Funktionsintegration elektrischer Antriebe in selbstfahrenden Erntemaschinen

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1 Funktionsintegration elektrischer Antriebe in selbstfahrenden Erntemaschinen M. Sc. W. Aumer, Dipl.-Ing. M. Geißler, Dipl.-Ing. M. Lindner, Prof. Dr.-Ing. habil. Th. Herlitzius, Lehrstuhl Agrarsystemtechnik, Technische Universität Dresden; Dipl.-Ing. U. Schuffenhauer, Prof. Dr.-Ing. habil. N. Michalke, Hochschule für Wirtschaft und Technik Dresden Kurzfassung Elektrische Antriebe ermöglichen neue Strategien des Antriebsstrangmanagements. Die Entkopplung der Drehzahlen der Antriebe in selbstfahrenden Erntemaschinen erhöht die Verfahrensleistung. Individuelle und stufenlose Drehzahl- und Drehmomenteinstellungen erlauben höchste Flexibilität bei der Auslegung von Funktion und Konstruktion der Antriebselemente. Am Beispiel der Dreschtrommel mit funktionsintegriertem Elektromotor werden Ergebnisse der Prüfstandsuntersuchungen und der Laborversuche präsentiert. Des Weiteren erfolgt ein Vergleich der Systemwirkungsgrade zwischen mechanischem und elektrischem Antriebsstrang. Abstract New possibilities of drive trains are given by using electrical drives. So far, process performance at self propelled harvesters can be increased by engine speed independent drive speed. Individual and variable speed and torque adjustment allows a maximum flexibility of function and design of drive trains. Results of test bench runs are shown, where an electric threshing cylinder was integrated into a combine harvester test environment. Furthermore, mechanical an electrical drives are compared towards efficiency.

2 1. Ausgangssituation Der Kostendruck in der Landwirtschaft ist die Motivation zur permanenten Steigerung der Produktivität und Effizienz in selbstfahrenden Erntemaschinen. Die Notwendigkeit, wesentlich größere Maschinenleistungen in einem eingeschränkten Bauraum unterzubringen, verlangen zusätzlich neue Antriebskonzepte. Für die Übertragung der Antriebsleistung zu den verschiedenen Antrieben wird entsprechend Bauraum benötigt. Beim Mähdrescher beispielsweise erfolgt die Verteilung und Übertragung der Antriebsleistung zu den Funktionselementen über Wellen, Getriebe, Ketten, Riemen und Hydraulik. Je nach Leistung und Regelungsbedarf werden die Arbeitsorgane mechanisch oder hydraulisch angetrieben [1]. Zukünftige Erntemaschinen besitzen funktionsspezifische und integrierte elektrische Antriebe, denen die elektrische Leistung über ein zentrales Bordnetz zugeführt wird. Die Integration elektrischer Antriebe in den Funktionselementen ermöglicht eine Systemvereinfachung durch eine Verringerung der Antriebs- und Übertragungselemente. Beim Entkörnungsprozess ist die Drehzahlsteifigkeit der Dreschtrommel ein wichtiges Merkmal für die Druschqualität. Die Leistung für die Dreschtrommel wird mechanisch übertragen und die Drehzahl über einen Variator gesteuert. Dies führt zu aufwändigen und komplexen Antriebssträngen, die mit elektrischen Antrieben vereinfacht werden können. Am Lehrstuhl Agrarsystemtechnik der TU Dresden wurde ein Elektromotor speziell für die Anwendung eines Direktantriebes in einer Dreschtrommel ausgelegt. Verwendet wurde ein luftgekühlter permanenterregter Synchronmotor in Außenläuferbauweise. Im Gegensatz zu den bei stationären Anwendungen häufig verwendeten Asynchronmotoren weisen permanenterregte Synchronmaschinen geringe Verluste im Läufer, einen besseren Wirkungsgrad und eine geringere Masse auf. Aufgrund des maximalen Motordrehmomentes und des geringen Massenträgheitsmomentes weist der Synchronmotor eine kurze Hochlaufzeit auf, was sich speziell in Bezug auf die Dynamik vorteilhaft auswirkt. Die Ziele bei der Entwicklung des Dreschtrommelmotors sind: - Integration des Elektromotors in das Funktionselement - Verringerung des Bauraumbedarfes sowohl durch die Integration als auch durch den einfacheren Antriebsstrang - Effizienzsteigerung und Drehzahlvariabilität (als wesentliche Eckpunkte einer Nutzwertsteigerung) - Informationsrückfluss von Drehzahl und Drehmoment, um dynamische Vorgänge in Regelstrategien einzubinden

