DE1563970A1

DE1563970A1 - Gleisfahrzeug mit elektrischem Antrieb durch zumindest einen linearen Induktionsmotor

Info

Publication number: DE1563970A1
Application number: DE19671563970
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: MTE Ste
Current assignee: MTE Ste
Priority date: 1966-09-12
Filing date: 1967-08-04
Publication date: 1970-09-03
Also published as: GB1200201A; FR1526883A; DE1563970B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleisfahrzeug mit elektrischem Antrieb durch zumindest einen linearen Induktionsmotor , dessen auf dem Fahrzeug angeordneter Induktor die mit Mehrphasenstrom zu speisenden Statorspulen enthält und mit einem längs des Gleises verlaufenden langgestreckten Metall-Anker zusammenwirkt, an dem er durch an einem Träger des Induktors gelagerte Rollen zum Einhalten eines Luftspalts zwischen dem Induktor und dem Anker abgestützt wird.

Fahrzeug-Antriebe mit linearen Induktionsmotoren der oben kurz geschilderten Art sind vor allem für hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten geeignet, sie können mit der geschwindigkeit angepaßter Mehrphasenfrequenz gespeist und/oder mit beliebiger Spulen-Polteilung ausgeführt werden. Man hat auch schon vorgeschlagen, bei Speisung mit fester Frequenz die Induktorwicklungen

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Neue Unterlagen IM- 7 11 Ab·. 2 Nr. I Sett 3 d·· ÄnderuixuQi·. v. 4.

BAD ORIGINAL

an Polumschalter anzuschließen, die das-Umschalten \ auf mehrere "Synchrongeschwindigkeiten" gestatten. Ein weiterer, angesichts der hohen ϊ¹ aiir ge schwind igkeiten wichtiger Vorteil ist die durch einfaches Umschalten der Wicklung zu erzielende, geschwindigkeitsabhängige Bremswirkung, die unabhängig von dem Schienenzustand ist.

Die bekannten Gleisfahrzeugantriebe mit linearen Mehrphasen-Induktionsmotoren, wie sie insbesondere in neuerer Zeit für den Schnellverkehr - auch bei "gleisgebundenen " Luftkissenfahrzeugen - vorgeschlagen wurden, haben normalerweise im Querschnitt etwa U-förmig gestaltete Induktoren, welche eine aus gut leitendem, nicht magnetisierbarem Metall - meist Aluminium - hergestellte, "hochkant" angeordnete Ankerschiene von beiden Seiten übergreifen. In beiden "Schenkeln" der Induktoren liegen die Spulen reihenweise hintereinander ; der von diesen Spulen erzeugte Magnetfluß durchsetzt die gut leitende Anker-Schiene.

Die Verwendung einer längs des gesamten Geleises anauordenen Anker-Schiene bringt Schwierigkeiten mit sich^ das Einhalten ausreichend kleiner Luftspalte zwischen den Induktorschenkeln und den seitlichen Ankerschienenflächen bedingt eine q.uerbewegliche Anordnung des Induktors am Fahrzeug und sein Abstützen an der Anker-Schiene durch .Rollen. Dadurch bedingt

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einerseits die Übertragung der Zug- und Bremskräfte zwisähen Induktor und ^'ahrzeugkörper bewegliche Zwischenbauteile, andererseits sind Rollen bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr ausreichend betriebssicher.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bekannten Antriebe mit linearen Induktionstnotoren zu beseitigen und ein Gleisfahrzeug mit einem Antrieb zu schaffen, der besonders einfach und stabil aufgebaut ist, die Zug- und Bremskräfte praktisch unmittelbar auf das Fahrzeug überträgt und das Einheiten eines kleinen Luftspaltes zwischen Induktor und ortsfestem Anker ohne besondere Führungs- oder Abstützeinrichtungen gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Gleisfahrzeug mit elektrischem Antrieb durch zumindest einen linearen Induktionsmotor, dessen auf dem Fahrzeug angeordneter Induktor die mit Mehrphasenstrom zu speisenden Statorspulen enthält und mit einem längs des Geleises verlaufenden langgestreckten Metall-Anker zusammenwirkt, an dem er durch an einem Träger des Induktors gelagerte Rollen zum Einhalten eines Luftspalts zwischen dem Induktor und dem Anker abgestützt wird, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Gleisfahrzeug für jede der Fahrschienen des Geleises zumindest eine. Reihe von in Längsrichtung der Fahrzeugschieme hintereinander angeordneten Induktorspulen aufweist und jeder Induktor durch einen siuh auf die Räder des Fahrzeugs abstützenden Träger dicht über dem Kopf der Fahrschiene gehalten ist, der den langgestreckten Metall-Anker bildet.

