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Schnelldrehende elektrische Antriebe

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Projektziele

Lösungsansatz

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

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Motivation

Gesetzliche Vorgaben zur Senkung des CO2- Ausstoßes sowie steigende Preise fossiler Brennstoffe treiben die Entwicklung neuer Antriebskonzepte zur Effizienzsteigerung von Bau- und Landmaschinen voran. Elektrische Antriebe weisen Effizienzvorteile gegenüber den bisher bei mobilen Arbeitsmaschinen verbreiteten hydrostatischen Antrieben auf. Allerdings besitzen klassische E-Antriebe eine geringe Leistungsdichte. Kostenintensive Aktivkomponenten (wie Kupfer oder Magnete) führen zudem zu höheren Investitionskosten. Konzepte aus der Automobilbranche zeigen, dass eine Drehzahlanhebung die Leistungsdichte elektrischer Maschinen signifikant erhöht.


Projektziele

Ziel des Teilprojekts war es, das Potenzial schnelldrehender elektrischer Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen aufzuzeigen. Der Fahrantrieb eines Ackerschleppers und der Bandantrieb einer Straßenfräse dienten als Beispielanwendungen für diese Antriebstechnologie, die vor allem im Hinblick auf Effizienz, Leistungsdichte und Einsatztauglichkeit getestet werden sollte.


Lösungsansatz

Im Falle des Ackerschleppers fiel die Auswahl auf einen Fendt Vario der 700er-Serie und im Falle der Straßenfräse auf eine Wirtgen W 150. Für den Fahrantrieb des Ackerschleppers wurden Einzelradantriebe entwickelt, die aus einem schnelldrehenden Elektromotor mit mehrstufigem Getriebe (Leistungsklassen 20 kW und 42 kW) bestehen. Dieses High- Speed-Konzept kam auch bei einem Förderbandantrieb einer Straßenfräse (Leistungsklasse 22 kW und maximale Motordrehzahl 20.000 U/min) zum Einsatz.

Die Strukturauswahl, die Konzeptumsetzung und die konstruktive Ausarbeitung der mechanischen Komponenten einschließlich der detaillierten Verzahnungsauslegung erfolgten am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung der RWTH Aachen (IME) in Zusammenarbeit mit der Liebherr-Components Biberach GmbH (Hinterrad) und der Bosch Rexroth AG (Vorderrad).

Für die Auslegung der Komponenten Lager und Dichtung war die Schaeffler Technologies AG & Co. KG zuständig. Die elektromagnetische Auslegung der E-Maschinen wurde für den Band- und Vorderradantrieb von der Heinzmann GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektrische Maschinen (IEM, RWTH Aachen) und für den Hinterradantrieb von der Liebherr-Components Biberach GmbH durchgeführt. IME und IEM ermittelten anschließend die Effizienz für alle mechanischen und elektrischen Komponenten. Durch Prüfstandversuche wurden die Rechenmodelle für die Einzelkomponenten (Getriebe, E-Motor) und für die gesamten Antriebseinheiten validiert.

Für folgende Komponenten standen Erprobungen auf dem Versuchsprogramm:

  • High-Speed-Getriebestufe auf einem IME-Komponentenprüfstand
  • E-Maschinen als Bandantrieb am IEM und als Hinterradantrieb bei der Liebherr-Components Biberach GmbH
  • Fahrantrieb für den Ackerschlepper im IME-Testcenter
  • Bandantrieb – integriert in einer Straßenfräse – auf einer Baustelle der Wirtgen GmbH

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Hochdrehzahltaugliche Getriebestruktur

Die Antriebe bestehen jeweils aus einem schnelldrehenden Elektromotor (Vorderrad: 20.000 U/min und Hinterrad: 14.000 U/min) und einem dreistufigen Planetengetriebe.

Neben einer hohen möglichen Übersetzung und einem guten Wirkungsgrad bietet die Getriebestruktur die Möglichkeit, High-Speed-Komponenten in bestehende Radsatzgetriebe zu integrieren. Für die zwei langsamdrehenden Getriebestufen kam ein bestehendes Radsatzgetriebe zum Einsatz, dem ein neu entwickeltes, hochdrehzahltaugliches High-Speed-Getriebe vorgeschaltet wurde. Die Hochdrehzahltauglichkeit wurde durch eine Fixierung des Planetenstegs erreicht, sodass die Planetenlager keine Fliehkraftbelastung erfahren. Die Getriebestruktur für den Bandantrieb basiert auf dem gleichen Konzept.

Innovatives Maschinenkonzept

Insbesondere die Anforderungen des Ackerschleppers mit einer weiten Verteilung der Betriebspunkte und einem großen Drehzahlbereich (Spreizung von 11,8) stellten eine große Herausforderung für die Auslegung des Elektromotors dar. Nach der Analyse und Bewertung verschiedener Motorkonzepte fiel die Wahl aufgrund des geringen verfügbaren Bauraums und der hohen geforderten Effizienz auf eine permanenterregte Synchronmaschine (Polpaarzahl = 3). Mit diesem Maschinenkonzept sind sowohl eine hohe Leistungsdichte als auch ein guter Wirkungsgrad möglich.

Abb. 2 gibt einen Überblick über die Wirkungsgradberechnungen. Die auf den Prüfständen gemessene Effizienz der Einzelkomponenten zeigt eine gute Übereinstimmung mit der berechneten Effizienz. Für das High-Speed-Getriebe ergibt sich eine maximale Abweichung von 1,5 % (bei Volllast) und 3 % (bei Teillast). Der Vergleich der berechneten Effizienz mit einem hydraulisch-mechanischen Einzelradantrieb (Referenzsystem) weist die Vorteile des elektrisch-mechanischen Antriebs hinsichtlich Effizienz und Drehzahlvariabilität ohne Schaltvorgang klar aus.

