-
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für elektrische Antriebe eines Erntevorsatzes von selbstfahrenden Erntemaschinen, wobei gegebenenfalls die Antriebselektronik in den elektrischen Antrieb integriert oder separat ausgeführt ist.
-
Erntevorsätze von selbstfahrenden Erntemaschinen werden in jüngerer Zeit mit immer komplexeren Funktionen sowie Steuer- und Regelungsmöglichkeiten ausgestattet. Hierdurch besteht der Trend, den Erntevorsatz nicht wie bekannt mit mechanischen und hydrostatischen Antrieben sondern mit elektrischen Antrieben zu versehen, um eine größere Flexibilität hinsichtlich des Antriebssystems und der Steuerung und Regelung der einzelnen Funktionen des Erntevorsatzes zu erreichen. Insbesondere bei Mähdreschern werden im Zusammenhang mit dem Antrieb der Einzugsschnecke und der Haspel sowie des Messerbalkens elektrische Antriebe mit integrierter oder separater Antriebselektronik aufgrund ihrer Vorteile eingesetzt.
-
Auf der anderen Seite ist es als Nachteil elektrischer Maschinen bekannt, dass die Verluste in den elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel Reibungsverluste, Magnetisierungsverluste und Stromwärmeverluste, die Bauteile erwärmen. Diese Wärme muss aktiv abtransportiert werden, um einer Überhitzung der elektrischen Antriebe mit verbundenen Wirkungsgradverlusten entgegenzuwirken.
-
Die Kühlung elektrischer Antriebe wird gemäß dem Stand der Technik konventionell mit einer Wärmeübertragung an die Umgebungsluft mittels erzwungener Konvektion durch zusätzlich vorzusehende Lüfter und Wärmeübertrager realisiert. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche Komponenten, wie ein Wärmeübertrager und ein Lüfter, als separate Bauteile die Anlage verteuern und zu weiterem Wartungsaufwand und Störanfälligkeit führen.
-
Weiterhin muss der Lüfter angetrieben werden, was in der Regel elektrisch, mechanisch oder hydraulisch erfolgt.
-
Da Wärmeübertrager, speziell bei Landmaschinen und insbesondere bei Erntemaschinen, einer extremen Staubbelastung ausgesetzt sind, sind zusätzliche Maßnahmen, wie Luftfilterung oder regelmäßige Umschaltung des Lüfters zur Umkehr des Luftstromes notwendig, um einen weitgehend störungsfreien Betrieb der Aggregate zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang entstehen jedoch nachteilig durch regelmäßige Kontrollen und die erforderliche Reinigung zur Aufrechterhaltung der Funktion zusätzliche Aufwendungen.
-
Im Stand der Technik sind für hydraulische Antriebe Kühlsysteme bekannt die darauf basieren, dass das Arbeitsfluid des Hydraulikkreislaufes von landwirtschaftlichen Maschinen in einem Wärmeübertrager gekühlt wird.
-
Nach der
US 4 308 713 A wird eine Kühlung des Hydrauliköls als Arbeitsfluid über den Rahmen der Konstruktion des Erntevorsatzes realisiert, wobei ein zusätzlicher Kühleffekt durch die rotierenden Messer und die damit verbundene Zirkulation von Luft erreicht wird.
-
Weiterhin ist nach der
DE 20 2006 007 649 U1 ein Kühlsystem für einen hydraulischen Antrieb in einer landwirtschaftlichen Erntemaschine bekannt, wobei ein Wärmetauscher zur Kühlung der hydraulischen Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wärmetauscher Wärmeenergie der zu kühlenden hydraulischen Flüssigkeit an einen Erntegutstrom der Erntemaschine abgibt.
-
Den genannten Ansätzen nach dem Stand der Technik ist gemeinsam, dass damit die Kühlung des hydraulischen Antriebssystems realisiert wird.
