CN1054587C - 一种电驱动起重车 - Google Patents

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Abstract

一种起重车(10)具有牵引电机(16)，开动液压泵的电机(17)以及为电机供电的电池(19)。为了获得长的工作寿命和可靠性以及高性能，牵引电机(16)或两种电机都是异步电机，并有检测电机的角速度和角位置的装置(30)和与检测装置(30)相连的电子控制电路(52)，用来根据检测装置提供的数据并根据所需要的速度控制电机的电源。

Description

一种电驱动起重车
本发明涉及一种电驱动起重车如升降铲车。
电驱动起重车通常有一个或两个用来为起重车提供牵引力的电机和用来开动起重车的液压管道泵的电机。提供牵引力的电机作用在铲车的两个前驱动轮上。更具体地说，当有两个牵引电机时，每个电机作用在两个驱动轮的一个上。液压管道和另一个由电机开动的泵相连，它包括用于升高升降叉的液压管道和用于起重车的动力操作的液压管道。
所有电机均为直流电机并且由起重车上的电池供电。
众所周知，这些直流电机，包括具有永久磁铁和具有定子绕组的直流电机，都有由换向片的环构成的换向器以及为换向操作而设的接触电刷。
在起重车的使用中，电机的换向器由于各种原因成为最重要的部件。
首先，换向片和电刷遭受机械磨损，以致其工作寿命在最佳条件下也很少有超过2000小时的，这需要定期地使起重车停止工作并更换换向片和电刷，由于起重车停止运行并进行维修导致相应的花费。
而且，在换向片中会产生高温，这引起另外的问题。
的确，需要提供具有内冷风扇的电机并在电机本体上提供使由风扇驱动的空气流通的进出孔。要求有这些孔便会阻止电机的内部被有效地隔离，因而，当起重车在有尘埃的环境中工作时，例如水泥厂、面粉厂等等，换向器的寿命就比上述的最佳工作条件下的寿命大为缩短。
应该说明的是，换向片的温度不能由热探针直接进行检测，因为它是旋转部分。因而不能检测换向片的过热，便有可能发生故障或者甚至使电机停转。
在另一方面，具有直流电机的起重车具有非常满意的性能，特别是在过载能力、可控性以及响应速度方向。
本发明的目的在于，在克服上述的缺点的同时提供一种高性能的起重车。
本发明的目的借助于提供一种电驱动起重车来实现。它包括：一种电驱动起重车(10)，包括：至少一个电机(16)，用于为起重车的驱动轮(12)提供牵引力，以及电机(17)，用于开动起重车的液压管道的泵(18)，并具有向电机(16，17)供电的直流电源(19)，其中牵引电机(16)是异步电动机，其特征在于：设有用来检测异步牵引电动机(16)角位置参数、角速度参数和电流参数的传感器装置(30、59)，电子控制装置(52)和传感器装置(30、59)相连，并且根据传感器装置(30、59)提供的数据和电机所需的速度控制异步牵引电动机(16)的电源。
为了更好地理解本发明，下面以非限制性的举例方式给出了一个实施例，其参照附图进行说明，其中：
图1，2是本发明的起重车的透视图，分别从后左侧和后右侧看时，并且在图1中所示的几个部件在图2中被除去了。
图3是为图1，2的起重车提供牵引力的电机的轴向截面图；
图4，5是从前面和侧面看的图3中牵引电机上安装的制动装置的图；
图6所示为图1，2起重车的仪表屏；
图7是图3所示牵引力驱动电机的转矩/角速度曲线；
图8是说明图1，2所示起重车的操纵与控制系统的方框图。
图1，2所示的起重车用10表示，它包括本体11，两个前驱动轮12，两个后操纵轮13，以及承载升降叉15的支撑架14，重物就放在升降叉14上。
起重车10用电驱动，并为此目的提供有电机16，用来提供牵引力，如图1所示，它和驱动轮12相连，以及另一个电机17，如图2所示，它与泵18相连，用来向起重车的液压管道提供加压液体。这些液压管道包括操纵支撑架14以便升高升降叉15的液压管道，以及用于作用在操纵轮13上的动力操作系统的液压管道。电池示意地用方块19表示，并被安装在起重车10上用来向电机16、17供电。
