DE10156269A1

DE10156269A1 - Traction drive for electrical railway locomotives, has at least one synchronous reluctance motor; electrical railway locomotive is implemented as cargo locomotive

Info

Publication number: DE10156269A1
Application number: DE10156269A
Authority: DE
Inventors: Johannes Jacobus Germishuizen; Andreas Dr Joeckel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-06-05

Abstract

The traction drive has at least one synchronous reluctance motor (2). The electrical railway locomotive is implemented as a cargo locomotive. The synchronous reluctance motor is extremely robust with no moving element rods, no short circuit rings and no cap rings.

Description

Die Erfindung betrifft einen Traktionsantrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge. The invention relates to a traction drive for electrical rail-bound locomotives.

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. As drives of electric traction vehicles are normally asynchronous machines in use. With these machines the rotor has a laminated core with a short-circuit winding made of copper rods and on the end faces of the laminated core soldered short-circuit rings. The drives in particular from Cargo locomotives are mostly Tatzlagerantriebe, in which the Traction motor high mechanical loads due to vibrations and is exposed to shocks. This can be especially true at the transition "Copper rods - short-circuit rings" lead to rod breaks.

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. Mechanical solutions to avoid breaking the bars especially due to the shocks and vibrations is very complex, expensive and maintenance-intensive. Other disadvantages of Asynchronous technology is the high cost of rotor manufacturing and the high losses in the copper winding of the rotor.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde einen robusten Antrieb für elektrische schienengebundene Triebfahrzeuge zu schaffen. The invention is therefore based on the object robust drive for electric rail-bound traction vehicles to accomplish.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass der Antrieb zumindest einen Reluktanzsynchronmotor aufweist. The task is solved in that the Drive has at least one reluctance synchronous motor.

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 reluctance synchronous motors there are essentially two Runner versions can be used: One runner version is a Runners with pronounced poles where the air gap is comparatively medium-sized. So they need one relatively high current, magnetizing current around one for the A sufficiently large flow of torque across the air gap to drive. As a result, the power factor is cos, that Ratio of absorbed active power to apparent power, small. This applies because the high current generates high losses accordingly also for the efficiency. Exploiting this Motors is therefore smaller than that of the same design 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. In a preferred second rotor embodiment, the Reluctance synchronous motor an essentially cylindrical Runner with river barriers on. The torque utilization of this Motors is about the same due to the constant air gap as large as that of identical three-phase asynchronous motors.

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. The reluctance synchronous motor has an extremely robust Construction on. There are no runner bars, no short circuit and no cap rings necessary, so that clearly lower manufacturing costs compared to conventional ones Asynchronous motors result. In addition, the inertia is reduced of the runner.

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. Comparatively small losses occur in the runner. The associated lower rotor warming leads to one improved efficiency of the traction drive and the The rotor shaft therefore always remains below the temperature level of the Stand of the reluctance synchronous motor. This defuses also the problem of a too narrow internal clearance.

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. There is also a greater inductance, so that the the inverter of the reluctance synchronous motor Converter instead of the leakage inductance Main inductor "sees". This results in comparatively lower ones Current harmonics and harmonic losses.

Es ergeben sich außerdem vergleichsweise niedrigere Pendelmomente und damit eine Reduktion der umrichterbedingten Geräusche. There are also comparatively lower ones Pendulum torques and thus a reduction in the converter-related Sounds.

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. In particular, such a reluctance synchronous motor is for the traction of cargo locomotives is interesting because the Disadvantages of a reluctance synchronous motor like worse ones Field weakenability and impossible parallel connection for a group drive with such high-performance cargo Locomotives are of no interest.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden schematischen Darstellungen näher erläutert, darin zeigen: The invention and other advantageous embodiments of the Invention are in the following schematic diagrams explained in more detail, showing:

Fig. 1 einen Reluktanzsynchronmotor im Längsschnitt, Fig. 1 shows a reluctance synchronous motor, in longitudinal section,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines sechspoligen Reluktanzsynchronmotors im Querschnitt, Fig. 2 shows a section of a six-pole Reluktanzsynchronmotors in cross-section,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines vierpoligen Reluktanzsynchronmotorläufers im Querschnitt. Fig. 3 shows a section of a four-pole reluctance synchronous motor rotor in cross section.

