Betriebssicherheit in Verbindung mit langen Wartungsintervallen ist für moderne Fahrmotorlager eine Voraussetzung. Um den Anforderungen der Eisenbahnindustrie gerecht zu werden, hat SKF spezielle Lagerlösungen entwickelt

Die Betriebsbedingungen für Fahrmotorlager unterscheiden sich wesentlich von denen für Elektromotoren für andere industrielle Anwendungen. Der Schlüssel zu niedrigeren Lebenszykluskosten liegt in der Konstruktion. Der Trend geht zu vormontierten Einheiten, die zusätzliche Eigenschaften aufweisen. Daher werden für Eisenbahnanwendungen mehr und mehr abgedichtete und auf Lebenszeit befettete Lagereinheiten verwendet. Die SKF Fahrmotorlagereinheit TMBU (traction motor bearing unit) ist eine vorgeschmierte und abgedichtete Einheit, die als montagefertiges Subsystem direkt am Fahrmotorlagerschild angeflanscht wird.

Das TMBU Konzept
SKF hat mehr als 85 Jahre Erfahrung bei Fahrmotorlagern und trägt zur gesteigerten Betriebssicherheit und zu geringeren Lebenszykluskosten wesentlich bei. Mit ihrem Wissen in den Kompetenzbereichen Lager, Dienstleistungen, Dichtungen, Schmiersysteme und Mechatronik hat SKF einzigartige und hochzuverlässige Systemlösungen wie abgedichtete und vorgeschmierte Lagereinheiten entwickelt, die mit Sensoren für Fest- und Loslageranordnungen ausgerüstet sind.

Die SKF Fahrmotorlagereinheit ist robust, zuverlässig, äußerst kompakt und leicht. Sie muss auch mit schwierigen Umgebungen zurechtkommen: Verunreinigungen, Feuchtigkeit, variable Drehzahlen, Temperaturen, Belastungen und Schwingungen sowie Stoßbelastungen.

Das TMBU Konzept bietet neue Möglichkeiten auf den Gebieten Kompaktheit, leichtere Montage, längere Wartungsintervalle und höherer Nutzeffekt. Möglicher Lagerschaden aufgrund von elektrischem Stromfluss kann entweder durch Isolieren mit keramischen Beschichtungen oder durch Verwendung von Hybridlagern mit keramischen Wälzkörpern vermieden werden.

Anwendungen in Niederflurstraßenbahnen
Heute sind die meisten Straßenbahnen als Niederflurfahrzeuge konzipiert, um den Fahrgästen einen leichten Zugang zu ermöglichen. Aufgrund der räumlichen Begrenzung müssen spezielle Fahrmotorausführungen und Antriebssysteme verwendet werden. Die neueste Ausführung (Bild 1) basiert auf einer Hohlwelle und einer integrierten Kardanwelle, die das unabhängige Rad direkt antreibt. Beidseitig wird eine Hybrid TMBU verwendet, um in axialer Richtung Raum zu gewinnen. Ein integrierter absoluter Positionssensor mit zusätzlicher Drehzahlerkennung trägt ferner zu der Platz sparenden Lösung bei. Die TMBU Loslagerposition baut auf einem Zylinderrollenlager und die in der Festlagerposition auf einem Rillenkugellager auf.

Die SKF TMBU ist eine abgedichtete und vorgeschmierte Lagereinheit, entworfen für Gehäuseflanschmontage. Ein Spezialfett erlaubt selbst bei hohen Betriebstemperaturen eine verlängerte Fettlebensdauer. Die Lagereinheit ist mit reibungs- und berührungslosen Labyrinthdichtungen ausgerüstet.

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird die elektrische Isolierung durch Verwendung eines Lagers mit einer INSOCOAT Beschichtung oder in Hybridausführung mit keramischen Wälzkörpern realisiert.

Das TMBU Konzept bietet Platz sparende Möglichkeiten, besonders in Axialrichtung. Bei gegebener Motorgröße kann mit TMBUs mehr Leistung erreicht werden.

Lagerausführung
Das TMBU Konzept für Festlageranordnung basiert auf einem Rillenkugellager (Bild 2). Diese abgedichtete und beim Hersteller befettete Lagereinheit hat einen integrierten Flansch am Außenring, der am Fahrmotorschild angeschraubt wird. Elektrische Isolierung kann durch Verwendung eines Hybridlagers mit keramischen Kugeln oder mit einer elektrisch isolierenden INSOCOAT Beschichtung in der Innenringbohrung erreicht werden. Dieses platzsparende Lagerkonzept, das weniger Teile hat, erlaubt eine sehr leichte Montage.

