1 Einleitung und Problemstellung

Schienenfahrzeugbetreiber sind an Fahrzeugen mit niedrigen Lebenszykluskosten (LCC) interessiert. Diese werden unter anderem durch den Energieverbrauch und gewichtsabhängige Trassengebühren bestimmt. Eine Modifizierung des Antriebsstrangs erlaubt es, beide Parameter gleichzeitig zu verbessern.

Eine Möglichkeit dazu ist der Einsatz weiter- und neuentwickelter Komponenten, welche die Masse des Antriebsstrangs reduzieren und dessen Wirkungsgrad erhöhen.

Durch den Einsatz leichterer Komponenten wird die Masse des Fahrzeuges verringert, was einen geringeren Energieverbrauch erwarten lässt. Zusätzlich können diese neuen Komponenten mit neuartigen, energieeffizienten Technologien ausgerüstet sein, wodurch der Energieverbrauch weiter gesenkt wird.

Der Lösungsansatz zur Massenreduktion und Energieeffizienzsteigerung im vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt MTAB (Modellierung und Test neuartiger, hocheffizienter und hochintegrierter Antriebssysteme für Bahnanwendungen) ist eine Erhöhung der verwendeten Drehzahl des Antriebsmotors [1]. Ein solcher Ansatz wird auch bei Projekten im Automobilbereich durchgeführt [2] und mit geringeren Drehzahlen auch bereits im Bahnbereich untersucht [3,4,5].

Die Scheinleistung ist zum Essonschen Ausnutzungsfaktor, der Drehzahl und dem Volumen proportional.

$$S\approx C\cdot {d}_{\mathrm{Si}}^{2}\cdot l_{e}\cdot n.$$
(1)
$$V\sim {d}_{\mathrm{Si}}^{2}\cdot l_{e}$$
(2)

Mit:

  • S Scheinleistung

  • C Essonscher Ausnutzungsfaktor

  • dSi Bohrungsdurchmesser

  • le Ideelle Eisenlänge

  • n Drehzahl [6].

Damit ergibt sich für eine gleiche Scheinleistung und gleiche Ausnutzung bei einer Erhöhung der Betriebsdrehzahl eine Reduzierung des Aktivvolumens des Motors [6].

2 Methodik

Die elektrische Maschine wird für ein bestehendes Fahrzeug, das sogenannte Referenzfahrzeug, ausgelegt. Die Anforderungen der DIN EN 50155 werden weitestgehend berücksichtigt, eine nachgewiesene Bahntauglichkeit bleibt der Entwicklung einer Serienlösung vorbehalten. Damit wird eine Vergleichbarkeit zwischen den neu entwickelten Komponenten und den im Referenzfahrzeug verbauten Komponenten gewährleistet. Das Referenzfahrzeug ist ein Straßenbahnfahrzeug der Flexity-Baureihe von Alstom (ehemals Bombardier Transportation). Das Referenzsystem hat eine S1-Dauerleistung von 110 kW pro angetriebene Achse, sowie eine maximale Drehzahl von 4400 min−1 und ein maximales Drehmoment von 924 Nm beim Fahren und −1269 Nm beim Bremsen. Die Maximalgeschwindigkeit ist 60 km/h und die maximale Beschleunigung 0,9 m/s2 [7].

Das neuartige Antriebskonzept soll die gleichen Randbedingungen erfüllen. Antriebe im Straßenbahnbereich haben aktuell Drehzahlen um 4500 bis 6000 min−1 [8]. Um die Masse des Elektromotors zu halbieren, wird eine Erhöhung der Drehzahl auf 20.000 min−1 festgelegt. Die Drehmoment-Drehzahlanforderung eines Fahrzyklus für eine maximale Drehzahl von 20.000 min−1 bei 70 km/h ist in Abb. 1 zu sehen. Die maximale Leistung liegt bei 135 kW im Fahren und −335 kW im Bremsen. Die S1-Dauerleistung muss nicht auf die maximale Leistung ausgelegt werden. Aus den Häufigkeiten und Dauern der auftretenden Leistungen wird abgeleitet, dass eine S1-Dauerleistung von 75 kW ausreichend ist.

