Sensorförsedda lagerenheter i traktionsmotorer

Tillförlitlighet i kombination med långa underhållsintervall är avgörande för
moderna traktionsmotorer. SKF har tagit fram särskilda lagerenhetslösningar för transportoperatörerna.

Driftförhållandena för traktionsmotorlager skiljer sig mycket från dem som vanligen förekommer i elektriska motorer inom andra industrigrenar. Nyckeln till lägre livscykelkostnad ligger i konstruktionen. Den tekniska trenden pekar mot ökad användning av monteringsfärdiga enheter eller delsystem med tillkommande tekniska funktioner. Det blir allt vanligare med engångssmorda och tätade lagerenheter i järnvägsapplikationer. SKFs lagerenhet för traktionsmotorer, TMBU, är en fabrikssmord och tätad enhet som utgör ett monteringsfärdigt delsystem och monteras direkt på traktionsmotorns lagersköld.

TMBU-konceptet
SKF har över 85 års erfarenhet av traktionsmotorer. Företaget har bidragit till ökad tillförlitlighet och lägre livscykelkostnader i alla typer av drivsystem. Med sin expertis kring lager, tjänster, tätningar, smörjsystem och mekatronik har SKF tagit fram unika och mycket tillförlitliga systemlösningar, som fabrikssmorda och tätade lagerenheter med sensorer, för såväl styrande som frigående lagringar.

SKFs traktionsmotorlager är en robust, tillförlitlig och kompakt konstruktion med låg vikt. Lagerenheten måste kunna hantera svåra miljöer med hög föroreningsnivå, fukt och variationer i varvtal, temperatur, belastning, vibration och stötpåkänningar.

TMBU-konceptet erbjuder nya möjligheter att spara utrymme, förenkla monteringen, öka underhållsintervallen och vässa prestanda. Potentiella lagerskador som beror på elektriska strömmar kan undvikas antingen genom isolering med en keramisk beläggning eller genom att använda hybridlager med keramiska rullkroppar.

Applikationer i lågbyggda spårvagnar
I dag är de flesta spårvagnar konstruerade som låggolvsfordon, för att göra det enklare för passagerarna att stiga ombord. De utrymmesbegränsningar som därmed uppstår kräver speciella traktionsmotorkonstruktioner och speciella drivsystem. De senaste konstruktionerna (Se bild 1) bygger på hålaxlar med integrerad kardanaxel som direkt driver hjulet oberoende av övriga hjul. På båda sidor används hybrid-TMBU för att spara utrymme i axiell riktning. En integrerad absolutgivare för positionering med tilläggsfunktionen att detektera varvtalet bidrar till att hålla utrymmesbehovet nere. TMBU i den frigående änden baseras på ett cylindriskt rullager, medan TMBU i den styrande änden är baserad på spårkullager.

TMBU är en fabrikssmord och tätad lagerenhet, konstruerad för flänsmontering på lagerhuset. Ett specialfett används för att öka fettlivslängden, trots höga drifttemperaturer. Lagerenheten är utrustad med friktionsfria och kontaktfria labyrinttätningar.

För att öka tillförlitligheten används antingen lager med INSOCOAT-beläggning eller en hybridlösning med keramiska rullkroppar.

TMBU-konceptet ger möjlighet att spara utrymme, framför allt i axiell riktning. Med hjälp av TMBU kan man få ut mer traktionseffekt från en given motorstorlek.

Lagerenhetskonstruktion
TMBU-konceptet för styrande lagringar baseras på ett spårkullager (Se bild 2). Den fabrikssmorda och tätade lagerenheten har en integrerad fläns på ytterringen som skruvas fast vid traktionsmotorns lagersköld. Elektrisk isolering kan åstadkommas antingen med en hybridlösning med keramiska kulor eller med en elektriskt isolerande beläggning, INSOCOAT, i innerringens hål. Denna utrymmesbesparande lagerenhet har få delar och är mycket enkel att montera.