Die TMBU Ausführung für Loslageranordnung basiert auf einem Zylinderrollenlager (Bild 3). Diese abgedichtete und beim Hersteller befettete Lagereinheit hat einen integrierten Flansch am Außenring, der am Fahrmotorschild angeschraubt wird. Elektrische Isolierung des Lagers kann durch eine elektrisch isolierende INSOCOAT Beschichtung in der Innenringbohrung oder unter Verwendung eines Hybridlagers, das mit Keramikrollen ausgestattet ist, erreicht werden.

Hybridlager bieten eine weitere Verbesserung der elektrischen Isolierungseigenschaften, besonders bei Anwendungen mit modernen Hochfrequenzumformersystemen. Diese Lager sind mit Wälzkörpern aus dem technischen Keramikwerkstoff Siliziumnitrid ausgestattet. Hierdurch werden höchste elektrische Isolierungseigenschaften selbst bei sehr hohen Frequenzen gewährleistet. Verglichen mit Ganzstahllagern zeichnen sich Hybridlagereinheiten durch Energieeinsparungen aufgrund niedrigerer Reibung und höherer Genauigkeit aus. Dies führt zu niedrigeren Betriebstemperaturen, längerer Fettlebensdauer und folglich verlängerten Wartungsintervallen.

Sensormerkmale
Das eingebaute integrierte Inkremental-Sensorkonzept (Bilder 4 und 5) bietet zahlreiche Möglichkeiten, wie absolute Positionserkennung für Fahrmotorkontrolleinrichtungen, Richtungserkennung und Drehzahlmessung für Bremskontrollsysteme und, falls nötig, eine Temperaturmessung zur Überwachung der Betriebssicherheit.

Die beiden Sensoren sind in das Dichtungssystem des Außenrings der Lagereinheit integriert.

Die Ausführung bietet folgende Kundenvorteile:

• im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren sehr Platz sparend, besonders in axialer Richtung
• weniger Teile
• hohe Auflösung und Genauigkeit
• eine langlebige und robuste Konstruktion.

Für anspruchsvollere Wechselstrom-Antriebssysteme in Fahrmotoren ist eine absolute Positionserkennung des Rotors mit sehr hoher Genauigkeit erforderlich. SKF hat eine vollständig neue Sensortechnik mit einer Positionsgenauigkeit von ±0,075 % über einen 360° Umfang und eine Auflösung von 5.632 Impulsen pro Umdrehung entwickelt. Das Sensorsystem kann in Verbindung mit „durch-die-Welle“ Anwendungen sowie für Wellenenden-Anwendungen eingesetzt werden. Der Temperaturbereich für den betrieblichen Einsatz liegt zwischen -30 °C und +105 °C. Die vollständige Sensoreinheit wurde gemäß Eisenbahnnorm EN 63173 zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit bei Stoßbelastung und Schwingungen getestet. Die elektromagnetische Kompatibilität liegt in Übereinstimmung mit internationalen Normen. Die Sensoren haben das CE-Prüfzeichen und geben so die Übereinstimmung mit den essenziellen Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen gemäß EU-Richtlinien zu erkennen.

Die Škoda 15 Tonnen Niederflurstraßenbahn
Seit 140 Jahren ist die Marke Škoda für alle Arten von Fahrzeugen und Maschinenausrüstungen bekannt. Der Geschäftsbereich Škoda Trakcní Motory (Škoda Fahrmotoren) ist jetzt der Hauptgeschäftsbereich des neugegründeten Unternehmens Škoda Electric a.s., mit Sitz in Pilsen in der Tschechischen Republik. Das Unternehmen ist führender Zulieferer von elektrischen Fahrmotoren. Škoda liefert Antriebssysteme für die Bahnbranche weltweit, vor allem in Österreich, Deutschland, China, Südkorea und USA sowie für den heimischen Markt. Škoda hat eine große Produktpalette von Fahrmotoren für den Personennahverkehr. Škoda Trakcní Motory untersuchte eingehend, wie die Lageranordnung vereinfacht und wie längere Wartungsintervalle ermöglicht werden können. 1996 wurden die ersten Versuche mit TMBUs durchgeführt und dieses Konzept wird jetzt bei den meisten neuen Fahrmotorausführungen angewendet. Der traditionsreiche Hersteller von Bahnfahrzeugen Škoda Transportation s.r.o. hat während der letzten zehn Jahre Forschung auf dem Gebiet Straßenbahnen betrieben und ist einer der bedeutendsten Zulieferer für Zentraleuropa.

