Trakcijski motor: definicija in uporaba v električnih vozilih ter železnici
Trakcijski motor: razumite definicijo, delovanje in ključne uporabe v električnih vozilih in železnici — od lokomotiv do EV pogonov.
Oglejte si tudi: Električno vozilo in Električni motor
Trakcijski motor je vrsta električnega motorja. Trakcijski motor se uporablja za ustvarjanje vrtilnega momenta na stroju. Običajno se spremeni v gibanje v ravni črti.
Vlečni motorji se uporabljajo v železniških vozilih na električni pogon, kot so električne motorne enote in električne lokomotive. Uporabljajo se tudi v električnih vozilih, kot so električni mlekomati, dvigala in transporterji. Vozila z električnimi prenosnimi sistemi, kot so dizelsko-električne lokomotive, električna hibridna vozila in električna vozila na baterijski pogon.
Osnovna funkcija in zahteve
Trakcijski motor mora zagotoviti visok zagonni navor, širok odstotek hitrosti oziroma vrtljajev in zanesljivo delovanje v spremenljivih pogojih (vreme, obremenitev, pogosti zagon/ustavitev). Pri železniških in cestnih aplikacijah so pomembni tudi trajnost, učinkovitost in sposobnost regenerativnega zaviranja, kjer se kinetična energija povrne v omrežje ali shrani v bateriji.
Vrste trakcijskih motorjev
- ENKOMUTATORSKI (DC) motorji – enostavna regulacija momenta z napetostjo ali tokom; v zgodovini pogosto uporabljeni v vlakih in tramvajih, danes pa zaradi vzdrževanja ščetk in komutatorja manj razširjeni.
- Asinhronski (indukcijski) motorji – robustni, brez ščetk, dobro delujejo z modernimi frekvenčnimi pretvorniki; pogosti v sodobnih lokomotivah in električnih vozilih.
- Sincroni motorji – vključno s stalnimi magneti (PMSM) in sinhronskimi motorji z ojačevalnimi tuljavami; omogočajo večjo gostoto moči in boljši izkoristek pri določenih pogojih.
- Strokovno reluctančni (SRM, switched reluctance) – preprosta in robustna konstrukcija, brez magnetov, v porastu zaradi odpornosti in dobre zanesljivosti pri ekstremnih pogojih.
Princip delovanja in krmiljenje
Trakcijski motor sprejema električno energijo in jo pretvarja v mehansko vrtilno silo. Pri sodobnih sistemih napetost in frekvenco motorja nadzoruje vlečni pretvornik ali inverter, ki pretvarja enosmerno ali izmenično napetost v primerno obliko za motor. Za optimalno izrabo so uporabljeni regulacijski algoritmi, kot so vektorni nadzor (field-oriented control) ali sinusno vektorsko krmiljenje.
Mehanska integracija in hlajenje
Trakcijski motorji so običajno neposredno povezani z gredjo ali preko menjalnika, odvisno od zahtev po hitrosti in navora. V železniških vozilih se motorji lahko montirajo na os (axle-hung), na podvozje (bogie-mounted) ali v karoserijo z reduktorjem. Hlajenje je ključno — zračno, tekočinsko ali kombinirano — saj visoke obremenitve ustvarjajo velike toplotne tokove.
Regenerativno zaviranje in shranjevanje energije
Mnogi sodobni trakcijski sistemi podpirajo regenerativno zaviranje, pri katerem motor deluje kot generator in energijo vrača nazaj v omrežje ali vzelakovnim sistemom (npr. baterijam ali superkapacitorjem). To poveča energijsko učinkovitost in zmanjša obrabo zavornih komponent.
Uporaba v železnici in električnih vozilih
- V železnici so trakcijski motorji srce lokomotiv, električnih vlakov (EMU) in tramvajev; omogočajo visoke vlečne sile, hitro pospeševanje in natančno krmiljenje hitrosti.
- V avtonomnih in osebnih električnih vozilih zagotavljajo tiho in prostorsko učinkovito pogonsko silo; v vozilih se uporabljajo predvsem PMSM in asinhronski motorji.
