EP0413337A1 - Elektromotorischer Schienenfahrzeug-Direktantrieb - Google Patents

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EP0413337A1
EP0413337A1 EP90115713A EP90115713A EP0413337A1 EP 0413337 A1 EP0413337 A1 EP 0413337A1 EP 90115713 A EP90115713 A EP 90115713A EP 90115713 A EP90115713 A EP 90115713A EP 0413337 A1 EP0413337 A1 EP 0413337A1
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EP
European Patent Office
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rotor
wheel
drive according
electric motor
driven
Prior art date
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EP90115713A
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English (en)
French (fr)
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EP0413337B2 (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
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Publication date
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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
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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

  • Direct drive usually means, and in the present application, those drives in which the electric motor is spatially closely assigned to a wheel to be driven without the interposition of a transmission.
  • the torque transmission connection of the rotor of the electric motor to the wheel to be driven is made in the invention either to the wheel to be driven itself or to an axle shaft on which the wheel to be driven sits in a rotationally fixed manner.
  • Electromotive direct drives are sometimes also referred to as axis motors.
  • Equipping vehicles especially rail vehicles, with at least one axle motor, on the one hand, appears to be an attractive option because transmissions, right-angled deflections of the torque flow or the like can be saved so that one can hope to achieve cost advantages and space advantages.
  • axis motors provided the same torque, are larger and heavier due to the omission of a gear.
  • Asynchronous motors have been installed as axis motors for experimental purposes. These attempts do not lead to results that can be used from an economic point of view led because the achievable engine torque was too low or the engines were too large in terms of mass and volume.
  • the object of the invention is to provide a comparatively light and space-saving direct drive which, however, delivers a comparatively high torque, measured in terms of the installation volume required and the weight.
  • an electronically commutated electric motor with an external rotor and without a housing is provided.
  • the essentially cylindrical air gap surface is at an optimally large diameter.
  • the proposed motor is optimally used due to the construction with permanent magnets and due to the electronic commutation in terms of volume, mass and processable current. All this together leads to an optimally high, deliverable torque - measured in terms of volume and mass.
  • Electronically commutated electric motors are known per se, so that no further details need to be described in this regard. Electronically commutated electric motors are best compared to DC motors in terms of their design system.
  • a rotation position sensor often a Hall sensor, detects the current rotational position of the rotor and, based on signals from the rotation position sensor, electrical voltage is applied to the stator windings or stator coils with the correct time and sign.
  • the direct drive according to the invention is particularly preferred for high-speed rail vehicles because high wheel speeds occur at these, that is to say high drive powers are available for a given torque of the drive motor, and because the aspect of a large starting acceleration capacity is not in the foreground.
  • High-speed rail vehicles are considered to have a top speed in the range of 200 to 300 km / h, or even higher.
  • the rotor of the electric motor can be supported by means of the bearing of the wheel to be driven, that is to say it does not have its own rotor bearing.
  • a low rotor weight as can be achieved according to the invention in terms of the torque of the engine, is advantageous because in many cases the rotor of the engine belongs to the unsprung vehicle masses.
  • mount the rotor of the motor itself if it is considered to be more advantageous - in particular for reasons which will be described further below.
  • the rotor is preferably constructed with highly coercive permanent magnets or permanent magnets with a high energy product.
  • Permanent magnets of this type are known, in particular from rare earth cobalt material or iron neodymium material.
  • the rare earth material component can consist of one or more rare earth elements, in particular samarium.
  • Highly coercive permanent magnets or permanent magnets with a high energy product deliver a high permanent magnet excitation, allow a high motor EMF with a comparatively low inductance allow a special compact structure of the rotor, and allow the construction of the motor with a comparatively large, radial air gap width, which is favorable for reasons which will be discussed below.
  • Another preferred measure for increasing the compactness or the torque of the electric motor is to design the rotor from the point of view of the flux concentration, the magnetic flux density being greater at the pole faces of the rotor on the air gap than at the end faces of the permanent magnets.
  • the connecting device can be a type of flexible coupling.
  • the connecting device is preferably resilient and / or damping. The main advantage of the named connecting device is that the shock maxima of the wheel are kept away from the rotor. This applies even if the rotor is supported by means of the bearing of the wheel or the axle shaft of the wheel.
  • the rotor is supported by its own bearing, which enables primary wheel suspension without primary rotor suspension and stronger decoupling of the wheel joints from the rotor.
  • the entire electric motor that is to say the stator and rotor, is supported and / or damped on the vehicle, with the wheels, their axles or axle shafts and their electric motors being the unsprung vehicle masses, for example turn off.
  • the wheel to be driven is connected to the vehicle with the interposition of a primary suspension arranged as early as possible in the shock transmission chain.
  • the "earliest" or closest location of the primary suspension to the wheel is a primary suspension between the actual wheel and its stationary wheel axle or its co-rotating axle shaft.
