Elektromos munkagépek motortípusainak fejlesztése

A mezőgazdasági traktorok és munkagépek villamosítása elkezdődött; egyre több új elektromos hajtású gép jelenik meg az értékesítési piacon. A munkagépek hajtásához alkalmazott elektromos motorok választéka nagyon széles, és folyamatosan fejlődik. Példaképpen néhány új motorfejlesztést ismertetünk.

A mezőgazdasági gépek villamos hajtása a jövőben gazdasági szükségszerűség lesz. A robotgépek hajtására már ma is igen gyakran alkalmazzák a villanymotoros hajtásrendszereket, a mezőgazdasági drónok működtetése pedig szinte kivétel nélkül elektromos. A nehéz traktorok, valamint önjáró munkagépek egy része dízel-elektromos hibrid hajtású, és a kisebb teljesítményű munkagépek sorában egyre gyakrabban található teljes egészében elektromos hajtású gép. Terjednek a vontatott, a függesztett munkagépek részbeni vagy teljes villamoshajtás-megoldásai is.

Merlo eWorker 25.5 90 elektromos teleszkópos rakodógép

Az új eWorker 25.5 90 típusjelzésű négykerék-hajtású Merlo teleszkópos kompakt rakodógép elektromos hajtású (1. kép).

A 4,9 t tömegű rakodógépet 48 V-os, 66 kW-os villanymotor működteti, akkumulátorról akár 8 órán keresztül. A rakodógép 2500 kg terhet 4800 mm magasra képes felemelni. A hátsókerék-kormányzás maximális szögértéke 85 fok, a legnagyobb haladási sebesség 25 km/h.

JCB 403E Full Cab elektromos törzscsuklós rakodógép

Az új JCB 403 E Full Cab törzscsuklós négykerék-hajtású ultrakompakt homlokrakodó gép elektromos üzemeltetésű (2. kép).

Az új fülkerendszer a vezető számára tökéletes védelmet és minden eddiginél nagyobb kényelmet biztosít az időjárás viszontagságai ellen a fülke- előmelegítési funkcióval. A 250 V-os lítiumion-akkumulátor kapacitása 20 kWh, amellyel 4 óránál több üzemidő érhető el. A hajtó elektromotor 3 fázisú AC aszinkron 10,6 kW tartós teljesítményű (33,4 csúcsteljesítményű), a hidraulika-rendszer hajtását 3 fázisú AC állandó mágnesű 9 kW állandó és 20 kW csúcsteljesítményű elektromotor végzi.

A JCB 403 E Full Cab rakodógép főbb műszaki adatai 0,4 m³-es kanál alkalmazása esetén: a gép teljes hosszúsága 4406 mm, legnagyobb szélessége 1080 mm, legnagyobb magassága 2210 mm. Üzemi tömege 2729 kg, hasznos teherbírása 640 kg, teljes fordulatú billenőterhelése 1237 kg. Emelési magasság a kanál alján 2658 mm, a gép maximális haladási sebessége 20 km/h, fordulási sugár a kanál külső részén 3098 mm. A vadonatúj JCB 403E Full Cab elektromos kerekes rakodó a JCB E-TECH elektromos gépcsalád része, és a kompakt méretének köszönhetően ideális beltéri vagy egyéb zárt térben végzett munkához.

Mezőgazdaságban használt villanymotorok

A közúti elektromos hajtású gépjárműtechnika fejlődésével az elmúlt években a villanymotorok új típusai kerültek kialakításra, amelyek elősegíthetik a mezőgazdasági munkagépek villamoshajtás-rendszereinek hatékony megvalósítását is. A járművek hajtására leggyakrabban használt villanymotortípusok: kefe nélküli egyenáramú motorok, aszinkronmotorok, kapcsolóreluktancia-motorok és állandó mágneses motorok. Ezeken a típuscsoportokon belül további alcsoportokat különböztetnek meg.

Az egyes villanymotortípusok közötti különbségek megértése az elkövetkező időszakban kiemelt jelentőséggel bír az adott munkagéphez való megfelelő kiválasztásuk és az üzemeltetés igényének teljesítése esetén. A legújabb technológiai fejlesztésekről, kutatási kezdeményezésekről is ismeretekkel kell rendelkezni. A következőkben példákon keresztül ismertetjük a villanymotorok fejlesztésének néhány újabb irányát.

Kefe nélküli egyenáramú motorok

A kefe nélküli BLDC (Brushless Direct Current) egyenáramú villanymotorok közkedveltté váltak, mert a kefék-kommutátor alkalmazása helyett elektronikus kommutációval (mikrokontrollerrel) működnek. A kefék elmaradása eredményeként a BLDC-motorok élettartama sokkal hosszabb, mint a hagyományos kefés egyenáramú villanymotoroké. A BLDC-motorok további előnyei: nincs kefekopás és súrlódás, valamint kommutációs elektromos veszteség, ezért energiatakarékosabbak.