为了操纵升降式起重车10，提供了：操纵轮20，它通过动力操纵系统和操纵轮13相连；两个加速踏板21，其中一个用于向前驱动，另一个用于向后驱动；踏板22用于起重车的机械制动；机械手动制动23；以及一组操纵杆24，用来控制支撑架14的垂直、倾斜和横向移动。起重车10还有仪表屏25。
电动机16和17是三相异步电动机。图3示出了电机16的结构，电机16用来提供牵引力；用来驱动泵18的电动机17的结构和电机16的完全相同。电机16包括由一组绕组构成的定子26，鼠笼转子27，固定在转子27上的驱动轴28以及外壳体29。如所熟知的那样，为了操作这种异步电机16和17，其定子绕组由三相电流系统供电，它能产生旋转磁场，通过若干物理现象产生一个力系统，从而产生作用在电机上的驱劝转矩。每个电16、17都有固定在其驱动轴上的光学角度编码器，电机16的用30表示，电机17的用31表示，这编码器检测驱动轴的角位置和角速度，并输出相应的电信号。电机16和17安装有热探针，电机16的用32表示，电机17的用33表示，它们输出作为电机温度的函数的电信号。
图4和图5所示的机械制动装置也安装在牵引电机16上。这装置包括两个夹紧装置34，它作用在鼓35上，鼓35构成电机16的冷却风扇的外环状壳体，该风扇被同轴地固定在驱动轴28上。两个夹紧装置34在各自的转动点37或38使其一端安装于电动机16本体的枢轴上；连杆39通过其两端的止推体40、41作用于夹紧装置34的另一端。止推体40固定在连杆39的一端。然而，止推体41是这样安装的，使得它可以相对于连杆39的另一端运动，并且连杆39的这一端固定在可在体41内滑动的活塞42上。一套Belleville垫圈43作用在活塞42上，并且它通过连杆39施加一恒定的力使体40、41互相靠近，因而使一个恒定的力施加于夹紧装置34的相应端上，使其夹紧鼓35。为了使夹紧装置34离开鼓35，电磁线圈44被激励，从而使泵18把高压液体泵入体41内，从而朝与Belleville垫圈43作用方向的相反方向移动活塞42；活塞42的移动使体39和40互相离开，通过螺旋弹簧45的作用，使夹紧装置34离开鼓35，螺旋弹簧45作用于夹紧装置34的端部并且反作用于固定于电机本体的元件46上。微型开关47由体40的运动操作，它能检测夹紧装置34是夹紧或者释放。
仪表屏25包括液晶显示48，方式键49，两个选择和改变键50以及一系列的指示灯51，有关起重车10的操作的数字和图形符号在显示屏48上显示。键49和50使起重车10的操作参数编程并由显示屏48显示。灯51指示起重车10的特定工作状态。
参考图1，2，由52表示的电子操纵和控制微处理器用来管理起重车10的操作。
图8以方块图的形式说明了这一管理系统，在该图中，前面已说明过的部件用同一标号表示，以便清楚和简单。
操纵控制系统52包括专用于牵引力电机16的微处理器53和专用于开动泵18的电机17并辅助微处理器53的微处理器54。微处理器53、54和EPROM55以及EEPROM工作存储器56相连，在存储器55中含有微处理器的工作程序以及这些微处理器要处理的数据，存储器56供微处理器存取数据。
在装置52的输入端连有一系列的控制。更具体地说，动力操纵控制由20表示，向前运动、向后运动以及加速控制用21表示，制动控制用22表示，以及垂直运动的控制、支撑架14的倾斜、横向移动以及进一步垂直运动的控制用24表示。
装置52的输出连接于两个功率级57、58，它们都是三相电子开关型的(具体地说为MOSFET)。功率级57、58分别被连接于牵引电机16和泵驱动电机17。
电机16和17的电流由两个传感器系统监视，例如霍尔效应传感器，分别由59和60表示。
装置52的输出也连接到电磁阀44，它控制高压液体流向图4，5所示的电机16的制动装置。在图8中，该制动装置用方块61表示。
传感器装置59、60，热探针32，33以及与电机16、17有关的编码器30、31以及与制动装置61有关的微型开关47也连接于装置52的反馈电路。
在装置52和仪表屏25之间也有双向连接。