TMBU-konstruktionen för frigående lagringar baseras på ett cylindriskt rullager (Se bild  3). Denna fabrikssmorda och tätade lagerenhet har en integrerad fläns på ytterringen som skruvas fast vid traktionsmotorns sköld. Elektrisk isolering av lagret åstadkoms antingen med en elektriskt isolerande INSOCOAT-beläggning i innerringens hål eller genom att tillämpa hybridlagerprincipen med keramiska rullar.

Hybridlager erbjuder ytterligare en förbättring av de elektriskt isolerande egenskaperna, framför allt i applikationer med moderna högfrekventa växelriktare. Dessa lager är utrustade med rullkroppar i kiselnitrid av lagerkvalitet. Lösningen ger utmärkta elektriskt isolerande egenskaper även vid mycket höga frekvenser. Jämfört med helstållager utmärks hybridlagerenheter av lägre energibehov till följd av den lägre friktionen och den högre precisionen. Resultatet är lägre drifttemperatur, ökad fettlivslängd och därmed längre underhållsintervall.

Sensoregenskaper
Konceptet med inbyggda integrerade inkrementalsensorer (Se bild 4 och 5) erbjuder många möjligheter till detektering och mätning, till exemepl absolutpositionsdetektering för styrenheterna i traktionsmotorn, detektering av rotationsriktning och varvtal för bromsstyrning och, vid behov, temperaturmätning för att övervaka tillförlitligheten.

Båda sensorerna är integrerade i ytterringens tätningssystem på lagerenheten.

Kundfördelarna med denna konstruktion är följande:

• Stor utrymmesbesparing, framför allt i axiell riktning, jämfört med konventionella sensorenheter
• Färre delar
• Hög upplösning och noggrannhet
• Robust och långlivad konstruktion

För mer avancerade AC-motorer i traktionssystem krävs absolut positionsdetektering för rotorn med mycket hög noggrannhet. SKF har tagit fram en helt ny sensorteknik för att nå en positionsnoggrannhet på ±0,075 procent varvet runt och en upplösning på 5 632 pulser per varv. Detta sensorsystem kan användas för applikationer med genomgående axel likväl som för axeltappapplikationer. Temperaturområdet för drift ligger mellan –30 och 105°C. Hela sensorenheten testas enligt järnvägsstandarden EN 61373 för att utvärdera prestanda vid stöt- och vibrationsbelastning.

Den elektromagnetiska kompatibiliteten är i enlighet med internationell standard. Sensorerna är CE-märkta för att indikera konformitet med de grundläggande hälso- och säkerhetskrav som anges i olika europeiska direktiv.

Låggolvsspårvagnen Škoda 15 T
Märket Škoda har varit välkänt för alla möjliga typer av fordon och maskiner i över 140 år. Divisionen Škoda Trakcní Motory (Škoda traktionsmotorer) är i dag den huvudsakliga verksamheten i det nyetablerade företaget Škoda Electric as i tjeckiska Plzeň. Företaget är en ledande leverantör av elektriska traktionsmotorer. Škoda levererar drivsystem till järnvägsindustrin över hela världen, framför allt Österrike, Tyskland, Kina, Sydkorea och USA. Dessutom levererar företaget mycket till hemmamarknaden. Företaget har en stark produktportfölj inom området traktionsmotorer för kollektivtrafik. Škoda Trakcní Motory undersökte i detalj hur man skulle kunna förenkla lagringen och öka underhållsintervallen. 1996 genomfördes de första testen med TMBU och konceptet appliceras nu på de flesta traktionsmotorkonstruktioner. Škoda Transportation sro är dessutom en traditionell tillverkare av spårbundna fordon och har forskat på spårvagnar de senaste tio åren. Företaget är i dag en av världens främsta leverantörer av spårvagnar, framför allt i Centraleuropa.

