Linear läuft es schneller

Transkript

1 Linear läuft es schneller Der Luftspalt bei Linearmotor-getriebenen Schienenfahrzeugen Dipl.-Ing. Alexander Schmidt; Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer Universität Paderborn www-kat.upb.de Elektromagnetische Linearantriebe sind in den letzten Jahren vermehrt ins Blickfeld des öffentlichen Interesses geraten. Neben den Anwendungen im Bereich der Werkzeugmaschinen und in der Fördertechnik sind es vor allem Züge wie der Transrapid oder der japanischen Maglev, die einen Linearmotor als Antrieb für Schienenfahrzeuge verwenden und damit die Vorteile, aber auch das Weiterentwicklungspotential dieser Technologie aufzeigen. In dem Beitrag werden zunächst die Wirkungsweise und verschiedene Ausführungsformen von Linearmotoren erläutert. Anschließend werden einige bekannte Bahnantriebe vorgestellt, die Linearantriebe nutzen. Es wird deutlich, dass sich der Wirkungsgrad durch eine Minimierung des Luftspalts verbessern lässt, wobei dies mit einer überproportional steigenden Normalkraft zwischen Primär- und Sekundärteil verbunden ist. 1 Funktionsweise des Linearantriebs Grundsätzlich entspricht die Funktionsweise der Linearantriebe der von rotatorischen Drehstrommotoren, wobei das Drehmoment bildende Drehfeld des Rotationsmotors gedanklich in ein Vorschubkraft bildendes Wanderfeld abgewickelt werden kann (Bild 1). Bild 1: Rotierender Drehstrommotor und Linearmotor Linearmotoren lassen sich wie rotatorisch arbeitende Motoren als Synchron- oder als Asynchronmaschine aufbauen und betreiben. Die Schubkraft lässt sich dabei durch den Statorstrom beeinflussen. Durch die unterschiedliche konstruktive Umsetzung der Funktionsweise entstehen verschiedene Ausführungsformen für Bahnantriebe, die im Folgenden näher beschrieben werden (Bild 2): 1

2 Bild 2: Ausführungsformen von Linearantrieben Beim als Kurzstatormotor ausgeführten Linearantrieb wird das Sekundärteil in Form einer Reaktionsschiene in das Schienenbett eingearbeitet. Das Primärteil ist am Fahrzeug befestigt; von dort aus wird auch die Energie zugeführt. Bahnsysteme, die diese Antriebsform nutzen, müssen daher mit entsprechenden Energieversorgungseinrichtungen wie z.b. Oberleitungen, Generatoren oder Batterien ausgestattet werden. Eine erweiterte Form des Kurzstatorantriebes ist der Doppelkamm-Kurzstator. Hierbei werden zwei Linearmotoren kombiniert, indem diese parallel zueinander und meist vertikal angeordnet werden. Das Sekundärteil wird als Reaktionsschiene mittig zwischen den Primärteilen angeordnet, die in der Regel am Fahrzeug befestigt sind. Das Sekundärteil wird im Fahrweg verlegt. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich die zwischen Primär- und Sekundärteilen auftretenden Normalkräfte weitestgehend kompensieren. Bei Schienenfahrzeugen, die mit dem so genannten Langstator angetrieben werden, ist das Primärteil mit seinen Wanderfeld bildenden Wicklungen im Schienenbett verlegt; hier ist das Sekundärteil am Fahrzeug befestigt. Die zusätzlich zum Antrieb benötigte Bordenergie kann über den Linearmotor oder durch separate Versorgungseinrichtungen zugeführt und bereitgestellt werden. Beim doppelt gespeisten Langstatormotor werden anders als bei den vorgenannten Ausführungsformen - sowohl das Primärteil (Stator) als auch das Sekundärteil (Läufer) aktiv bestromt. Vorraussetzung hierfür ist, dass das Fahrzeug wie beim Kurzstatorantrieb über eine geeignete Energiezuführung verfügt. Der doppelt gespeiste Linearantrieb ermöglicht allerdings die Übertragung von Energie vom Primärteil auf das im Fahrzeug befindliche Sekundärteil, so dass die dort mitgeführten Batterien geladen und das Bordnetz versorgt werden kann. Im Gegensatz zum Langstatorantrieb müssen hierzu keine separaten Linearmotorgeneratoren benutzt werden. Durch die doppelte Einspeisung können auf einem Stator-Streckenabschnitt verschiedene Fahrzeuge mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden. Die Geschwindigkeit eines einzelnen Fahrzeugs ergibt sich dabei aus der Summe der Relativgeschwindigkeiten, mit denen sich zum Einen das Primärteilfeld relativ zum feststehenden Primärteil und zum anderen das Sekundärteilfeld relativ zum fahrenden Sekundärteil bewegen, wobei 2

