DE102005037727A1 - Fahrantrieb mit einem Elektro-Wandler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrantrieb für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit einem Elektro-Wandler, der einen in Antriebsverbindung mit einem Verbrennungsmotor (12) stehenden Generator (11) und einen damit räumlich zu einer Baueinheit zusammengefassten Fahrmotor (1 bzw. 2) aufweist. Um die Leistung des Fahrantriebs bei gutem Wirkungsgrad zu erhöhen und einen einfachen Aufbau zu erzielen, weist erfindungsgemäß der Elektro-Wandler (Generator 11, Fahrmotoren 1, 2) eine Betriebsspannung von mehr als 100 Volt, insbesondere mehr als 200 Volt auf und ist an einen Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fahrantrieb für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit einem Elektro-Wandler, der einen in Antriebsverbindung mit einem Verbrennungsmotor stehenden Generator und einen damit räumlich zu einer Baueinheit zusammenfassten Fahrmotor aufweist.
  • Ein gattungsgemäßer Fahrantrieb ist in der DE 100 25 089 A1 offenbart. Die bei solchen Fahrantrieben üblicherweise eingesetzten elektrischen Maschinen sind luftgekühlt. Bei größerem Leistungsbedarf stößt man schnell auf Temperaturgrenzen, die durch eine Flüssigkeitskühlung überwunden werden könnten. Flüssigkeitskühlungen sind jedoch naturgemäß aufwendiger und führen häufig zu hohen Planschverlusten in Komponenten, in denen sich Bauteile in Flüssigkeit drehen. Damit wird der Wirkungsgrad schlechter. In der Regel wird deshalb versucht, den erhöhten Leistungsbedarf durch Anhebung der Drehzahlen der elektrischen Maschinen zu erzielen. Hinsichtlich der elektrischen Maschinen ist dies meist unproblematisch, der Wirkungsgrad ändert sich dabei praktisch nicht. Allerdings kommt es zu erhöhten Verlustleistungen in den nachgeschalteten Komponenten (Getriebe, Bremsen).
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Fahrantrieb zur Verfügung zu stellen, dessen Leistung bei gutem Wirkungsgrad erhöht ist und der über einen einfachen Aufbau verfügt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektro-Wandler eine Betriebsspannung von mehr als 100 Volt, insbesondere mehr als 200 Volt aufweist und an einen Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen ist.
  • Durch die gegenüber bekannten elektrischen Fahrantrieben für Arbeitsmaschinen erhöhte Betriebsspannung wird das Drehmoment des elektrischen Fahrmotors bzw. der elektrischen Fahrmotoren signifikant erhöht. Es ist daher möglich, die Drehzahl herabzusetzen. Dadurch ist eine Flüssigkeitskühlung leichter möglich, denn die bei hohen Drehzahlen auftretenden Planschverluste, die insbesondere dann entstehen, wenn die Rotoren der elektrischen Maschinen in Kühlflüssigkeit rotieren, werden drastisch reduziert.
  • Die Herabsetzung der Drehzahl aufgrund erhöhter Betriebsspannung ermöglicht es auch, die sich an den Fahrmotor bzw. die Fahrmotoren anschließenden Baugruppen (Untersetzungsgetriebe, Radlagerungen, Bremsen, Gehäuse) zu vereinfachen. So kann – je nach Auslegung – auf ein nachgeschaltetes Untersetzungsgetriebe unter Umständen verzichtet oder dieses nur einstufig ausgebildet werden.
  • Durch die Flüssigkeitskühlung lässt sich mit dem Elektro-Wandler eine höhere Leistung übertragen als mit luftgekühlten Antriebseinheiten. Darüber hinaus können alle temperaturempfindlichen Bauteile der Kompaktachse, von den Leistungssteuerungen, über die elektrischen Maschinen, deren Lagerungen und Wellendichtringe bis hin zu den Getrieben, Radlagerungen usw., optimal gekühlt werden.
  • Die infolge der Flüssigkeitskühlung erzielte Temperatursenkung in den elektrischen Maschinen führt zu erhöhten Wirkungsgraden.
  • Eine verbesserte Kühlung erlaubt ferner eine höhere Stromdichte und damit eine geringere Stromstärke. Dadurch können Leistungssteuerungen für die elektrischen Maschinen zum Einsatz kommen, die sich weniger stark aufheizen und kleiner, also kostengünstiger ausgeführt werden können.
  • Da die unter erhöhter Betriebsspannung stehenden Komponenten des Elektro-Wandlers innerhalb einer geschlossenen Baueinheit untergebracht sind, wird ein sicherer Betrieb des erfindungsgemäßen Fahrantriebs erzielt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühlflüssigkeitskreislauf an einen in der Arbeitsmaschine vorhandenen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen, insbesondere eine Arbeitshydraulik der Arbeitsmaschine angeschlossen. Es ist daher kein oder nur ein geringer Zusatzaufwand für die Flüssigkeitskühlung des Elektro-Wandlers erforderlich. Es werden in der Arbeitsmaschine lediglich bereits vorhanden Kühleinrichtungen genutzt.
