Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor

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Klemens Beyer
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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen Professur für Agrarsystemtechnik Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor Mike Geißler Co-Autoren: TU Dresden Wolfgang Aumer Mirko Lindner Thomas Herlitzius 68. Int. Tagung Land.Technik 2010 Braunschweig,

2 Gliederung Anforderungen an Fahrantriebe Potenzial elektrischer Antriebssysteme Elektrifizierter Einzelradantrieb Auslegung: Spreizung, Direkt- oder Getriebeantrieb Projektvorstellung Ausblick Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 2 2

3 Stand der Maschinenentwicklung Forderung nach... Quo Vadis?... intelligenten Antriebslösungen Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 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 % Getriebespreizung groß mäßig gering Rekuperation eingeschränkt Lebensdauer h h h Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 4 4

5 Fahrantriebskonzepte Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 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 Radnabenantrieb im Traktor 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 Wegfall der Verteiler- und Differenzialgetriebe Keine Verspannungen im Antriebsstrang Definierte Auslegung der Antriebselemente Deutliche Bodenschonung Geringer Reifenverschleiß und hohe Toleranz gegenüber unterschiedlichen Reifenradien Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 7 7

8 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 Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 8 8

9 Potenzial hybrider Antriebssysteme Aufbau eines diesel-elektrischen Antriebssystems Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 9 9

10 Häufige Fragen Realisierung der Radkennlinie Spreizung Drehmoment in knm Leistung in kw Raddrehzahl in rpm Maxmimaldrehmoment Maximalleistung Direkt- oder Getriebeantrieb M M M Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 10 10

11 Realisierung der Radkennlinie Problematik: Große Spreizung zwischen der nominellen und maximalen Drehzahl erfordert einen breiten Bereich konstanter Leistung Mechanisch Schaltgetriebe Elektrisch (elektromotorabhängig) Überdimensionieren (Nenndrehzahl ) ASM: Pol-Amplituden Modulation (PAM), Pol-Phasen Modulation (PPM), Y/Δ-Umschaltung [1] PSM: Windungszahlumschaltung [1] HPSM: Spezielle Rotorgeometrie mit vergrabenen Magneten SM: Elektrische Fremderregung [1] Swamy,M.; etal.: Extended High-Speed Operation via Electronic Winding-Change Method for AC Motors. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,VOL. 42, NO. 3, MAY/JUNE Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 11 11

12 Direkt- oder Getriebeantrieb L P D L i M soll Variablen: i... Getriebeübersetzung L P... Eisenlänge D L... Luftspaltdurchmesser τ... Drehschub M soll τ π D = i 2 2 L L P Optimierungsmöglichkeiten i optimal Motormasse: m = f(m) Kinetische Energie des Fahrzeugs: E ~ J Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 12 12

13 Direkt- oder Getriebeantrieb Normierte Masse der Elektromaschine (m Motor / m i=1,dl=510 mm ) Drehmoment Masse Kosten 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1 stufiges Planetengetriebe M 2 stufiges Planetengetriebe Luftspaltdurchmesser 180 mm 320 mm 510 mm Getriebeübersetzung i M M Vergleichsbasis: Synchronmotor mit D L = 510 mm τ = 3,0 N/cm² soll τ π D = i 2 P = M ω P = const. n ~ 2 L L 1 M P Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 13 13

14 Direkt- oder Getriebeantrieb Kinetische Energie des Fahrzeugs ( E ~ J ) Fahrdynamik Transformation aller Trägheiten des Fahrzeugs J reduziert () i = m r + n J + k m ( i) r + k i J ( i) Fzg Rad Rad Motor Rad Rotor Normiertes Massenträgheitsmoment (Jreduziert / Jminimal) 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 Minimum Luftspaltdurchmesser 180 mm 320 mm 510 mm Getriebeübersetzung i k... Anzahl Motoren m Fzg... Fahrzeugmasse m Motor... Motormasse r Rad... Radradius n... Anzahl Räder J Rad... Massenträgheit Rad J Rotor... Massenträgheit Rotor Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 14 14

15 Direkt- oder Getriebeantrieb Drehmoment vs. Drehzahl ( oder Motormasse vs. Kinetische Energie des Fahrzeugs ) Normierte Masse der Elektromaschine (m Motor / m i=1,dl=510 mm ) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1 stufiges Planetengetriebe M 2 stufiges Planetengetriebe Luftspaltdurchmesser 180 mm 320 mm 510 mm Getriebeübersetzung i M Normiertes Massenträgheitsmoment (Jreduziert / Jminimal) 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 Luftspaltdurchmesser 180 mm 320 mm 510 mm Getriebeübersetzung i Übersetzung von i = 4 ist ein akzeptabler Kompromiss Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 15 15

16 Elektrischer Einzelradantrieb 1. Phase 2. Phase - Einzelradantriebe an der Hinterachse - Standardkomponente - Getriebe - Sonderanfertigung - Elektromotor - Starrachse Überschaubares Entwicklungsrisiko Hohe Masse - 4-Radantrieb - Integration der Antriebskomponenten in die Felge (Motor, Getriebe, Bremse) - Einzelradaufhängung Geringe Masse Hohe Entwicklungskosten Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 16 16

17 Elektrischer Einzelradantrieb - Phase 2 Fahrzeug mit 4 identischen Rädern Motorleistung 95 kw zul. Gewicht 8000 kg Bereifung 540/60 R28 Antriebsdaten für 1 Rad P max = 44 kw P Dauer = 33 kw M max = Nm M Dauer = 8200 Nm v max = 65 km/h Radkennlinie (Spreizung 1:8,5) Drehmoment in knm Leistung in kw Raddrehzahl in rpm Maxmimaldrehmoment Maximalleistung Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 17 17

18 Elektrischer Einzelradantrieb - Phase 2 Konstruktive Anforderungen an einen Einzelradantrieb Integration von Elektromaschine, Getriebe, Feststell- und Betriebsbremse für eine geringe Gesamtmasse Modularer Aufbau der Antriebseinheit Austauschmöglichkeit von Motor, Bremse, Getriebe und verschleißbehaftete Bauteile Nutzen des freien Bauraums in der Felge Axial kurz, Radial groß Einfache Anbindung an das Fahrzeug Trennung zwischen den elektromechanischen Komponenten und den mechanischen Hauptbelastungen Anwendung: Traktoren, mobile Landmaschinen, Anhänger mit Triebachse, Baumaschinen Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 18 18

19 Patentsituation Elektrischer Einzelradantrieb - Phase Schriften gesichtet und unterteilt in Direktantrieb ohne Getriebe, Radantrieb mit Getriebe und Achsantrieb 12 Schriften für Getriebeantriebe mit einem Außenläufermotor DE C5 DE A1 DE A Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 19 19

20 Elektrischer Einzelradantrieb - Phase mögliche Varianten aufgestellt 30 realisierbare Varianten bewertet Motor Rad Planetengetriebe Bremse Fahrzeugrahmen Getriebeplan Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 20 20

21 Ausblick Ausführliche Untersuchung des gesamten Antriebssystems Optimieren der Elektromotoren mit einer leistungsfähigeren Kühlung Entwickeln von Radantrieben größerer Leistung Integration der Leistungselektronik in das Rad Anpassen des Konzeptes an weitere Anwendungen, wie mobile Landmaschinen, Anhänger mit Triebachsen, Baumaschinen Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 21 21

22 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! gefördert durch: Projektpartner: unterstützt durch: Elektrifizierter Radnabenantrieb im Traktor 22 22

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