关于牵引力，装置52根据收到的是那个指令信号，即是向前运动或反向加速或减速，并根据从编码器30和传感器59收到的反馈信号，操纵连接于电池19的功率级57，从而向电机16提供功率，使起重车10按照收到的指令运动。在实际上，微处理器53通过功率级57供给电机16三相交流电流，其大小和频率使得达到需要的运动方向和速度，同时还计算并监视由编码器30提供的角位置和角速度数据以及由传感器单元59提供的电流值。对于每一所需速度，可以对异步电机16进行所谓的滑差控制，从而给出最大转矩，如图7所示。在图7中，从而给出最大转矩，如图7所示。在图7中，电机的角速度(用字母W表示)为横座标，而电机的转矩(用字母C表示)为纵座标。图7表示通过所述调节可以获得的一组转矩/角速度曲线。这样，电机16可以被控制，使得在所有工作状态下给出最佳的性能。
为了操纵泵18，有一类似于上述的操纵控制系统。装置52，更具体地说是微处理器54按照收到的关于开动泵的指令，并根据来自编码器31和传感器60的反馈信号，控制与电源19相连的功率级58，使得以这样方式向电机17供电，即根据收到的指令开动泵18。因而对于电机17的所有工作条件，都给出了最大转矩和最佳性能。控制电机17的启动因而也是控制泵的启动的控制是：由操纵轮的运动启动的控制20，由机械制动脚踏板的压力启动的控制21，以及由启动支撑架14的操纵杆的操作启动的控制24；当控制21与/或22被启动时，高压液体借助于泵18供给动力操纵系统的液压管路，同时当控制24被启动时，高压液体借助于泵18供给起动支撑架14的液压管道。
关于电机16的制动装置61，当没有牵引力被启动时，即当脚踏板21未被按下时，装置61总是工作的，即，杯状弹簧43保持夹紧机构34和鼓35接触，从而保持电机停止。然而，当有一个脚踏板21被按下时，装置52，具体地说是微处理器53就启动电磁阀44，它使高压液体流入体41中，从而使活塞42移动，因此把夹紧装置34从鼓35离开并放开电机16的轴使其旋转；然后，由微处理器控制的电机16可使起重车10运动。微型开关47可以使微处理器53检测到制动装置61已被释放，从而微处理器可以控制电机16的电源。
在仪表屏25上的显示屏48和灯51指示起重车10的工作状态和参数以及报警状态。报警状态可以是：电机16、17的电流过载，该状态分别通过传感器59、60由装置52检测，电机16、17的过热，由装置52通过热探针32、33检测，电机16、17的电源电压太高或太低，或电池19的供电电压不足等。
借助于键49和50以及显示屏48可以改变起重车的工作参数。具体地说，按下键49，一旦进入“选择参数”方式，并用键50选择显示屏48上显示的参数，例如起重车的最大速度、加速、电制动、动力操纵速度、支撑架14的上升速度，支撑架倾斜的速度等；再按键49，便进入“改变参数”方式，然后再按键50就可以改变所选参数的值。借助于以上述相同的顺序按键49和50便可以显示起重车的各种运行参数的值，例如电流，电池的供电电压、起重车和两个电机的工作时间，以及起重车行进的千米总数或米总数等。以同样顺序再次操作键49和50，可以显示已发生的任何报警状态。
上述的起重车10具有许多优点。
首先，异步电机16、17没有换向器，因而不存在直流电机的换向器诸如机械磨损等缺点。因为没有换向器，就不需要换向片的内部冷却风扇也不需要电机本体上的冷空气的流通孔，因而电机可以密闭起来和外界环境隔离，从而延长其工作寿命。在电机16、17中使用外部冷却风扇，以及热探针32、33，便能控制电机的温度，如果过热，就使其停止
电机16、17还非常安静，因为没有换向器则没有电刷在换向器上的滑动，而且在这些电机中以正弦波的电量供电，因而限制了谐波；然而在直流电机的起重车中，直流电机一般用斩波器控制，因而有很高的谐波并且这些谐波可以落在听觉范围内，这是非常有害的。
对牵引力和控制系统而言，起重车10具有良好的性能，具体地说：
