Sie befinden sich hier:

04.10.2018

Neue Antriebsmotoren für historischen Kaiserwagen

BENNING führte eine Läufer-Ständer-Konfiguration am historischen Kaiserwagen der Wuppertaler Schwebebahn durch, damit dieser auch in Zukunft für Rundfahrten und Festlichkeiten genutzt werden kann.

Reduzierung der Taktzeit

Ziel der WSW mobil GmbH ist es, bis Frühjahr 2019 alle 27 alten Fahrzeuge durch 31 neue Fahrzeuge zu ersetzen. Diese sollen eine höhere Durchschnittsgeschwindigkeit erreichen und somit die Taktzeit in der Hauptverkehrszeit von drei auf zwei Minuten reduzieren.
Analog zur Leistungserhöhung ändern sich auch die Anforderungen an die Netzspannung: Alle neuen Fahrzeuge und auch der historische Kaiserwagen müssen nicht mehr für eine Netzspannung von 600 V, sondern für 750 V DC ausgelegt sein.

Historisches Laufwerk, demontiert zur Datenaufnahme
Historisches Laufwerk, demontiert zur Datenaufnahme

Die Wuppertaler Schwebebahn gilt als eines der längsten Wahrzeichen weltweit. Auf der Strecke eines 13,3 Kilometer langen Bahnsystems befördert sie täglich rund 70.000 Fahrgäste durch die bergische Großstadt. Ein besonderes Highlight: Eine Fahrt im nostalgischen Ambiente des historischen Kaiserwagens. Mit diesem machten Kaiser Wilhelm II. und seine Gemahlin Auguste Viktoria im Jahr 1900 die Eröffnungsfahrt durch das Wupper-Tal – etwa zweieinhalb Jahre nach Baubeginn der Schwebebahn.

Bis heute ist der Kaiserwagen der Nachwelt erhalten geblieben und hat zwei Weltkriege sowie mehrere Generationen von Wagen älterer Bauart überdauert. Parallel zum regulären Linienverkehr wird er nicht nur für Rundfahrten genutzt, sondern auch als Veranstaltungsort für z. B. Geburtstage, Jubiläen oder Hochzeiten. Damit „die gute Stube Wuppertals“, wie der historische Wagen gerne genannt wird, auch zukünftig für Fahrten und Festlichkeiten zur Verfügung steht, muss sie an die erhöhte Netzspannung der neuen Wagen­generation angepasst werden.
Wurde der Kaiserwagen bisher von vier Reihenschlussmotoren mit je 25 kW bei 600 V DC angetrieben, so soll bei der neuen Fahrzeugreihe der „Generation 15“ ausschließlich eine 750 V DC-Netzspannung für die Drehstrom-Asynchronmotoren zum Einsatz kommen, um u. a. eine Taktzeit von nur zwei Minuten zu ermöglichen.

Anpassung an neues Betriebssystem

Damit die Motoren des Kaiserwagens an die Spannungsverhältnisse des neuen Betriebssystems angepasst werden können, ist die Durchführung einer neuen Läufer-Ständer-Konfiguration notwendig.
Diese stellt im Rahmen der Modernisierung einen besonders komplexen und aufwendigen Prozess dar, welcher nur von sehr wenigen Unternehmen fachgerecht realisiert werden kann.

Denn wie und wo fängt man an, wenn keinerlei technische Unterlagen existieren, sondern nur ein veraltetes, wenn auch funktionsfähiges Mustergestell, das bereits 1900 zur Aufhängung der Schwebebahn eingesetzt wurde?

Eine Herausforderung wie gemacht für den BENNING Bereich elektrische Maschinen (BeM), welcher mit seinem Know-how sowie seiner langjährigen Erfahrung in der Instandsetzung und dem Neu- und Nachbau elektrischer Motoren die entsprechenden Lösungsstrategien entwickelte und umsetzte.

Auftraggeber war die WSW mobil GmbH als Betreiber der Wuppertaler Schwebebahn.

Historischer Radsatz des Kaiserwagens Ursprungsausführung: Läufer und Feldspule von 1900 Datenerfassung im Prüffeld BEM

Bild 1: Historischer Radsatz des Kaiserwagens
Bild 2: Ursprungsausführung: Läufer und Feldspule von 1900
Bild 3: Datenerfassung im Prüffeld BEM

Läufer-Ständer-Konfiguration

Im Rahmen der Läufer-Ständer-Konfiguration konnten nach erfolgreicher Montage des Mustergestells auf den unternehmenseigenen Leistungsprüfstand alle relevanten Parameter motorisch gefahren werden, die anhand der Zahnberechnungen Großrad-Kleinrad möglich waren.

Auf diese Weise gelang es, eine Kennlinie bei einer Nennspannung von 600 V DC zu erzeugen. Darauf folgte die Kupplung des Gestells mit einem Antriebsmotor, um den Leerlauf generatorisch darzustellen.

Die erfassten Messwerte dienten zur Neuauslegung der Antriebsmotoren bei einer Nennspannung von 750 V DC.

Demontage der Wicklungen

Im Anschluss an die Demontage des Gleichstrommotors wurden die Ständer- und Läufer-Wicklungen in ihre einzelnen Bestandteile zerlegt. Die Ständerwicklung besteht aus zwei Hauptpolspulen, welche aus dem Ständerblechpaket ausgebaut und genauestens vermessen wurden.