-
Hydraulische Antriebssysteme sind im Gegensatz zu elektrischen dezentralen Antrieben mit einem erhöhten Aufwand für die Hydraulikleitungsführungen und die Verwendung spezieller Hydrauliköle als Arbeitsfluide verbunden. Weiterhin ist an diesen Systemen nachteilig, dass hydraulische Antriebssysteme durch Leckagen störanfällig sind und gegebenenfalls Verunreinigungen der Umwelt bei Ölaustritt aus dem System entstehen können.
-
Demgegenüber stehen die Vorteile bei Verwendung von elektrischen Antrieben für die Funktionen von Erntemaschinen, wobei jedoch die Kühlung der elektrischen Antriebe bislang nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte.
-
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Kühlanordnung für elektrische Antriebe eines Erntevorsatzes von selbstfahrenden Erntemaschinen zur Verfügung zu stellen, welcher wartungsarm und wirkungsvoll sowie nicht störanfällig ist. Darüber hinaus sind die elektrischen Antriebe ausreichend effizient zu kühlen und damit Wirkungsgradeinbußen zu verhindern.
-
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Konzeptionsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Kühlanordnung für elektrische Antriebe eines Erntevorsatzes von selbstfahrenden Erntemaschinen vorgesehen ist, und dass die Kühlanordnung einen Fluidkühlkreislauf aufweist, welcher einen Wärmeübertrager zur Wärmeaufnahme am elektrischen Antrieb und einen Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe sowie Mittel zur Führung und Umwälzung des Kühlmittels aufweist. Der Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe ist aus von Kühlmittel durchströmten Kühlprofilen gebildet, welche in wärmeleitendem thermischen Kontakt mit dem Erntevorsatz stehen. Weiterhin sind die Kühlprofile gleichzeitig für die freie konvektive Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ausgebildet, so dass konzeptionsgemäß sowohl über die Wärmeleitung in Komponenten des Erntevorsatzes als auch über die freie Konvektion passiv eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erfolgt. Unter der Kühlung elektrischer Antriebe ist im weiteren Sinne auch die Kühlung der integriert oder separat ausgeführten Antriebselektronik zu verstehen.
-
Erfindungsgemäß sind die Kühlprofile in wärmeleitendem thermischen Kontakt an der Unterseite einer Erntevorsatzwanne angeordnet. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise die Abwärme der elektrischen Antriebe an die Erntevorsatzwanne und damit an eine große Fläche zur Wärmeübertragung an die Umgebungsluft als auch zur Wärmeübertragung an den die Erntevorsatzwanne passierenden Erntegutstrom abgegeben.
-
Somit wird die Wärmeenergie wärmeleitend an eine quasi als weitere Verteilvorrichtung dienende Komponente abgegeben, wobei neben der Wärmeabgabe an den Erntegutstrom gleichzeitig die Kühlprofile selbst robust für die freie konvektive Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ausgebildet sind und somit eine Doppelfunktion realisieren.
-
Ergänzend können die Kühlprofile auch aktiv, beziehungsweise erzwungen durch den Fahrtwind oder zusätzliche Lüfter, für eine aktiv unterstützte erzwungene Konvektion genutzt werden.
-
Vorteilhaft sind die Kühlprofile mit einer planen Oberfläche für einen großflächigeren Kontakt mit dem Erntevorsatz zur Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung und gleichzeitig mit Oberflächenvergrößerungen für die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft ausgestattet. Die Oberflächenvergrößerungen für die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft sind in Berücksichtigung der Anforderungen an die Robustheit einer Erntemaschine nicht in bekannter Weise als dünne Lamellen sondern als stabile Elemente mit nicht horizontalen Flächen ausgebildet. Durch die Ausgestaltung der Kühlprofile mit nicht horizontalen Flächen für die konvektive Wärmeübertragung an die Umgebungsluft wird einer Verschmutzung und einer damit verbundenen Verringerung der Wärmeübertragung wirksam entgegengewirkt.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Fluidkühlkeislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmittel ausgebildet. Dadurch wird erreicht, dass im Falle von Leckagen im Unterschied zu den Problemen bei hydraulischen Systemen mit Hydrauliköl als Arbeitsfluid lediglich Wasser und Glykol als ökologisch wenig bedenklich in der landwirtschaftlichen Umgebung freigesetzt würde. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Fluidkühlkreislaufs mit Wasser-Glykol-Gemisch besteht darin, dass Fluidkühlkreisläufe dieser Art mit geringen Drücken auskommen und somit auch niedrige Anforderungen an die Druckbelastbarkeit der Komponenten und der Verbindungselemente gestellt werden müssen. Es kann somit auf bewährte und kostengünstige Standardkomponenten zurückgegriffen werden.
