DE10156269A1 - Traktionsantrieb - Google Patents

Abstract

Traktionsantrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge, wobei der Antrieb zumindest einen Reluktanzsynchronmotor aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Traktionsantrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge.
• Als Antriebe von elektrischen Triebfahrzeugen sind normalerweise Asynchronmaschinen im Einsatz. Bei diesen Maschinen weist der Läufer ein Blechpaket mit einer Kurzschlusswicklung aus Kupferstäben und an den Stirnseiten des Blechpakets angelöteten Kurzschlussringen auf. Die Antriebe insbesondere von Cargo-Lokomotiven sind meist Tatzlagerantriebe, bei denen der Fahrmotor hohen mechanischen Belastungen durch Schwingungen und Stöße ausgesetzt ist. Dies kann insbesondere am Übergang "Kupferstäbe - Kurzschlussringe" zu Stabbrüchen führen.
• Mechanische Lösungen zur Vermeidung der Stabbrüche insbesondere aufgrund der Stöße und Schwingungen ist sehr aufwändig, teuer und wartungsintensiv. Weitere Nachteile der Asynchrontechnik sind die hohen Kosten der Läuferfertigung und die hohen Verluste in der Kupferwicklung des Läufers.
• Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde einen robusten Antrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge zu schaffen.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass der Antrieb zumindest einen Reluktanzsynchronmotor aufweist.
• Bei Reluktanzsynchronmotoren sind im wesentlichen zwei Läuferausführungen einsetzbar: Die eine Läuferausführung ist ein Läufer mit ausgeprägten Polen bei denen der Luftspalt vergleichsweise mittelgroß ist. Dadurch benötigen sie einen relativ hohen Strom, Magnetisierungsstrom um einen für die Drehmomentbildung ausreichend großen Fluss über den Luftspalt zu treiben. Infolge dessen ist der Leistungsfaktor cos, das Verhältnis von aufgenommener Wirk- zur Scheinleistung, klein. Da der hohe Strom hohe Verluste erzeugt, gilt dies entsprechend auch für den Wirkungsgrad. Die Ausnutzung dieser Motoren ist deshalb kleiner als diejenige baugleicher Drehstromstromaynchronmotor.
• In einer bevorzugten zweiten Läuferausführungsform weist der Reluktanzsynchronmotor einen im wesentlichen zylindrischen Läufer mit Flusssperren auf. Die Drehmomentausnutzung dieser Motoren ist aufgrund des konstanten Luftspaltes etwa ebenso so groß wie diejenige baugleicher Drehstromasynchronmotoren.
• Der Reluktanzsynchronmotor weist eine äußerst robuste Konstruktion auf. Es sind keine Läuferstäbe, keine Kurzschluss- und keine Kappenringe notwendig, so dass sich deutlich niedrigere Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Asynchronmotoren ergeben. Außerdem reduziert sich die Trägheit des Läufers.
• Im Läufer stellen sich vergleichsweise kleine Verluste ein. Die damit verbundene geringere Läufererwärmung führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Traktionsantriebs und die Läuferwelle bleibt daher immer unter dem Temperaturniveau des Ständers des Reluktanzsynchronmotors. Damit entschärft sich auch das Problem einer zu engen Lagerluft.
• Es ergibt sich auch eine größere Induktivität, so dass der den Reluktanzsynchronmotor speisende Wechselrichter des Umrichters an Stelle der Streuinduktivität die Hauptinduktivität "sieht". Somit ergeben sich vergleichsweise niedrigere Stromoberschwingungen und Oberschwingungsverluste.
• Es ergeben sich außerdem vergleichsweise niedrigere Pendelmomente und damit eine Reduktion der umrichterbedingten Geräusche.
• Insbesondere ist ein derartiger Reluktanzsynchronmotor für die Traktion von Cargo-Lokomotiven interessant, da die Nachteile eines Reluktanzsynchronmotors wie schlechtere Feldschwächbarkeit und unmögliche Parallelschaltbarkeit für einen Gruppenantrieb bei derartigen Hochleistungs-Cargo- Lokomotiven uninteressant sind.
• Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden schematischen Darstellungen näher erläutert, darin zeigen:
• Fig. 1 einen Reluktanzsynchronmotor im Längsschnitt,
• Fig. 2 einen Ausschnitt eines sechspoligen Reluktanzsynchronmotors im Querschnitt,