Abb. 1
figure 1

Drehmoment-Drehzahlanforderung eines Fahrzyklus

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Um auf Basis der Anforderungen ein passendes Design für den elektrischen Antrieb zu finden, wird dieser in mehrere Funktionsblöcke unterteilt. In den einzelnen Funktionsblöcken werden in Kombination mit den Anforderungen die Hauptmerkmale wie z. B. Stator definiert, die wiederum in Untermerkmale eingeteilt werden. In Abb. 2 sind die einzelnen Hauptfunktionsblöcke mit jeweils beispielhaften Unterfunktionsblöcken dargestellt.

Abb. 2
figure 2

Übersicht über die Funktionsstruktur eines elektrischen Antriebs

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Die Entwicklung des Antriebs wird systematisch anhand eines von VDI 2221 abgeleiteten Prozesses durchgeführt [9]. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, sind in Abb. 2 die Schnittstellen zwischen den einzelnen Funktionsblöcken sowie nach außen nicht dargestellt. Als Beispiel einer Schnittstelle seien die elektromagnetischen Verluste genannt, die im Funktionsblock El. Maschine entstehen und im Block Kühlung abgeführt werden.

Die Haupt- und Unterfunktionen werden in einem morphologischen Kasten dargestellt. Der morphologische Kasten ermöglicht das Erarbeiten von Gesamtlösungen durch systematische Kombination [10]. Für jedes Untermerkmal werden die verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten nach Stand der Technik aufgelistet. Abb. 3 zeigt einen Ausschnitt aus diesem morphologischen Kasten.

Abb. 3
figure 3

Ausschnitt des morphologischen Kastens für die Technologieauswahl

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Ein Hauptmerkmal der Funktion El. Maschine ist die Ausführungsform, welche als Innen-, als Außen- oder als Scheibenläufer realisiert werden kann. Als Beispiel eines Untermerkmals sei die Wicklung genannt, die unter anderem als verteilte, konzentrierte, Hairpin- oder Durchziehwicklung realisiert werden kann. Dieser morphologische Kasten dient dann als Basis, um ein geeignetes Design zur Erfüllung der Anforderungen zu finden.

Hierzu werden alle im Kasten aufgeführten Ausprägungen hinsichtlich mehrerer Kriterien bewertet. Jede Technologie wird nach den fünf Kriterien Kosten, Masse, Volumen, Robustheit und elektrische Spannungsfestigkeit beurteilt. 5 Punkte werden als beste, 3 Punkte als mittlere und ein Punkt als schlechteste Bewertung gegeben. Die Bewertung der jeweiligen Technologie ergibt sich aus der Summe der Bewertungen der einzelnen Kriterien.

Aus der Kombination der am besten bewerteten Technologien für die einzelnen Haupt- und Untermerkmale werden dann zwei mögliche Realisierungsoptionen für einen solchen Antrieb generiert und deren Gesamtbewertung verglichen. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Lösungen zu erreichen, werden die zwei bewerteten Lösungen genauer ausgearbeitet. Es handelt sich hierbei um ein Konzept auf Basis einer Asynchronmaschine (ASM) und ein Konzept auf Basis einer permanenterregten Synchronmaschine (PMSM). Für beide Lösungen werden elektromagnetische Entwürfe und Systemsimulationen durchgeführt. Diese dienen als Basis dafür, auf Gesamtsystemebene die passende Auswahl zu treffen.

3 Elektromagnetischer Entwurf beider Lösungsansätze

Für beide Lösungsansätze wird ein elektromagnetischer Entwurf ausgearbeitet. Diese Entwürfe orientieren sich zum einen an der definierten S1-Dauerleistung und zum anderen an den Maximalanforderungen an den Antrieb sowie dem Auslegungszyklus. In Abb. 4a ist der Querschnitt des Entwurfs der PMSM dargestellt, in Abb. 4b der, der ASM.