-
Besonders bevorzugt sind die Kühlprofile als Stranghohlprofilmodule mit kreiszylindrischem Hohlraum im Inneren zur Förderung des Kühlmittels und einer T-förmigen äußeren Kontur ausgebildet. Die Kühlprofile werden an der Unterseite des Erntevorsatzes mit dem querliegenden Schenkel angeordnet, so dass der längsliegende Schenkel des Kühlprofils senkrecht oder nahezu senkrecht nach unten verläuft und somit keine Staubablagerungen in größerem Maßstab anhaften können. Die Wartungsfreundlichkeit einer derartigen Gestaltung besteht auch darin, dass die derart ausgebildeten Kühlprofile problemlos mittels Wasserstrahl- oder Druckluft von anhaftenden Belägen, welche die Wärmeübertragung auf Dauer behindern würden, befreit werden können.
-
Ein besonderer Vorteil der Kühlanordnung besteht weiterhin darin, dass die wärmeübertragende Fläche der Kühlprofile modular durch Zusammenschaltung von mehreren Stranghohlprofilmodulen erweiterbar ausgebildet ist. Die Kühlprofile setzen sich aus mehreren Stranghohlprofilmodulen zusammen und die Kühlkapazität ist somit durch eine Verbindung der Stranghohlprofilmodule gegebenenfalls auch über flexible Zwischenstücke problemlos möglich. Somit können beispielsweise weitere Antriebe mit zusätzlicher Abwärmeerzeugung in das System eingebunden werden, was durch eine unaufwändige Erweiterung des Kreislaufes durch Aufnahme weiterer Kühlprofile möglich ist. Die Wärmeübertragungskapazität des Fluidkühlkreislaufes kann mit geringem Aufwand an die Abwärmeerzeugung angepasst werden.
-
Besonders bevorzugt werden die Stranghohlprofilmodule der Kühlprofile durch flexible Schlauchleitungen miteinander verbunden.
-
In besonders vorteilhafter Weise werden die Kühlprofile im mittleren Bereich der Erntevorsatzwanne angeordnet, da dort auf der Oberseite der Erntevorsatzwanne eine hohe Pressung des Erntegutstromes durch die Einzugsschnecke erfolgt. Somit ist in diesem Bereich eine bessere Wärmeübertragung an den Erntegutstrom realisierbar verglichen mit den äußeren Bereichen der Erntevorsatzwanne.
-
Hinsichtlich der Wärmeleitungs- und Übergangseigenschaften der Kühlprofile wird bevorzugt, diese aus Aluminium oder Kupfer auszubilden, wobei aus Kostengründen eine Ausgestaltung der Kühlprofile aus Aluminium besonders bevorzugt ist.
-
Der Fluidkühlkreislauf der Kühlanordnung kann bei entsprechender Dimensionierung oder zusätzlicher Erweiterung zur Wärmeaufnahme von Motorabwärme aus dem Motorkühlkreislauf der Erntemaschine ausgebildet werden. Somit kann das Motorkühlsystem der Erntemaschine selbst gegebenenfalls sogar geringer dimensioniert werden, da die Wärmeübertragungskapazität des Fluidkühlkreislaufes der Kühlanordnung für die elektrischen Antriebe des Erntevorsatzes in der Lage ist, einen Teil der Wärme an den Erntegutstrom und an die Umgebungsluft abzugeben.
