Vontatómotor

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.

A vontatómotor (szokás még trakciós motorként is emlegetni) a jármű kerekeit hajtó villamos motor.

Kevés olyan motortípus van, mely képes álló helyzetből elindulni. A belsőégésű motorok pl. nem alkalmasak erre, emiatt szükséges sebességváltót alkalmazni. Képes elindulni magától a gőzgép, illetve az elektromotorok két fajtája: az egyenáramú motorok illetve a háromfázisú aszinkronmotorok. Ez utóbbi két típus a legfontosabb két kategória a villamos vontatómotorok között. A többi típusnál (gázturbina, dízelmotor stb. gyakran külön indítómotort alkalmaznak, ami leggyakrabban egy egyenáramú motor (akkumulátorról táplálva).)

A villamos motorok két fő alkatrésze a forgórész és az állórész. Az állórész tekercseiben folyó áram mágneses mezőt hoz létre (ezt hívják "gerjesztésnek"). A forgórész szintén vezetőhurkokból áll össze (ezek általában jóval kisebb mentszámúak, mint a forgórész tekercsei), amelyekben szintén áram folyik. A külső mágneses mezőben az áramjárta vezetőkre Lorentz-erő hat, amely forgatónyomatékot hoz létre a forgórészben (szakzsargonban "nyomatéknak" szokás ezt hívni, bár a nyomaték kifejezés fizikai értelemben nem csak ezt jelenti).

Az egyenáramú motorok illetve a háromfázisú motorok alapvetően eltérnek atekintetben egymástól, hogy:

miként kerül áram a forgórészbe,
illetve miként viselkedik a gerjesztés térben és időben.

Az egyenáramú motorok értelemszerűen egyenárammal vannak megtáplálva, emiatt a külső gerjesztés kvázisztatikus: iránya meghatározott (a mágneses erővonalak a tekercs É-D-i pólusai között húzodnak), időbeli változása pedig nem azonos skálán van a motor forgórészének periódusidejével (azaz lényegében statikusnak tekinthető a motor forgási frekvenciájánál). A forgórészbe pedig kívülről jut be az áram az ún. kommutátoron keresztül. A kommutátor szerepe az, hogy a forgórészen átfolyó áram az egyenletes forgatónyomaték elérése érdekében külső rendszerből nézve a forgás ellenére szintén állandó mintázatot hozzon létre (azaz az árammintázat a forgórésszel együttforgó rendszerben a motor forgási frekvenciáján körbefordul). Amennyiben nem ezt tennék (pl. ha a forgórészt egy állandó mágnessel helyettesítenék), a motor körforgás helyett csillapodó rezgőmozgásba kezdene (lásd: iránytű). A kommutátor a motor végén egy hengerpalástot alkot, mely sok egymástól elszigetelt szeletből áll össze (ún. "kommutátorszeletből"), melyhez a forgórész vezetőhurkainak vége csatlakozik (egy szelethez több vezetőhurok is). A külső rendszerből nézve állandó árammintázat úgy jön létre, hogy az áram hozzá- és elvezetését egy-egy kívülről a kommutátor palástján végigcsúszó szénkefén keresztül oldják meg.

A korai villamosított vasútvonalakon ezért terjedt el kezdetben az egyenáramú vontatás (pl. Olaszországban a 3 kV egyenáram, a Budapesti HÉV-en az 1 kV egyenáram, a villamosoknál a 600 V egyenáram). Megjegyzendő, hogy ezen az elven egyfázisú váltóárammal is lehetne üzemeltetni a motort, és ez alacsony frekvencián működik is. A német nyelvterületen ezért terjedt el a 16 2/3 Hz-es vasúti vontatófeszültség (hazánkban a Rákospalota – Veresegyház – Vác – Gödöllői HÉV volt ilyen feszültséggel villamosítva). Ám nagyobb frekvencián a motor kommutátora az indukciós hatások következtében komoly szikrázásokba kezdhet, mely végül "körtűz"-höz vezethet (ez egy villamos ívhúzás két – egymástól normális esetben elszigetelt – kommutátorszelet között, mely végigugorhat sorban az összes kommutátorszeleten, teljes kör alakú rövidzárlatot okozva). A legmagasabb egyfázisú frekvenciát hagyományos motorok mellett az Innsbruck mellett Stubaitalbahn-on alkalmazták 1983-ig (50 Hz, 3 kV).