3 die genannten Felder aneinander gekoppelt sind. Die Geschwindigkeit der Felder wird durch die jeweilige Frequenz f der Versorgungsspannung und die Polteilung festgelegt (Bild 3). Bild 3: Geschwindigkeitsverhältnisse beim doppelt gespeisten Linearantrieb 2 Schienenfahrzeuge mit Linearantrieb Die Forschungs- und Entwicklungsarbeit der vergangenen Jahrzehnte erfolgte vor allem in Japan, in Deutschland und in den USA. Im Folgenden werden einige Bahnsysteme vorgestellt, die den Linearmotor in unterschiedlichen Ausführungen nutzen. 2.1 Kabinentaxi Das Kabinentaxi (CAT) diente zur Erprobung der damals noch neuen Monorail-Technologie und wurde von den Firmen DEMAG und Messerschmidt-Bölkow-Blohm betrieben. Aus der 1973 erbauten 150 m langen Strecke wurde innerhalb von sechs Jahren eine 1,9 km lange Versuchsstrecke mit sechs Haltestationen. Ausgelegt waren die Shuttles für den Transport von vier, sechs, acht oder zwölf Personen; eine Version für den Güterverkehr war geplant, wurde aber nicht umgesetzt. Als Antrieb wurden bei dem Kabinentaxi zwei asynchron betriebene Kurzstatormotoren in einer waagerechten Doppelkammanordnung genutzt. Dieses System wurde bis zur Praxisreife entwickelt, die kommerzielle Umsetzung blieb jedoch aus. 2.2 HSST Das Projekt HSST wurde 1989 in Japan gestartet. Der Zug soll ab 2005 auf einer ca. neun Kilometer langen, kommerziell genutzten Strecke in Nagoya betrieben werden. Die Shuttles besitzen pro Passagiereinheit sechs Linearmotoren, die als Kurzstatormotor mit einer Reaktionsschiene aus Aluminium ausgeprägt sind. Als Trag- und Führungssystem dienen vier Elektromagneten, die über eine Stromschiene mit Gleichstrom versorgt werden. Mitgeführte Batterien sorgen für die Aufrechterhaltung des Tragsystems bei einem Stromausfall. Der Grund für den Einsatz des Schwebesystems ist in erster Linie der hierdurch erreichbare Fahrkomfort. 2.3 Transrapid Der in Deutschland entwickelte Transrapid wird auf der Versuchsanlage Emsland betrieben. Im Jahr 1979 fand die Inbetriebnahme der weltweit ersten für den Personenverkehr zugelassenen Magnet- 3