  • the "two earliest” or second closest location of the primary suspension is between the stationary wheel axle or the co-rotating wheel axle shaft and the vehicle. It is pointed out that in both cases the rotor of the electric motor can either belong to the mass unsprung by the primary suspension (wheel or wheel axle or axle shaft) or to the mass sprung by the primary suspension in the shock transmission chain behind the primary suspension.
  • a brake disc can be rigidly assigned to the wheel to be driven on at least one axial side. On the axial side opposite the electric motor there is normally enough space for such a brake disc.
  • a brake disk rigidly assigned to the wheel can be provided between the electric motor and the wheel to be driven.
  • rigidly assign a brake disc to the rotor of the electric motor. This often offers spatial advantages.
  • the brake disc can also be assigned to the sprung mass which is arranged downstream of the primary suspension.
  • the electric motor provided according to the invention - measured by its torque - is so small that it can often be arranged on the outside of the wheel to be driven, in particular still within the vehicle limit prescribed for railway vehicles.
  • Fig. 1 shows a part of a rail vehicle 2, for example a railcar for passenger transportation, wherein a rail wheel 4 to be driven on one side of the vehicle, its axle motor 6, a part of the chassis 8 of the vehicle 2 supporting the wheel 4 and the motor 6, and a lower part of the vehicle body or the vehicle body 10 for receiving the payload or the persons to be transported.
  • the chassis 8 can, for example, be one of two bogies on which the vehicle body 10 rests. But it can also be a chassis 8, which is non-rotatably connected to the vehicle body 10.
  • a suspension (not shown) and possibly damping can be provided between the wheel 4 and the chassis 8 and / or between the chassis 8 and the vehicle body 10.
  • the wheel 4 is rigidly attached to an axle shaft 12.
  • a brake disc 14 is rigidly fixed axially to the left and right of the wheel on the axle shaft 12.
  • the axle shaft 12 is rotatably mounted in the chassis 8 by means of roller bearings 16.
  • the axle shaft 12 is extended and provided with a flange-like end region 18 of larger diameter.
  • a resilient, damping connecting ring 22 for example made of suitable rubber or plastic.
  • the connecting ring 22 sits on the axial side of the end region 18 facing the wheel, and the end wall of the rotor 20 projects there radially inward to the connecting ring 22.
  • the axle motor 6 is located in FIG. 1 to the right of the wheel, that is to say on the outside of the vehicle from the wheel 4.
  • the chassis 8 in FIG. 1 has an extension 24 projecting downward to the right of the rotor 20.
  • a circular fastening flange 26 is fastened to the inside of this extension 24.
  • the fastening flange 26 carries an inwardly projecting, strong, tubular support 28.
  • Stator poles 30 made of ferromagnetic material with windings 32 are attached in an annular distribution to the outer circumference of the support 28.
  • the rotor 20 has permanent magnets distributed in a ring, which are not shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
  • the pole pitch of the permanent magnets is matched to the pole pitch of the stator poles 30, so that the stator constructed with the stator poles 30 and the permanent magnets attached to the rotor 20 are formed by an electric motor with permanent magnetic excitation.
  • the permanent magnets are arranged with alternating polarity along the rotor circumference.
  • a support column 34 can be seen above the wheel 4.
  • the actuators of the motor 6 are controlled by means of a rotational position sensor (not shown) of the motor 6 in such a way that they supply electrical current to the individual windings 32 of the stator poles 30 in the correct time and with the correct sign.
  • a channel 38 leads from the installation space 36 to the extension 24 and through the extension 24 into the interior of the support 28, in which the power cables and cooling lines run.
  • Line 39 indicates the outer contour of the vehicle, which is 2950 mm wide for the German Federal Railroad, for example.
  • Line 40 indicates the narrowest permissible guideway limitation, i.e. the limit up to which outer guideway parts, such as tunnel walls, masts and the like, may be arranged as close as possible to the rails of the guideway.
  • the axle motor 6 is located within the vehicle contour 39 and within the boundary 40.
  • the so-called Lemniscate handlebar for setting the drive is indicated at 42.
  • the drawing must be supplemented to the left in a mirror-image manner, supplemented by a central vehicle part and supplemented by an upper vehicle area, so that the entire vehicle 2 can be seen in cross section.
  • a cooling air outlet is indicated at 44.
  • the vehicle body 10 extends as a low-floor vehicle lower than the upper area of the circumference of the wheel 4 corresponds.
  • the corresponding wheel 4 on the other side of the vehicle is also provided with an axle motor 6.
  • the rotor 20 could also be connected directly to the wheel 4 or the right brake disk 14, for example by bolts.
  • the wheel 4 could be rotatably mounted on the axle 12.
  • the right support of the axle 12 would then have to take place, for example, on the extension 24 of the chassis 8.
  • the resilient and damping connecting ring 22 leads to impacts, in particular impact maxima, being passed on to the rotor 20 in a reduced manner.
  • FIG. 3 shows a variant in which the rotor 20 is mounted in the support 28.
  • a resilient and damping connecting ring 22 is in turn arranged between the rotor 20 and the end region 18 of the axle shaft 12.
  • impacts of the wheel 4 come to the rotor 20 in a significantly reduced manner.
  • the rotor 20 has its own bearing 17, for example according to FIG. 3, it can be connected directly to the wheel 4 or the right brake disk 14, for example in a manner not shown, by means of suitable connecting elements which allow small relative movements and, if desired, have a resilient and / or damping effect be connected.
  • the rotor 20 can be rotatably mounted on the right on the extension 24.
  • the end wall 48 of the rotor 20 can be enlarged radially in a manner not shown in order to form a braking area there.
  • the permanent magnets 50 shown have end faces 52 on which the magnetic flux passes into the subsequent ferromagnetic material 54 and which - roughly speaking - point in the circumferential direction of the rotor 20.
  • Each pole face 56 has a smaller magnetic flux exit area than the sum of the magnetic flux transition areas 52 of the two subsequent permanent magnets 50, measured in each case in a radial plane, so that there is a flux concentration effect.