3 2. Prüfstandsuntersuchungen Für die Aufnahme von Parametern des Elektromotors wurde die Dreschtrommel auf dem Prüfstand mit Nennbelastung betrieben. [1] Der Lastmotor war mit der Dreschtrommel über einen Kettentrieb direkt miteinander gekoppelt. Ermittelt wurden die elektrischen und thermischen Parameter des Dreschtrommelmotors. In Bild 1 ist der Aufbau des Prüfstandes ersichtlich. Bild 1: Prüfstandsaufbau der elektrisch betriebenen Dreschtrommel Der Dreschtrommelmotor läuft im drehzahlgeregelten Betrieb. Mittels Drehmomentregelung stellt der Lastmotor die gewünschte Belastung dar. Die entstehende Verlustwärme des Elektromotors wird im Achsrohr, auf dem der Stator aufgebracht ist, über den Kühlkörper abgeführt. Die Temperaturverläufe der Wicklungen des Elektromotors sind in Bild 2 dargestellt C Wicklung Umgebung Temperatur : 1: 2: 3: 4: 5: 6: hh:mm 7: 8: Zeitverlauf Bild 2: Temperaturverläufe des Dreschtrommelmotors und Darstellung der Dreschtrommel als Schnittmodell Die Verharrungstemperatur des Dreschtrommelmotors ist nach einer Zeit von 5 h erreicht und beträgt 13 C. Als Kühlmedium wurde die Umgebungsluft bei 16 bis 18 C verwendet. Der Temperaturgradient beträgt 112 K. Somit stellt sich bei einer Umgebungstemperatur von 45 C eine Wicklungstemperatur von 157 C ein, was der Dimensionierung entspricht.

4 3. Untersuchungen im Labor Für Laborversuche wurde in einem konventionellen Dreschsystem die Dreschtrommel mit zugehörigem Antriebsstrang gegen die elektrische Version ausgetauscht, siehe Bild 3. Die Breite entspricht der halben Kanalbreite von 8 mm. Da es sich um stationäre Versuche handelt, wird zur Abbildung realistischer Bedingungen Bild 3: Elektrische Dreschtrommel bei (Bestandsdichte, Fahrgeschwindigkeit) Laboruntersuchungen das Erntegut in definierten Mengen zugeführt. So konnte das Lastverhalten bei verschiedenen Erntegutdurchsätzen ermittelt werden. Bild 4 zeigt den Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungsverlauf der Dreschtrommel für einen Laborversuch. Bei der Versuchszeit von 3 s wird der Dreschtrommel ein konstanter Durchsatz von 3 t/h zugeführt, was einer typischen Auslastung von?? % entspricht. Das Antriebssystem regelt das Drehmoment sehr schnell an, um die Drehzahl konstant bei der Solldrehzahl von 85 min -1 zu halten. Der Verlauf der Leistung gleicht dem Drehmoment wegen der nahezu konstanten Drehzahl /min 8 14 Nm 1/min 8 14 kw Dreschtrommeldrehzahl Dreschtrommeldrehoment Dreschtrommeldrehzahl Dreschtrommelleistung ,5 5 7,5 1 12,5 s 15 Drehzahl Drehmoment Versuchszeit -2 2,5 5 7,5 1 12,5 s 15 Drehzahl Leistung Versuchszeit Bild 4: Dreschtrommeldrehzahl, - drehmoment und leistung bei 8 mm Kanalbreite und einem Durchsatz von 3t/h (bezogen auf 16 mm Kanalbreite) Für die Druschzeit beträgt das effektive Drehmoment 47 Nm und das Maximalmoment 12 Nm. Daraus ergibt sich für die Auslegung ein erforderlicher Überlastfaktor von 2,55. Für die Leistung ergeben sich ähnliche Verhältnisse. Die effektive Leistung ergibt sich zu 39 kw

