DE102008029141A1 - Flurförderzeug - Google Patents

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Abstract

Bei einem Flurförderzeug mit einer elektrischen Strom liefernden Energieversorgungseinheit, einem elektrischen Fahrantriebsaggregat mit zumindest einem als Drehstrommotor ausgebildeten Fahrantriebsmotor (13), einem Kühllüfter (20) zur direkten oder indirekten Kühlung der Energieversorgungseinheit und mindestens einem Umrichter (11), der von der Energieversorgungseinheit erzeugten Strom aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) in Drehstrom variabler Frequenz für den Drehstrommotor umsetzen kann, wird der Kühllüfter (20) von einem Drehstrommotor, insbesondere einem Asynchrondrehstrommotor (21), angetrieben, der über einen Hilfsumrichter (28) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) gespeist wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Flurförderzeug, insbesondere einen Gegengewichtsgabelstapler, mit einer Strom liefernden Energieversorgungseinheit, einem elektrischen Fahrantriebsaggregat mit zumindest einem als Drehstrommotor ausgebildeten Fahrantriebsmotor, sowie einem Kühllüfter zur direkten oder indirekten Kühlung der Energieversorgungseinheit.
  • Bei derartigen Flurförderzeugen mit einem elektrischen Fahrantriebsaggregat kann die Energieversorgungseinheit von einem Verbrennungsmotor gebildet sein, der einen Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie für den Fahrantriebsmotor antreibt. Die von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme muss entweder im Fall einer Luftkühlung direkt oder bei einer Wasserkühlung indirekt über einen Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgeführt werden. Da im Gegensatz zu schnell fahrenden Kraftfahrzeugen bei Flurförderzeugen eine ausreichende Luftdurchströmung der Kühlung durch den Fahrtwind nicht zu erreichen ist, sondern vielmehr die volle Leistung des Verbrennungsmotors auch im Stand oder bei geringer Geschwindigkeit abgerufen wird, muss ein Kühllüfter für die Luftdurchströmung der Kühlung vorgesehen werden, der auch den Kühlluftbedarf für die Abwärme bei maximaler Leistung des Verbrennungsmotors bewältigen kann. Auch muss der Kühllüfter für diese Maximalleistung auf die gesamte Lebensdauer des Flurförderzeugs ausgelegt sein.
  • Bekannt ist, den Kühllüfter durch einen Hydraulikmotor anzutreiben, der über eine separate, direkt von dem Verbrennungsmotor angetriebene Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass eine bedarfsabhängige Drehzahlanpassung, etwa über eine regelbare Pumpe, nur sehr aufwendig und teuer möglich ist.
  • Als Alternative ist bekannt, den Hydraulikmotor des Kühllüfters mit Hydraulikfluid aus einer Zentralhydraulik des Flurförderzeugs zu versorgen, das über ein Ventil mit regelbarem Druck aus der Zentralhydraulik zugeführt wird.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass der Wirkungsgrad aufgrund der unterschiedlichen Druckniveaus sehr schlecht ist.
  • Weiter ist bekannt, einen elektrisch angetriebenen Kühllüfter einzusetzen, der seinen Antriebsstrom aus dem Starterbatterie-Generatorsystem des Verbrennungsmotors bezieht. Die Antriebsmotoren für solche elektrisch angetriebenen Kühllüfter werden dabei als elektrisch kommutierte und drehzahlvariable Gleichstrommotoren ausgeführt.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die zur Verfügung stehenden Gleichstrommotoren in ihrer Leistung begrenzt sind und somit nur Flurförderzeuge mit relativ geringer Leistung mit diesen ausgestattet werden können. Zusätzlich muss auch der zu dem Verbrennungsmotor und der Starterbatterie gehörende Generator mit höherer Leistung ausgelegt werden.
  • Bei Flurförderzeugen mit einem elektrischen Fahrantriebsaggregat ist der elektrische Antriebsmotor in der Regel als Drehstrommotor ausgebildet, dem ein Umrichter vorgeschaltet ist. Der Umrichter erzeugt aus Gleichspannung in einem sogenannten Gleichspannungs-Zwischenkreis den Drehstrom mit variabler Frequenz für den Antriebsmotor. Dabei kann die Gleichspannung aus unterschiedlichen Quellen stammen. Die Energieversorgungseinheit kann z. B. eine Batterieeinheit, eine Brennstoffzelleneinheit oder ein Verbrennungsmotor mit Generator sein. Eine Brennstoffzelleneinheit, aber vor allem ein Verbrennungsmotor erzeugt dabei Abwärme.
  • Ein Verbrennungsmotor wird üblicherweise mit einem Generator, insbesondere einem Synchrongenerator gekoppelt, der Drehstrom erzeugt, und der Umrichter weist in diesem Fall einen zusätzlichen Gleichrichter auf, der aus dem Drehstrom des Generators zunächst eine Gleichspannung für den Gleichspannungs-Zwischenkreis erzeugt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Flurförderzeug mit Energieversorgungseinheit und einem Kühllüfter zur Kühlung der Energieversorgungseinheit zur Verfügung zu stellen, bei dem der Antrieb des Kühllüfters auf einfache, kostengünstige Weise und zugleich mit hoher Leistung erfolgen kann.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Flurförderzeugs geben die Unteransprüche an.
