Schienenfahrzeugtechnik: Antriebstechnik

Zu Anfängen der Schienenfahrzeuge wurden die Gefährte von Pferden auf den Schienen gezogen.

Elektroantriebe

Stromsysteme

Bei Vollbahnen haben sich in Europa 4 verschiedene Stromsystem durchgesetzt. Zum einen die Gleichstromsystem mit 1,5 kV (u.a. I, B und E) und 3 kV (u.a. NL), auf der anderen Seite die Wechselstromsystem 15 kV, 16 2/3 Hz Wechselstrom (u.a. D, A, CH) und 25 kV, mit 50/60 Hz Wechselstrom (u.a. in F, GB, USA, J). Im großen und ganzen läßt sich aber sagen, dass sich die Wechselstromtechnik langsam aber sicher endgültig durchsetzt, neuere Projekte wurden in der Regel in der 25kV, 50Hz Technik ausgeführt. (Dänemark, w:Neubaustrecke Madrid–Barcelona–Französische Grenze, w:Schnellfahrstrecke Rom–Neapel)

- Bild: Europakarte Stromnetze -

Die Stromspeisung erfolgt zum überwiegenden Teil über eine Oberleitung, z.T. kommen aber auch Stromschienen zum Einsatz (Bsp. w:S-Bahn Berlin, aber auch noch in Teilen Englands und Südfrankreichs).

Gleichstrommotoren

Wechselstrommotoren

Drehstrommotoren

Aufbau: Ein Drehstrommotor besteht aus einem Stator (Ständer) und einem Rotor (Läufer). Der Stator besitzt 3 Spulen, welche um 120 Grad versetzt angeordnet sind. Werden diese 3 Statorspulen mit Strom versorgt, so erzeugen sie ein umlaufendes Magnetfeld (Drehfeld). Dieses Magnetfeld wird in den Rotor induziert. Der Rotor wiederum besteht aus vielen Wicklungen, die als Stäbe ausgeführt sind und an ihren Enden zusammengefasst sind. Dadurch entsteht ein Kurzschluss weswegen der Rotor (Läufer) auch Kurzschlussläufer genannt wird.

Funktion: In die Wicklungen des Rotors wird eine elektromagnetische Kraft induziert, welche vom umlaufenden Magnetfeld erzeugt wird. Durch die geschlossene Bauweise des Rotors ist der Stromkreis dauerhaft geschlossen und ein Strom kann fließen. Aufgrund dieser Tatsache wird ein Läufermagnetfeld erzeugt. Die beiden entstandenen Drehfelder, von Stator und Rotor, bilden zusammen ein Drehmoment, wobei das des Rotors (Läufer) immer versucht das des Stators (Ständer) einzuholen. Da der Läufer aber den Ständer im Fahrbetrieb nicht einholen kann, entsteht eine Differenz zwischen den beiden Drehzahlen. Somit kann man sagen, dass der Läufer a-synchron zum umlaufenden Drehfeld läuft. Ein Einholen bzw. Überholen entsteht erst bei einem Bremsvorgang. Hierbei funktioniert der Motor dann nicht mehr als Motor sondern als Generator. Man spricht hierbei von der elektrodynamischen Bremse. Möchte man nun die Drehzahl des Motors vergrößern, könnte man die Frequenz erhöhen oder die Polpaarzahl verringern. Aufgrund der Tatsache, dass die Polpaarzahl aber eine feste Größe ist, muss die Frequenz für die Drehzahlvergrößerung erhöht werden. Für diese Vergrößerung ist der Pulswechselrichter zuständig. Bei steigender Drehzahl muss die Spannung gleichermaßen erhöht werden, weil sonst die Differenz zwischen den beiden Drehfeldern zu klein wird. Das Drehmoment würde zu klein werden. Auch für diese Aufgabe ist der Pulswechselrichter (PWR)zuständig.

Vorteile: Wegfall der Bürsten (bei der Synchronmaschine werden die Bürsten durch Schleifringe ersetzt, die aber die deutlich geringere Erregerleistung des Läufers) übertragen müssen.

Linearmotoren

Verbrennungsmotor

Dieselmotor

Mit einem Dieselantrieb sind derzeit weltweit die meisten Lokomotiven ausgestattet. Benzinmotoren finden wegen der höheren Betriebskosten nur in Kleinloks Anwendung.

Beim Dieselantrieb wird in der Regel zwischen der Art der Kraftübertragung von Antrieb auf Abtrieb unterschieden. Es gibt Diesel-Mechanischen Antrieb, Diesel-Elektrischen Antrieb und Diesel-Hydraulischen Antrieb. Wobei die mechanische Kraftübertragung in der möglichen Leistung begrenzt ist, weshalb dies nur bei Kleinlokomotiven eingesetzt wird.

Diesel-Hydraulischer Antrieb

Die Drehmoment-Drehzahl-Wandlung erfolgt mittels hydraulischem Wandler.

Diesel-elektrischer Antrieb

Der Dieselmotor die Leistungsübertragung findet elektrisch statt, d.h. der Verbrennungsmotor erzeugt mit einem Generator Strom, welcher in Elektromotoren in mechanisches Drehmoment umgewandelt wird. Der Nachteil an der elektrischen Leistungsübertragung ist das große Gewicht, was Verbrennungsmotor, Generator und Antriebsmotoren zusammen darstellen.

Gasturbine

Sonstige?

Dampfantrieb

Der Dampfantrieb ist eine der ältesten Antriebsarten für Schienenfahrzeuge. Die Grundfunktionsweise besteht darin, dass durch Hitze Wasserdampf entsteht und dieser dann einen Kolben durch den Überdruck bewegt. Aus dieser Vor-Zurückbewegung gewinnt man mit Hilfe eines Schwingrades eine Kreisbewegung, welch dann als Antrieb genutzt wird.

Unkonventionelle Antriebe

Magnetantrieb

(siehe http://www.magnetbahn-bayern.de/angetrieben.html)

Gasantrieb

(siehe http://www.swr.de/eisenbahn-romantik/archiv/575/index.html?navigid=115)

Getriebe und Wandler

Wie in jedem typischen Fall eines Traktionsantriebes, müssen auch im Bereich der Schienenfahrzeuge die Motorkennfelder an die zur Erfüllung der Traktionsaufgaben erforderlichen Lieferkennfelder angepasst werden.

Dies erfüllen sogenannte Kennungswandler, die sich als Drehmomentwandler (Getriebe) oder reine Drehzahlwandler (Kupplung) darstellen lassen.

Typische Motorkennfelder sind: