispielhaften Motortypen achsparallel angeordnet sein und/oder über ein Getriebe mit der Radsatzwelle verbunden sein. Ebenso kann die Radsatzwelle 15 auch axial außerhalb der Radsatzwelle 16 angeordnet sein. Die Kühlkonzepte müssen demnach ggf. auch eine Flüssigkeitskühlung des Rotors 3 vor sehen. Entscheidend ist dabei immer, dass die Abwärme des An triebs möglichst gering ist und aus dem vollverkleideten, Drehgestellbereich, der aerodynamisch gestaltet sein soll, abgeführt wird.