Abb. 4
figure 4

a Querschnitt des Entwurfs für die PMSM, b Querschnitt des Entwurfs für die ASM

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Beide Entwürfe werden im Stator mit einer Hairpinwicklung mit geschlossenen Nuten ausgeführt, um die Verluste durch Oberwellen im Rotor zu reduzieren. Die PMSM wird mit einem 6‑poligen Design ausgeführt, wobei der Rotor über Oberflächenmagnete verfügt, die dann durch eine entsprechende Bandage gesichert werden. Die ASM verfügt über 4 Pole. Der Kurzschlusskäfig des Rotors besteht aus hochfestem Kupfer und ist in geschlossenen Nuten untergebracht, wodurch keine zusätzliche Sicherung gegen hohe Fliehkräfte erforderlich ist. Die geschlossenen Nuten haben allerdings einen höheren Blindstrom im Stator durch Streufelder zur Folge. Die Lagerung wird mit Rillenkugellagern realisiert.

Für beide Entwürfe werden mit dem Simulationsprogramm Maxwell 2D verschiedene charakteristische Lastpunkte berechnet und ausgewertet. Tab. 1 zeigt die Ergebnisse dieser Simulationen.

Tab. 1 Auswertung in verschiedenen Lastpunkten für ASM und PMSM
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Die simulierten Arbeitspunkte sind möglichst ähnlich gewählt. Die einzelnen Verlustanteile sind als Gesamtverluste zusammengefasst. Darin sind die Eisenverluste von Stator und Rotor, die Verluste in der Statorwicklung (bei PMSM für 160 °C und bei ASM für 185 °C), die Verluste in den Magneten bei der PMSM bei 100 °C und die Verluste im Kurzschlusskäfig für 225 °C sowie die Reibungsverluste enthalten.

Typisch für permanenterregte Synchronmaschinen ist der Wirkungsgrad des Antriebs etwas höher. Da der Unterschied aber zum einen maximal 2,7 Prozentpunkte ist und zum anderen sich vor allem bei solchen Betriebspunkten bemerkbar macht, die weniger häufig auftreten, überwiegen bei der Entscheidung, welcher Entwurf im Gesamtsystem verwirklicht werden soll, Sicherheitsaspekte. So wird die mögliche Gegenspannung einer permanenterregten Synchronmaschine bei Ausfall des Umrichters als Entscheidung für die Asynchronmaschine gesehen, da sonst die Halbleitermodule eine deutlich höhere Sperrspannung gewährleisten oder andere Schutzmechanismen integriert werden müssen.

Zur Absicherung des Entwurfs erfolgt ebenfalls eine thermische Betrachtung des Antriebs über den oben gezeigten Fahrzyklus. Dabei wird geklärt, ob eine einfache Flüssigkeitsmantelkühlung ausreichend ist, oder eine aktive Rotorkühlung umgesetzt werden muss. In Abb. 5 sind die Temperaturverläufe der wichtigsten Baugruppen dargestellt.

Abb. 5
figure 5

Temperaturverläufe der Baugruppen über der Zeit

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Hierbei wird im heißesten Punkt der Statorwicklung eine Temperatur von 162 °C erreicht. Der Rotor ist mit einer maximalen Temperatur von 149 °C ebenfalls unkritisch, weswegen auf eine aktive Rotorkühlung verzichtet werden kann. Die Lager erreichen über das gesamte Bauteil eine maximale Temperatur von 121 °C.

Diese Auslegung dient als Basis zur Konstruktion eines Funktionsmusters, mit dem die theoretischen Werte und Simulationen am Prüfstand nachgewiesen und überprüft werden. Abb. 6 zeigt eine 3D-Darstellung des Funktionsmusters. Bei einer maximalen Drehzahl von 20.000 min−1 erreicht der Rotor eine Umfangsgeschwindigkeit von 129,9 m/s.

Abb. 6
figure 6

3D-Darstellung des Funktionsmusters der ASM

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Als Besonderheit der Konstruktion sind die axial angebrachten Öffnungen zu erwähnen, die in dieser Darstellung durch Schrauben verschlossen sind. Diese Öffnungen dienen dazu, bei einer eventuellen Überhitzung des Motorinnenraums auf dem Prüfplatz Luft zur Kühlung durch die Maschine zu leiten. Dadurch können, sollte die thermische Simulation zu ungenau sein, zumindest die elektromagnetischen und mechanischen Prüfungen des Antriebs vollständig durchgeführt werden. Die Rotorbleche sind aus herkömmlichem Elektroblech. Nach Abschluss der Konstruktion werden komplette Wirkungsgradkennfelder berechnet, um eine Simulation der Fahrzyklen zu ermöglichen. Dabei kommt es zu geringen Abweichungen zum ursprünglichen Entwurf, die durch Anpassungen in der Konstruktion zu erklären sind.