5 und die Maximalleistung zu 1 kw. Die ermittelten Daten erfüllen die Auslegung, wobei noch Reserven vorhanden sind [1]. Während die hohen Leistungsreserven bei einer Netzstromversorgung zu schnellen Regelzeiten im Laborversuch führten, ist bei einer dieselelektrischen Stromversorgung auf der mobilen Maschine mit einer höheren Trägheit im Regelsystem zu rechnen. Laborversuche mit einem diesel-elektrischem Antriebsstrang und Feldversuche mit umgerüstetem Mähdrescher werden hierzu in naher Zukunft angestrebt. 4. Wirkungsgradbetrachtung des Gesamtsystems Ein quantitativer Vergleich des Wirkungsgrades für einen 15 kw Mähdrescher mit elektrischen und mechanischen An-triebsstrang für die Dreschtrommel wird in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Vergleich von mechanischen und elektrischen Dreschtrommelantriebsstrang Wirkungsgradbetrachtung Wirkungsgradbetrachtung Mechanischer Antriebsstrang [2] Elektrischer Antriebsstrang Keilriementrieb links,94 Generator,96 Welle + Lagerung + Variator,94 Gleichrichter,98 Endvorgelege + Welle + Lagerung,94 Leitung,99 Untersetzungsgetriebe (optional),99 Motorwechselrichter,98 Elektrische Dreschtrommel,92 Gesamt,82 Gesamt,84 Der Wirkungsgrad beim elektrischen Antriebssystem ist im Vergleich zum mechanischen nur geringfügig höher. Die Elektrik zeigt bei Masse und Kosten ebenfalls höhere Werte als beim konventionellen Antriebsstrang. Die höheren Kosten eines elektrischen Antriebssystems, die in absehbarer Zeit um 1 2 % sinken können, werden für den Anwender durch eine höhere Systemintegration und einen höheren Kundennutzen attraktiv [3]. Der Wirkungsgrad des verwendeten Elektromotors ist in Bild 5 gezeigt. Im Nennpunkt bei 1 min-1 und 597 Nm beträgt der Wirkungsgrad η =,926. Eine Steigerung der Effizienz kann durch Verringerung der Rotormasse, Erhöhung der Flussdichte und verlustärmeren Wellendichtungen erreicht werden.

6 Bild 5: Wirkungsgradkennfeld des Dreschtrommelmotors 5. Zusammenfassung und Ausblick Mit dem funktionsintegrierten elektrischen Antrieb in die Dreschtrommel konnten die Vorzüge und vergleichende Untersuchungen mit dem konventionellen System belegt werden. Es zeigt sich, dass alternative Antriebe durch ihre funktionsspezifischen, dezentralen und modular gestalteten Einheiten eine Alternative zur Steigerung der Produktivität und Effizienz in selbstfahrenden Erntemaschinen sein können. Neben der elektrischen Dreschtrommel sind weitere dezentrale Antriebe im Mähdrescher sinnvoll elektrisch anzutreiben. Ein höherer Anschaffungspreis kann sich für den Anwender lohnen, wenn er durch verringerten spezifischen Kraftstoffverbrauch, geringerer Wartung, erhöhter Zuverlässigkeit und Produktivität gerechtfertigt ist. [1] Herlitzius, Th.; et.al.: Integration of an Electric drive into a Tangential Threshing Cylinder. In: Tagung Landtechnik. Hannover, Deutschland Nov. 29. Düsseldorf: VDI- Verlag GmbH S [2] Richter, M.: Entwicklung einer Methodik, die Energieeffizienz einer Arbeitsmaschine auf der Basis von Einzelwirkungsgraden abzuschätzen. Großer Beleg, unveröffentlicht, TU Dres-den, 21. [3] Bernhardt, G.; Teichmann, J.: Alternative Antriebskonzepte für Mähdrescher. VDI-MEG Kolloquium Mähdrescher, Hohenheim, 17./18. März 25.