Konstruktionskriterien von Drehstrommotoren für Schienenfahrzeuge

Kühlung groß – Bauraum klein

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Leistungsfähigkeit, Betriebstüchtigkeit und Unterhaltungs-kosten eines Schienenfahrzeuges werden wesentlich durch die verwendete Antriebs-technik bestimmt. Hier hat wiederum der Fahrmotor einen nicht unerheblichen Anteil, so daß der wirtschaftliche Erfolg eines Schienentrieb-fahrzeuges maßgeblich von diesen Motoren beeinflußt wird.

Der Autor, Dipl.-Ing. Dieter Rupprich, ist Geschäftsführer der SSB-Antriebstechnik GmbH & Co. KG , Salzbergen

Über Jahrzehnte dominierte in der elektrischen Antriebstechnik für Schienenfahrzeuge die Gleichstrommaschine mit all ihren Vor- und Nachteilen. Neben dem unbestrittenen Vorteil der einfachen Beeinflussung der Drehzahl- und damit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs – hat die Gleichstrommaschine jedoch den gravierenden Nachteil des verschleißbehafteten Stromwendesystems, der rotierenden Wicklung sowie der Einschränkung des FV-Diagrammes durch die Kommutierungsgrenzkennlinie. Es liegt also nahe, die Gleichstrommaschine durch die robuste Drehstrom-Asynchronmaschine zu ersetzen. Bedingt durch den enormen Fortschritt auf dem Gebiet der Umrichtertechnik in den letzten Jahren stehen heute prozeßrechnergeführte Frequenzumrichter zur Verfügung. Damit kann ein Betriebsverhalten der Asynchronmaschinen im gesamten Drehzahlbereich erreicht werden, das dem der Gleichstrommaschine ebenbürtig, teilweise sogar überlegen ist.
Anforderungen an Drehstromfahrmotoren
In Anbetracht der Tatsache, daß die Motoren innerhalb des Drehgestelles, zwischen den Spurkränzen, eingebaut werden, ist eine wesentliche Anforderung die möglichst geringe Baugröße, d.h. kleine Abmessungen, sowohl diametral als auch axial. Da das angetriebene Fahrzeug bestimmte Fahreigenschaften bezüglich Zugkraft und Geschwindkeit aufweisen soll, ergibt sich hieraus eine Leistung, die die Antriebsmotoren zu erbringen haben. Einen typischen Verlauf des FV-Diagrammes für Schienenfahrzeuge zeigt Bild 2.
Mechanischer Aufbau – Wasserkühlung
Die Größe einer elektrischen Maschine, gegebener Leistung, hängt im wesentlichen davon ab, wie wirkungsvoll die entstehende Verlustleistung abgeführt werden kann. Die inten-sivste, wirtschaftlich vertretbare Möglichkeit, eine elektrische Maschine zu entwärmen, ist die indirekte Kühlung mit Wasser. Dieses Entwärmungsprinzip wird auch bei den SSB-Fahrmotoren verwendet.
Das Ganzstahlstatorgehäuse, als Schweißkonstruktion, ist doppelwandig ausgeführt. Die Außenwand, die auch die Befestigungselemente für den Motor an das Achsgetriebe enthält, ist auf hohe mechanische Festigkeit dimensioniert, während die das Statorpaket aufnehmende Innenwand, zum Zweck geringer Wärme-übergangsverluste dünnwandig ausgeführt wird. Zwischen den beiden Wänden befinden sich die Kühlkanäle, welche die Innenwand spiralförmig umlaufen, so daß diese direkt vom Kühlwasser umspült wird. Das Doppelwandgehäuse bildet die gesamte Baulänge des aktiven Motorteils, so daß im Bereich der Hohlräume über den Wickelköpfen eine zusätzliche Entwärmung der zirkulierenden Innenluft durch Wärmetauschung erfolgt. Dies dient mit zur Kühlung der Wickelköpfe und des Läuferkäfigs. Das Motorgehäuse wird abtriebsseitig durch einen Dichtringdeckel gegen das Getriebe öldicht verschlossen. Die radiale Führung der Motorwelle übernimmt abtriebsseitig die Getriebeeingangswelle. Die Momentenübertragung von Motorwelle auf Getriebeeingangswelle erfolgt formschlüssig durch eine Keilwellenprofilverzahnung. Auf der Rückseite des Motors befindet sich das Lagerschild, da zum einen die B-seitige Lagerung der Motorwelle als Festlager übernimmt, zum anderen als Reibfläche für die an den Motor angebaute Haltbremse dient.