4 Ergebnis

Das Ziel des Projektes MTAB ist ein hocheffizienter Antriebsstrang. Kennzahlen für die Effizienz eines Antriebs sind sein Wirkungsgrad und seine Leistungsdichte.

Der Wirkungsgrad η ist der Quotient aus der abgeführten Leistung Pab und der zugeführten Leistung Pzu. Beim Fahren ist die mechanischen Antriebsleistung Pmech die abgeführte Leistung und die elektrische Leistung Pelek die zugeführte. Beim Bremsen ist es umgekehrt.

$$\eta =\frac{P_{ab}}{P_{zu}}$$
(3)

Das Wirkungsgradkennfeld der hochdrehenden Maschine wird dem des Referenzmotors gegenübergestellt.

In der folgenden Abb. 7a ist das Kennfeld der hochdrehenden Maschine zu sehen. Der Wirkungsgrad ist über der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment aufgetragen. Das Kennfeld ist nahezu symmetrisch, das heißt, dass sich beim Fahren und beim Bremsen die gleichen Verluste finden. Der maximale Wirkungsgrad dieser Maschine liegt bei 96,7 %. Der maximale Wirkungsgrad tritt im Feldschwächbereich sowohl beim Fahren als auch beim Bremsen auf. Niedrige Wirkungsgrade treten im Grunddrehzahlbereich bei sehr kleinen Drehzahlen und generell bei niedrigen Drehmomenten auf. Im Durchschnitt über alle berechneten Punkte hat die hochdrehende Maschine einen Wirkungsgrad von 91,4 %. Über mehrere Fahrspiele gemittelt erreicht diese Maschine einen Wirkungsgrad von 94,0 %.

Abb. 7
figure 7

a Kennfeld hochdrehender Antrieb, b Differenzkennfeld Referenz und hochdrehender Antrieb

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Beim Referenzsystem ist die Verteilung ähnlich, mit einem maximalen Wirkungsgrad von 93,0 % und einem durchschnittlichen Wirkungsgrad über alle berechneten Punkte von 85,0 %. Über mehrere Fahrspiele gemittelt erreicht diese Maschine einen Wirkungsgrad von 86,0 %.

In Abb. 7b ist das Differenzkennfeld aufgetragen, das heißt die Differenz der Wirkungsgrade von Referenzmotor und dem hochdrehenden Motor. Dazu wurden die Drehmomente und Drehzahlen auf ihr Maximum normiert.

Die Auswertung zeigt, dass in 82 % der Betriebspunkte die neue Maschine den höheren Wirkungsgrad aufweist. Der Unterschied liegt im Schnitt bei 7 Prozentpunkten. Der Unterschied bei den verschieden Fahrspielen ist etwas höher, nämlich 8 Prozentpunkte. Nur in 3 % der Betriebspunkte ist die ursprüngliche Maschine besser. Diese Punkte liegen meist im Bereich der sehr kleinen Drehmomente.

Im Anfahrbereich und beim Bremsen mit niedrigen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad der hochdrehenden Maschine um bis zu 15 Prozentpunkte höher. Diese Punkte werden beim Beschleunigen häufig angefahren, durch die Steigerung in diesem Bereich kann daher besonders viel Energie gespart werden.

Auch im niedrigen Drehmomentenbereich beim Fahren ist der Wirkungsgrad über alle Drehzahlen um mindestens 10 Prozentpunkte erhöht. Dies sind Betriebspunkte, die bei klassischen Straßenbahnstrecken häufig angefahren werden.

Die Leistungsdichte kann sowohl bezogen auf das Volumen als auch auf die Masse betrachtet werden.

Die volumetrische Leistungsdichte ist der Quotient aus der Leistung der Maschine und ihrem Bauvolumen. Die auf die Masse bezogene Leistungsdichte wird nur als Leistungsdichte bezeichnet. Sie wird aus dem Quotienten der Leistung der Maschine und ihrer Masse bestimmt. Die relevanten Eckdaten der Antriebsmaschinen sind in Tab. 2 zusammengestellt.

