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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Fahrantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine mobile Arbeitsmaschine gemäß dem Patentanspruch 13.
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Fahrantriebe mobiler Arbeitsmaschinen, insbesondere in den Segmenten „Off-Highway“ und „Materialhandling“, müssen hohen Anforderungen betreffend hoher Drehmomente bei geringer Geschwindigkeit oder Stillstand, sowie der Konstanz der Drehmomentübertragung genügen. In den genannten Segmenten müssen Fahrantriebe für beispielsweise Radlader, Telelader, Reachstacker, oder Grader bereitgestellt werden. Diese Fahrantriebe sind weit überwiegend in hydrostatischer Bauart ausgeführt.
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Um den Drehzahlbereich des Fahrantriebes zu erweitern, kann einem hydrostatischen Getriebe des Fahrantriebs beispielsweise ein mechanisches Mehrganggetriebe nachgeschaltet sein. Um ohne Unterbrechung des Kraftflusses die Übersetzung des Fahrantriebs zu ändern, sind als mechanisches Getriebe sogenannte Lastschaltgetriebe bekannt. Dies ist eine Form eines Fahrzeuggetriebes, bei dem die Übersetzung unter Last, also während der Fahrt und ohne Unterbrechung der Drehmomentübertragung geändert werden kann. Dadurch können auch während des Schaltvorganges Vortriebskräfte übertragen werden, so dass das Fahrzeug weiter konstant gezogen oder beschleunigt werden kann. Es ergeben sich deshalb beim Schaltvorgang weder Zugkraftunterbrechungen noch Komforteinbußen. Hierzu wird beim Schalten eines Ganges ein Schaltelement des alten Ganges geöffnet und gleichzeitig ein anderes Schaltelement des neuen Ganges geschlossen.
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Als geeignet für den Fahrantrieb erweisen sich hierbei beispielsweise hydrodynamische Wandler oder hydrostatische Getriebe, die mit dem Lastschaltgetriebe kombiniert sind. Als Beispiel sei hier das unter dem Namen HVT der Firma Dana Rexroth Transmission Systems bekannte Getriebe genannt.
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Die dabei verwendeten hydrostatischen Maschinen oder Hydromotoren haben die Eigenschaft, dass sie eine hohe Leistungsdichte und zudem ein hohes Antriebsmoment bei einer Fahrgeschwindigkeit von Null dauerhaft aufbringen können, ohne Schaden zu nehmen.
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Prinzipiell schreitet in den genannten Segmenten die Elektrifizierung der Fahrantriebe voran. Elektrische Antriebsmaschinen oder Elektromotoren haben verglichen zu den oben erwähnten hydraulischen Varianten jedoch generell eine etwas geringere Leistungsdichte und benötigen daher mehr Bauraum, der in der Mobiltechnik stark begrenzt ist. Der Mangel an Leistungsdichte wird in der Regel durch eine höhere Drehzahl der elektrischen Motoren behoben. Als nachteilig verbleibt jedoch, dass elektrische Motoren vergleichsweise schlecht hohe Antriebsmomente bei Fahrgeschwindigkeiten von Null oder nahe Null aufbringen können. In solchen Betriebspunkten kommt es beispielsweise durch den Stillstand des Rotors unter Last zu einer dauerhaften, ununterbrochenen Belastung nur einer Phase des n-poligen Motors und seiner Leistungselektronik bei hohem Strom. Trotz thermischer Trägheit der Komponenten und deren zusätzlicher Kühlung kann beim Überschreiten einer bestimmten Zeitdauer, der Elektromotor selbst oder dessen Leistungselektronik Schaden durch Überhitzung nehmen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Fahrantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine zu schaffen, der so ausgebildet ist, dass er ein hohes Antriebsmoment bei einer Fahrgeschwindigkeit von Null dauerhaft schadenfrei aufbringen kann. Zudem besteht die Aufgabe eine mobile Arbeitsmaschine mit einem solchen Fahrantrieb zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Fahrantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des elektrischen Fahrantriebs sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.
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Ein elektrischer Fahrantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere für einen Radlader, Telelader, Reachstacker oder Grader, hat einen ersten Elektromotor und einen zweiten Elektromotor. Wenigstens einer davon ist, insbesondere über eine Steuereinrichtung des Fahrantriebs, insbesondere zur Steuerung oder Regelung der Fahrgeschwindigkeit, drehzahlvariabel steuer- oder regelbar. Erfindungsgemäß weist der Fahrantrieb zudem ein mechanisches Summierungsgetriebe auf. Dieses hat wenigstens zwei Eingänge und einen Ausgang. Über dieses Getriebe sind Eingangsdrehmomente, die von den jeweiligen Elektromotoren an die Eingänge übertragen sind, zu einem Ausgangsdrehmoment am Ausgang summierbar. Hierzu ist ein erster der Eingänge drehfest mit einem ersten Rotor des ersten Elektromotors, ein zweiter der Eingänge drehfest mit einem zweiten Rotor des zweiten Elektromotors und der Ausgang drehfest mit einem Rad oder einer Achse des Fahrantriebs verbindbar, insbesondere verbunden. Die drehfeste Verbindung kann dabei übersetzt oder unübersetzt ausgestaltet sein. Wenigstens einer der Elektromotoren ist vorzugsweise in beiden Drehrichtungen betreibbar. Vorzugsweise sind beide Elektromotoren in vier Quadranten betreibbar. Bevorzugt ist wenigstens einer der Elektromotoren als permanenterregte Synchromaschine (PSM) ausgestaltet.
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Durch die Ausgestaltung mit Summierungsgetriebe sind die beiden Elektromotoren des Fahrantriebs dafür vorbereitet, eine Ausgangsdrehzahl von Null bei einem Ausgangsdrehmoment ungleich Null bereitzustellen, während ihre eigenen Drehzahlen, die Eingangsdrehzahlen, beide ungleich Null sein können. Dadurch sind sie gegen eine thermische Überlast schützbar, die bei herkömmlichen elektrischen Fahrantrieben auftreten kann, wenn einer oder beide Elektromotoren bei anliegendem Ausgangsdrehmoment stillstehen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Summierungsgetriebe von einem Planetengetriebe gebildet. Das Planetengetriebe bildet dabei eine kompakte und praktikable Bauform des Summierungsgetriebes.
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In einer Weiterbildung sind der Ausgang drehfest mit einem Planetenradträger des Planetengetriebes, einer der Eingänge mit einem Hohlrad und der andere der Eingänge mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden. Alternativ dazu können natürlich andere Konfigurationen gewählt sein, wie beispielsweise die jeweils drehfeste Verbindung des Ausgangs mit dem Hohlrad oder dem Sonnenrad, oder eines der Eingänge, beispielsweise mit dem Planetenradträger.
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Eine hervorzuhebende Eigenschaft des Planetengetriebes ist, dass es Betriebspunkte oder Betriebsbereiche des Fahrantriebs ermöglicht, in denen eine Ausgangsdrehzahl Null und gleichzeitig ein Ausgangsdrehmoment ungleich Null möglich sind, während die Eingangsdrehzahlen beide ungleich Null sind. Dies ermöglicht, die Elektromotoren bei Stillstand und hohem anliegendem Drehmoment, was eine spezielle Anforderung der mobilen Arbeitsmaschinen ist, gegen Überlast zu schützen, da ihre Rotoren aufgrund der Eingangsdrehzahl ungleich Null, permanente Pol- oder Phasenwechsel aufweisen. Die eingangs besprochene thermische Überlastung durch dauerhaft stehenden Rotor und gleichzeitig stark bestromter Phase ist somit ausgeschlossen.
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In einer Weiterbildung weist der Fahrantrieb eine Steuereinrichtung auf, in der ein erster Betriebsbereich mit einer Ausgangsdrehzahl gleich Null und dem Ausgangsdrehmoment ungleich Null vorgesehen ist, und in dem Eingangsdrehzahlen – d. h., Drehzahlen der Eingänge, bzw. der Elektromotoren – derart parametriert sind, dass der Fahrantrieb im ersten Betriebsbereich dauerhaft betreibbar ist.
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In einer Weiterbildung sind zum Zwecke des dauerhaften Betriebes mit Ausgangsdrehzahl gleich Null und Ausgangsdrehmoment ungleich Null im ersten Betriebsbereich beide Eingangsdrehzahlen zu ungleich Null parametriert.
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Wie aus dem vorangegangenen hervorgeht, ist es vorteilhat, wenn zum thermischen Schutz der Elektromotoren oder ihrer Leistungselektronik vermieden wird, dass die Elektromotoren mit einer Eingangsdrehzahl gleich Null und einem Eingangsdrehmoment ungleich Null betrieben werden. Hierzu weist in einer Weiterbildung die Steuereinrichtung einen zweiten Betriebsbereich mit konstanter Ausgangsdrehzahl auf, in dem beide Eingangsdrehzahlen zu ungleich Null parametriert sind. Damit ist sichergestellt, dass selbst bei konstanten Fahrgeschwindigkeiten (konstante Ausgangsdrehzahl) keiner der Elektromotoren bestromt stillsteht, wodurch wiederum seine thermische Überlastung wie oben beschrieben ausgeschlossen ist.
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Für den Fall, dass es zum Erreichen einer gewünschten Ausgangsdrehzahl notwendig ist, dass eine der Eingangsdrehzahlen Null und ihre zugeordnetes Eingangsdrehmoment ungleich Null sein muss, sind in einer Weiterbildung in der Steuereinrichtung ein oder mehrere Betriebspunkte parametriert vorgesehen, in dem eine der Eingangsdrehzahlen nur dann zu Null parametriert ist, wenn ein Gradient der Ausgangsdrehzahl ungleich Null ist, also eine Beschleunigung oder ein Abbremsen der Ausgangsdrehzahl erfolgt. Damit ist sichergestellt, dass die genannte Eingangsdrehzahl nur während eines Beschleunigungs- oder Abbremsvorgangs zu Null werden kann, was gleichbedeutend damit ist, dass sie nur einen sehr kurzen Zeitraum Null sein kann.
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In einer Weiterbildung ist in der Steuereinrichtung ein Beschleunigungsbetrieb vorgesehen, in dem eine der Eingangsdrehzahlen – und damit eine Drehzahl eines der Elektromotoren – konstant und zur Änderung der Ausgangsdrehzahl die jeweils andere Eingangsdrehzahl – und damit die Drehzahl des anderen Elektromotors – variabel parametriert ist.
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In einer Weiterbildung umfasst die Steuereinrichtung einen Wechselrichter oder Inverter, der mit den Elektromotoren zur Steuerung oder Regelung der Eingangsdrehzahlen und/oder Eingangsdrehmomente und/oder der Ausgangsdrehzahl und/oder des Ausgangsdrehmoments verbunden ist. Insbesondere ist über die in der Steuereinrichtung parametrierten Betriebsbereiche und Betriebspunkte die Leistungselektronik des Wechselrichters oder Inverters vor thermischer Belastung durch dauerhafte (ununterbrochene) Bestromung nur einer Phase geschützt.
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In einer Weiterbildung ist der Fahrantrieb mit einer elektrischen Primärenergiequelle versehen, diese kann beispielsweise eine Brennstoffzelle oder ein elektrischer Speicher, beispielsweise eine Batterie oder Batterieanordnung, sein. Über die Primärenergiequelle sind die Elektromotoren mit elektrischer Energie versorgbar. Alternativ dazu kann der Fahrantrieb einen Anschluss für eine derartige elektrische Primärenergiequelle aufweisen.