4 bahn mit synchronem Langstatormotor statt. Die derzeitige Ausbaustufe TR08 ist für eine Höchstgeschwindigkeit von 500 Stundenkilometern ausgelegt. Diese Geschwindigkeit wurde erstmalig im November 2003 in China auf der Strecke vom Flughafen Shanghai zur Innenstadt erreicht. Der Langstatormotor ermöglicht über integrierte Lineargeneratoren eine über den Antriebsbedarf hinausgehende Energieübertragung in das Fahrzeug; auf Oberleitungen oder Schleifkontakte kann somit verzichtet werden. Die Stromversorgung erfolgt streckenabschnittsweise, so dass je nach Schubkraftbedarf der jeweilige Statorabschnitt bedarfsgerecht bestromt wird. Der Transrapid nutzt wie der HSST elektromagnetisch Kräfte auch zum Tragen und Führen, wobei das Fahrzeug bis zu einer Geschwindigkeit von 80km/h von Rollen getragen wird. 2.4 NBP-Shuttle Die Neue Bahntechnik Paderborn wurde im Jahr 1998 von sechs Professoren der Universität Paderborn gegründet. Ziel ist es, das existierende Streckennetz der deutschen Bahn zu nutzen und mit der Flexibilität zu kombinieren, die sich durch modernste Informations-, Fahrwerks- und Antriebstechnik realisieren lässt (Bild 4). Seit 2002 dient das System auch als Demonstrator für den Sonderforschungsbereich 614, in dem Selbstoptimierungsstrategien erarbeitet, untersucht und zur Anwendung gebracht werden sollen. Der Antrieb der Shuttles erfolgt durch einen doppelt gespeisten Langstatormotor (Bild 5). Bild 4: Shuttle der neuen Bahntechnik Pa- Bild 5: Aufbau des Antrieb derborn auf der Teststrecke Dieser erlaubt im Gegensatz zum Kurzstatormotor das Einspeisen von Energie, die dann zum Einen zum Erzeugen der Vorschubkraft und zum Anderen als Bordenergie verwendet werden kann. Separate Oberleitungen oder Stromschienen mit Schleifkontakten sind also nicht erforderlich. Durch die Wahl dieser Antriebsvariante ist es wie beim Kurzstatorantrieb möglich, auf einem bestromten Statorabschnitt verschiedene Shuttles unterschiedlich schnell fahren zu lassen, da die Geschwindigkeit des einzelnen Shuttles individuell angepasst werden kann und nicht wie beispielsweise beim Transrapid nur von der Frequenz des im Schienenbett verlegten Primärteils abhängt. 3 Wirkungsgrad bei Linearmotoren Der Wirkungsgrad eines technischen Systems ist durch das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand gekennzeichnet. Beim Linearmotor lässt sich der Wirkungsgrad wie folgt angegeben: 4

5 Tabelle 1: Erläuterung der verwendeten Formelzeichen (1) (1) Für die Schubkraft eines Linearmotors gilt nach Grothstollen [3]: (2) Der Einfluss des Luftspaltes wird deutlich, wenn man die Koppelinduktivität näher betrachtet: (3) Die Koppelinduktivität von Stator und Läufer sinkt also mit steigendem Luftspalt. Die heute bekannten Bahnsysteme arbeiten mit mechanischen Luftspaltweiten zwischen 10 mm und 130 mm, wobei der magnetische Luftspalt als Abstand zwischen den stromführenden Leitern und den Spulen der Reaktionsschiene größer ist als der mechanische. Durch Einsetzen von Gleichung (3) in Gleichung (2) erhält man unter der Annahme, dass die Phasenverschiebung zwischen Läuferstrom I L und Statorstrom I S +/- 90 beträgt, folgenden Zusammenhang: (4) 5

6 Die zwischen Primär- und Sekundärteil wirkende Normalkraft kann unter den genannten Voraussetzungen wie folgt ausgedrückt werden: (5) Es wird deutlich, dass die Normalkraft bei kleiner werdendem Luftspalt stärker ansteigt als die Schubkraft. Wenn also der Spalt minimiert wird, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen, ist das mit einer starken Erhöhung der Normalkraft verbunden. Dies ist bei der Gestaltung der tragenden Konstruktion zu berücksichtigen. Am Antrieb des NBP-Shuttles durchgeführte experimentelle Untersuchungen bestätigen die genannten Beziehungen. Bild 6 zeigt das Verhalten der Normal- und der Schubkraft in Abhängigkeit vom Luftspalt. Bild 6: Messergebnisse zur Abhängigkeit der Normal- und der Schubkraft vom mechanischen Luftspalt 4 Verkleinern des Luftspalts Der Luftspalt ist in der Praxis keine konstante Größe. Herstellungs- und montagebedingte Toleranzen sowie Verformungen, die aufgrund von Belastung oder Temperaturschwankungen auftreten, führen zu Luftspaltschwankungen, die bei der Teststrecke der Neuen Bahntechnik in der Größenordnung von ±10 % liegen. Um den Spalt zum Zweck der Wirkungsgradverbesserung möglichst klein halten zu können, wurde zunächst an einer passiven Spalteinstellung gearbeitet, um so eine gute Ausgangsbasis für eine anschließend vorzunehmende aktive Spalteinstellung zu erreichen (Bild 7). 6