-
Besonders vorteilhaft ist, dass störungsanfällige und wartungsaufwändige Wärmeübertrager, die zur Fluidkühlung von elektrischen Antrieben bislang verwendet wurden, nicht mehr eingesetzt werden müssen. Die kombinierte Abgabe der Wärmeenergie von dem Fluidkühlkreislauf der elektrischen Antriebe über die Kühlprofile an die Umgebungsluft und den Erntegutstrom ermöglichen die Einsparung zusätzlicher Fluid-Luft-Wärmeübertrager zur Kühlung der elektrischen Antriebe. Somit kann weiterhin auf den Einsatz von Lüftern und auf den dazu erforderlichen Lüfterantrieb verzichtet werden.
-
Jede Reduzierung von wartungsaufwändigen Komponenten stellt einen Vorteil bei gattungsgemäßen Kühlanordnungen für Erntemaschinen dar, da diese unter widrigen Bedingungen, wie Staubbelastung und Verschmutzung, eingesetzt werden müssen.
-
Darüber hinaus ist als Vorteil der Erfindung einzuschätzen, dass die Kühlanordnung konstruktiv sehr einfach aus teilweise sogar Standardelementen aufgebaut ist und somit auch die Kosten für die Realisierung der Kühlung der elektrischen Antriebe minimiert werden können.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Prinzipskizze Erntevorsatz einer selbstfahrenden Erntemaschine, insbesondere Mähdrescher in der Draufsicht;
- 2: Erntevorsatz einer selbstfahrenden Erntemaschine, insbesondere Mähdrescher in der Seitenansicht;
- 3a: Kühlprofil T-förmig;
- 3b: Kühlprofil strahlenförmig und
- 4 Prinzipschaltbild Fluidkühlkreislauf.
-
In 1 ist ein Erntevorsatz 1 einer selbstfahrenden Erntemaschine in der Draufsicht prinziphaft dargestellt. Der Erntevorsatz 1 weist seitlich jeweils einen elektrischen Antrieb 2 auf, welche die Einzugsschnecke 9 rotierend antreiben. Die elektrischen Antriebe 2 sind mit einem Wärmeübertrager 5 zur Wärmeaufnahme der elektrischen Verlustleistung gekoppelt. Weiterhin ist eine Pumpe 13 für das Fluid des Fluidkühlkreislaufes dargestellt. Der Wärmeübertrager 6 des Fluidkühlkreislaufes zur Wärmeabgabe ist, prinziphaft angedeutet, an der Unterseite der Erntevorsatzwanne 8 durch die Zusammenschaltung von Kühlprofilen ausgebildet. Die elektrischen Antriebe 2 werden mittels der Generatoreinheit 12 am Erntevorsatz 1 mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Generatoreinheit 12 mechanisch über eine nicht dargestellte Gelenkwelle vom Motor der Erntemaschine angetrieben wird. Die Einzugsschnecke 9 liegt über der Erntevorsatzwanne 8 und fördert das zwischen der Einzugsschnecke 9 und der Erntevorsatzwanne 8 eingeklemmte Erntegut zur Mitte der Erntevorsatzwanne 8 und übergibt dort das verdichtete und während seines Weges entlang der Erntevorsatzwanne 8 erwärmte Erntegut an den Schrägförderer 11, welcher den Erntegutstrom dann zur weiteren Verarbeitung in die Erntemaschine transportiert.
-
In 2 ist der Erntevorsatz 1 prinziphaft im Längsschnitt und der sich ergebenden Seitenansicht dargestellt. Die Messerbalken 3 des Erntevorsatzes schneiden das Erntegut ab und die Haspel 10, welche gleichfalls von einem elektrischen Antrieb 2 bewegt wird, führt zusammenwirkend mit einem nicht näher bezeichneten Förderband zum Einzug des Erntegutes zwischen die Einzugsschnecke 9 und die Erntevorsatzwanne 8. An der Unterseite der Erntevorsatzwanne 8 sind die Kühlprofile 7 angeordnet, welche von dem Kühlmittel des Fluidkreislaufs durchströmt werden.
