Entwicklung integrierter elektrisch-hydraulischer Antriebssysteme für mobile Arbeitsmaschinen
Final Report Abstract
Hydraulische Pumpen, die sich durch eine sehr hohe Leistungsdichte auszeichnen, benötigen einen separaten Antrieb, der zumeist durch einen Elektromotor als gesteuerter oder geregelter Antrieb zur Verfügung steht. Die hydraulische und elektrische Antriebstechnik haben bisher ihre Weiterentwicklungen getrennt voneinander betrieben, da sich die Struktur, Konstruktion sowie die zugrunde liegende Physik beider Gebiete erheblich voneinander unterscheiden. Die Verbindung von Motor und Pumpe wird konventionell über eine Wellenkupplung oder ein Getriebe hergestellt. Auf diese Weise gelangt man zur elektrisch angetriebenen Pumpe oder zur integrierten Pumpe im gemeinsamen Gehäuse. Beide Konstruktionen sind Stand der Technik. Die funktional und geometrisch entkoppelte Anordnung der Einzelteile bleibt dabei weitestgehend bestehen. Ein höherer Integrationsgrad kann nur erreicht werden, wenn wesentliche Baugruppen von Motor und Pumpe identisch sind. An dieser Stelle setzt dieses Forschungsprojekt an. Aus der funktionalen und geometrischen Vereinigung einer Außenzahnradpumpe und eines geschalteten Reluktanzmotors entsteht ein kompaktes Druckversorgungssystem mit bisher unerreichtem Integrationsgrad, im folgenden "Reluktanzpumpe" genannt. Den Kern dieser räumlichen Integration bilden die, jeweils eine Zahnradform aufweisenden Rotoren beider Antriebe, mit denen sowohl die hydraulischmechanischen als auch die elektromagnetischen Funktionen realisiert werden. In der Zahnradpumpe übernehmen die Ritzel die Förderung des Druckmediums und die Dichtung, bei der Reluktanzmaschine bewirken die gezahnten Läufer lageabhängig unterschiedliche Leitwerte des magnetischen Kreises, die durch die Kraftwirkung im magnetischen Feld und Weiterschalten der stromführenden Wicklungen zur Drehbewegung genutzt werden. Technologisch ist die Vereinigung sehr anspruchsvoll, da die Anforderungen an die jeweiligen Antriebe bestehen bleiben. Es wird gezeigt, dass die häufig entgegengesetzt orientierten hydraulisch-mechanischen und elektromagnetischen Forderungen zu einer Kompromisslösung führen. Aufgrund physikalischer und technologischer Limitierungen bleibt die hundertprozentige räumliche Integration somit auf Sonderlösungen begrenzt. Die sehr hohe Leistungsdichte hydraulischer Antriebe geht verloren, insofern kein Freiheitsgrad gefunden wird, um hydraulische und motorische Geometrie voneinander zu entkoppeln. Im Forschungsprojekt wurde ausgehend von den theoretischen und physikalischen Grundlagen des Antriebskonzeptes ein Prototyp realisiert, der einen Funktions- und Leistungsnachweis erbringt. Erstmals wurde ein für die Motorfunktion erforderliches geblechtes hydrostatisches Triebwerk entwickelt und erfolgreich getestet. Mit der radialen Teilung der Reluktanzmaschine und dem synchronen Antrieb beider Ritzel wurde ebenfalls wissenschaftliches Neuland betreten. Für die im Antrag skizzierte industrielle Nutzung in mobilen Arbeitsmaschinen ist die Reluktanzpumpe jedoch nicht geeignet, da die dortigen sehr hohen Druckanforderungen nicht erfüllt werden können. Die räumliche Integration bietet jedoch große Vorteile – auch für mobile Arbeitsmaschinen – wenn die Pumpe in das Kernvolumen des Motors integriert wird. Das hier entwickelte Motor-Pumpensystem ist für Niederdruckanwendungen, bevorzugt unter 30 bar, im Leistungsbereich bis 2 kW, geeignet.
Publications
- Radial partitioned reluctance machine as gear pump - an approximation among electrical and fluid power, XLIVnd International Symposium on Electrical Machines SME 2008, Wroclaw, Polen, S. 30-39
Schuffenhauer, U.; Kuß, H.; Michalke, N.; Wustmann, W.; Helduser, S.