Landscapes

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Abstract

Elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienenfahrzeugräder, dadurch gekennzeichnet, (a) daß axial neben dem anzutreibenden Rad (4) ein elektronisch kommutierter Elektromotor (6) angeordnet ist, 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) 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 drehfest an dem Fahrzeug (2) gehalten sein.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienen­fahrzeugräder, dadurch gekennzeichnet,
    • (a) daß axial neben dem anzutreibenden Rad ein elektro­nisch kommutierter Elektromotor angeordnet ist, dessen Rotor zur Drehmomentübertragung an das anzu­treibende Rad angeschlossen ist, wobei die Rota­tionsachsen des Rotors und des anzutreibenden Rads mindestens im wesentlichen miteinander fluchten;
    • (b) daß der Rotor als Außenrotor des gehäuselosen Elek­tromotors ausgebildet ist und ringförmig verteilte Dauermagnete aufweist; und
    • (c) daß der Stator des Elektromotors an der dem anzu­treibenden 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 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, rechtwink­lige 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.
  • Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen ver­gleichsweise 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 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.
  • 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 vergleichwseise geringer Induktivität erlauben einen besonders kompakten Aufbau des Rotors, und erlauben die Konstruktion des Motors mit vergleichsweise großer, radialer Luftspaltweite, was aus nachfolgend noch ange­sprochenen Gründen günstig ist.
  • Eine weitere, bevorzugte Maßnahme zur Steigerung der Kompaktheit bzw. des Drehmoments des Elektromotors be­steht darin, den Rotor nach dem Gesichtspunkt der Fluß­konzentration 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 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 Elektormotor, 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 (12)

1. Elektromotorischer Direktantrieb für Fahrzeugräder, insbesondere Schienenfahrzeugräder,
dadurch gekennzeichnet,
(a) daß axial neben dem anzutreibenden Rad (4) ein elektronisch kommutierter Elektromotor (6) ange­ordnet ist, 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) 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 dreh­fest 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 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) nach dem Gesichts­punkt 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 Ver­bindungseinrichtung (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 gekenn­zeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (22) dämpfend ist.
8. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Radachse (12) gefedert am Fahr­zeug (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.
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