- V industrijskih aplikacijah (dvigala, transporterji, specialna vozila) se cenijo zanesljivost in zmožnost dela pri visokih obremenitvah.
Prednosti in slabosti
- Prednosti: visoka učinkovitost pri delovanju, možnost regeneracije, natančno krmiljenje, dolga življenjska doba (pri sodobnih brezkomutatorskih izvedbah).
- Slabosti: začetni stroški napredne elektronike in močnih magnetov (pri PMSM), potreba po hlajenju, včasih dodatno vzdrževanje pri komutatorskih izvedbah.
Vzdrževanje in zanesljivost
Redno vzdrževanje vključuje pregled ležajev, tesnil, električnih povezav in sistema hlajenja. Pri motorjih s ščetkami je potrebno tudi menjavanje ščetk in pregled komutatorja. S sodobno diagnostiko (telemetrija, merjenje vibracij in termografija) je mogoče predvideti in preprečiti okvare.
Gledišča v prihodnosti
Razvoj močnih trajnih magnetov, izboljšave v silicijevih karbidnih (SiC) in galijevih nitridnih (GaN) polprevodnikih za pretvornike, boljše možnosti za regeneracijo in energijsko shranjevanje ter lažji materiali vodijo k še bolj učinkovitih in kompaktnih trakcijskih sistemih. Poseben poudarek je tudi na zmanjšanju vzdrževanja in povečanju energetske gostote pri zagotavljanju varnosti in zanesljivosti v prometnih sistemih.
Če želite več podrobnosti o sorodnih temah, si oglejte tudi zgornje povezave na Električno vozilo in Električni motor, kjer so obravnavane širše teme pogonskih sistemov in električnih motorjev.
Uporaba v prometu
Železnica
Železnice so najprej uporabljale motorje na enosmerni tok. Ti motorji so običajno delovali z napetostjo približno 600 voltov. Za nadzor preklopa motorjev na izmenični tok so bili razviti zmogljivi polprevodniki. Zaradi njih so postali izmenični indukcijski motorji boljša izbira. Indukcijski motor ne potrebuje kontaktov v notranjosti motorja. Ti izmenični motorji so preprostejši in zanesljivejši od starih enosmernih motorjev. Indukcijski motorji na izmenični tok so znani kot asinhroni vlečni motorji.
Pred sredino 20. stoletja je en sam velik motor pogosto poganjal več koles prek ojnic. Tako so parne lokomotive vrtele pogonska kolesa. Zdaj se običajno uporablja en trakcijski motor za pogon vsake osi prek zobniškega gonila.
Običajno je vlečni motor nameščen med okvir kolesa in pogonsko os. Temu pravimo "vlečni motor, ki je nameščen na nosu". Težava pri tej namestitvi je, da je del teže motorja na osi. Zaradi tega se tir in okvir hitreje obrabljata. Električne lokomotive "Bi-Polar", ki jih je za družbo Milwaukee Road izdelala družba General Electric, so imele motorje z neposrednim pogonom. Vrtljiva gred motorja je bila tudi os za kolesa.
Motor na enosmerni tok je sestavljen iz dveh delov; vrteče se armature in fiksnega navitja polja. Polno navitje, imenovano tudi stator, obdaja navitje. Polje navitja je sestavljeno iz tesno navitih žičnih tuljav v ohišju motorja. Armatura, imenovana tudi rotor, je še en sklop žičnih tuljav, navitih okoli osrednje gredi. Orodje je povezano z navitji polja prek ščetk. Ščetke so vzmetni kontakti, ki pritiskajo na komutator. Komutator pošilja električno energijo v krožnem vzorcu na navitja polja. Motor z zaporednim navitjem ima zaporedno povezano navitje kotve in navitje polja. Serijsko navit motor na enosmerni tok ima majhno električno upornost. Ko na motor priključimo napetost, se v motorju ustvari močno magnetno polje. To ustvarja velik navor, zato je primeren za zagon vlaka. Če bi v motor poslali več toka, kot je potrebno, bi bil navor prevelik in kolesa bi se zavrtela. Če se v motor pošlje prevelik tok, se lahko motor poškoduje. Za omejevanje toka pri zagonu motorja se uporabljajo upori.