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Die Verwendung der Köpfe der Fahrschienen des Geleises als ortsfeste Anker des Mehrphasen-Induktionsmotors und die Abstützung des dicht über dem Schienenkopf liegenden Induktor auf die Räder , mit denen das Fahrzeug- auf den Schienen läuft, gestattet es, den Luftspalt unabhängig von seitlichen Bewegungen der Radsätze und des Fahrzeugkastens konstant und klein zu halten, ohne zusätzliche Einrichtungen in Anspruch nehmen zu müssen; der Induktor wird in seiner Gestalt und wegen der einreihigen Spulen-Wicklung einfach und ist zur Kraftübertragung unmittelbar mit den Radsätzen verbunden.

Die Radsätze mit ihren relativ hohen Rad.drücken und die magnetische Anziehungskraft zwischen Induktor und Fahrschienenkopf - die beispielsweise etwa 2 t betragen kann- sorgen stets für ein spielfreies Anliegen der Laufräder an den Schienen und damit für den unveränderlichen Luftspalt.

Der Schienenkopf wird nur an seiner Oberfläche auf einer Tiefe von nicht mehr als 1 bis 2 cm von dem Induktor-Magnetfluß durchsetzt, der keinesfalls durch den gesamten Schienenkopf hindurchgeht; die wegen der Magnetisierbarkeit des Schienenkopfmaterials gegebenenfalls geltend zu machenden Bedenken hinsichtlich einer Verringerung des Wirkungsgrades haben sich praktisch nicht bestätigt, da man Polteilung und Speise· frequenz unter Berücksichtigung der Schienenkopfbreite

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optimal wählen kann. Die besondere, nur als Anker dienende Schiene aus leitendem, nicht magnetisierbarem Metall kann eingespart werden.

I'iir die günstigste Auslegung des Motors stehen dem Bachmann die folgenden Variationsmöglichkeiten zur Verfügung:_

a) verhältnismäßig kleine Polteilung — weniger als mehrere Dezimeter;

b) hohe Frequenz für hohe Geschwindigkeit - gegebenenfalls weit mehr als 50 Hz;

c) kleiner luftspalt - keinesfalls mehere cm;

d) entsprechend hohe Induktionen - mehr als einige Kilogauss*

Die Ausnutzung der Fahrschienen und der Radsätze als wesentliche Elemente eines auch mit Wechselstrom geringer Frequenz zu speisenden "Linearmotors¹¹ ist bereits für den Rangierdienit vorgeschlagen worden. Dabei sollten die Schienen isoliert und mit Magnetjochen umgeben werden, die bei Stromfruß durch die Schienen und Räder der Radsätze in den Radkränzen ein Magnetfeld hervorrufen, das mit dem Strom_-■ nach dem Prinzip des Unipolarmotors - ein Drehmoment am Radsatz erzeugt. Ein solcher Antrieb wäre allenfalls für geringe Fahrgeschwindigkeiten geeignet, zumal er auch kräftige Bremswirkungen zu erzielen gestattet, für den Schnellverkehr ist er nicht geeignet.

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Selbst wenn der erfindungsgemäße Antrieb des Gleisfahrzeuges durch ortsfeste Anordnung des Stators und Benutzen der Räder des Fahrzeuges als Anker gewissermaßen "umgekehrt" würde, bestünde noch keine Verwandtschaft mit oder Abhängigkeit von dem oben erwähnten Vorschlag,

Die Erfindung wird nunmehr ausführlicher unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen;

Pig. 1 eine schematische Seitenansicht des vorderen Teiles eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs;

Fig. 2 eine in größerem Maßstab gezeichnete Ansicht , die ein Rad und einen Teil des elektrischen Fahrzeugantriebes erkennen läßt;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Schnittlinie III-III der Fig. 2;

Fig. 4 ein Schema der elektrischen Speisung des Fahrzeugantriebs;

Fig. 5 eine Variant; der Speisung des Antriebs aus einer äußeren Stromquelle.