  • Ferner erweist es sich als günstig, wenn der Fahrmotor in Achsrichtung eines Querabschnitts einer Antriebsachse angeordnet ist. Der Elektro-Wandler ist dabei kompakt aufgebaut und ist darüber hinaus durch die integrierte Bauweise, bei der alle wesentlichen Komponenten geschützt untergebracht sind, robust und auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen uneingeschränkt einsetzbar.
  • Sofern in Weiterbildung der Erfindung der Generator koaxial zum Verbrennungsmotor und zusammen mit diesem rechtwinklig zum Querabschnitt der Antriebsachse angeordnet ist, ergibt sich eine optimale platzsparende Anordnung für Arbeoitsmaschinen mit einem längs eingebauten Verbrennungsmotor.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind im Querabschnitt der Antriebsachse zwei hintereinander angeordnete, jeweils einem Rad zugeordnete Fahrmotoren vorgesehen und befindet sich der Generator in einem Bereich, in dem die Fahrmotoren zueinander benachbart sind. Es ergibt sich somit eine T-förmige Elektro-Kompaktachse, die weitgehend symmetrisch aufgebaut ist.
  • Hierbei kann der Generator zumindest teilweise axial zwischen den beiden Fahrmotoren angeordnet sein, was in Fahrzeuglängsrichtung Platz spart.
  • In beiden Fällen ist es möglich, dass der Generator eine durchgehende Antriebswelle aufweist, die an dem zum Verbrennungsmotor fernen Ende mit einer Pumpe in Antriebsverbindung steht. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor zusätzlich zum Fahrantrieb einen weiteren Verbraucher antreiben.
  • Die Pumpe kann zumindest teilweise axial zwischen den Fahrmotoren angeordnet sein.
  • Zweckmäßigerweise ist die Pumpe an eine Arbeitshydraulik angeschlossen.
    •
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Der erfindungsgemäße Fahrantrieb verfügt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über einen Elektro-Wandler, der in eine Antriebsachse integriert ist. Hierbei sind in einem Querabschnitt Q der Antriebsachse zwei elektrische Fahrmotoren 1, 2 axial hintereinander in Achsrichtung angeordnet und zueinander beabstandet. Beiden Fahrmotoren 1, 2, die bevorzugt als Drehstrom-Synchronmotoren oder als Drehstrom-Asynchronmotoren ausgebildet sind, ist jeweils eine Lamellenbremse 3 bzw. 4 und ein Untersetzungsgetriebe 5 bzw. 6 nachgeschaltet, das als einstufiges Planetengetriebe ausgebildet ist. An den Achsenden befindet sich jeweils eine Radlagerung 7 bzw. 8 einer Radnabe 9 bzw. 10.
  • Die Fahrmotoren 1, 2 sowie die nachgeschalteten Komponenten sind koaxial zu einer Achsmittelinie A angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Achsmittellinie A zu den Antriebswellen der Fahrmotoren 1, 2 versetzt ist, beispielsweise dann, wenn anstelle von Planetengetrieben als Untersetzungsgetriebe 5 bzw. 6 Stirnradgetriebe zum Einsatz kommen. Es versteht sich, dass anstelle von zwei elektrischen Fahrmotoren 1, 2 auch ein einzelner Fahrmotor in der Antriebsachse angeordnet sein kann, dem dann ein Differentialgetriebe nachgeschaltet ist, dessen beide Ausgänge jeweils mit einer der Radnaben 9 bzw. 10 verbunden sind.
  • Der erfindungsgemäße Fahrantrieb verfügt über einen Generator 11, der in Achsmitte und rechtwinklig zu den Fahrmotoren 1, 2 angeordnet ist und mit einem dazu koaxialen Verbrennungsmotor 12 in Antriebsverbindung steht. Der Generator 11 steht mit den beiden Fahrmotoren 1, 2 elektrisch in Verbindung und bildet zusammen mit diesen einen Elektro-Wandler. Die Antriebsachse des erfindungsgemäßen Fahrantriebs ist somit T-förmig ausgebildet und besteht aus dem im wesentlichen von den Fahrmotoren 1, 2 (sowie den nachgeschalteten Komponenten) gebildeten Querabschnitt Q und einem Längsabschnitt L, nämlich dem Generator 11.
  • Diese Bauweise, die man auch als Elektro-Kompaktachse bezeichnen kann, eignet sich vor allem bei längs eingebautem Verbrennungsmotor 12. Selbstverständlich sind grundsätzlich auch andere Bauweisen möglich, bei denen der Generator 11 des Elektro-Wandlers z. B. parallel zu den Fahrmotoren angeordnet ist. Denkbar ist auch eine Ausführungsvariante mit nur einem Fahrmotor und einem dazu koaxial angeordneten Generator.