Tab. 2 Relevante Eckdaten der Maschinen
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Auf der Abb. 8 sind die beiden Motoren nebeneinander aufgebaut zu sehen.

Abb. 8
figure 8

Größenvergleich Antriebsmaschinen

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Der Größenunterschied wird dort bereits deutlich. Die Länge der hochdrehenden Maschine beträgt nur noch 78 % der Länge der Referenzmaschine und der Durchmesser nur noch 76 %.

Das Volumen der hochdrehenden Maschine beläuft sich auf 40 % der Referenzmaschine.

Die S1-Dauerleistung der hochdrehenden Maschine ist geringer, da die Analyse der Fahrspiele eine genauere Auslegung ermöglicht hat und sie besser überlastet werden kann. Die Masse der hochdrehenden Maschinen beträgt noch 39 % der Masse der Referenzmaschine.

Daraus ergibt sich eine 1,69-fach größere volumetrische Leistungsdichte und eine 1,75-fach so große Leistungsdichte.

5 Diskussion

Bei einer reinen Betrachtung der Antriebsmaschine sind die Vorteile der hochdrehenden Maschine offensichtlich. Sowohl Wirkungsgrad als auch Leistungsdichten steigen an. Die systematische Vorgehensweise zur Auslegung der Maschine ermöglicht es höhere Wirkungsgrade in den relevanten Betriebspunkten zu erreichen. Der durchschnittliche Wirkungsgrad wird um 7 Prozentpunkte erhöht, in den relevanten Anfahr- und Fahrbereichen sogar um bis zu 15 Prozentpunkte.

Eine solche gesonderte Betrachtung des Motors ermöglicht keine abschließende Bewertung für den Einsatz in Straßenbahnen. Eine Bewertung kann nur bei einer ganzheitlichen Betrachtung des Antriebsstrangs realisiert werden. Hierbei wird im Rahmen des Projekts MTAB die Nutzung eines Stromrichters mit Siliciumcarbid angestrebt.

Dieser wird durch die hohen Schaltfrequenzen notwendig und hat zusätzlich auch in diesem Bereich einen höheren Wirkungsgrad. Die Kosten steigen durch den Einsatz des teureren Siliciumcarbids [11].

Allerdings wird durch den hochdrehenden Antrieb ein Getriebe mit einer fünfmal so großen Übersetzung benötigt. Dies wird nur durch eine weitere Getriebestufe realisierbar sein, was eine Veränderung des Bauraums nach sich ziehen wird. Eine weitere Getriebestufe bedeutet einen weiteren Zahneingriff und zusätzliche Lager. Dadurch steigen die Verzahnungs- und Lagerverluste. Zusätzlich gibt es drehzahlabhängige Verluste, die durch die höheren Drehzahlen wichtiger werden [12].

Zur ganzheitlichen Bewertung wird daher im weiteren Verlauf des Projektes MTAB der Wirkungsgrad und der Bauraum des kompletten Antriebsstrangs betrachtet.

Um weitere Herausforderungen wie die Fliehkraftbelastung des Rotors, die Grenzdrehzahlen der Lager, Geräusche, die Wuchtung sowie biegekritische Drehzahlen zu analysieren wird ein Antriebsprüfstand aufgebaut.

6 Konklusion

Eine systematische Vorgehensweise bei der Auswahl und Auslegung von Antrieben für Straßenbahnen ermöglicht es, die optimalen Technologien und Konstruktionen zu ermitteln. Die so ausgewählte Asynchronmaschine hat eine gesteigerte Effizienz gegenüber einem herkömmlichen Straßenbahnmotor. In Kombination mit einer höheren Drehzahl wird zudem eine gesteigerte Leistungsdichte sowohl in Bezug auf die Masse als auch auf das Volumen erreicht.

Die Ergebnisse der Verlustleistungsrechnungen müssen noch durch Prüfstandsversuche validiert werden. Außerdem muss für den Einsatz in Straßenbahnfahrzeugen das Gesamtsystem bestehend aus Stromrichter, Maschine und Getriebe betrachtet werden, um den hochdrehenden Antriebsstrang abschließend bewerten zu können.