(a)加速和电制动和加速脚踏板21的位置成正比(如上所述，有两个脚踏板，一个用于向前运动，另一个用于反向，然而为了简单，下面假定有一个加速脚踏板)；控制单元52设定电机的转数并在加速和制动期间保持闭环稳定；正比于加速脚踏板的位置，电机16(因而也是驱动轮)在低速下起动并加速，然后控制电机到达新的运行速度；类似地，在释放加速脚踏板时，和加速脚踏板释放的位置成正比，电机运行在比原先较低的速度下；
(b)在下坡行驶期间的速度反比于面向起重车的坡度；当坡度相当大时，电机必须总能使起重车停止；如果在下降期间，加速的起重车能够得到比便起重车停止时电机供出的能量大的功能，控制装置52就在下降期间限制电机16的速度，使其保持在由加速脚踏板21设定的值上，从而使其总处在安全范围内，使电机能够使起重车停止；
(c)当加速脚踏板21被完全释放时，起重车就停留在原位；即使斜坡相当大，当脚踏板完全释放时，起重车也保持不动；这是由于，加速脚踏板完全释放的位置相当于控制装置52为电机16设定一个零速度的位置，因而这样控制电机使其提供所需的制动转矩并且然后提供保持起重车停止的转矩，不管它是在水平面上或在向上或向下的斜坡上；
(d)起重车在上升的斜坡上的启动不会发生后退，因为首先控制装置52使电机供给克服斜坡所需的转矩，然后再增加这一转矩，使铲车运动。
作用在电机16上的机械制动装置61当两个加速脚踏板21中的一个不被压下时，在上坡开始时便继续帮助消除这一向后运动。甚至在上坡期间不操作手闸23而电源停止时，这制动装置也能阻止起重车运动。最后，当起重车停在斜坡上而电源不停止时，控制装置52在铲车停止后的几秒内启动制动装置，并且仅使用这制动装置，而不再使用电机16，使起重车保持静止，从而不浪费能量。
和直流电机驱动的起重车相比还可以提高生产率(每小时运输的吨位)。事实上，利用直流电机，在运动反向期间，在电源可再次加上以前必须等待，以便避免不希望的过电流和换向片上的电弧。利用异步电机，它没有换向器，并且借助于控制装置52，从向前运动到反向的改变能立即进行，因而不需要等待时间。
已进行的实验表明，起重车10的性能(根据输出功/所用能)比用直流电机的好。本来，控制装置52借助于最初作用于频率来设定转矩和速度从而有能力控制电机16、17，这便能使起重车在某一限度内被使用，即使当电池放电时。
在起重车10中，和已知的起重车那样，在机械和电气制动状态期间，动能被转化成电池19中的电能。
最后，在起重车10中，不需要使用已知的起重车中使用的接触器，这些是基本的电磁控制开关，它在由向前运动变为向后运动或相反的运动变换时改变牵引电机中的电流方向，并且在再生制动期间改变电机和电池之间的连接。这种遥控开关是笨重的，并且有电磁线圈，因而需要定期维修，并在一定时间之后，由于老化到一定程度而必须更换。
显然，对已经描述的方案可以作出改变与/或增加：
只有牵引电机采用异步电机，在这种情况下，控制装置可以专用于两个电机或只用于牵引电机。不过，这样将得到很小的优点。
可以提供两台异步牵引电机，每个被合适地控制和操纵，并每个驱动轮上安装一个。
可以使用与所述类型的异步电机不同的电机，同样具有不容置凝的优点。
检测异步电机角位置和角速度的装置可以是磁编码器或其它装置。
作用在驱动电机上的制动装置也可以改变，例如在其作用于夹紧装置的机构中进行改变，虽然上述的装置是简单的和有效的。一般地，可以考虑任何类型的制动装置，机械的或其它类型的，持久操作的并可由控制装置的信号释放的。
控制和操作系统也可以改变。具体地说，控制装置和仪表屏可以改变元件的数量和功能。
所述起重车的总体结构以及其控制方案及控制类型显然都可以改变。

Claims (18)

1.一种电驱动起重车(10)，包括：至少一个电机(16)，用于为起重车的驱动轮(12)提供牵引力，以及电机(17)，用于开动起重车的液压管道的泵(18)，并具有向电机(16，17)供电的直流电源(19)，其中牵引电机(16)是异步电动机，其特征在于：设有用来检测异步牵引电动机(16)角位置参数、角速度参数和电流参数的传感器装置(30、59)，电子控制装置(52)和传感器装置(30、59)相连，并且根据传感器装置(30、59)提供的数据和电机所需的速度控制异步牵引电动机(16)的电源。
