Design und Anwendung des PMSM-Motors in Traktoren

Während sich landwirtschaftliche Maschinen in Richtung Elektrifizierung und Intelligenz weiterentwickeln, werden Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) sind zum Ideal geworden Antriebslösung für Elektrotraktoren aufgrund ihrer Hoher Wirkungsgrad, hohe Leistungsdichte und präzise Steuerung. Nachfolgend sind die wichtigsten Designüberlegungen für PMSM in Traktoren aufgeführt.

1. Vorteile von PMSM (im Vergleich zu Induktionsmotoren/Gleichstrommotoren)

Funktion	PMSM	Induktionsmotor (IM)	Gleichstrommotor
Effizienz	92 %–96 %	85 %–90 %	75 %–85 %
Leistungsdichte	Hoch (kompakt und leicht)	Mittel	Niedrig (erfordert Kommutator)
Geschwindigkeitskontrolle	Hervorragend (Vektorkontrolle)	Schlecht (abhängig vom VFD)	Gut (braucht aber Pinsel)
Wartung	Wartungsfrei	Geringer Wartungsaufwand	Hoch (Bürstenverschleiß)
Kosten	Höher (Seltenerdmagnete)	Niedrig	Mäßig

Anwendungen:

• Hauptantrieb für Elektrotraktoren (als Ersatz für Dieselmotoren).

• Elektrifizierung der Zapfwelle (Power Take-Off).

• Hydraulikpumpen-/Hilfssystemantriebe.

2. Wichtige Designparameter für PMSM in Traktoren

(1) Leistungs- und Drehmomentanforderungen

Traktoren arbeiten unter komplexen Bedingungen, die beides erfordern hohes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten (Pflügen) und effizienter Hochgeschwindigkeitstransport:

• Kleintraktoren (25-50 PS): 20–40 kW PMSM-Motor, Nenndrehmoment 150–300 Nm.

• Mittlere Traktoren (50–100 PS): 40–75 kW PMSM-Motor, Nenndrehmoment 300–600 Nm.

• Große Traktoren (100+ PS): 75–200 kW PMSM-Motor, Nenndrehmoment 600–1500 Nm.

Spitzendrehmomentbedarf (Kurzfristige Überlastung):

• Erfordert das 2–3-fache Nenndrehmoment beim Pflügen oder Klettern.

• Für die Ausweitung des Hochgeschwindigkeitsbetriebs ist eine Feldschwächungssteuerung erforderlich.

(2) Geschwindigkeitsbereich

• Pflugmodus: 500–1500 U/min (hohes Drehmoment).

• Transportmodus: 1500–3000 U/min (optimiert für Effizienz).

• Standardgeschwindigkeiten der Zapfwelle: 540/1000 U/min (muss genau abgestimmt sein).

(3) Kühlmethoden

Kühllösung	Bewerbung	Vor- und Nachteile
Natürliche Kühlung	Geringe Leistung (	Einfach, kostengünstig, aber begrenzte Wärmeableitung.
Zwangsluftkühlung	Mittlere Traktoren (20–50 kW)	Erfordert einen Lüfter, erhöht den Stromverbrauch.
Flüssigkeitskühlung	Hohe Leistung (>50 kW)	Effiziente Kühlung, geeignet für dauerhaft hohe Belastungen.

Empfehlung:

• Doppelte Flüssigkeits- und Ölkühlung (für Hochleistungstraktoren, z. B. 200+ kW).

3. Design der Motortopologie

(1) Struktur des Rotormagnetkreises

Typ	Eigenschaften	Bewerbung
Aufputzmontage (SPM)	Einfach, geringe Drehmomentwelligkeit, aber bei hohen Drehzahlen anfällig für Entmagnetisierung.	Kleine/mittlere Traktoren.
Innenraum (IPM)	Hohe Entmagnetisierungsbeständigkeit, großer Drehzahlbereich, robust.	Große/Hochgeschwindigkeitstraktoren.

Empfehlung:

• Innen-PM (IPM) (gleicht Hochgeschwindigkeits- und Überlastanforderungen aus).