Den senaste fordonskonstruktionen från Škoda är en helt igenom lågbyggd spårvagn (Se bild 6), känd under namnet ForCity. Spårvägsbolaget i Prag har redan beställt 250 tredelade spårvagnar. Den första prototypen byggdes 2008 och presenterades på fackmässan InnoTrans i Berlin. Den första serien spårvagnar ska levereras 2009. Spårvagnen har en unik konstruktion genom att använda svivelupphängda boggier i en lågbyggd struktur. För att hålla ljudnivån under kontroll har ForCity-spårvagnen inga växlar. De lågvarviga traktionsmotorerna kyls av vatten och driver hjulen direkt via en kardanaxel. Man kan alltså tala om drivsystem med direkttraktion. De tredelade spårvagnarna är 31,4 meter långa och 2,46 meter breda. Fordonet har full adhesion och är konstruerat för de krävande spårvägslinjerna i Prag. Det har fyra traktionsboggier som är extremt lågt byggda. Varje hjul drivs av en synkronmotor av permanentmagnettyp, var och en matad från en egen växelriktare, SKiiP, bestående av intelligenta IGBT (insulated gate bipolar transistor). Det finns 16 traktionsmotorer av typ HLU 3436 P/44-VA i spårvagnen. Ett individuellt styrsystem för varje hjul och boggi ger fordonet utmärkta kurvegenskaper som minimerar hjulförslitningen och håller bullernivån nere. Helt ny traktionsteknik är avgörande för de unika körkvaliteterna i detta fordon.

Beskrivning av traktionsmotorn
HLU 3436 P/44-VA består i huvudsak av en stomme, en stator med lindning, en rotor, lagersköldar och lagerenheter. Motorstommen är svetsad och har kanaler för kylvätska. Ett paket av magnetplåtar monteras i stommen. Här sitter även statorspolarna. Spolarna är anslutna till matningsingången. Rotorn består av magnetiska plåtar, axiellt omgivna av hållarplåtar. Maskinens poler – permanentmagneter – monteras vid statorplåtarna. Magneterna fixeras av ett vertikalstag. En lagersköld som stöder lagerenheten monteras på båda sidorna av stommen. Stommen är utrustad med fästen för att fixera motorn vid boggien. Lagerenheterna har keramiska rullkroppar. Kullagerenheten är utrustad med två sensorer: en för att övervaka motortemperaturen och den andra för bromssystemet.

Forskning och utveckling inom lågvarviga synkronmotorer med permanentmagneter har möjliggjorts av intensivt samarbete mellan specialister från ŠKODA ELECTRIC, VUES Brno och SKF.

Sammanfattningsvis kan sägas att traktionsmotorlagerenheten, eller TMBU, har ett konstruktionskoncept som erbjuder nya möjligheter att sänka livscykelkostnaden genom längre underhållsintervall. Konstruktionen sparar både utrymme och komponenter och är samtidigt enkel att montera. Erfarenheten har hittills bekräftat förväntningarna på betydligt lägre underhållsbehov.

INSOCOAT och NOWEAR är varumärken registrerade av SKF-koncernen.

Grundläggande teknisk motorspecifikation

Traktionsmotorn HLU 3436 P/44-VA uppfyller nedanstående specifikationer när den matas av en växelriktare på 3 x 420 V och en moduleringsfrekvens på 5 kHz:

Nominella värden för synkronmotor med permanentmagneter

Nominellt vridmoment 1 460 Nm
Nominell ström 85,4 A
Nominellt varvtal 196 r/min
Maximal hastighet 706 r/min
Maximalt vridmoment 2 270 Nm
Belastningsfaktor S5
Motordimensioner efter inbyggnad 370 x 434 x 470 mm
Vridmomentöverföring Kardanaxel
Vikt 252 kg

SKFs traktionsmotorlager
Styrande lager:

Hybrid-TMBU (traktionsmotorlagerenhet) med inbyggda sensorer för position och varvtal (spårkullager)

Frigående lager:
Hybrid-TMBU (cylindriskt rullager)

SKFs boggiupphängning
Boggier utrustade med svängkranslager