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Alternativ oder ergänzend kann der Fahrantrieb einen Generator aufweisen, über die die Elektromotoren mit elektrischer Energie versorgbar sind.
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In einer Weiterbildung weist der Fahrantrieb zudem eine Kraftmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einen Dieselmotor, auf, von dem der Generator antreibbar, insbesondere angetrieben ist.
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In einer Weiterbildung ist von einem der Elektromotoren, insbesondere von dem mit konstant parametrierter Drehzahl, ein hydrostatisches Arbeitsgerät – insbesondere eins der mobilen Arbeitsmaschine – antreibbar, insbesondere angetrieben. Als Arbeitsgeräte sind hier insbesondere Hydromaschinen oder Hydrozylinder genannt, die vorteilhafter Weise einen im Wesentlichen konstanten oder stationären Arbeitsbetrieb aufweisen.
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Eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Radlader, ein Reachstacker, ein Grader oder Telelader, hat einen Fahrantrieb, der gemäß wenigstens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgestaltet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Fahrantriebs ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Fahrantriebes und
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2 ein Drehzahl-Geschwindigkeitsdiagramm des elektrischen Fahrantriebes gemäß 1, das in der Steuereinrichtung des Fahrantriebes parametriert ist.
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Gemäß 1 hat ein elektrischer Fahrantrieb 1 zwei Achsen 2, 4 mit jeweils zwei Rädern 6. Die Räder 6 der jeweiligen Achse 2, 4 sind dabei jeweils über ein Differential 8 miteinander verbunden.
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Des Weiteren hat der elektrische Fahrantrieb 1 einen ersten Elektromotor 10 und einen zweiten Elektromotor 12 mit einer ersten Rotorwelle 14 und einer zweiten Rotorwelle 16. Der Fahrantrieb 1 hat ein als Planetengetriebe ausgestaltetes Summierungsgetriebe 18 mit einem Sonnenrad 20, einem Hohlrad 22, sowie einem Planetenradträger 24 mit Planetenrädern 26 (nur eins davon dargestellt). Das Planetengetriebe 18 hat einen ersten Getriebeeingang 28, der mit der ersten Rotorwelle 14 drehfest verbunden ist und einen zweiten Getriebeeingang 30, der mit der zweiten Rotorwelle 16 drehfest verbunden ist. Der erste Getriebeeingang 28 ist fest mit einem Stirnrad verbunden, das mit einem mit dem Sonnenrad 20 auf einer Welle sitzenden Zahnrad in Eingriff ist. Auf diese Weise ist eine Untersetzung zwischen dem ersten Getriebeeingang 28 und dem Sonnenrad 20 realisiert. Der zweite Getriebeeingang 30 ist fest mit einem Stirnrad verbunden, welches in Eingriff mit einer Außenverzahnung des Hohlrades 22 ist. Die Planetenräder 26 stehen mit ihrer Außenverzahnung jeweils in Eingriff mit der Innenverzahnung des Hohlrades 22 und der Außenverzahnung des Sonnenrades 20. Vom Planetenradträger 24 ist ein Ausgang 32 des Planetengetriebes 18 gebildet, der stirnverzahnt in Eingriff mit einem Stirnzahnrad 34 verbunden ist, das auf eine Kardanwelle 36 des Fahrantriebs 1 wirkt.
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Der Fahrantrieb 1 weist des Weiteren einen von einer Verbrennungskraftmaschine (Diesel, nicht dargestellt) angetriebenen Generator 38 auf, der mit einem Wechselrichter/Inverter 40 verbunden ist, der wiederum zur Versorgung der Elektromotoren 10, 12 mit diesen verbunden ist.
