Inovace ventilačního systému uzavřeného tramvajového motoru

Inovace ventilačního systému uzavřeného tramvajového motoru

Ing. Pavel Novotný,
ŠKODA ELECTRIC s. r. o.

Jedním z naléhavých témat současné doby je problematika dopravy. Dopravní prostředky jsou voleny s ohledem na pohodlí, lokální dostupnost, cenu a rychlost dopravy. Pro zvládání malých a středních vzdáleností – zejména v Evropě – je podporováno využívání systému kolejových vozidel. Masivní podpora infrastruktury vede k poptávce po moderních kolejových vozidlech pro různé druhy aplikací. Nemenší rozvoj městské infrastruktury a zohledňování ekologických aspektů vedle toho stimulují i poptávku po nekolejových vozidlech s elektrickými pohony.

Asynchronní motor v trakci

Snaha použít asynchronní motor pro pohon vozidel se datuje od jeho objevu. Zvláště motor s kotvou nakrátko představoval velmi lákavou možnost stavby maximálně jednoduchého a po všech stránkách odolného trakčního motoru. Zásadní překážkou však bylo, že plynulá a hospodárná regulace jeho otáček je možná pouze změnou napájecího kmitočtu při současné změně napětí. Přijatelné řešení tohoto problému nabídl teprve objev a poté rychlý rozvoj výroby vypínatelných polovodičových součástí, který zároveň překonal všechny jiné, mnohdy důmyslné systémy.

V trakci se používají téměř výhradně třífázové motory s kotvou nakrátko, které jsou napájeny proměnným napětím a kmitočtem z měničů. Použití asynchronního trakčního motoru významně zvyšuje spolehlivost, protože všechny jeho části pod napětím jsou plně izolovány. Jeho údržba se omezuje na domazávání ložisek v poměrně dlouhých intervalech (např. 500 000 km).

Krytí a chlazení

Chlazení vzduchem patří u trakčních pohonů ke klasickému způsobu. Největší význam pro trakční tramvajové aplikace má vlastní způsob ventilace v provedení s krytím motoru IP54 a vyšším. Motory těchto vlastností se nejčastější instalují ve vozidlech s pohonem rozloženým na více náprav (vozidla se zvýšenými požadavky na akceleraci). To jsou u nás především tramvaje a ve světě navíc lehké příměstské kolejové jednotky. Pro uvedené druhy vozidel je charakteristická tendence zmenšovat výšku podlahy v kabině pro cestující z důvodu zkracování přepravních dob, z důvodu vyšších požadavků na infrastrukturu a pohodlí při nastupování a vystupování pasažérů. Tyto nové požadavky na přepravu rychle našly odezvu u provozovatelů uvedených vozidel, kteří již ani jiné vozy od výrobců nepoptávají. Pro konstruktéry tramvají to znamená omezení zástavbového prostoru podvozku. Zmíněný problém se tedy odráží i ve změněných požadavcích na trakční pohonné jednotky. Ty nyní musí odolávat zhoršeným pracovním podmínkám, plynoucím ze zmenšování jízdního profilu, např. přítomnosti prachu, sněhu, vodní mlhy, stříkající vody atd.

Toto jsou příčiny tlaku na zvyšování měrné hustoty výkonu hlavních motorů na jedné straně a zachování jednoduchosti, spolehlivosti a zejména nenáročnosti na údržbu na straně druhé. Proto byly vyvinuty různé varianty uzavřených asynchronních motorů pro aplikace v trakci, které do jisté míry odrážejí již zmíněné požadavky.

Mezi často používané ventilační systémy uzavřených motorů patří dvouokruhový systém (obr. 1). Jak prozrazuje název, chlazení motoru je zajištěno dvěma ventilačními okruhy – vnitřním a vnějším.

Vnitřní okruh

Jedná se o okruh uzavřený. Zdrojem tlaku je malý radiální ventilátor, který je umístěn na hřídeli pod čely statorového vinutí na zadní straně motoru. Vzduch je nasáván z rotorových axiálních ventilačních kanálů, prochází přes lopatky ventilátoru košem čel statorového vinutí na straně spojení cívek, vstupuje do vnitřní řady statorových axiálních kanálů, z kterých vystupuje na přední straně motoru, a po průchodu mezi čely statorových cívek vstupuje do rotorových kanálů, kde se okruh uzavírá. Vzduch vnitřního okruhu ochlazuje klecové vinutí rotoru a částečně i kruhy nakrátko. Vzduch je ochlazován ve statorových kanálech a na ložiskových štítech motoru.

Vnější okruh

Tento okruh je otevřený. Radiální tlačný ventilátor, umístěný na přední straně motoru, nasává přes ochranné síto vzduch z okolí stroje a profukuje jím vnější řadu statorových kanálů. Vzduch je vyfukován na zadní straně motoru.

Z popisu jednotlivých ventilačních okruhů je patrné, že nečistoty obsažené v chladicím vzduchu nejsou ve styku se statorovým vinutím. To výrazně zvyšuje spolehlivost izolačního systému motoru.

