Optimierte Elektromotoren für Busse und Bahnen Dr.-Ing. Hagen Nieke, VEM Sachsenwerk GmbH
Gliederung 1. Vorstellung VEM Sachsenwerk 2. Beanspruchungen 3. Technische Konzeption - Kühlungskonzept - Mechanische Ausführung - Elektromagnetische Auslegung 4. Technische Daten 5. Betriebsverhalten 6. Ausblick 2
Vorstellung VEM Sachsenwerk Wir sind > VEM: Vereinigter Elektro-Maschinenbau > ein mittelständisches konzernunabhängiges deutsches Unternehmen (Inhaber: Familie Merckle) > als Gruppe unter der Marke VEM seit der Privatisierung 1997 erfolgreich am Markt Produktspektrum > Komponenten der Antriebstechnik und Energieerzeugung > Spezialmotoren und Sondermaschinen nach Kundenanforderung von 0,06 kw bis 42 MW > geregelte elektrische Antriebssysteme 3
Umsatz in TEUR Mitarbeiter Optimierte Elektromotoren für Busse und Bahnen Umsatz und Mitarbeiter 140.000 700 120.000 600 100.000 500 80.000 400 60.000 300 40.000 200 20.000 100 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 0 Industrie Verkehrstechnik Schiffbau Windkraft Contracting Kundendienst Mitarbeiter 4
Branchenübersicht und Dienstleistungen Lieferungen für die Branchen Dienstleistungen Industrie Schiffbau Energie Verkehrstechnik Kundendienst Contracting Mechanische Analysen bis 42 MW bis 25 MW bis 20 MVA bis 7 MVA 50 bis 1600 kw bis 3000 kva 5
Produkte für die Verkehrstechnik Traktionsmotoren sowie Haupt- und Hilfsbetriebegeneratoren für Vollbahn- und Industrielokomotiven Triebzüge S-Bahnen, U-Bahnen Straßenbahnen Monorails Trolleybusse, Hybridbusse Miningtrucks 6
Fahrmotoren für S- und Straßenbahnen Bombardier Transportation, Flexity Swift Docklands LRT, London Drehstrom-Asynchron-Fahrmotor DKOBZ 0610-4B 130 kw, 1781 min -1 PESA Bydgoszcz, Polen Tram Swing, Szeged, Ungarn Drehstrom-Asynchron-Fahrmotor DKCBZ 0211-4FA 105 kw, 1777 min -1 7
Fahrmotoren für Triebzüge und Lokomotiven ELIN EBG Traction, Österreich Triebzug E-Talent, Rh 4024 Drehstrom-Asynchron-Fahrmotor DKLBZ 0911-4A 340 kw, 1963 min -1 Vossloh Locomotives, Kiel Diesel-elektrische Lokomotive DE 18 Drehstrom-Asynchron-Fahrmotor DKLBZ 3510-4, 400 kw Synchron-Traktionsgenerator DREBZ 4015-6, 1900 kva 8
Fahrmotoren für Busse und Generatoren für Trucks Vossloh Kiepe, Düsseldorf Hess Hybridbus, Dresden/Leipzig Drehstrom-Asynchron-Fahrmotor DKLBZ 0309-4 160 kw, 1466 min -1 Siemens Energy & Automation, USA Komatsu 960E, 3650HP Synchron-Generator DRLDZ 5013-8L 2 506 kva, 1800 min -1 9
Beanspruchungen Besondere Beanspruchungen von Traktionsmotoren (resultieren aus den techn. Forderungen und treten in Kombination auf) T hermal E lectrical A mbient Temperaturunterschiede -40 C... +220 C kurzzeitig hohe Überlastbarkeit Betrieb am 2-Level-PWR, Spannungssteilheiten, Überspannungen, Impulsspannung, Teilentladungen Klima- & Umgebungseinflüsse M echanical Vibrationen, Schwingungen vom Fahrzeug und vom Antriebsstrang 10
Beanspruchungen Thermische Beanspruchung von Traktionsmotoren Messwerte Erwärmungslauf mit Stromrichterspeisung; 105kW/60Hz Ständerwicklung betriebsmäßig mit -40 C... +220 C kurzzeitig bis 250 C Kurzschlußkäfig betriebsmäßig mit -40 C... +330 C max. Lagerbeanspruchung betriebsmäßig mit 90 C... 100 C; kurzzeitig bis 135 C konstruktive Bauteile (Gehäuse, Lagerschilde) betriebsmäßig mit -40 C... +160 C 11
Beanspruchungen Klimatische Beanspruchung von Traktionsmotoren Feuchtigkeit: - rel. Luftfeuchte 100% - Wasserdurchfahrten, Regen, Schnee - Vereisungs-,Abtau- & Betauungsprozesse - Reinigung (Heißwasser oder Dampfstrahl) Chemikalien: - Salznebel, Luftverschmutzung - chem. Reinigungszusätze (sauer,basisch) - Lösungsmittel, Ammoniak, Öle und Fette Verunreinigungen: - Sand & Staub (Abrasion), Laub, Papier, Pollen - metallischer und kohlenstoffhaltiger Abrieb (Bremsstaub) 12