Das als Beispiel ausgewählte Fahrzeug kann ein

Triebwagen oder eine Lokomotive sein; das Fahrzeug

auf

hat einen Kasten 1, der sich/die Kader 2 beispielsweise über Traversen 3 und Längswangen 4 abstützt.

Der elektrische Antrieb besteht aus Induktions-

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motoren, von denen einer in der Zeichnung scheinatisch dargestellt ist. Dieser Motor hat eine Reihe von Spulen.6, die in einem aus dünnen Blechen zusammengesetzten Induktor-Blechpaket 7 angeordnet sind, das parallel zur Rollfläche jeder Schiene 8 verläuft· Die Spülen 6 sind in Richtung der Länge der Schiene 8 hintereinander angeordnet, sie bilden zusammen mit dem Induktor-Blechpaket 7 den Statorteil eines Motors , für den die Kopfschiene 8 - wegen ihres speziellen Aufbaues besonders günstig - einen geradlinigen,. massiven Anker des "Linear-Induktionsmotors " bildet.

Die Erregerspulen 6 werden durch einen periodischen Mehrphasenstrom gespeist, der ein Wanderfeld mit aufeinanderfolgenden "Wellen" erzeugt, das nach seiher Antriebsfunktion einem Drehfeld gleichkommt.

Der Luftspalt zwischen dem geblätterten, ungefedert aufgehängten Induktor-Paket 7 und der Schiene 8 wird im wesentlichen konstant gehalten, weil er durch die Räder fest bestimmt ist, die auf der Schiene 8 rollen. Die Hohe des Luftspaltes kann durch eine möglich spielfreie Einstellvorrichtung eingestellt werden, die zwischen den Teilen 3 und 4 oder zwischen den Teilen 2 und 4 angeordnet wird, um einen Ausgleich der Abnutzung der Räder und der Durchbiegung der Längswangen 4 vorzusehen, welche die Spulen mit ihrer Eiaenmasse tragen.

einen Die Speisung der Spulen 6 kann, durch/Mehrphasen-

generator erfolgen, wie dies.die Pig. 4 zeigt. Ein Motor. 9, der eine Turbine oder ein Diesel-Motor sein_; kann,treibt eien dreiphasigen Generator 10 oder einen entsprechenden Mehrphasengenerator an, aus dem eine Reihe von Spulen

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gespeist wird. Bin Umkehreehalter 11 gestattet eine Umkehr des RiehtungsSinnes, in dem die Speisung der Reihe von Spulen durch die unterschiedlichen Phasen erfolgt.

Die Fig. 4 zeigt, daß die Spulen 6 aus einer Oberleitung 12 über einen Stromabnehmer, einen Widerstand 14 und einen Phasen- und Frequenzumformer 15 gespeist werden können» Die schematische Barstellung dieser Speisung zeigt ebenfalls den RÜokleitungsstromkreis 16 zur Schiene 8»

Nach einer Ausführungsvariante kann der mehrphasige Speisestrom auch durch einen statischen Frequenzformer gewonnen werden, wenn die äußere Speisung m±t Wechselstrom erfolgt, oder durch einen statischen Zerhacker, vrenn als äußere Speisung Gleichstrom vorhanden ist.

Auf Grund der Eigenschaften von Drehfeldern hat der elektrische Antrieb , wie er soeben beschrieben wurde, den Verteiler Umkehrbarkeit , weiterhin den Vorteil, daß er sowohl als Motor als auch als elektrische Bremse wirken kann.

Bs sind bereits mit Gleichstrom niedriger Spannung gespeiste elektromagnetische Bremsen bekannt, welche Reibsohlen aufweisen, die auf der Lauffläche der Schiene mit Reibung gleiten.

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Der elektrische Antrieb gemäß der Erfindung hat im Gegensatz hierzu einen Luftspalt zwischen den? geblätterten Eisenpaket 7 und der Lauffläche der Schiene 8, dessen Wert nicht Hull ist, und die Speisung erfolgt mit periodisch wechselndem Strom. Wegen des Vorhandenseins des Luftspaltes ergibt sich keine Haftung und Reibung, keine Abnutzung und keine mechanische Änderung des Oberflächenzustandes der Schiene· Außerdem bringt die aufeinanderfolgende Anordnung der Pole der Erregerspulen mit hohen Induktionen, aber mit einem induzierenden PeId, das sich in Abhängigkeit von der Frequenz ändert, die Möglichkeit, eine Induktion von parasitären elektromotorischen Kräften (Gleichspannungen) zu hohen Ausmaße»; in der Schiene zu vermeiden.