Elektrische Auslegung: Kupferprofil im Stator
Die Motoren sind als dreisträngige, vierpolige Asynchronmaschinen ausgeführt. Um den Forderungen nach hoher Leistungsdichte und Überlastbarkeit gerecht werden zu können, muß die Maschine geringe Ohmsche Widerstände in Statorwicklung und Rotorkäfig aufweisen und streuarm sein. Ein geringer Ohmscher Widerstand bedingt große Leiterquerschnitte. Die Minimierung der Streuung erfordert niedrige, breite Nuten, minimale Streusteghöhen sowie eine große Nutzahl.
Üblicherweise wird bei elektrischen Maschinen mit Leistungen bis zu einigen 100 kW die Statorwicklung aus Kupferrunddrähten hergestellt, als fertigungstechnisch einfachste Art. Mit einer derartigen Wicklung werden Nutfüllfaktoren bei Niederspannungsmotoren von bis zu 40% problemlos erreicht.
Um jedoch das vorhandene Bauvolumen optimal zu nutzen, werden die SSB-Fahrmotoren mit einer Statorwicklung aus Kupferprofilen versehen. Die SSB-Fahrmotoren weisen einen Nutfüllfaktor von 75 E auf, so daß bei optimierten Leiterabmessungen und notwendiger Leiterzahl eine erhebliche Vergrößerung des Rotordurchmessers möglich ist, da sich die Statornuthöhe entsprechend reduzieren läßt.
Die Leistung einer elektrischen Maschine steigt mit der zweiten Potenz des Durchmessers, so daß die Verwendung von Profilkupferwicklungen zu einer beachtlichen Leistungszunahme führt.
Zudem ist der Wärmeübergangswiderstand einer derartigen Wicklung sowohl im Bereich der Statornuten als auch im Bereich der Wickelköpfe erheblich geringer als bei einer vergleichbaren Kupferrunddrahtwicklung, so daß die damit verbundene thermische Entlastung eine weitere Steigerung der Motorleistung ermöglicht.
Die Isolierstoffe der Wicklung genügen der Klasse H nach DIN VDE 0530.
Aufbau des Läufers
Der Läuferkäfig besteht ebenfalls aus Elektrolythkupferstäben, die an den Stirnseiten mit kräftig dimensionierten Kurzschlußringen durch Schweißen verbunden sind. Die Kurzschlußstäbe sind isoliert in die Nuten eingebettet, um in Verbindung mit der Läufernutschrägung eine effektive Unterdrückung der nutharmonischen Oberwellen zu erreichen. Die Läuferentwärmung erfolgt durch innerhalb der Maschine befindliche, beiseitig des Rotors angeordnete Radiallüfter. Der bei Rotation erzeugte Luftstrom streicht an der wassergekühlten Gehäusewand entlang, die somit als Wärmetauscher fungiert.
Mechanische Bremse
Um ein Halten des Fahrzeuges im abgestellten Zustand zu ermöglichen, sind die Motoren mit einer mechanischen Haltebremse versehen. Es ist eine Einscheibenfederdruckbremse. Unerregt spannen die Federn den Reibbelag zwischen Ankerscheibe und Motorlagerschild ein, so daß sich das Bremsmoment aus den Faktoren Reibwert, Druckkraft und Wirkradius ergibt. Betriebsmäßig ist die Bremse elektromagnetisch gelüftet. Der Elektromagnet trennt die Ankerscheibe gegen den Federdruck von dem Reibbelagträger und gibt diesen frei.
Die mechanische Bremse ist darüber hinaus mit einem hydraulischen Lüftsystem versehen, so daß das Fahrzeug ggf. auch im spannungslosen Zustand verschoben werden kann. Das Drehmoment der Bremse entspricht dem jeweiligen Nennmoment der Motoren. Die Bremse ist so dimensioniert, daß im Notfall das Fahrzeug mit der mechanischen Bremse alleine aus Maximalgeschwindigkeit zum Stillstand gebracht werden kann.
Grundsätzlich ergeben sich für Fahrmotoren folgende Dimensionierungskriterien:
n hohe spezifische Leistung
n geringe Abmessungen, hohe Überlastbarkeit
n großer Feldschwäch-bereich, niedrigesGewicht
n hohe Schutzart gegen verschiedenste Umwelteinflüsse
n hohe Isolationsfestigkeit der Wicklung, hohe Stoßspannungsfestigkeit
Ausführliche Informationen
WqssergekühlteE-Motoren
KEM 529
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