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. 1 Fig. 1 shows a traction motor of a cargo locomotive. With a reluctance synchronous motor 2 with a conventional stator 3 and a reluctance rotor 4 . The reluctance rotor 4 of this reluctance synchronous motor 2 is constructed by dynamo sheets 5 which are layered axially. Axial pressure rings 8 of the laminated core 6 ensure the stability of the laminated rotor core of the reluctance rotor 4 . The other elements for mounting 7 the drive motor 1 and the drive shaft 9 have been added for the sake of completeness. It is crucial that the rotor is designed as a reluctance rotor 4 .

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. The reluctance synchronous motor 2 contains a stator 3 with a multi-phase winding 10 and the reluctance rotor 4 . The reluctance rotor 4 has axes of different magnetic resistance, which are referred to as the longitudinal or transverse axis of the reluctance rotor 4 . By feeding the winding 10 of the stator 3 to generate a magnetic rotating field, the reluctance rotor 4 has a tendency to align itself in such a way that its longitudinal magnetic axis coincides with the longitudinal axis of the rotating magnetic field. This tendency causes a torque and therefore a performance development.

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. The magnetic resistance of the longitudinal axis should be as small as possible and the magnetic resistance of the transverse axis as large as possible. This leads to a traction motor 1 of comparatively greater power with the smallest magnetizing current, so that again the highest efficiency and power factor are available.

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. Fig. 2 shows a Reluktanzsynchronläufer 4 with check valves in the rotor and the stator 3 corresponding thereto, thus This embodiment shows a six-pole reluctance synchronous motor 2. Grooves 14 for receiving the winding 10 are provided in the laminated core of the stator 3 . Axial cooling channels 12 are located in the laminated core itself. The air gap 11 between stator 3 and reluctance rotor 4 is relatively narrow. Fig. 3 shows a four-pole reluctance rotor. 4

Die Flusssperren 13, die als Ausstanzungen im Dynamoblech 5 des Reluktanzsynchronläufers 4 vorgenommen werden, erzeugen in Längs- und Querachse unterschiedlichen magnetischen Widerstand. The flow barriers 13 , which are punched out in the dynamo plate 5 of the reluctance synchronous rotor 4 , generate different magnetic resistance in the longitudinal and transverse axes.

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. These reluctance rotor 4 have in common that the magnetic conductance fluctuates along the circumference in accordance with the number of poles. The reluctance rotor 4 rotates synchronously with the rotating field because it always adjusts itself so that the magnetic energy in the air gap is a minimum. As with a salient pole synchronous motor, a torque is generated due to different reluctance in the longitudinal and transverse directions of the rotor.

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. With a drive motor, which has a reluctance rotor 4 shown in FIG. 2 or FIG. 3, the following advantages are achieved over a conventional induction motor with squirrel-cage rotor. The reluctance rotor 4 essentially consists of dynamo sheets 5 , so that the manufacture is very inexpensive and the rotor of a reluctance synchronous motor has an extremely robust design. Due to the constructive and physical mode of operation of the reluctance synchronous motor, there are no rotor rods, no short-circuit rings and no cap rings, so that in addition to the low manufacturing costs, breakdowns, for example due to rod breaks, are avoided.

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. Since comparatively low losses occur in the reluctance synchronous rotor 4 and thus a slight rotor heating occurs, the efficiency of the entire arrangement is improved. In addition, the rotor shaft 9 is always colder than the stator 3, which alleviates the problem of too narrow internal clearance.

Claims

1. Traction drive for electric rail-bound locomotives, characterized in that the drive has at least one reluctance synchronous motor ( 2 ).

2. Traction drive according to claim 1, characterized characterized that the electrical rail-bound locomotive is designed as a cargo locomotive.