  • Eine Antriebswelle 11a des Generators 11 ist durchgehend ausgebildet und mit einer Pumpe 13 verbunden, die sich axial zwischen den beiden Fahrmotoren 1, 2 in der Antriebsachse befindet. Es ist auch möglich, dass der Generator 11 zumindest teilweise axial zwischen den Fahrmotoren 1, 2 angeordnet ist, wobei dann die seriell dahinter angeordnete Pumpe 13 aus dem von den Fahrmotoren 1, 2 gebildeten Querabschnitt der Antriebsachse herausragt. Die Pumpe 13 ist bevorzugt Teil einer Arbeitshydraulik einer mit der Antriebsachse ausgerüsteten Arbeitsmaschine, beispielweise Gabelstapler.
  • Der Elektro-Wandler wird erfindungsgemäß mit einer Betriebsspannung von mehr als 100 Volt, insbesondere mehr als 200 Volt betrieben. Hierbei ist z. B. durchaus eine Betriebsspannung von 400 Volt möglich. Die erhöhte Betriebsspannung ermöglicht es, das Drehmoment der elektrischen Fahrmotoren 1, 2 heraufzusetzen und damit die Abtriebsdrehzahl zu verringern.
  • Zur Kühlung der Elektro-Kompaktachse wird die Arbeitshydraulik genutzt. Hierbei ist ein Kühlkreislauf an die Arbeitshydraulik angeschlossen, der den Generator 11 und die Fahrmotoren 1, 2 sowie die nachgeschalteten Komponenten mit gekühlter Hydraulikflüssigkeit aus der Arbeitshydraulik versorgt. Es ist dabei möglich, die elektrischen Maschinen direkt zu kühlen, indem die Rotoren in Hydrauliköl eintauchen, oder indirekt, indem im Gehäuse oder anderen Maschinenbereichen Kühlkanäle vorgesehen sind. Die Flüssigkeitskühlung bewirkt eine Temperatursenkung in den elektrischen Maschinen und damit eine Verbesserung der Wirkungsgrade.
  • In der Figur nicht dargestellt sind Leistungssteuerungen (Leistungsmodule), die auf die Antriebsachse aufgeflanscht sind und mit denen Drehzahl und Drehmoment des Elektro-Wandlers gesteuert werden. Auch die Leistungssteuerungen sind an den Kühlflüssigkeitskreislauf (direkt oder indirekt) angeschlossen.
  • Zur Kühlung wird somit ein in der Arbeitsmaschine bereits vorhandener Flüssigkeitskreislauf (denkbar ist auch der Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors) und dessen Kühleinrichtungen (Ölkühler, ggf. Gebläse) genutzt. Die Kühlung kann – wie dargestellt – durch eine Verrippung der Antriebsachse unterstützt werden.
  • Die bei einer Flüssigkeitskühlung bei hohen Drehzahlen auftretenden Planschverluste werden bei dem vorliegenden Fahrantrieb vermieden bzw. weit herabgesetzt, denn durch die hohe Betriebsspannung und das damit erzielte hohe Drehmoment kann die Drehzahl der elektrischen Maschinen deutlich vermindert werden.
  • Die Herabsetzung der Drehzahl aufgrund erhöhter Betriebsspannung ermöglicht es auch, dass die Untersetzungsgetriebe – wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel – nur einstufig ausgebildet sind oder unter Umständen ganz entfallen können. Auch die Plansch- und Reibungsverluste in den Lamellenbremsen werden herabgesetzt.

Claims (9)

  1. Fahrantrieb für eine Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit einem Elektro-Wandler, der einen in Antriebsverbindung mit einem Verbrennungsmotor stehenden Generator und einen damit räumlich zu einer Baueinheit zusammenfassten Fahrmotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektro-Wandler (Generator 11, Fahrmotoren 1, 2) eine Betriebsspannung von mehr als 100 Volt, insbesondere mehr als 200 Volt aufweist und an einen Kühlflüssigkeitskreislauf angeschlossen ist.
  2. Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitskreislauf an einen in der Arbeitsmaschine vorhandenen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen ist, insbesondere eine Arbeitshydraulik.
  3. Fahrantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrmotor (1 bzw. 2) in Achsrichtung eines Querabschnitts (Q) einer Antriebsachse angeordnet ist.
  4. Fahrantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) koaxial zum Verbrennungsmotor (12) und zusammen mit diesem rechtwinklig zum Querabschnitt (Q) der Antriebsachse angeordnet ist.
  5. Fahrantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Querabschnitt (Q) der Antriebsachse zwei hintereinander angeordnete, jeweils einem Rad zugeordnete Fahrmotoren (1, 2) vorgesehen sind und sich der Generator (11) in einem Bereich befindet, in dem die Fahrmotoren (1, 2) zueinander benachbart sind.
  6. Fahrantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) zumindest teilweise axial zwischen den beiden Fahrmotoren (1, 2) angeordnet ist.
  7. Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (11) eine durchgehende Antriebswelle (11a) aufweist, die an dem zum Verbrennungsmotor (12) fernen Ende mit einer Pumpe (13) in Antriebsverbindung steht.
  8. Fahrantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (13) zumindest teilweise axial zwischen den Fahrmotoren (1, 2) angeordnet ist.
  9. Fahrantrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (13) an eine Arbeitshydraulik angeschlossen ist.
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