Traktorin sähköisen ajovoimansiirron konsepti
Lappalainen, Tero (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241892
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021080241892
Tiivistelmä
Diplomityön tavoitteena on tarkastella sähköisen voimansiirron soveltuvuutta traktoriin. Työssä tarkastellaan eri sähkökonetyyppien ominaisuuksia, sähköistämisen motiiveja ja mahdollisuuksia sekä otetaan huomioon sähköistyksen haasteet laite- ja järjestelmätasolla. Syventävässä osiossa tarkastellaan kestomagneettitahtikoneen suorituskykyä kentänheikennysalueella.
Traktorin ajomoottorilta edellytetään vääntömomentintuottokykyä alhaisilla nopeuksilla, ja toisaalta kentänheikennysalueella moottorin pitäisi pystyä tuottamaan korkea teho. Lisäksi monet perinteiset maataloustyöt edellyttävät verrattain pitkäkestoista, korkeaa, toistuvaa kuormitusta. Työssä todetaan, että halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi on olemassa lukuisia vaihtoehtoja eri moottori- ja vaihteistokonstruktioilla.
Lisäksi huomataan, että traktorin sähköisen voimansiirron ajomoottorille asetettavat vaatimukset poikkeavat oleellisesti henkilöautojen moottoreille asetettavista vaatimuksista ja ovat käyttövaatimuksiltaan lähempänä S1-käyttöluokan teollisuusmoottoreita. Työssä tarkastellaan myös ajomoottorin suunnittelua traktorien sähköistyksessä sovellettavien kansainvälisten sähköturvallisuusstandardien asettamien reunaehtojen puitteissa.
Työn lopputuloksena syntyy konseptitason näkemys sähköisen voimansiirron ja traktorin sähköistämisen tarjoamista mahdollisuuksista sekä sähköistyksen riskeistä ja teknisistä reunaehdoista. The aim of the thesis is to examine the suitability of an electric transmission for an agricultural tractor. The project examines the suitability of different types of electric machines for electromechanical power transmission, the motives and possibilities of electrification, and takes into account the challenges of electrification at the equipment and system level. The in-depth section examines the performance of a permanent magnet synchronous machine both in high-torque and field weakening range.
It is noticed that a traction motor is loaded with a variety of requirements as the machine runs with different, multifunctional load cycles. While excellent torque performance is required at low-speed range, the motor should be capable of producing an adequate amount of power in field-weakening range. Furthermore, many of the traditional agricultural tasks require fairly long-term, high, recurrent loadability. The required performance may be achieved with many feasible compilations of motor and gearbox.
The performance requirements for tractor hybrid propulsion, varying significantly compared to electrical passenger vehicle applications, nearly resemble duty cycle S1 of an industrial motor. Along the engineering process, the electrical safety requirements concerning the hybrid and electric tractors is investigated.
The result of the work is an insight into the possibilities of a tractor electric propulsion, as well as the risks and overall technical boundary conditions of electrification.
Traktorin ajomoottorilta edellytetään vääntömomentintuottokykyä alhaisilla nopeuksilla, ja toisaalta kentänheikennysalueella moottorin pitäisi pystyä tuottamaan korkea teho. Lisäksi monet perinteiset maataloustyöt edellyttävät verrattain pitkäkestoista, korkeaa, toistuvaa kuormitusta. Työssä todetaan, että halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi on olemassa lukuisia vaihtoehtoja eri moottori- ja vaihteistokonstruktioilla.
Lisäksi huomataan, että traktorin sähköisen voimansiirron ajomoottorille asetettavat vaatimukset poikkeavat oleellisesti henkilöautojen moottoreille asetettavista vaatimuksista ja ovat käyttövaatimuksiltaan lähempänä S1-käyttöluokan teollisuusmoottoreita. Työssä tarkastellaan myös ajomoottorin suunnittelua traktorien sähköistyksessä sovellettavien kansainvälisten sähköturvallisuusstandardien asettamien reunaehtojen puitteissa.
Työn lopputuloksena syntyy konseptitason näkemys sähköisen voimansiirron ja traktorin sähköistämisen tarjoamista mahdollisuuksista sekä sähköistyksen riskeistä ja teknisistä reunaehdoista.
It is noticed that a traction motor is loaded with a variety of requirements as the machine runs with different, multifunctional load cycles. While excellent torque performance is required at low-speed range, the motor should be capable of producing an adequate amount of power in field-weakening range. Furthermore, many of the traditional agricultural tasks require fairly long-term, high, recurrent loadability. The required performance may be achieved with many feasible compilations of motor and gearbox.
The performance requirements for tractor hybrid propulsion, varying significantly compared to electrical passenger vehicle applications, nearly resemble duty cycle S1 of an industrial motor. Along the engineering process, the electrical safety requirements concerning the hybrid and electric tractors is investigated.
The result of the work is an insight into the possibilities of a tractor electric propulsion, as well as the risks and overall technical boundary conditions of electrification.