Die Erfindung bringt gegenüber bekannten Schienen- .."·'-fahrzeugen eine sehr große Vereinfachung durch Ersparen der relativ viel Raum einnehmenden üblichen Antriebsmotoren, der mechanischen Kraftübertragungen und selbst der Ausrüstungen für die Bremse. Das Fahrgestell &θβ Fahrzeuges kann leichter gemacht und stark vereinfacht werden; die bekannten Motoren zum Antrieb der Räder benötigten Räder mit einem minimalen ^ Aber noch relativ großen Durchmesser und Infolgedessen raoht erhebliehe Abmessungen des Fahrgestells und des Mäsohinenkaatens. Dank der Erfindung kann der Durchmesser der Fahrzeug« räder verkleinert und der Boden des Fahrzeuges auf niedrigere Höhe gelegt werden. Daraus folgt ein erheb-Hoher Gewinn an wirksamem Fahrdrehmotaent und Seitenatabilität des Fahrzeugs , was aioh für fahrzeuge hoher

Geschwindigkeit als besonders interessant erweist.

Es ist andererseits in gewissen Fällen, beispielsweise für Motorfahrzeuge, die nur kleinere Geschwindigkeiten haben aollen, wie Lokomotiven, möglich, den Antrieb gemäß der Erfindung mit öinem üblichen Antrieb entsprechend verkleinerter Leistung zu kombinieren. Die tatsächlich wirksame Masse der Antriebsorgane eines Fahrzeuges gemäß der Erfindung ist umso kleiner,je leistungsfähiger und je schneller der Antrieb sein soll und je breiter die Rollfläche des Gleises ist; dennoch ist ihre Antriebskraft, bezogen auf den Meter der Hollfläche , kleiner als diejenige Antriebskraft, die man mit einem bekannten, sich um eine Achse drehenden Motor erzielen kann. Die Notwendigkeit, die Reihen der Erregerspulen (und der Induktoren) des erfindungsgemäßen Antriebs verlängern zu müssen, führt dann zu Fahrzeugen mit unerwünscht großen Längen. Man kann daher entweder eine Aufteilung der Antriebskraft auf die gesamte Länge von Zügen aus selbstfahrenden Fahrzeugen ins Auge fassen, was eine sehr interessante Lösung ergibt, weil die Komplikationen mit Fahrgestellen, wie M^tordrehgestellen, vermieden werden, oder eine mehr konzentrierte Zugkrafterzeugung in einer Lokomotive , gegebenenfalls in Kombination mit einem bekannten Motorantrieb. Im letzteren Fall ist die Erfindung umso interessanter und nützlicher, weil sie durch ihre vertikale Anziehungskraft zwischen Induktorteil und Schiene eine zusätzliche Haftung liefert,

Wie bereits oben erwähnt wurde_f sind die elektrischen

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Sehaltungen zwisöhen der Energiequelle und den Induktor-* spulen des erfindungsgemäßen Antriebs besonders einfachj sie umfassen lediglich die Speiseleitungen und einen Richtungsumsehalter; es sind keine weiteren Geräte, Schütze oder Schalter erforderlich» Dies gestattet eine Speisung sämtlicher Induktorspulen eines gegebenenfalls aus mehreren angetriebenen Wagen bestehenden Zuges über eine einfache dreidrähtige Speiseleitung·

"Wenn man in gewissen Fällen die Bremskraft für ungenügend halten sollte, wäre es ferner möglich, die Induktorspulen durch einen Gleichstrom oder gleichgerichteten Strom zu speisen, der gegebenenfalls dem normalen periodischen Strom überlagert wird, um die Verzögerungskraft zu erhöhen.

Die Erfindung gestattet schließlich, die Leistung für den motorischen Antrieb oder das Bremsen in denjenigen Bereichen verteilt anzuordnen, die in der Nähe sämtlicher Radsätze eines Zuges liegen, wobei an diesen Radsätzen"nur diejenigen sehr einfachen Bremsen "Vorhanden sein müßten, welche das Fahrzeug im Stillstand festhalten. Da außerdem eine Abnutzung kaum auftritt, weder an den Rollflachen der tragenden oder führenden Fahraeugräder, noch, auch an den Radreifen (wegen der Zentrierung, die durch die magnetische Anziehungskraft zwischen den Inäuktorspulen und der Schiene erzielt igt» wobei der Betrag dieser Kraft normalerweise ein Mehrfaches der Antriebskraft eines Längsmotors erreicht),

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ist der Antrieb auch sehr günstig in Bezug auf seine lebensdauer und die Lebensdauer der wesentlichen Fahrzeugteile.

