Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen Professur für Agrarsystemtechnik Mike Geißler Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen Co-Autoren: TU Dresden Wolfgang Aumer Mirko Lindner Thomas Herlitzius EAAT Chemnitz GmbH Peter-Klaus Budig Heinz Steinbach Jens Scholz Antriebssysteme 2011 Nürtingen,

2 Gliederung Anforderungen an Fahrantriebe Potenzial elektrischer Antriebssysteme Projekt Diesel-elektrischer Einzelradantrieb Zusammenfassung und Ausblick Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 2 2

3 Stand der Maschinenentwicklung Forderung nach... Quo Vadis?... intelligenten Antriebslösungen Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 3 3

4 Anforderungen an landw. Fahrantriebe Stufenloses Fahren im gesamten Geschwindigkeitsbereich Hoher Antriebsstrangwirkungsgrad ( > 85 % ) Allradantrieb Bauraumoptimierte Antriebe zur Steigerung der Leistungsdichte Variable Drehmoment- und Leistungsverteilung zwischen den Rädern Dynamische Rad-Boden-Schlupfregelung Reversierbetrieb Kriterium Traktor Arbeitsmaschine Anhänger mit Triebachse Anteil Fahrantriebsleistung an Gesamtleistung bis 100 % bis 40 % bis 70 % Spreizung [v max /v min ] groß mäßig gering Rekuperation eingeschränkt Lebensdauer h h h Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 4 4

5 Fahrantriebskonzepte Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 5 5

6 Potenzial des Einzelradantriebes Überdimensionieren (M ) der Radmotoren Kosten Individueller Fahrzeugaufbau und zugkraftoptimierte Fahrwerkskonzepte durch freie Anordnung der Antriebskomponenten Reduktion der Teile im Antriebsstrang Wenige bewegliche Teile Reduzierung der Bauteilevielfalt Vergrößerung der Anzahl von Gleichteilen Niedriger Schwerpunkt erhöht die Kippsicherheit Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 6 6

7 Potenzial des Einzelradantriebes Entkopplung der Antriebsräder Präzise Regelung der Raddrehmomente Effiziente Zugkraftübertragung durch aktive Traktionskontrolle Active Yaw oder Torque Vectoring zum gezielten Unterstützen oder Unterdrücken von Kurvenfahrten Keine Verspannungen im Antriebsstrang Definierte Auslegung der Antriebselemente Deutliche Bodenschonung Geringer Reifenverschleiß und hohe Toleranz gegenüber unterschiedlichen Reifenradien Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 7 7

8 Aktuelle Diesel-elektrische Einzelradkonzepte für mobile Arbeitsmaschinen Entwicklungsziele: Verbesserung von Effizienz, Zuverlässigkeit und Funktionalität AGCO ElectroGator John Deere 944K Wheel Loader 230 kw Dieselmotorleistung 650 VDC v max = 56 km/h 440 kw Dieselmotorleistung 2 Generatoren 700 VDC John Deere Einzelradgetriebener Anhänger auf der Agritechnica Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 8 8

9 Vorteile elektrischer Antriebe Hohe Wirkungsgrade, vor allem im Teillastbereich 4 Quadrantenbetrieb (motorisch / generatorisch) Sehr gute Steuer- und Regelbarkeit; variable Begrenzung des Kennfeldes Bauraumangepasster Aufbau Kurzzeitige Überlastfähigkeit der Motoren Verschleißarme Drehmomenterzeugung Kostenlose Drehmomentbestimmung Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 9 9

10 Potenzial hybrider Antriebssysteme Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 10 10

11 Entwicklungsprojekt Einzelradantrieb Entwicklungsziel: Diesel-elektrisches Radnabenantriebskonzept für Landmaschinen Rigitrac SKH120 Bergtraktor mit großer Geländegängigkeit und Wendigkeit 90 kw Dieselmotorleistung 4 identische Räder Zulässiges Gewicht 8000 kg Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 11 11

12 Konstruktive Anforderungen an einen elektrischen Einzelradantrieb Integration von Elektromaschine, Getriebe, Feststellund Betriebsbremse in den freien Bauraum der Felge Einfache Anbindung an das Fahrzeug Trennung zwischen den elektro-mechanischen Komponenten und den mechanischen Hauptbelastungen Anwendung: Mobile Arbeitsmaschinen, Traktoren, Anhänger mit Triebachse, Geräte mit Bedarf an Zugleistung Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 12 12

13 Allgemeine Anforderungen an einen elektrischen Einzelradantrieb Realisierung der Radkennlinie Spreizung (1:8,5) Möglichkeiten Drehmoment in knm Leistung in kw Mechanisch Elektrisch Raddrehzahl in rpm Maxmimaldrehmoment Maximalleistung Verschiedene Lösungsansätze präsentiert in Swamy, M. [1] Realisierung: Umschalten der Wicklungen in Reihe oder Parallel [1] Swamy,M.; et.al.: Extended High-Speed Operation via Electronic Winding-Change Method for AC Motors. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,VOL. 42, NO. 3, MAY/JUNE Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 13 13

14 Allgemeine Anforderungen an einen elektrischen Einzelradantrieb Direkt- oder Getriebeantrieb M M M i opt = 4 Kinetische Energie E kin =E rot +E trans i opt Getriebeübersetzung Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 14 14

15 Radnabenmotor Permanenterregter Synchronmotor in Außenläuferbauform M nenn = 2030 Nm M max = 3500 Nm P nenn = 33 kw P max = 44 kw n nenn = 156 1/min n max = /min 8 Polpaare; Luftspaltdurchmesser 520 mm; Eisenlänge 165 mm Wassermantelkühlung am Statorrücken Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 15 15

16 Diesel-elektrischer Einzelradantrieb Bremswiderstand P nenn = 40 kw P max = 200 kw Dieselmotor Flüssigkeitsgekühlt 90 kw bei /min Generator 90 kw bei /min Fahrwerk Flüssigkeitsgekühlt 4-Radlenkung mit hydropneumatischer Einzelradaufhängung 4 Radantriebe Bereifung 540/60 R28 v max = 65 km/h M nenn = 8200 Nm M max = Nm P nenn = 33 kw P max = 44 kw Flüssigkeitsgekühlt Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 16 16

17 Untersuchungsplan Gestaffelte Inbetriebnahme Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 17 17

18 Zusammenfassung und Ausblick Diesel-elektrische Antriebssysteme verfügen über das Potenzial: Effizienz, Zuverlässigkeit und Funktionalität von Landmaschinen zu verbessern Einzelradantriebe besitzen Einsatzmöglichkeiten in mobilen Arbeitsmaschinen, Traktoren, Anhängern mit Triebachsen und Geräten mit Bedarf an Zugleistung Ein 90 kw Bergtraktor mit elektrischen Einzelradantrieb wird derzeit von der TU Dresden und EAAT GmbH Chemnitz aufgebaut Das Antriebssystem besteht aus Generator, Leistungselektronik, Antriebsmanagement, Radnabenantrieben und Bremswiderstand Labor- und Feldversuche werden durchgeführt, um das Fahrzeug zu erproben Weiterhin sind Entwicklungsarbeiten am diesel-elektrischen Antriebssystem notwendig, um Leistungsdichte zu steigern und Kosten zu senken Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 18 18

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! gefördert durch: Projektpartner: unterstützt durch: Elektrifizierter Einzelradantrieb für Landmaschinen 19 19

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