A kefe nélküli egyenáramú villanymotorok pontos fordulatszáma, pozíciója és nyomatéka valós időben is jól szabályozható, ezért automatizálási feladatokhoz is alkalmazhatók, például drónokhoz, robotikai eszközökhöz. A BLDC-motorok kitűnően megfelelnek különféle járművek, mezőgazdasági gépek hajtásához a fordulatszám-nyomaték jelleggörbéjének linearitása, valamint a nagy indítónyomatékuk miatt. A BLDC-motorok hátrányként a félvezető elektronika (mikrokontroller), valamint a tervezett 48 VDC vagy 200–800 VDC egyenáramú táplálás illesztéséhez szükséges DC-DC átalakítók költsége említhető.

Dana TM4 MOTIVE™ integrált motor- és inverterrendszer

Az amerikai nagyvállalat, a Dana Incorporated 1904-es alapítása óta vezető szerepet tölt be a gépjárművek erőátvitelének forradalmasításában.

A Dana az építőipar, a mezőgazdaság, az anyagmozgatás, a bányászat, az erdészet mobil ágazatában teljesen integrált meghajtórendszereket és összetett villamosított hajtásláncokat kínál a felhasználók számára. Most egy termékcsaládot mutatunk be ezek közül.

Az új TM4 MOTIVE™ termékcsalád tagjai egybeépített, integrált villamos hajtásegységet alkotnak, amely nagy fordulatszámú állandó mágneses villanymotort, nagy teljesítményű elektronikus invertert és fejlett vezérlőegységet, programot tartalmaznak. A meghajtórendszerhez a Dana megfelelő sebességváltó-választékot is kínál.

A TM4 MOTIVE MV360 típusjelzésű integrált motor- és inverterrendszer 3 fázisú állandó mágnesű villanymotorja 450 VDC mellett 180 kW csúcs-, valamint 105 kW tartós teljesítményt, 360 Nm csúcs- és 180 Nm tartós nyomatékot szolgáltat, maximális működési fordulatszáma 15 000 1/min. Az inverter víz-glykol hűtőfolyadékának maximális bemenő hőmérséklete 65 °C lehet, a motor hosszúsága 328 mm, szélessége (az inverternél) 405 mm, teljes magassága (az inverternél) 356 mm.

Axiális fluxusú villanymotor

Az axiális fluxusú villanymotor régóta ismert, de a megfelelő erős állandó mágnes előállításának hiányában használata eddig nem került előtérbe. Az axiális fluxusú motor működési elve a szinkronmotoréhoz áll közel. A lapos felépítésű axiális fluxusú motornál a forgórészen kétoldalt a koronglapon helyezkednek el az erős állandó mágnesek, míg a fázistekercsek a belső álló részen kapnak helyet (4. kép).

A tekercsek által létrehozott lüktető mágnesmező (fluxus) a tengellyel párhuzamosan (axiálisan) alakul ki, innen származik az axiális fluxusú motor elnevezés.

Az axiális fluxusú motor előnye a jó hatásfoka (97% a fordulatszám széles tartományában), a nagy nyomatéka, a magas teljesítménysűrűsége: 8 kW/kg (11 LE/kg), a kis mérete és tömege. Bizonyos beépítésekhez (pl. kerékagymotorhoz) kedvező az alakja. Hátrányai a szinkronmotoréhoz hasonlóak.

Az autótechnika meghajtómotorként újabban az axiális fluxusú motorokat alkalmazza. Az egyik legismertebb angol fejlesztő- és gyártóvállalatot, a YASA-t 2019-ben megvette a Mercedes-Benz, ezzel a német márka az elektromos autóihoz az axiális fluxustechnológiát fogja alkalmazni. Infinitum Aircore EC motorok A 2016-ban alapított texasi Infinitum Electric vállalat továbbfejlesztette az axiális fluxusú motorok gyártásának technológiáját. Az Aircore EC motorok hagyományos vasmag és réztekercsek helyett rézmaratott NYÁK állórészből állnak (5. kép).

Ez a kialakítás növeli a hatékonyságot a nagy veszteségű örvényáramok kiküszöbölésével. A motorok 50%-kal könnyebbek és kisebb térfogatúak, mint az azonos teljesítményű hagyományos vasmagos motorok.

A hagyományos motorok áramsűrűségének kétszeresét-háromszorosát biztosítják az Aircore EC motorok, amit az állórész nyomtatott áramköri lapjával és a kis térfogatú, erős, ritkaföldfémeket tartalmazó nagy energiájú mágnesekkel (pl. NdFeB) rendelkező forgórésszel, valamint a közvetlen folyadékhűtés kombinálásával érnek el (6. kép).

A korszerű Aircore EC motorok kiválóan alkalmasak változó sebességű alkalmazásokhoz. Ezekkel a motorokkal a változtatható frekvenciás hajtással (VFD) olyan szintű vezérlés biztosítható, amely a fix feszültségű tápvezetékeket használó hagyományos motorokkal nem érhető el.

Dr. Varga Vilmos
ny. okl. gépész- és villamosmérnök