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Zudem weist der elektrische Fahrantrieb 1 eine Steuereinrichtung 42 auf, wobei der Wechselrichter 40 eine Komponente der Steuereinrichtung 42 ist. Zur Steuerung und/oder Regelung eines Ausgangsdrehmomentes M32 des Ausgangs 32, einer Ausgangsdrehzahl n32, eines ersten Eingangsdrehmomentes M10, einer ersten Eingangsdrehzahl n10, eines zweiten Eingangsdrehmomentes M12 und einer zweiten Eingangsdrehzahl n12, verfügt die Steuereinrichtung über eine Steuereinheit 44 (ECU). In dieser sind Drehzahlen und Drehmomente für bestimmte Betriebspunkte und Betriebsbereiche, die später erläutert werden, parametriert abgelegt. Die genannten Betriebspunkte und Betriebsbereiche werden beispielhaft am Fahrbetrieb eines Radladers beschrieben. Hierzu wird auch das Diagramm gemäß 2 herangezogen.
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Um die Steuerung/Regelung der genannten Betriebsgrößen des Fahrantriebs 1 zu ermöglichen weist dieser Drehzahlerfassungseinheiten 46, 48 und 50 auf, über die die erste Eingangsdrehzahl n10, die zweite Eingangsdrehzahl n12 und die Ausgangsdrehzahl n32 erfassbar und über die Signalleitung 52, bzw. 54, 56 an die Steuereinheit 44 der Steuereinrichtung 42 übermittelbar sind.
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In einem Fahrbetrieb mit einer erfassten Ausgangsdrehzahl n32 von ungleich Null wird das Fahrzeug (der Radlader) gemäß dem in der Steuereinheit 44 parametriert abgelegten Fahrdiagramm gemäß 2 betrieben. Dort ist auf der X-Achse eine Fahrgeschwindigkeit v gezeigt, die proportional zur Ausgangsdrehzahl n32 ist. Für den Radlader bedeutet das sowohl für den Rückwärts- als auch den Vorwärtsfahrbetrieb eine Maximalgeschwindigkeit von etwa 40 Stundenkilometern.
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Gut zu erkennen ist, dass zum Erreichen der Fahrgeschwindigkeit v in der Steuereinheit 44 die zweite Eingangsdrehzahl n12 konstant bei etwa 8000 Umdrehungen/Minute und die erste Eingangsdrehzahl n10 entlang einer Geraden variabel parametriert sind. Da wie erwähnt für Elektromotoren zu vermeiden ist, dass bei einer Drehzahl von Null des Elektromotors ein Drehmoment zu lange anliegt (Gefahr der vorbeschriebenen thermischen Überlastung, sowohl des Elektromotors als auch von dessen Leistungselektronik), ist der einzige Betriebspunkt X, zu dem die erste Eingangsdrehzahl n10 = 0 werden muss, auf eine Fahrgeschwindigkeit von vx = 8 km/h im Rückwärtsgang parametriert. Dieser Fahrgeschwindigkeitswert vx ist spezifisch für Radlader deshalb ausgewählt, da bekannt ist, dass diese Art mobile Arbeitsmaschine bei dieser Geschwindigkeit im Rückwärtsgang selten stationär (mit konstanter Fahrgeschwindigkeit) betrieben wird. In anderen Worten: Diese Geschwindigkeit des Fahrantriebs 1 wird bei Radladern meist in einem beschleunigten oder abgebremsten Fahrbetrieb durchlaufen, und nur selten stationär beibehalten. Zudem ist bei dieser Geschwindigkeit das Ausgangsdrehmoment M32 vergleichsweise klein. Der erste Elektromotor 10 weist somit die erste Eingangsdrehzahl nx10 = 0 nur kurzzeitig und zudem bei nur geringer Bestromung auf.