Sowohl die Windungszahlen als auch die Leiterquerschnitte hat man dabei erfasst und u. a. als Berechnungsgrundlage für die Neuauslegung der Betriebsspannung genutzt. Bei der Läuferwicklung mussten besonders aufwendige Maßnahmen ergriffen werden – vor allem hinsichtlich der Stahlbandage.

Konstruiert aus magnetisierbarem Stahldraht dient diese als Schutz der Läuferwicklung vor Fliehkraftschäden. Sie muss mit exakt gleicher Windungszahl und gleichem Querschnitt auf den modifizierten Läufer angebracht werden, der für die Betriebsspannung von 750 V DC neu gebaut wurde.
Bereits geringe Abweichungen können zu Problemen mit der Kommutierung führen, wodurch ein fehlerfreier Betrieb des GL-Motors gefährdet wäre.

Die Läuferspulen wurden aus dem Läuferblechpaket demontiert, und die Kennzahlen erfasst. Aufgrund der Spannungserhöhung war eine Anpassung der Windung und Querschnittsverhältnisse erforderlich. Bei der Auslegung des Läufers wurde die Mordey-Schaltung verbaut, welche auf die neuen Spannungsverhältnisse gespiegelt werden musste.

Bild 1: Neu ausgelegter Läufer einbaufertig, neu ausgelegte Feldspule im Harzverguss
Bild 2: Läuferwicklung vor dem Vakuumimprägnieren mit den sichtbaren Stahlbandagen
Bild 3: Mordey-Schaltung, gespiegelt auf die neue Netzspannung von 750 V DC

Mit einer höheren Spannung benötigt man eine höhere Windungszahl und einen geringeren Querschnitt der Kupferleiter. Dies bedeutet, dass das Läuferblechpaket konstruktiv mehr Nuten und eine angepasste Nutgeometrie unter Beibehaltung der Nut-, Zahnkopf- und Stirnstreuung erfordert. Der neue Kollektor erhielt die notwendigen Lamellen, angepasst an die Läuferneuauslegung. Nach der Ermittlung der Dynamoblech-Qualität wurde ein neuer Läufer gefertigt – baugleich zum Ursprungsläufer, aber mit modifiziertem Läufer-Blechpaket aus Dynamoblech der Ursprungsqualität. Hinzu kam ein neuer Kollektor mit gleichen Abmessungen, aber erhöhter Lamellenzahl. Den Ständer beließ man für den weiteren Gebrauch in seinem Ursprungszustand. Die Ursprungsversion blieb erhalten, um die gleichen Verhältnisse im GL-Motor wiederherzustellen. Die Hauptpolspulen wurden mit neuen Leiter-Abmessungen und neuer Windungszahl gefertigt und danach in einer Gießharz-Form, welche die Ursprungsabmessungen aufweist, mit Harz vergossen und anschließend in den Ständer verbaut.

Passgenaue Fertigung der neuen Konfiguration zum Einbau in das Drehgestell – links der neue Läufer und die neue Spule, im Vergleich dazu rechts die entnommene historische Ausführung

Läuferspulen mit neuer Geometrie

Die Läuferspulen mussten an die neue Geometrie angepasst und mit neuen Leiter-Abmessungen (u. a. veränderter Wickel- und Schaltschritt gefertigt) in den Läufer verbaut werden. Die Stahlbandage aus magnetisierbarem Stahldraht wurde aufgebracht und verlötet – der Läufer vakuumimprägniert mit Tränkharz der Wärmeklasse H. Die Lauffläche des Läufer-Kollektors musste zudem gedreht, gefräst und entgratet werden.

Nach dem Wuchten folgten die Montage des GL-Motors sowie die Prüfung der neutralen Zone. Dabei wurde der Motor im Prüffeld, wie bei der Eingangsmessung, allerdings mit 750 V DC geprüft. Die hierbei erzeugte Belastungskennlinie erwies sich nun annähernd kongruent mit der Ursprungskennlinie der Eingangsmessung bei 600 V DC. Somit hatte man also dokumentiert, dass der GL-Motor bei 750 V DC über die gleiche Leistung verfügt wie zuvor bei 600 V DC. Ein weiteres Qualitätskriterium stellt in diesem Zusammenhang der funkenfreie Motor-Betrieb am Kollektor dar, ebenso wie die vom Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informations­technik (VDE) erfolgreich durchgeführten Tests.

Anfang 2016 wurde der GL-Motor für die Läufer-Ständer-Konfiguration an BENNING geliefert. Das Angebot erfolgte im Juni 2016 – die finale Abnahme im April 2018.

Elf Wagen bereits in Betrieb

Zusätzlich zur Modernisierung des historischen Kaiserwagens wurden bis heute (Stand: Mai 2018) bereits elf Fahrzeuge der 1970er-Baureihe durch Wagen der neuen Modellreihe ersetzt. Voraussichtlich im Frühjahr 2019, so Schätzungen der WSW, wird der Austausch aller 31 Wagen abgeschlossen sein. Erst dann ist es möglich, das Betriebssystem der Schwebe­bahn auf eine höhere Leistung umzustellen und die geplante Taktzeit von zwei Minuten zu realisieren.

Weitere Informationen

Autor/Kontakt: Johannes Dyhringer  
Telefon: +49 2871 93 427
E-mail: j.dyhringer@benning.de

Zurück