7 Bild 7: Vorgehensweise bei der Luftspaltoptimierung Bei der passiven Spalteinstellung geht es darum, den Luftspalt durch geeignete konstruktive Maßnahmen ohne spezielle aktive Komponenten möglichst klein halten zu können. Ansatzpunkte sind dabei die Anordnung der Bauteile Stator und Läufer, die Art der Statorfixierung auf der Fahrstrecke und die daraus resultierende relative Lage der Statoren, das Längenverhältnis zwischen Läufer und Stator sowie die Abschnittsweise feste Spaltreduzierung. Bild 8: Kräfte am Linearantrieb Bild 8 zeigt verschiedene Bauteil-Anordnungen, die bei definierter Schubkraft jeweils zu unterschiedlich hohen Belastungen der tragenden Strukturen und der Radlager führen. Im günstigsten Fall kön- 7

8 nen sich dabei die zur Erzeugung der Schubkraft erforderlichen Normalkräfte vollständig kompensieren, so dass die tragende Struktur nicht durch hohe Normalkräfte zusätzlich belastet wird. Die relative Lage der Statoren wird durch die Art der Fixierung auf der Strecke beeinflusst. Durch geschickte Anordnung der Auflagestellen kann ein Sprungversatz vermieden werden; es ergeben sich weniger belastende, rampenförmige Luftspaltverläufe als bei separater Fixierung der einzelnen Statoren (Bild 9). Gleichzeitig wird der Rampenwinkel dabei durch die größere Stützweite bei gleichem Höhenversatz S verringert, so dass sich insgesamt ein kleinerer mittlerer Luftspalt einstellt. Bild 9: Unterschiedliche Fixierung der Primärteile Insbesondere dann, wenn die Statoren relativ zueinander einen Höhenversatz aufweisen, ist das Verhältnis von Stator- zu Läuferlänge eine für die Luftspaltminimierung wichtige Größe. Wenn die Länge des Läufers größer als die der Statoren ist, lässt sich der Luftspalt grundsätzlich nicht aktiv minimieren. Mit größer werdendem Verhältnis von Stator- zu Läuferlänge oder durch Reduzierung der Versatzhäufigkeit kann zunehmend Potential für die aktive Spaltverstellung geschaffen werden (Bild 10). Bild 10: Unterschiedliche Verhältnisse von Sekundär- und Primärteillänge 8