Výhoda použití motorů s vlastní ventilací je zřejmá. Nejsou zde – na rozdíl od motorů s cizí ventilací – zapotřebí žádné pomocné pohony ani přívodní vzduchové kanály. K nevýhodám patří zejména nesoulad mezi velikostí ztrát v motoru (z větší části záleží na čtverci proudu) a intenzitou chlazení (záleží na otáčkách).

Uzavřený asynchronní motor s vlastní ventilací a profukovaným rotorem

ŠKODA ELECTRIC s. r. o. je společnost navrhující a vyrábějící trakční pohony pro rozmanité trakční aplikace po celém světě. Těžištěm jejího současného výrobního programu jsou pohony pro vozidla tramvají, trolejbusů, metra a pro lokomotivy.

Jedním z největších současných problémů konstruktérů elektrických motorů je návrh stroje odpovídajících parametrů, který lze umístit do zadaných zástavbových rozměrů vozidel. Zásadní vliv velikosti motoru na koncepci nízkopodlažního vozidla, která se stala standardem pro městskou hromadnou dopravu, nutí výrobce motorů k neustálému zdokonalování tradičních řešení a přístupů. Motor s profukovaným rotorem, má inovovaný ventilační systém, který byl v průběhu roku 2003 vyvinut ve společnosti ŠKODA ELECTRIC, je logickým vyústěním snah konstruktérů a projektantů o zvětšování výkonu motorů určených pro moderní přepravní jednotky.

S ohledem na minimalizaci vývojových nákladů a pro možnost porovnání přínosu nového ventilačního systému byl prototyp motoru postaven na bázi motorů řady MLU 3436 K/4 (obr. 2). Motory této typové řady se osvědčily v tramvajích pro města Plzeň, Ostrava, Brno, Portland, Tacoma a Filadelfie. V dohledné době se objeví i ve vozech určených pro Prahu.

Štítkové hodnoty MLU 3436 K/4:

• výkon: 90 kW,
• zatěžovatel: S1,
• napětí: 3 × 400 V,
• spojení vinutí: Y,
• proud: 163 A,
• frekvence: 67 Hz,
• jmenovité otáčky: 1 973 min^–1,
• maximální otáčky: 4 800 min^–1,
• účiník: 0,854,
• krytí: IP54,
• chlazení: IC41,
• provedení: IM1103,
• teplotní třída: 200,
• hmotnost: 318 kg.

Koncepce uzavřeného motoru s profukovaným rotorem, který je označen 4MLU 3436 K/4, spočívá v přidání další ventilační větve do vnějšího okruhu standardního dvouokruhového ventilačního systému. Na motoru s profukovaným rotorem byly zavedeny takové změny, aby okolní vzduch proudil nejen vnějšími statorovými kanály, ale i rotorem (obr. 3). Představa je přivést relativně studený (venkovní) vzduch k dalším aktivním částem stroje jako ve statoru. Ventilátor vnějšího okruhu nasává okolní vzduch nejen přes síto na přední straně motoru, jak tomu bylo dosud, ale i přidanou spodní řadou ventilačních kanálů v rotoru, kam vstupuje vzduch ze zadní strany motoru. Oba vzduchové proudy se spojují na lopatkách ventilátoru, který je protlačí statorem na zadní stranu motoru.

Přínos nového řešení

Zvýšení výkonu z 90 na 95 kW, tedy o více než 5 %, při zachování stejných zástavbových rozměrů a výrobních nákladů je hlavním přínosem vývojového projektu. Veškerá měření a zásahy do konstrukce motoru byly uskutečněny s ohledem na splnění požadavků normy ČSN EN 60349-2 pro drážní zařízení. Jelikož výsledky zkoušek prototypového motoru 4MLU 3436 K/4 jsou kladné, společnost ŠKODA ELECTRIC s. r. o. podala přihlášku k patentování tohoto ventilačního systému. Významným omezením při stavbě prototypu (které dosud nebylo uvedeno) byl požadavek na zachování identických hodnot náhradního schématu. Takto zkonstruovaný stroj je zaměnitelný s původním motorem MLU 3436 K/4 a může být provozován v tomtéž vozidle (obr. 4). Zde se prověří jeho odolnost proti pronikání nečistot do vnitřního ventilačního okruhu při chystaných provozních zkouškách. Priorita zachování náhradního schématu nedovolila realizovat změnu na drážce v rotoru – to vedlo ke zvýšení skluzu motoru při zvýšení výkonu a tím i k větším ztrátám v rotoru. Na podobné omezení však nemusí být brán zřetel při návrhu zcela nového typu motoru; proto lze dosáhnout ještě většího využití stroje.

Literatura:

[1] HAK, J. – OŠLEJŠEK, O.: Výpočet chlazení elektrických strojů. VÚES Brno, 1973.

[2] ONDRUŠKA, E. – MALOUŠEK, A.: Ventilace a chlazení elektrických strojů točivých. SNTL, Praha, 1985.

[3] ALGER, P. L.: Induction machines. Their behavior and uses, Gordon and Breach publishers, Switzerland, 1995.

[4] DANZER, J.: Elektrická trakce 1, 2. Vydavatelství Západočeské univerzity, Plzeň, 2000, 2001.

[5] ČSN EN 60349-2 Drážní zařízení – Točivé elektrické stroje pro kolejová a silniční vozidla – Část 2: Střídavé motory napájené z elektrických měničů (36 2205).