Die vertikale Anziehungskraft spielt auch eine große Rolle im Sinne eines Verhinderns eines seitlichen Kippens des Fahrzeuges in einer Gleiskrümmung. Die Wirkung des Zentrierens der Radsätze auf den Schienen kann schließlich auch bei Fahrzeugen mit Drehgestellen ohne Achse ausgenutzt werden, bei denen die Drehgestelle aus parallelen Rollböcken bestehen und die Räder, welche auf den beiden Schienen des Gleises laufen, niqht fest mit den Achsen verbunden sind; in diesem Falle kann man einen leichten Übergang zwischen Gleisen mit unterschiedlichen Spurweiten erzielen. Für diesen Übergang ist es möglich, ein System mit Pantographenlenkern oder ein analoges System vorzusehen, das das einwandfreie mechanische Verkalten und die Verbindung zwischen den Antriebselementen und den Laufelementen mit den Kästen des Fahrzeuges siohert. Ein derartiges System kann auf Wunsch verriegelbare Einstellungen ermöglichen, wobei ein Entriegeln bei dem Arbeiten des Motors mit maximalen Schlupf und infolgedessen bei größter vertikaler Anziehungskraft eine selbsttätige Zentrierung des Motors iausamaieü mit den Rädern gestattet, selbst wenn die Spurweite sich während des Laufes, d.h. auf einer Übergangsθtrecke, ändert.

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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Einzelheiten dei oben beschriebenen und in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschränkt; diese Beispiele könnten modifiziert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu ■verlassen. Insbesondere läßt sich die Erfindung bei sämtlichen Bauarten von Gleisfahrzeugen anwenden.

Claims

(5) H fog.

Patentansprüche

1· Qleiefahrseng »it elektrische» Antrieb durch sunindest einen linearen Induktlonsaotor, dessen auf de» fahrseug angeordneter Induktor die »it Mehrphasensfcro» su speisenden 0tatorepulen enthält und »it eine» länge des deities« Ttrlaufta-

an de» er durch an eine» Träger des Induktors gelagerte lollen su» Einhalten eines Luftspalt« swisohen de» Induktor und de» Anker abgestützt wird, dadurch gekennseiohnet , dai das ftleisfahrseug (1) für jede der fahrsahieaen (8) des fiteleises sualadest ei»· leihe το» 1» langer1ohtung der faarsoniene hintereinander angeordneten Induktorspulen (6) aufweist und jeder Induktor (7) dureh einen eich auf die lader (2) des fahritugs abettitsendta Iriger (3,4) dioht über de» Kopf der fahreohitBt gehalten 1st, den den langgestrsokts» letall-Anktr bildet·

2· fahr»tug aaeh Aaepruoh 1, dadurch gekennseleanet, dal su» Speise» der Induktor en (e~, 7) el» thtmiechtr Motor (9) und ein το» diese» angetriebener Weeaselstroaerssuger (10) Torgtethen sind·

Unieriagen !Art. Ι 11 Abs. 2 Nr. Ι Sau 3 d·· Ändwunjne·* v.

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ORIGINAL INSPECT tu

3· Fahrzeug naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Induktoren (6, ?) aus eines Phasen- und Frequenzwandler (15) geepeiet werden, der seinerseits Über einen Stromabnehmer (13) au« einer Äußeren Wechselstroequelle (Fahrleitung 12) gespeist wird*

4· Fahrzeug naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS die Induktoren (6, 7) aus einer äußeren Gleichstromquelle über einen Stromabnehmer und einen Zerhacker (15) gespeist werden.

!?♦ Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß xu« Tertauschen der Reihenfolgen der Speisung innerhalb der Heia« τοη Induktorspulen (6) ein Ilaschalter (11) Torgesehen ist·

6· Fahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine «ekttnd&re Speise^uelle Bit Gleichetrob oder gleichgerichtetes] Wechselstrom, die zue Speisen der Eeihe ron¹Induktorspulen alt Breasstros dient·

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