Die neueste Fahrzeugentwicklung von Škoda ist eine 100%ige Niederflurstraßenbahn (Bild 6), die auch als ForCity Tram bekannt ist. Die städtischen Verkehrsbetriebe in Prag haben bereits 250 dreigliedrige Straßenbahnen bestellt. Der erste Prototyp wurde 2008 gebaut und auf der InnoTrans Fachmesse in Berlin vorgestellt. Die erste Serie wird 2009 geliefert. Die Konstruktion der Straßenbahn ist einzigartig, sie verwendet voll schwenkbare Drehgestelle für ein 100%iges Niederflurfahrzeug. Um den Geräuschpegel niedrig zu halten, hat die ForCity Tram keine Getriebe. Der niedertourige Fahrmotor ist wassergekühlt und treibt die Räder unter Verwendung einer Kardanwelle direkt an. So könnte er auch Direktantrieb genannt werden. Die dreigliedrige Straßenbahn ist 31,4 Meter lang und 2,46 Meter breit. Das Fahrzeug hat Volladhäsionsantrieb und ist für anspruchsvolle Straßenbahnlinien in Prag konstruiert. Das Fahrzeug ist mit vier Fahrmotordrehgestellen mit extrem niedriger Bauhöhe ausgestattet. Jedes Rad wird durch einen Synchronmotor mit Dauermagneten angetrieben, jeweils gesteuert von einem eigenen Inverter SKiiP, der aus intelligenten IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Modulen besteht. In der Straßenbahn sind 16 Fahrmotoren HLU 3436 P/44-VA eingebaut. Ein individuelles Steuersystem für jedes Rad und Schwenkdrehgestelle verleihen dem Fahrzeug optimales Kurvenverhalten bei geringstem Radkranzverschleiß und minimaler Geräuschentwicklung. Die brandneue Fahrmotorentechnik ist eine entscheidende Voraussetzung für die einzigartigen Fahreigenschaften dieses Fahrzeugs.

Beschreibung der Fahrmotoren
Der Fahrmotor HLU 3436 P/44-VA (Bild 7) besteht in der Hauptsache aus einem Rahmen, einem Stator mit Wicklung, einem Rotor, Lagerschilden und den Lagereinheiten. Der Motorrahmen ist geschweißt und enthält Kanäle zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit. Ein Paket aus Magnetblechen ist in den Rahmen eingefügt und enthält die Ankerwicklungen. Anschlussfahnen an den Spulen sind mit dem Stromanschluss verbunden. Der Rotor besteht aus Magnetblechen, die axial von Platten umgeben sind. Die Pole der Maschine – Dauermagnete – sind an den Magnetblechen befestigt. Die Fixierung der Magnete wird durch eine Bandage erreicht. Ein Lagerschild, der eine Lagereinheit abstützt, ist beidseitig am Rahmen befestigt. Der Rahmen ist mit Bügeln zur Befestigung des Motorrahmens am Drehgestell ausgestattet. Die Lagereinheiten haben keramische Wälzkörper. Die Rillenkugellagereinheit ist mit zwei Sensoren ausgestattet: einer zur Motorsteuerung und der andere für die Bremsanlage.

Forschung und Entwicklung des niedrigtourigen Synchronmotors mit Dauermagneten wurde möglich durch umfangreiche Zusammenarbeit von Spezialisten von ŠKODA ELECTRIC, VUES Brno und SKF.

Das Konstruktionskonzept der SKF Fahrmotorlagereinheit TMBU bietet neue Gelegenheiten zum Erreichen niedrigerer Lebenszykluskosten aufgrund von längeren Wartungsintervallen. Die Konstruktion ist platzsparend, benötigt weniger Bauteile und ist außerdem leicht zu montieren. Die Erfahrung hat den geringeren Wartungsbedarf bestätigt.

INSOCOAT und NOWEAR sind eingetragene Warenzeichen der SKF Gruppe

Technische Motorbasisspezifikation

Der ŠKODA ELECTRIC Fahrmotor HLU 3436 P/44-VA erfüllt die folgenden Spezifikationen bei einer Stromversorgung von einem 3 x 420 V Frequenzumwandler und 5 kHz
Impulsmodulation:

Nominelle Werte für Synchronmotor mit Dauermagneten Nenndrehmoment 1.460 Nm
Nennstrom 85,4 A
Nenndrehzahl 196 min^-1
Höchstdrehzahl 706 min^-1
Maximales Drehmoment 2.270 Nm
Belastungsfaktor S5
Abmessungen des eingebauten Motors 370 x 434 x 470 mm
Drehmomentübertragung Kardangelenkwelle
Gewicht 252 kg

SKF Fahrmotorlager
Festlager:
Hybrid TMBU (traction motor bearing unit) mit integriertem Positions- und Drehzahlsensor (Rillenkugellager)

Loslager:
Hybrid TMBU (Zylinderrollenlager)

SKF Drehgestellaufhängung
Drehgestelle mit Schwenklagern ausgestattet