-
In 3a und 3b sind Kühlprofile 7 in ihrer thermisch wirksamen wärmeleitenden Verbindung zur Erntevorsatzwanne 8 im Ausschnitt dargestellt.
-
Gemäß 3a ist das Kühlprofil als T-Profil mit einer zylindrischen Ausnehmung zur rohrartigen Führung des Kühlmittels ausgebildet. Das Kühlprofil 7 ist als Stranghohlprofil ausgebildet in dessen Innerem das Kühlmittel des Fluidkühlkreislaufes strömt. Der Querschenkel des im Querschnitt T-förmigen Profils steht mit seiner entsprechend großen Fläche mit der Erntevorsatzwanne 8 in thermisch leitender Verbindung. Das Kühlmittel gibt seine Wärme über den Querschenkel des Kühlprofils 7 an die Erntevorsatzwanne 8 ab. Der Längsschenkel des T-förmigen Profils gibt Wärme über die senkrechten Flanken und die Stirnfläche an die Umgebungsluft ab.
-
Gemäß 3b ist das Kühlprofil 7 leicht modifiziert durch zwei zapfenartige Rippen zur Oberflächenvergrößerung ausgebildet. Die zapfenartigen Rippen weisen eine Schrägstellung auf, wodurch ein nach unten weisender strahlenförmiger Querschnitt entsteht. Diese Geometrie ist für einen geringen Schmutzansatz und eine geringe Staubablagerung an den Oberflächen optimiert, wobei die wärmeübertragende Fläche an die Umgebungsluft gegenüber dem robusteren T-Profil vergrößert ist.
-
In 4 ist ein Fluidkühlkreislauf 4 prinziphaft dargestellt. Ein elektrischer Antrieb 2 ist mit einem Wärmeübertrager 5 zur Wärmeaufnahme vom elektrischen Antrieb 2 verbunden. Die vom elektrischen Antrieb 2 abgegebene Wärme wird im Wärmeübertrager 5 an das Kühlmittel, das Arbeitsfluid des Fluidkühlkreislaufs 4, übergeben. Das Kühlmittel wird mittels der Pumpe 13 im Kreislauf gepumpt. Dabei durchströmt das Kühlmittel den Wärmeübertrager 6 zur Wärmeabgabe der Abwärme, welcher gemäß den Ausgestaltungen gemäß der 3a und 3b beispielsweise als Kühlprofil ausgebildet ist. Im dargestellten Fluidkühlkreislauf 4 weist dieser einen zusätzlichen Kühler 14 auf, der Wärme vom Motorkühlkreislauf der Erntemaschine an den Fluidkreislauf 4 übergibt. Somit kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Kühlkapazität des Fluidkreislaufs 4 dazu ergänzend genutzt wird, um das Antriebssystem der Erntemaschine, beispielsweise vor Wärmeüberlastungen, zu schützen. Weiterhin kann der Fluidkühlkreislauf 4 dazu genutzt werden, um den Motorkühlkreislauf der Erntemaschine auch geringer zu dimensionieren und damit Wartungs-, Konstruktions- und Reparaturaufwendungen zu reduzieren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Erntevorsatz
- 2
- elektrischer Antrieb
- 3
- Messerbalken
- 4
- Fluidkühlkreislauf
- 5
- Wärmeübertrager zur Wärmeaufnahme vom elektrischen Antrieb
- 6
- Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe
- 7
- Kühlprofil
- 8
- Erntevorsatzwanne
- 9
- Einzugsschnecke
- 10
- Haspel
- 11
- Schrägförderer
- 12
- Generatoreinheit
- 13
- Pumpe
- 14
- Kühler