A nagyobb mágneses gerjesztés végett mind a forgórész, mind az állórész tekercselés vasmagot vesz körül, mely természetesen elektromosan el van szigetelve a vezetőktől. Az UV típusú villamosoknál a forgórész kommutátorai között csillámlemez szigetelést alkalmaznak, a vezetőhurkok pedig megfelelő bevonattal és gyantával vannak kiszigetelve.

A háromfázisú motorokat háromfázisú váltakozó feszültségről üzemeltetik. A motor gerjesztése így periodikus: az állórész tekercsek forgó mágneses mezőt hoznak létre, mely a betáplált váltóáram frekvenciáján forog körbe. A legegyszerűbb elrendezésekben a motorok forgórésze pedig zárt hurkokból áll, oda kívülről áram nem jut be. Amennyiben a motor forgórészének fordulatszáma illetve a külső mágneses mező fordulatszáma között eltérés van, a változó mágneses mező indukciós hatása következtében áram indukálódik a forgórészben; az így indukált áramra pedig forgató erő hat, amely Lenz törvényének értelmében igyekszik lerontatni eme indukciós hatást: azaz igyekszik a motor forgórészének fordulatszámát szinkronba hozni a mező fordulatszámával. Amennyiben a motor nyomatékot ad le, ez a szinkronizálódás nem jön teljesen létre, ezért nevezik ezt a motort aszinkronmotornak. Ha a motor forgórészének fordulatszáma az állórész által gerjesztett mágneses mező fordulatszáma felett van, a motor fékező hatást fejt ki.

A motor fordulatszáma azonban nem térhet el jelentősen a mező fordulatszámától. Az ún. billenőnyomaték alatt (ami kb. 5-10%-os eltérésű a mező fordulatszámához képest) a motor kieshet a szinkronból. Ekkor az elektromos energia mechanikai munka helyett javarészt inkább hővé alakul, mely a motor leégéséhez vezet (lényegében az aszinkronmotor indukciós kemenceként kezd el működni). Emiatt a járműtechnikában a motor fordulatszámszabályozásához változtatható frekvenciájú váltóárammal kell táplálni, mellyel megfelelő pontossággal kell követni a motor forgási frekvenciáját. Ez ma már nem okoz problémát, de az erősáramú elektronikus rendszerek előtti világban (az 1980-as évek előtt) komolyan akadályozta a háromfázisú motorok elterjedését. A Kandó-mozdonyokon – amelyek háromfázisú motorokkal rendelkeztek már a '30-as években – pl. nagyobb volt a változtatható frekvenciájú váltóáramot előállító berendezés, mint maga a vontatómotor, és ez a rendszer is összesen négyféle frekvenciát tudott előállítani (a V40-es mozdony ezért csak 25, 50, 75 és 100 km/h-s sebességgel volt képes huzamosan haladni).

A régebbi aszinkronmotoroknál gyakran a teljesen zárt forgórész helyett mégis alkalmaztak elektromos kivezetést a külvilágba – kommutátor helyett azonban jóval egyszerűbb csúszógyűrűket alkalmaztak. Ezt főként az elindításhoz használták: ha nem lehetett a gerjesztő mező frekvenciáját kellő finomsággal szabályozni, helyette áramkorlátozó ellenállások beiktatásával az indukciós kemencehatást igyekeztek korlátozni arra az időtartamra, amig a motor a billenőnyomatékon belüli tartományra szinkronizálódik. A Kandó-mozdonyokon erre használták az ún. víz-indítóellenállásokat.

[szerkesztés] Fordulatszám-szabályozás

Az egyenáramú motoroknál kétféle elrendeződést különböztethetünk meg:

a soros motorokat – ahol a forgórész és az állórész tekercselése sorba van kötve,
illetve a mellékáramkörű motorokat, ahol az állórész gerjesztése egy a forgórésztől független áramkörben van szabályozva ("külső gerjesztés").

Léteznek bonyolultabb elrendezések is, olyan kölönleges motorokban, ahol több állórész vagy forgórész tekercserlés van beépítve. Több állórésznél alkalmaztak ún. vegyes gerjesztést: ahol az egyik állórészt sorba kötötték a forgórésszel, a másik állórész pedig külső gerjesztésként szolgált. Ilyen motorokat alkalamznak pl. a ZIU-9-es trolibuszokon. A kettős forgórész rendkívül különleges, régi trolibuszokon alkalmazták, ahol egy motorral soros-párhuzamos átkapcsolást tudtak megvalósítani. Magyarországon ilyen jármű nem volt.