Ko se motor na enosmerni tok začne vrteti, se magnetna polja v njem začnejo združevati. Ustvarijo notranjo napetost. Ta elektromagnetna sila (EMF) deluje proti napetosti, ki se pošilja v motor. EMF uravnava pretok toka v motorju. Ko se motor pospeši, se EMF zmanjša. V motor teče manjši tok, zato motor ustvarja manjši navor. Motor preneha povečevati hitrost, ko je navor enak (enak) vlečenju vlaka. Da bi vlak pospešil, je treba v motor poslati več napetosti. Za povečanje napetosti odstranimo enega ali več uporov. To bo povečalo tok. Navor se bo povečal, s tem pa tudi hitrost vlaka. Ko v vezju ni več nobenih uporov, se celotna omrežna napetost priključi neposredno na motor.
Pri električnem vlaku je moral strojevodja sprva hitrost uravnavati tako, da je ročno spreminjal upor. Do leta 1914 se je začelo uporabljati samodejno pospeševanje. To se je doseglo s pospeševalnim relejem v motornem tokokrogu. Pogosto se je imenoval relej za vrezovanje. Rele je opazoval padec toka in nadzoroval upor. Vse, kar je moral voznik storiti, je bilo, da je izbral nizko, srednjo ali polno hitrost. Te hitrosti se po načinu ožičenja motorjev imenujejo šuntna, zaporedna in vzporedna hitrost.
Cestna vozila
Oglejte si tudi: Hibridno električno vozilo in Električno vozilo
Cestna vozila (avtomobili, avtobusi in tovornjaki) tradicionalno uporabljajo dizelske ali bencinske motorje z menjalnikom. V drugi polovici 20. stoletja so se začela razvijati vozila z električnimi prenosnimi sistemi. Ta vozila imajo vir električne energije iz baterij ali gorivnih celic. Poganjajo jih lahko tudi motorji z notranjim izgorevanjem.
Prednost uporabe električnih motorjev je, da lahko nekateri tipi proizvajajo energijo. Med zaviranjem delujejo kot dinamo. To pripomore k večji učinkovitosti vozila.
Hlajenje
Zaradi velike moči, ki jo uporabljajo pogonski motorji, ustvarjajo veliko toplote. Običajno jih je treba hladiti, pogosto s prisilnim zrakom.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je vlečni motor?
O: Vlečni motor je vrsta elektromotorja, ki se uporablja za ustvarjanje vrtilnega momenta na stroju in njegovo pretvorbo v gibanje po ravnem.
V: V katerih vrstah železniških vozil na električni pogon se uporabljajo vlečni motorji?
O: Vlečni motorji se uporabljajo v električnih motornih vlakih in električnih lokomotivah.
V: Kje drugje se poleg železniških vozil uporabljajo vlečni motorji?
O: Trakcijski motorji se uporabljajo tudi v električnih vozilih, kot so mlekomati, dvigala in transporterji.
V: Katere vrste vozil uporabljajo električne prenosne sisteme in zato tudi vlečne motorje?
O: Vozila z električnimi prenosnimi sistemi, kot so dizelsko-električne lokomotive, električna hibridna vozila in električna vozila na baterije, uporabljajo vlečne motorje.
V: Kakšen je namen vlečnega motorja?
O: Namen vlečnega motorja je ustvariti vrtilni moment na stroju in ga pretvoriti v gibanje po ravnem.
V: Ali so električna vozila edina vozila, ki uporabljajo vlečne motorje?
O: Ne, tudi dizelsko-električne lokomotive in električna hibridna vozila uporabljajo vlečne motorje v svojih električnih prenosnih sistemih.
V: Ali lahko naštejete nekaj primerov električnih vozil, ki uporabljajo vlečne motorje?
O: Električni mlekomati in električna vozila na baterijski pogon uporabljajo vlečne motorje.
Iskati