Fahrmotor

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Als Fahrmotoren, auch Traktionsmotoren, werden die Motoren bezeichnet, mit denen ein Radsatz eines Triebfahrzeugs angetrieben wird. Dies betrifft vor allem den Elektromotor für den Antrieb von Bahnfahrzeugen bzw. von Lokomotiven und Triebwagen. Seit der Etablierung elektronischer Frequenzumrichter im ausgehenden 20. Jahrhundert kommen unabhängig von der Ausgestaltung des Bahnstromsystems als Fahrmotoren überwiegend Drehstrom-Asynchronmaschinen zum Einsatz. Eng mit der Bauart des Fahrmotors verbunden ist die mechanische Kraftübertragung auf die zugehörigen Radsätze, der sogenannte Antrieb.

Treibradsatz mit Fahrmotor der DB-Baureihe E 40. Der Einphasen-Reihenschlussmotor ist als Schwebemotor ausgeführt.

Geschichte[Bearbeiten]

Elektrisch[Bearbeiten]

In der Frühzeit der elektrischen Bahnen war die Bauart des Fahrmotors sehr eng verknüpft mit dem verwendenden Bahnstromsystem und den Ansprüchen an die Leistungssteuerung. Bei anfänglich niedrigen Geschwindigkeiten und kleinen Leistungen lagen die wesentliche Unterschiede bei den Fahrmotoren zunächst in der elektrischen Betriebsart.

Die ersten elektrischen Bahnen verwendeten Gleichstrommotoren, die sich für S-Bahnen und Straßenbahnen hervorragen eigneten, für Fernbahnen aber eher ungeeignet waren, weil die Verluste in der Fahrleitung durch die hohen Stromstärken und mit zunehmender Distanzen zwischen Einspeisung und Fahrzeug stark ansteigen. Hier eigneten sich eher Einphasenwechselstrom mit 16 2/3 oder anderen tiefen Frequenzen mit dem die wesentlich komplizierteren Einphasen-Reihenschlussmotoren betrieben werden konnten. Die Triebfahrzeuge müssen zwar zusätzlich mit einem Transformator ausgerüstet werden, dafür entstanden in der Energiezuführung über größere Entfernung wesentlich weniger Verluste als bei Gleichstrom. Einige Triebfahrzeuge wurden auch mit Repulsionsmotoren ausgerüstet, die sich aber nicht für hohe Geschwindigkeiten eigneten.

Unabhängig von den oben genannten beiden Systemen entstanden auch Elektrifizierungen mit Dreiphasenwechselstrom. Die verwendeten Drehstrom-Asynchronmaschinen waren zwar schwierig und oft nur in groben Stufen zu regeln, dafür war die Ausführung einer elektrischen Nutzbremse sehr einfach zu realisieren, so dass diese Systeme oft für Bergbahnen angewendet wurde. Ein großer Nachteil von Drehstrombahnen war auch die aufwändige Oberleitungsanlage, die zwei nebeneinander liegende Fahrdrähte erforderte.

Nach dem Zweiten Weltkrieg setzte sich bei Fernbahnen Elektrifizierung mit 50 Hz Strom aus dem öffentlichen Energienetz durch. Die Triebfahrzeuge wurden mit Wellenstrom-Motoren, auch Mischstrommotoren genannt, ausgerüstet, die zuerst von Gleichrichtern, später von  Thyristor-Anschnittsteuerung mit Spannung versorgt wurden. Diese Bauart wurde mehr und mehr auch bei Gleichstrombahnen zusammen mit Chopper-Steuerung eingesetzt.

Die Entwicklung von Leistungselektronik und Rechnersteuerungen erlaubte ab den 1990er Jahren den Einsatz von stromrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer unabhängig vom verwendeten Bahnstromsystem. Dies sehr einfachen und robusten Fahrmotoren verdrängten alle anderen oben genannten Motorbauarten. Seit ungefähr 2010 werden auch bürstenlose Motoren mit Dauermagneten als Fahrmotoren verwendet.

Mechanisch

Während die Gleichstrommotoren von Beginn an die Möglichkeit bot, Fahrmotoren zu bauen, die direkt im Untergestell bei der anzutreibenden Achse untergebracht werden konnten, waren die meisten mit Wechselstrom betriebenen Fahrmotoren so groß, dass sie zwingend im Lokkasten untergebracht werden mussten und der Antrieb ähnlich wie bei Dampflokomotiven über Treib- und Kuppelstangen erfolgen musste. Erst die fortschreitende Verfeinerung der Konstruktion erlaubte den Bau von Wechselstrommotoren, die so klein waren, dass sie sich ebenfalls in der Nähe der anzutreibenen Achsen unterbringen lassen konnten.

Stromarten[Bearbeiten]

Gleichstrommotor[Bearbeiten]

Gleichstrom-Fahrmotor der ČSD-Baureihe E 669.1 als Tatzlagermotor ausgeführt. Die maximale Klemmenspannung beträgt 1500 V.
Kommutator eines Gleichstromfahrmotors für 750 V Klemmenspannung, der im Seibu Tetsudō, einer S-Bahn in Tokio, eingesetzt wird.

Der Gleichstrom-Reihenschlussmotor hat ein hohes Anlauf-Drehmoment und ist damit hervorragend für den Antrieb von Fahrzeugen geeignet. Die vergleichsweise niedrigen nötigen Rad-Drehzahlen begünstigen zudem den Einsatz hinsichtlich Kommutierungsproblemen, die bei höheren Drehzahlen verstärkt auftreten. Die Klemmenspannung des Fahrmotors entspricht meist der dem Fahrzeug zugeführten Spannung, weshalb auch von Direkteinspeisung oder Direktmotorantrieb gesprochen wird, weil die Fahrleitungsspannung ohne Wandlung direkt dem Motor zugeführt wird.[1] Der Begriff ist nicht mit demjenigen des Direktantriebes zu verwechseln, welcher für Antriebe ohne Getriebe verwendet wird.[2]

Die Regulierung der Spannung und somit der Leistung des Fahrmotors erfolgte durch Vorschalten von Anfahrwiderständen, die mit steigender Fahrgeschwindigkeit kurzgeschlossen werden. Die Motoren lassen sich in verschiedenen Gruppen schalten. Die Anfahrt erfolgt in einer Serieschaltung aller Fahrmotoren, mit steigender Geschwindigkeit werden Fahrmotorgruppen parallel geschaltet, bis bei der höchsten Fahrstufe alle Fahrmotoren parallelgeschaltet mit der dem Fahrzeug zugeführten Spannung betreiben werden. Weitere Fahrstufen sind durch Feldschwächung möglich. Obwohl die Zugkraft des Triebfahrzeuges bei entsprechender Abstufung der Ansteuerung sehr fein geregelt werden kann, haben die Fahrzeuge nur sehr wenige wirtschaftliche Fahrstufen, bei welchen keine Energie in den Vorwiderständen in Wärme umgewandelt wird.

Gleichstrommotoren wurden meist für Straßenbahnen, S-Bahnen und U-Bahnen gewählt. Diese Systeme können bei der begrenzten Streckenlänge gut mit wenigen Hundert Volt Spannung betrieben werden, so dass auch eine Energiezuführung über Stromschiene möglich ist. Für Fernbahnen wurde zur Vermeidung von Übertragungsverlusten durch hohe Stromstärken eine möglichst hohe Fahrleitungsspannung gewählt, die aber für den Motorenbau ungünstig ist. Die maximale mögliche Klemmenspannung an einem Vollbahnmotor beträgt etwa 1500 V. Bei dieser Spannung ergibt sich ein Kommutator mit einem vernünftigen Durchmesser, der in einem Motor Platz findet, der noch in das Fahrzeug eingebaut werden kann. Aus diesem Grund setzten sich für den Fernverkehr nur die Oberleitungsspannungen 1,5 kV und 3 kV durch. Bei 3 kV sind jeweils zwei 1500 V-Motoren in Serie geschaltet, um die Spannung je Motor zu halbieren. Dennoch zeigte sich die Gleichstrom-Übertragung über große Entfernungen als wirtschaftlich aufwendig.