A soros motorok a legelterjedtebb elrendeződést jelentik, szinte kizárólag ilyennel találkozhatunk a régebbi magyarországi villamosokon (UV, Bengáli, ICS és KCSV villamosok, Tátra villamosok, TW6000), a mai metró-, HÉV és Fogaskerekű szerelvényeken, a GVM trolibuszokon illetve a hazai régebbi dízel-elektromos- (M40, M44, M61, M62) és villanymozdony típusokon (V43, V63). A soros motorok legnagyobb előnye ugyanis a nagy indítási nyomaték. Induláskor a motoráramot korlátozni kell, erre korábban indító előtétellenállásokat, manapság elektronikus szaggatós berendezést alkalmaznak, a dízel-elektromos mozdonyokon pedig a fődinamó/-generátor feszültségét szabályozták. A soros motoroknál – főként nagyobb sebességnél – további szabályozás érhető el az állórésszel párhuzamosan kapcsolt ún. "söntellenállás" beiktatásával. Elvileg a soros motor fordulatszámát nem korlátozza egyik áramköri elem sem, súrlódás nélkül a végtelenségig tudna gyorsulni.

A soros motorok állórészének pólusátkapcsolásával a motor fékező erőt is kifejthet, ezt hívják villamosfékezésnek. Ekkor lényegében a motor dinamóként üzemel.

A mellékáramkörű motorok kevésbé terjedtek el. Ennek oka az, hogy kisebb indítási nyomatékot lehet velük elérni, illetve az állórésztekercs áramszintjét szabályozni kellett a túláram ellen (a soros motornál a forgórészben keltett ellenelektromos erő automatikusan korlátozza az állórésztekercsben folyó áramszintet). Ilyen elrendezésű volt a régi (sárga) fogaskerekű mozdonya, ahol az állórész által keltett gerjesztést előtétellenállásokkal szabályozták. Az elrendeződés előnye volt, hogy a motor a gerjesztéstől függően stabilan egy állandó fordulatszámot tartott. Ez a sárga fogasnál 0-13 km/h-között valósult meg, a beállított sebesség felett a jármű áramvisszatáplálással fékezett (ez lejtmenetben volt érdekes). Ugyanezért alkalmazták a régi trolikon is a vegyes gerjesztésű motorokat (itt az indításhoz volt egy sorosan kapcsolt állórész, a magasabb sebességnél viszont a mellékáramkörű gerjesztéssel ment a szabályzás), ott az állandó fordulatszám pl. a régi IK-60T trolibuszokon 20-50 km/h haladási sebesség között volt szabályozható.

A háromfázisú aszinkronmotoroknál a tápláló feszültség frekvenciáját kell szabályozni, miközben az állórész tekercsek túláramának kivédése érdekében a feszültségamplitúdót is kontroll alatt kell tartani (különösen elinduláskor). Ezt az ún. inverter segítségével teszik manapság: ez egy olyan berendezés, amely egyenáramból szaggatós berendezéssel effektív váltóáramot hoz létre. Ilyen berendezés üzemel a Combino villamoson, a korszerű trolibuszokon (IK-435T, IK-412T, Solaris), illetve a korszerű villamosmozdonyokon is (Siemens 1047-es típus) és a villamos motorkocsikon is (BVmot, BDVmot, Bombardier Talent, Stadler Flirt).

[szerkesztés] A kerék és a motor kapcsolata

A leggyakoribb elrendeződésben a motor fordulatszáma nem egyezik meg a kerék fordulatszámával (ez általában túl alacsony a motoroknak). A két szerkezet között ezért áttételt és erőátvitelt alkalmaznak. Ez vasúti járművekben általában egyfokozatú szokott lenni. A jármű pályára gyakorolt igénybevételét csökkentendő ez a kapcsolat általában rugózottan valósul meg. Léteznek áttétel nélküli megoldások, ahol a motor tengelye azonos a kerék tengelyével (ún. kerékagymotorok), ám ezeket a megoldásokat nagy hőterhelésük és rugózatlanságuk miatt lehetőség szerint elkerülik.