• Fig. 3 einen Ausschnitt eines vierpoligen Reluktanzsynchronmotorläufers im Querschnitt.
• Fig. 1 zeigt einen Fahrmotor 1 einer Cargo-Lokomotive. Mit einem Reluktanzsynchronmotor 2 mit einem herkömmlichen Ständer 3 und einem Reluktanzläufer 4. Der Reluktanzläufer 4 dieses Reluktanzsynchronmotors 2 ist durch Dynamobleche 5, die axial geschichtet sind, aufgebaut. Axiale Druckringe 8 des Blechpakets 6 sorgen für Stabilität des Läuferblechpakets des Reluktanzläufers 4. Die weiteren Elemente zur Lagerung 7 des Fahrmotors 1 und der Antriebswelle 9 sind der Vollständigkeit halber ergänzt. Entscheidend ist, dass der Läufer als Reluktanzläufer 4 ausgebildet ist.
• Die Reluktanzsynchronmotor 2 enthält einen Ständer 3 mit einer mehrphasigen Wicklung 10 und den Reluktanzläufer 4. Der Reluktanzläufer 4 weist Achsen von unterschiedlichem magnetischen Widerstand auf, die als Längs- bzw. Querachse des Reluktanzläufer 4 bezeichnet werden. Durch Speisung der Wicklung 10 des Ständers 3 zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes wirkt auf den Reluktanzläufer 4 eine Tendenz, sich so auszurichten, dass seine magnetische Längsachse mit der Längsachse des magnetischen Drehfeldes zusammenfällt. Diese Tendenz bewirkt ein Drehmoment und dadurch eine Leistungsentwicklung.
• Der magnetische Widerstand der Längsachse sollte möglichst klein und der magnetische Widerstand der Querachse möglichst groß sein. Dies führt zu einem Fahrmotor 1 von vergleichsweise größerer Leistung bei kleinstem Magnetisierungsstrom, so dass wiederum höchster Wirkungsgrad und Leistungsfaktor zur Verfügung stehen.
• Fig. 2 zeigt einen Reluktanzsynchronläufer 4 mit Flusssperren im Läufer und mit dem dazu korrespondierenden Ständer 3, Diese Ausführung zeigt somit einen sechspoligen Reluktanzsynchronmotor 2. Im Blechpaket des Ständers 3 sind Nuten 14 zur Aufnahme der Wicklung 10 vorgesehen. Im Blechpaket selbst befinden sich axiale Kühlkanäle 12. Der Luftspalt 11 zwischen Ständer 3 und Reluktanzläufer 4 ist relativ eng bemessen. Fig. 3 zeigt einen vierpoligen Reluktanzläufer 4.
• Die Flusssperren 13, die als Ausstanzungen im Dynamoblech 5 des Reluktanzsynchronläufers 4 vorgenommen werden, erzeugen in Längs- und Querachse unterschiedlichen magnetischen Widerstand.
• Diesen Reluktanzläufer 4 ist gemein, dass entlang des Umfangs entsprechend der Polzahl der magnetische Leitwert schwankt. Der Reluktanzläufer 4 dreht sich synchron mit dem Drehfeld weil er sich stets so einstellt, dass die magnetische Energie im Luftspalt ein Minimum ist. Wie bei einem Schenkelpolsynchronmotor wird also ein Drehmoment aufgrund unterschiedlicher Reluktivität in Läuferlängs- und Querrichtung erzeugt.
• Mit einem Fahrmotor, der einen Reluktanzläufer 4 gemäß Fig. 2 oder Fig. 3 aufweist, werden gegenüber einer herkömmlichen Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer folgende Vorteile erreicht. Der Reluktanzläufer 4 besteht im wesentlichen aus Dynamoblechen 5, so dass die Herstellung sehr kostengünstig ist und der Läufer eines Reluktanzsynchronmotors eine äußerst robuste Ausführung aufweist. Aufgrund der konstruktiven und physikalischen Wirkungsweise des Reluktanzsynchronmotors sind keine Läuferstäbe, keine Kurzschluss- und keine Kappenringe vorhanden, so dass neben den niedrigen Herstellungskosten auch Ausfälle beispielsweise durch Stabbrüche vermieden werden.
• Da vergleichsweise niedrige Verluste im Reluktanzsynchronläufer 4 auftreten und damit eine geringe Läufererwärmung auftritt, verbessert sich der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung. Außerdem ist dadurch die Läuferwelle 9 immer kälter als der Ständer 3 wodurch sich das Problem einer zu engen Lagerluft entschärft.

Claims (2)

1. Traktionsantrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zumindest einen Reluktanzsynchronmotor (2) aufweist.

2. Traktionsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische schienengebundene Triebfahrzeug als Cargo-Lokomotive ausgeführt ist.