9 Unter Abschnittsweiser fester Spaltreduzierung ist zu verstehen, dass im Bereich von Streckenabschnitten, die bezüglich der Spaltweite gut ausgeführt und leicht überprüfbar sind, geringere Spaltweiten vorgesehen werden können als in diesbezüglich empfindlicheren Streckenbereichen. Die Anwendung der Abschnittsweisen festen Spaltreduzierung ist beispielsweise im Bahnhofsbereich sinnvoll, da hier besonders häufig und besonders viel Schubkraft zum Beschleunigen benötigt wird. 5 Ausblick In dem Beitrag wird deutlich, dass sich der Wirkungsgrad durch eine Minimierung des Spalts verbessern lässt, wobei dies mit einer überproportional steigenden Normalkraft zwischen Primär- und Sekundärteil verbunden ist. Es ist also ein Optimum zwischen der erreichbaren Wirkungsgradsteigerung und dem Massenzuwachs zu suchen, den die höhere Beanspruchung der Tragstruktur und die zur aktiven Verstellung des Spalts erforderliche Aktorik mit sich bringen. Anders als bei industriell genutzten Linearmotoren sind bei Bahnsystemen Primär- und Sekundärteil des Linearmotors nicht direkt relativ zueinander gelagert, so dass wegen herstellungsbedingter Toleranzen und wegen der durch Temperaturänderung oder Belastung bedingten Verformungen ein relativ großer Luftspalt vorzusehen ist, der zusätzlich relativ hohen Schwankungen unterliegen kann. Der Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik hat sich im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 614 der DFG zum Ziel gesetzt, Maßnahmen zur Erhöhung der übertragbaren Luftspaltleistung und damit zur Verbesserung des Wirkungsgrads zu erarbeiten. Im ersten Schritt wurden Möglichkeiten zur optimierten, passiven Einstellung des Luftspalts erarbeitet, die keine zusätzliche Aktorik erfordern. Im zweiten Schritt ist mit der Aktiven Spaltverstellung die Erweiterung der mechanischen Tragstruktur auf ein mechatronisches System vorgesehen. Durch das Einbringen geeigneter Aktorik, der zugehörigen Informationsverarbeitung und Sensorik ist es möglich, den Luftspalt und somit auch die übertragbare Luftspaltleistung aktiv zu beeinflussen. Der Läufer soll dazu mittels der eingebrachten Verstellung entsprechend dem zu erwartenden Streckenprofil bewegt werden. Es wird zu untersuchen sein, wie weit es sinnvoll ist, dieses Profil im Shuttle selbst zu ermitteln und es sofort zur Luftspalteinstellung zu nutzen. Alternativ kann die Information über das Streckenprofil von externen Datenbanken abgerufen oder von vorausfahrenden Fahrzeugen übertragen werden, so dass dann ausreichend viel Zeit für die aktive Spalteinstellung zur Verfügung steht. Die letztgenannte Vorgehensweise erhöht das Optimierungspotential durch Systemgrenzenerweiterung: Es wird nicht nur ein Linearmotor mit seiner zugehörigen Sensorik zur Gewinnung von Information über die Strecke betrachtet, sondern auch die Sensorik weiterer Motoren im Fahrzeug oder die anderer Fahrzeuge. Je früher diese Information dem aktiv zu verstellendem System vorliegt, umso mehr Zeit ist für die Spalteinstellung vorhanden. Damit lassen sich durch Systemgrenzenerweiterung die erforderliche Einstellkraft und letztlich das mit der aktiven Luftspaltenstellung verbundene Mehrgewicht des Fahrzeugs reduzieren. 9

10 Quellen [1] Budig, P.-K.: Drehstromlinearmotoren. Hüthig Verlag, 1980 [2] Gutekunst, J.; Hering, E.; Martin, R.: Elektrotechnik für Maschinenbauer. Springer Verlag, 1999 [3] Grothstollen, H.: Regelung elektrischer Antriebe. Skript der Vorlesung, Universität Paderborn, 2002 [4] Henke, M.: Antrieb mit doppeltgespeistem Linearmotor für ein spurgeführtes Bahnfahrzeug. Dissertationsschrift, VDI Verlag, 2002 [5] Hofer, K.: Drehstrom-Linearantriebe. VDE Verlag, 1993 [6] Luda, G.: Drehstrom-Asynchron-Linearantriebe. Vogel Verlag, 1981 Die Erstveröffentlichung des Beitrags erfolgte in dem SPECIAL Elektrische Direktantriebe der Zeitschrift antriebstechnik 2/2005. Autoren Dipl.-Ing. Alexander Schmidt Universität Paderborn Fakultät Maschinenbau Institut für Mechatronik und Konstruktionstechnik Pohlweg 47-49, Paderborn Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer Universität Paderborn Fakultät Maschinenbau Institut für Mechatronik und Konstruktionstechnik Pohlweg 98, Paderborn Tel.: +49 (0) Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: www-kat.upb.de Internet: www-kat.upb.de 10