Beanspruchungen Mechanische Beanspruchung von Traktionsmotoren Fliehkräfte: - bis 6000 min -1 (v u 90 m/s) - Wuchtgüte Q1 (spez. Restunwucht 2,5g*mm/kg) Elektro-magnetische Beanspruchung: - Kurzschlußströme und -momente Schwingungs- und Stoßbeanspruchung: - Dauerfest: Transversal 2,5g; Lateral 5 g; Vertikal 10g - Streckgrenze: Transversal 5 g; Lateral 10g; Vertikal 20g 13
Technische Konzeption Kühlungskonzept Kühlprinzip wichtiger Systementscheid! durchzugsbelüftet IP23 oberflächengekühlt IP55 Luft Wassermantel (fremd) eigenbelüftet fremdbelüftet eigenbelüftet fremdbelüftet Kühlprinzip Einhaltung der Anforderungen an das gesamte Antriebssystem! 14
Technische Konzeption Kühlungskonzept Vorteil (IP22) : Nachteil (IP22) : große wärmeabgebende Oberfläche hohe Ausnutzung kleine Masse durchzugsbelüftet oberflächengekühlt rel. großer Umwelteinfluss auf Isolation relativ wartungsintensiv niedrigerer Wirkungsgrad 15
Technische Konzeption Mechanische Ausführung- Leistungsstufung in der Baugröße DKLBZ 03xx 160 kw / 50 Hz 240 kw / 50 Hz 16
Technische Konzeption Elektromagnetische Auslegung Analytischer Entwurf: Bohrungsdurchmesser Luftspaltbreite Nutzahlen Windungszahl Entwurfsoptimierung mit FEM: Nutabmessung Größe & Lage der Kühllöcher Feldkurvenform Eisen- und Zusatzverluste Ankerstrombelag A Luftspaltinduktion B 17
Technische Konzeption Elektrische Auslegung Fahrspielsimulation F_Zug am Rad [kn] v [km/h] Teil-Verluste [W]- 2 Motor Temperatur [ C] 26.00 100.00 50.00 250.00 13.00 75.00 37.50 187.50 0.00 50.00 25.00 125.00-13.00 25.00 12.50 62.50 0.00-26.00 0.00 0.00 0.00 s 160.00 s 320.00 s HP 50 HP 70 HP Ende
Technische Daten Baureihe DKLBZ 03XX Typ DKLBZ 0309-4 P mech S1 [kw] 160 P mech S2/1h [kw] 180 U n [V] 420 n n n max [min -1 ] 1466 4800 M n [Nm] 1043 m [kg] 345 Typ DKLBZ 0315-4 P mech S1 [kw] 240 P mech S2/1h [kw] 250 U n [V] 420 n n n max [min -1 ] 1471 4400 M n [Nm] 1558 m [kg] 511
Schallleistungspegel Lw [db(a)] Optimierte Elektromotoren für Busse und Bahnen Betriebsverhalten Geräuschverhalten - Messwerte 120 115 110 105 100 95 Grenzwert Lw (A) [db] EN60349-2 Eigenkühlung DKCBZ Lw [db(a)] Fremdkühlung DKLBZ Lw [db(a)] Eigenkühlung DKOBZ Lw [db(a)] 90 85 80 75 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Drehzahl n [min-1]
Betriebsverhalten Prüfung Systemtauglichkeit Typprüfung: erweiterte Leerlaufmessung Erwärmungsläufe S1 und S2/1h erweiterte Kurzschlussmessung (sinusförmige Speisung) Lastpunkte entsprechend gefordertem Geräusch-, Schwingungs- und Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm Luftmengen-Messungen (Fahren/Bremsen/Gefahrenbremsen) Hochspannungsprüfung < (2 U d +1kV) Messung der Druck-Volumenstrom-Kennlinie
Thermal Conductivity (W/mK) Optimierte Elektromotoren für Busse und Bahnen Ausblick Möglichkeiten Wärmeleitfähigkeiten zur weiteren unterschiedlicher Steigerung des Drehmoment-Masse- Blechqualitäten 55 Verhältnisses innerhalb der Baureihe: 50 Verbesserung der Wärmeabgabe durch Reduzierung des Strömungswiderstandes der Kühlkanäle 45 40 Erhöhung des Volumenstromes und damit der Wärmeabgabeziffer M330P35A M350P50A besonderer Elektroblechsorten M330P50A M400P50A 35 M470P50A M530P50A Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Ständerblechpaketes durch Einsatz M530P65A M470P65A M700-50A 30 M470-50A M600-50A M530-65A M400-50A M530-50A 25 M330-35A M350-50A M330-50A M400-65A 20 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 Losses 1,5T/50Hz (W/kg)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.