Wechselstrommotor[Bearbeiten]

Ebenso wie der Gleichstrom-Reihenschlussmotor hat der Einphasenwechselstrom-Reihenschlussmotor ein hohes Anzugsmoment. Die Anwendung des für Bahnbetriebe speziell entwickelten Wechselstrommotors lässt es zu, den finanziellen Aufwand für die Stromübertragung durch Überleitung von hohen Spannungen zu vermindern. Dies jedoch unter der Bedingung, dass auf der Lokomotive (im Unterschied zum Gleichstrom-„Direktantrieb“) ein entsprechend großer Transformator und Hochspannungs-Stufenschalter mitgeführt wurden, um die letztlich 15 kV bis 25 kV betragende Spannungen und Ströme auf motor-verträgliche Größen herunterzuspannen.

Als problematisch zeigte sich zunächst, die verbreitete Industriefrequenz von 50 Hz zu verwenden. Bei den großen Motoren wurden durch diese Frequenz in den jeweils momentan in der „neutralen Zone“ befindlichen Wicklungsspulen unerwünscht hohe Induktionsspannungen erzeugt, die zu starker Funkenbildung und Verschleiß an den Kommutatoren und Bürsten führten. Versuche zeigten, dass sich das Problem bei niedrigen Frequenzen besser beherrschen ließ. Dies führte um 1912 zu einer Einigung der deutschsprachigen Länder auf eine Wechselstrom-Fahrleitungsspannung von 15 kV bei einer Frequenz von einem Drittel des 50 Hz-Maßes, also von 16 2/3 Hz. Später übernahmen auch andere Länder wie Schweden und Norwegen dieses durchaus erfolgreiche Betriebssystem. Dennoch konnten sich daneben auch weltweit Systeme mit höheren Spannungen und Frequenzen angewendet werden, so vor allem das 25 kV-50 Hz-System.

Ungefähr seit dem Jahr 1990 verlieren die Einphasenwechselstrommotoren als Fahrmotoren an Bedeutung, da seit dem durch die Verfügbarkeit bahnfester elektronischer Stromrichter und Steuerungstechnik die betrieblich günstigeren Drehstrommotoren zum Einsatz kommen können.

Drehstrommotor[Bearbeiten]

Der Drehstrom-Asynchronmotor bietet durch seinen sehr einfachen Aufbau, bei dem vor allem eine Stromübertragung auf den rotierenden Anker entfällt, einige Vorteile. Deshalb wurden die ersten Wechselstrom-Bahnantriebe um 1900 mit Drehstrommotoren durchgeführt. Nachteilig waren hierbei zwei wesentliche Punkte: zum einen lässt sich der Drehstrommotor nur mit bestimmten Drehzahlen betreiben, die durch die Frequenz des Drehstroms und der Polzahl der Motorwicklung bestimmt werden. Umschaltbare Motoren lassen lediglich eine grobe Geschwindigkeitssteuerung in maximal sechs Stufen zu. Der andere Punkt war historisch die aufwendige Fahrleitung die entweder dreipolig oder zweipolig (bei Hinzunahme der Schienen als drittem Pol) ausgeführt werden musste. Technisch und betrieblich ist dabei vor allem die Leitungsführung über Weichen und Kreuzungen kompliziert.

Dennoch wurde das Drehstromsystem beispielsweise bei der Italienischen Staatsbahn von 1904 bis 1976 in großem Umfang verwendet.

Seit den 1990er Jahren kann jedoch mit modernen Stromrichtern und Steuerungstechnik auf dem Triebfahrzeug selbst Drehstrom zum Motorantrieb mit beliebiger Frequenz aus dem Gleich- oder Einphasenwechselstrom der Fahrleitung generiert werden. Das ermöglicht die Anwendung von einfachen, robusten und leistungsfähigen Drehstrommotoren mit stufenloser Drehzahlregelung.

Unterscheidung nach der Lagerungsart[Bearbeiten]

Unterscheidung nach der Kraftübertragung[Bearbeiten]

Mechanische Aufbauvarianten[Bearbeiten]

Direktantrieb der ersten elektrischen Lokomotive von Baltimore and Ohio Railroad aus dem Jahre 1896, die im Stadttunnel von Baltimore im Einsatz war. Die Gleichstrommotoren für 675 V sind als Achsmotoren ausgeführt.