(2) Statorschlitze und Polpaare

• Polpaare: Normalerweise 4–8 Pole (gleicht Geschwindigkeit und Drehmoment aus).

♦ Beispiel: 1000 U/min → 4 Pole (33 Hz), 8 Pole (66 Hz).

• Statorschlitze: 36 oder 48 Schlitze (reduziert Rastmoment und Geräusche).

(3) Permanentmagnetmaterial

Material	Remanenz (Br)	Koerzitivfeldstärke (Hc)	Kosten	Eignung
NdFeB	1,0–1,4 T	800–2000 kA/m	Hoch	Hochleistungstraktoren.
Ferrit	0,4–0,5 T	200–400 kA/m	Niedrig	Kostengünstige Leichttraktoren.

Empfehlung:

• NdFeB-Magnete (hohe Energiedichte, ideal für Hochleistungstraktoren).

4. Steuerungssystemdesign

(1) Kontrollstrategien

Feldorientierte Steuerung (FOC):

• Entkoppelt die Drehmoment-/Drehzahlsteuerung für eine schnelle dynamische Reaktion.

• Ideal für sofortige hohe Drehmomentanforderungen beim Pflügen.

Direkte Drehmomentregelung (DTC):

• Sensorloser Betrieb, robust, aber mit höherer Drehmomentwelligkeit.

(2) Sensorauswahl

Encoder (hohe Präzision, z. B. 17-Bit-Absolutwertgeber).

Sensorlose Steuerung (Reduziert die Kosten, beeinträchtigt jedoch die Leistung bei niedriger Geschwindigkeit).

(3) Wechselrichteranpassung

Spannungsniveau: 400 V (klein/mittel), 600 V (große Elektrotraktoren).

SiC-MOSFETs: Hochfrequenzschaltung für reduzierte Verluste.

5. Integration mit Traktorsystemen

(1) Mechanische Integration

• Direktantrieb: Der Motor wird direkt mit dem Antriebsstrang verbunden (das Getriebe entfällt, ist aber erforderlich Motoren mit hohem Drehmoment).

• Hybrid parallel: PMSM + Dieselmotor (Übergangslösung).

(2) Energiemanagement

• Batteriekapazität:

♦ Rein elektrisch: 100–300 kWh (4–8 Stunden Betrieb).

♦ Hybrid: 20–50 kWh (Hilfsstrom).

• Regeneratives Bremsen: Gewinnt beim Abbremsen Energie zurück.

(3) Umweltanpassungsfähigkeit

• Schutzart: IP67 (staub-/wasserdicht für raue landwirtschaftliche Bedingungen).

• Vibrationsfestigkeit: Verstärkte Lager und Struktur (für unwegsames Gelände).

6. Anwendungen aus der Praxis

John Deere SESAM (rein elektrischer Traktor):

• Doppelter PMSM-Antrieb (insgesamt 300 kW), flüssigkeitsgekühlt.

YTO-Elektrotraktor (China):

• 120-kW-IPM-Motor, FOC-Steuerung, 5 Stunden Laufzeit.

7. Zukünftige Trends

► Hochspannungsplattformen (800V+): Reduziert das Kabelgewicht und verbessert die Effizienz.

► Seltenerdfreie PM-Motoren: Reduziert die Abhängigkeit von NdFeB (z. B. optimierte Ferritdesigns).

► Intelligente Drehmomentverteilung: Mehrmotorenantrieb + elektronisches Differenzial (verbessert die Feldmobilität).

8. Entwurfszusammenfassung

Schlüsselaspekt	Empfohlene Lösung
Motortyp	Innen-PMSM (IPM)
Kühlmethode	Flüssigkeitskühlung (>50 kW)
Kontrollstrategie	FOC + hochpräziser Encoder
Magnetmaterial	NdFeB
Systemspannung	400V–600V

PMSM in Traktoren müssen ausbalancieren Hohes Drehmoment, großer Drehzahlbereich und Haltbarkeit in rauen Umgebungen. Die Optimierung des elektromagnetischen Designs, der Kühlung und der Steueralgorithmen kann die Effizienz und Zuverlässigkeit von Elektrotraktoren erheblich verbessern.