2.根据权利要求1所述的起重车，其特征在于启动泵的电机(17)也是异步电动机；并且还设有用于获取启动泵的电机(17)的角位置参数、速度参数和电流参数的传感器装置(31，60)，所述传感器装置(31，60)与电子控制装置(52)相连，电子控制装置根据所述传感器装置(31，60)提供的数据和电机所需的速度控制启动泵的异步电机(17)的电源。
3.如权利要求1或2所述的起重车，其特征在于控制装置(52)的输入端连接有升降起重车相关于牵引力的涉及前进控制、倒车控制和加速控制的一系列控制(21)，以及升降起重车相关于由泵(18)启动的液压回路的涉及动力操纵控制(20)、制动控制(22)和升降起重车叉支撑架(14)的垂直移动、倾斜、横向移动控制(24)的一系列控制，并且控制装置(52)的所述输入端与包括提供起重车有关操作参数的反馈数据的传感器(30，31)的装置(30-33，59，60)相连。
4.如权利要求3所述的起重车，其特征在于控制装置(52)和仪表屏(25)呈双向连接，仪表屏(25)包括显示屏(48)和一系列指示灯(51)用来显示起重车的运行状态和参数以及报警情况，并且显示屏(48)包括键(49，50)，用于由显示屏(48)显示的运行参数的输入及改变。
5.如权利要求3的起重车，其特征在于具有制动装置(61)，它持续地作用在牵引电机(16)上，并且根据与牵引有关的指令(21)由控制装置(52)释放。
6.如权利要求4的起重车，其特征在于控制装置(52)包括专用于牵引电机(16)的第一微处理器(53)，专用于启动泵(18)的电机(17)的第二微处理器(54)，含有微处理器(53，54)的工作程序和所处理的数据的第一存储器(55)，以及供微处理器(53，54)存取数据的第二存储器(56)。
7.如权利要求3的起重车，其特征在于控制装置(52)通过具有电子开关桥的功率级(57，58)控制电机的电源。
8.如权利要求4的起重车，其特征在于，具有传感器装置(59，60)，用来检测电机(16，17)电路中的电流，并且和控制装置(52)的反馈电路相连。
9.如权利要求4的起重车，其特征在于电机(16，17)具有热探针(32，33)用来检测电机的温度，并与控制电路(52)的反馈电路相连。
10.如权利要求4的起重车，其特征在于，键包括方式键(49)，用来在显示屏(48)上显示“选择参数”方式或“修改参数”方式，和两个选择键和修改键(50)，用来选择要被改变的参数并用来改变该参数。
11.如权利要求4或10的起重车，其特征在于键(49，50)也控制在显示屏(48)上起重车运行参数的显示以及已经发生的报警的显示。
12.如权利要求5的起重车，其特征在于制动装置(61)包括夹紧装置(34)，它作用于固定在牵引电机(16)的驱动轴(28)上的鼓(35)上，并被由弹性装置(43)拉紧的连杆系统(39)操纵，以便实现夹紧装置(34)的夹紧，并适用于被液压启动装置(41，42)放松，从而释放夹紧装置(34)。
13.如权利要求12的起重车，其特征在于鼓(35)构成牵引电机(16)的外部冷却风扇的环状壳体。
14.如权利要求12的起重车，其特征在于控制装置(52)控制液压启动装置(41，42)，从而通过电磁阀(44)释放制动装置(61)。
15.如权利要求12或14的起重车，其特征在于提供装置(47)，用来检测夹紧装置(34)是处于夹紧位置还是释放位置，并被连接到控制装置(52)的反馈电路中。
16.如权利要求15的起重车，其特征在于所述装置由用液压启动装置(41，42)操纵的微型开关(47)构成。
17.如权利要求1或2的起重车，其特征在于异步电机(16，17)具有鼠笼转子(27)，并且是密封的。
18.如权利要求1或2的起重车，其特征在于用来检测异步电机(16，17)的角位置和角速度的装置包括光学编码器(30，31)。
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