Die beim Betrieb des Fahrmotors entstehende Verlustwärme muss abgeführt werden. Dies erfolgt entweder mit direkt auf der Motorwelle aufgesteckten Lüfterräder (eigenbelüftet) oder mit speziellen Fahrmotorlüftern, die außerhalb des Fahrmotors angeordnet sind und einen eigenen Antrieb haben. Eigenbelüftete Motoren kommen in leichten Triebwagen zum Einsatz, fremdbelüftete Motoren werden in Lokomotiven und anderen Fahrzeugen mit hohen Antriebsleistungen eingesetzt.

Der Fahrmotor bildet zusammen mit der Kraftübertragung auf den Radsatz den Antrieb. Daraus ergeben sich verschiedene Bauformen der Fahrmotoren:

  • Direktantrieb - Der Rotor ist auf der Radsatzwelle angeordnet, der Stator ist entweder ebenfalls auf der Achswelle angeordnet (Achsmotor) oder aber im gefederten Fahrgestell untergebracht, was einzig eine zwei-polige Ausführung des Fahrmotors erlaubt. Beide Varianten wurden früher in den USA, aber auch bei der London Underground verwendet.
  • Tatzlagermotor - Fahrmotor stützt sich teilweise auf die Achse ab, hohe Rad/Schiene-Kräfte wegen teilweise fehlender Federung zwischen Fahrmotor und Achse
  • Schwebemotor - Fahrmotor stützt sich teilweise auf eine die Achse umfassende Hohlwelle ab, die mit dieser elastisch verbunden ist, was gegenüber dem Tatzlagerantrieb zu kleineren Kräften führt.[3][4]
  • Gestellmotor - Fahrmotor ist vollständig im gefederten Fahrgestell untergebracht und überträgt die Kraft mit Stangen, Hohlwellen oder Kardanwellen auf den Radsatz / die Radsätze.

Früher wurden auch Fahrmotoren verwendet, bei denen zwei Elektromotoren im selben Gehäuse untergebracht waren:

  • Zwillingsmotor - die Wellen der beiden Rotoren liegen nebeneinander
  • Tandemmotor - die beiden Rotoren liegen auf einer gemeinsamen Welle, angewendet bei italienischen Gleichstromlokomotiven und für 50Hz-Einphasenreihenschlussmotoren.

Die Fahrmotoren können auch nach der Einbaulage im Fahrzeug unterschieden werden:

  • Quermotor - die häufigste Anordnung in Lokomotiven und Triebwagen
  • Längsmotor - bei Straßenbahntriebwagen und Hochgeschwindigkeitszügen
  • Vertikalmotor - bei einigen Lokomotiven angewendet

Elektrische Bremse[Bearbeiten]

Die meisten elektrischen Triebfahrzeuge verfügen über eine elektrische Bremse, wobei die Motoren als Generatoren betrieben werden. Die Antriebskraft des Generators stellt ähnlich wie bei einem Hybridauto eine Bremskraft für das Fahrzeug dar. Die dabei erzeugte elektrische Leistung kann entweder in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden oder in die Oberleitung zurückgespeist werden. Dementsprechend wird die elektrische Bremse auch Widerstandsbremse oder bei Netzrückspeisung als Nutzbremse oder Rekuperationsbremse bezeichnet. Moderne Triebfahrzeuge verfügen meist über eine Nutzbremse, können aber zusätzlich mit Bremswiderständen ausgerüstet sein, die auch eine elektrische Bremsung erlauben, wenn keine Energie ins Oberleitungsnetz zurückfließen kann. Gleichstromfahrzeuge haben immer Bremswiderstände, weil die Gleichrichterstationnen keine Energie ins Wechselstromnetz zurückspeisen können.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Fahrmotor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Schienenfahrzeugtechnik. Bahn Fachverlag, 2008, ISBN 978-3-9808002-5-9, S. 4–.
  2. IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary. IEC, 1991, abgerufen am 11. Oktober 2014.
  3. Zarko Filipovic: Elektrische Bahnen: Grundlagen, Triebfahrzeuge, Stromversorgung. Springer-Verlag, 3. Februar 2007, ISBN 978-3-540-26438-5, S. 195–.
  4. Winfried Reinhardt: Öffentlicher Personennahverkehr: Technik - Rechts- und Betriebswirtschaftliche Grundlagen. Springer-Verlag, 20. Oktober 2011, ISBN 978-3-8348-8234-9.