Auch der Vergleich von Leistungsdichte und -gewicht zeigt, dass sich bereits der erste Prototyp des High-Speed-Antriebs im Bereich des Referenzsystems befindet (Abb. 3).

Untersuchungen zu der Frage, welchen Einfluss ein Schaltgetriebe haben könnte, legen nahe, auf dessen Einsatz zu verzichten. Die Nachteile, die sich durch den Mehraufwand für die Integration eines Schaltgetriebes sowie durch die Einbuße an Stufenlosigkeit ergeben, überwogen den Vorteil der Effizienzverbesserung.

Einsatz kostengünstiger Maschinenelemente

Um den Anforderungen an Bau- und Landmaschinen zu entsprechen, wurde der Einbau kosten- und wartungsintensiver Maschinenelemente konsequent vermieden. So kamen modifizierte Radialwellendichtringe (RWDR) und Kugellager mit optimierter Käfiggeometrie anstatt beispielsweise komplexe Dichtungssysteme und Sonderlager mit Keramikkugeln zum Einsatz. Trotz der hohen Umfangsgeschwindigkeit von über 36 m/s an der Dichtlippe gelang die Entwicklung eines modifizierten RWDR für den E-Motor. Herkömmliche RWDR halten Belastungen mit Umfangsgeschwindigkeiten bis maximal 21 m/s aus. Auf einem eigens entwickelten Komponentenprüfstand wurde der Funktionsnachweis für die eingesetzten Maschinenelemente und das Einspritzschmierungssystem erbracht und der Getriebewirkungsgrad gemessen (Abb. 3).

Abb. 4 zeigt den Aufbau des Bandantrieb-Demonstrators. Am Bandausleger waren ein Generator und ein Schaltschrank mit Umrichter und Steuerung angebracht. Am Kopf des Bandauslegers befand sich der High-Speed-E-Bandantrieb inklusive des Kühl- und Schmierungssystems.

Vor der Felderprobung wurden E-Motor und High-Speed-Getriebe des Bandantriebs einzeln vermessen. Auf der Straßenfräse erfolgte die Messung der Effizienz des gesamten Antriebsstrangs (zwischen Generatoreingang und Getriebeabtrieb). Der Wirkungsgrad des Umrichters wurde aus den von der Steuerung bestimmten Leistungen an Umrichtereingang und -ausgang ermittelt.

Auf dieser Basis konnten die folgenden Einzelwirkungsgrade der Komponenten für einen typischen mittleren Arbeitspunkt ermittelt werden:

  • Generator96 %
  • Umrichter83 %
  • E-Motor90 %
  • High-Speed-Getriebe97 %
  • Standardgetriebe60 %
  • Schmierstoffversorgung0,7 kW

Hoher Gesamtwirkungsgrad

Der gemessene Gesamtwirkungsgrad beträgt 39 %. Auffällig niedrig ist der Wirkungsgrad des zugekauften Standardgetriebes, das für diesen Einsatz nicht ideal ist. Die großen Verluste sind auf den hohen Ölfüllstand von 90 % (Herstellerangabe) zurückzuführen.

Dennoch ergibt sich mit dem elektrischen Bandantrieb für den ausgewählten Betriebspunkt ein um 10 Prozentpunkte höherer Wirkungsgrad, da die Vermessung des hydraulischen Bandantriebs einen Wirkungsgrad von 29 % ergab. Bei der Felderprobung des elektrischen Antriebs wurde – über eine Betriebszeit von 2,5 Stunden gemittelt – sogar ein höherer Wirkungsgrad von 43 % gemessen, sodass im Feld ein insgesamt um 14 Prozentpunkte verbesserter Wirkungsgrad gegenüber der hydrostatischen Lösung nachgewiesen wurde.

Bei der Vorderraderprobung hat der E-Motorprüfling während der Inbetriebnahme aufgrund einer defekten Leistungselektronik (nicht Teil der Neuentwicklung und des Prüflings) Schaden genommen. Der Motorhersteller Heinzmann entschied aus Kapazitäts- und Budgetgründen, den Motorprüfling nicht instand zu setzen.

Die Erprobung des Hinterradantriebs wird im April 2015 stattfinden. Abb. 5 zeigt den Versuchsaufbau im IME-Testcenter.


Zusammenfassung

High-Speed-E-Antriebe haben sich beim Einsatz als Fahrantrieb eines Ackerschleppers und als Bandantrieb in einer Straßenfräse bewährt. Folgende technische Merkmale sind dabei besonders hervorzuheben:

  • stufenlose Einzelradantriebe trotz hoher Spreizung (11,8) realisierbar
  • hoher Wirkungsgrad von 70 bis 85 % im gesamten Betriebsbereich
  • hohe Leistungsdichte von 0,83 kW/l, die im Bereich hydrostatischer Einzelradantriebe (0,87 kW/l) liegt
  • Eignung kostengünstiger, robuster Maschinenelemente nachgewiesen

Verbundpartner

  • AGCO GmbH (Fendt)
  • Bosch Rexroth AG
  • Heinzmann GmbH & Co. KG
  • Liebherr-Components Biberach GmbH
  • RWTH Aachen, Institut für Elektrische Maschinen
  • RWTH Aachen, Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung
  • Schaeffler Technologies AG & Co. KG
  • Wirtgen GmbH

Kontakt

RWTH Aachen, Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung
Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs
Tel.: +49 (0)241 80-95635
Email: Jacobs@ime.rwth-aachen.de
Internet: www.ime.rwth-aachen.de