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Es sei nun angenommen, dass der Radlader mit seiner Schaufel in einen Haufen schweren Schüttgutes einsticht. Dabei wird die Fahrgeschwindigkeit auf v = 0 abgebremst. Gut zu erkennen ist gemäß dem Diagramm aus 2, dass die Steuereinheit derart parametriert ist, dass dann die Eingangsdrehzahlen n10 und n12 der beiden Elektromotoren 10, 12 ungleich Null sind. In anderen Worten: Die Elektromotoren 10, 12 drehen weiter und weisen trotz des Stillstandes des Fahrzeugs Drehzahlen n10, n12 ungleich Null auf. So sind sie und Ihre Leistungselektronik (Wechselrichter 40) gegen die genannte thermische Überlastung geschützt. Gleichzeitig werden ihre Eingangsdrehmomente M10, M12 über das Planetengetriebe 18 zum Ausgangsdrehmoment M32 summiert. Der Radlader drückt somit stehend in den Haufen des Schüttgutes und kann davon die gewünschte Menge aufnehmen.
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Durch die in der Steuereinrichtung 42 (Steuereinheit 44) abgelegten Betriebspunkte x10 und Betriebsbereiche in Verbindung mit der Verwendung des Planetengetriebes 18 zur Summierung der Drehmomente M10, M12 der Elektromotoren 10, 12 ist der Mangel behoben, dass Elektromotoren mit Wechselrichter bei niedrigen Drehzahlen oder einer Drehzahl von Null ein hohes Drehmoment aufbringen müssen, um dieses am Ausgang 32 des Getriebes bereitzustellen. Stattdessen liefern die Elektromotoren 10, 12 ihre Drehmomente M10, M12 bei vergleichsweise hohen Drehzahlen, wodurch ihre thermische Belastung reduziert ist. Die Summierung der Drehmomente M10, M12 über das Getriebe 18 resultiert dann im gewünschten hohen Ausgangsdrehmoment M32, selbst bei niedriger Ausgangsdrehzahl n32, die sogar 0 sein kann, ohne dass die genannten Komponenten Schaden nehmen.
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Gegenüber hydrostatischen Fahrantrieben mit Hydromaschinen und Lastschaltgetriebe weist der erfindungsgemäße Fahrantrieb einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
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Da beim gezeigten Fahrantrieb auf das Lastschaltgetriebe verzichtet werden kann, weist der Fahrantrieb eine geringere vorrichtungstechnische Komplexität auf.
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Damit verbunden ist, dass Schaltvorgänge komplett entfallen, was den Betrieb komfortabler gestaltet und die Robustheit des Antriebes erhöht.
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Offenbart ist ein elektrischer Fahrantrieb mit zwei Elektromotoren, einem Summationsgetriebe und einer Steuereinrichtung, die derart parametriert ist, dass trotz dauerhaftem Lastmoment und Stillstand Komponenten einer Leistungselektronik der Elektromotoren und die Elektromotoren selbst, gegen Überlast geschützt sind.
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Offenbart ist weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine mit einem derartigen Fahrantrieb.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Fahrantrieb
- 2, 4
- Achse
- 6
- Rad
- 8
- Differentialgetriebe
- 10
- erste Elektromaschine
- 12
- zweite Elektromaschine
- 14
- erste Rotorwelle
- 16
- zweite Rotorwelle
- 18
- Summierungsgetriebe
- 20
- Sonnenrad
- 22
- Hohlrad
- 24
- Planetenradträger
- 26
- Planetenrad
- 28
- erster Getriebeeingang
- 30
- zweiter Getriebeeingang
- 32
- Getriebeausgang
- 34
- Stirnzahnrad
- 36
- Kardanwelle
- 38
- Generator
- 40
- Wechselrichter
- 42
- Steuereinrichtung
- 44
- Steuereinheit (ECU)
- n10
- erste Eingangsdrehzahl
- n12
- zweite Eingangsdrehzahl
- n32
- Ausgangsdrehzahl
- M10
- erstes Eingangsdrehmoment
- M12
- zweites Eingangsdrehmoment
- M32
- Ausgangsdrehmoment
- v
- Fahrgeschwindigkeit
- vx
- Fahrgeschwindigkeit mit n10 = 0