  • Vorteilhaft wird bei einem Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, mit einer elektrischen Strom liefernden Energieversorgungseinheit, einem elektrischen Fahrantriebsaggregat mit zumindest einem als Drehstrommotor ausgebildeten Fahrantriebsmotor, zumindest einem Kühllüfter zur direkten oder indirekten Kühlung der Energieversorgungseinheit und mindestens einem Umrichter, die von der Energieversorgungseinheit erzeugte elektrische Energie aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis in Drehstrom variabler Frequenz für den Drehstrommotor umsetzen kann, der Kühllüfter von einem insbesondere als Asynchrondrehstrommotor ausgebildeten Drehstrommotor angetrieben, der über einen Hilfsumrichter aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist wird.
  • Dadurch wird der Kühllüfter von einem kostengünstigen, beispielsweise als Asynchrondrehstrommotor ausgebildeten Drehstrommotor angetrieben.
  • Asynchrondrehstrommotoren mit der hier erforderlichen Leistung im Bereich von ungefähr 1 kW werden in großen Stückzahlen hergestellt und sind im Gegensatz zu Gleichstrommotoren sehr kostengünstig. Zudem ist ein Asynchrondrehstrommotor abgesehen von der Lagerung des Rotors mechanisch verschleißfrei, sehr robust und überlastungsfest. Auch der Hilfsumrichter kann auf einfache und kostengünstige Weise umgesetzt werden, da derartige Umrichter in großen Stückzahlen bei anderen Anwendungen wie z. B. Haus-Klimaanlagen eingesetzt werden. Vorteilhaft sind die Anforderungen an die Regelung gering wodurch nur eine einfache und kostengünstige Elektronik erforderlich wird, da der Betrieb des Kühllüfters im Wesentlichen nur in einem zweidimensionalen Drehmoment zu Drehzahl Verhältnis erfolgt und keine weiteren Parameter wie etwa Last oder Steigung des Fahrwegs beim Fahrantriebsaggregat berücksichtigt werden müssen. Daher sind z. B. ein Drehzahlsensor oder ein Temperatursensor bei dem Asynchrondrehstrommotor nicht zwingend erforderlich. Anstelle eines geregelten Betriebs des Drehstromasynchronmotors ist auch ein gesteuerter Betrieb möglich.
  • In günstiger Ausführungsform besteht die Energieversorgungseinheit aus einem Verbrennungsmotor mit gekoppeltem Synchrongenerator und Stromrichter der den Drehstrom des Synchrongenerators umformt und den Gleichstrom-Zwischenkreis speist.
  • Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung bei Flurförderzeugen mit einer Energieversorgungseinheit, die aus einem Verbrennungsmotor mit gekoppeltem Synchrongenerator besteht, da hier ein hoher Kühlbedarf besteht. Sie kann jedoch auch bei Hybridsystemen oder etwa bei Brennstoffzellen als Energieversorgungseinheit zum Einsatz kommen. Auch ist bei einer Energieversorgungseinheit, die aus einem Verbrennungsmotor mit gekoppeltem Synchrongenerator besteht, vorteilhaft, dass wegen der im Verhältnis zum Fahrantrieb geringen Leistung des Asynchrondrehstrommotors für den Kühllüfter diese Zusatzleistung keine größere Bemessungsleistung des Synchrongenerators erforderlich macht. Im Gegensatz hierzu muss bei einem elektrischen Kühllüfter nach dem Stand der Technik ein leistungsgesteigerter Generator in dem Starterbatterie-Generatorsystem des Verbrennungsmotors vorgesehen werden.
  • Die Energieversorgungseinheit kann eine indirekte Wasserumlaufkühlung mit einem Wärmetauscher aufweisen, der durch den Kühllüfter mit Luft beaufschlagbar ist.
  • In vorteilhafter Ausführungsform ist der Hilfsumrichter in ein Gehäuse des Umrichters integriert und haben Umrichter wie auch Hilfsumrichter gemeinsame Baugruppen, insbesondere Spannungsversorgung sowie Überwachungsschaltungen.
  • Dadurch ist die Elektronik des Hilfsumrichters kostengünstig im Umrichter unter Einsparung eines eigenen Gehäuses untergebracht. Baugruppen wie z. B. Spannungsversorgung für die Steuerelektronik und weitere Überwachungs- und Messschaltungen können nahezu ohne Mehraufwand und zur weiteren Kostenersparnis mitgenutzt werden.
  • In vorteilhafter Ausführung sind der Umrichter und der Hilfsumrichter mit einem CAN-Bus des Flurförderzeugs verbunden.
  • Durch die Nutzung eines bereits vorhanden CAN-Bus-Anschlusses des Umrichters durch den Hilfsumrichter kann auf einfache Weise der Kühllüfter mit einer Fahrzeugsteuerung verbunden werden. Für die Übertragung eines Drehzahlsollwertes oder von Störungsmeldungen sind damit keine weiteren Leitungen erforderlich.
  • Vorteilhaft weist der Hilfsumrichter einen Stromsensor in einer Zuleitung des Hilfsumrichters aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis auf und kann eine Recheneinheit die Phasenströme des Hilfsumrichters basierend auf dem gemessenen Strom des Stromsensors durch eine Modellrechnung bestimmen.
  • Indem eine Recheneinheit basierend auf einem Rechenmodell des Kühllüfterantriebs die Phasenströme des Asynchrondrehstrommotors berechnet, kann die Phasenstrommessung durch eine einfachere Strommessung der Speisung aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis ersetzt werden.
  • In vorteilhafter Ausführungsform kann die Recheneinheit anhand des gemessenen Stroms eine Verschmutzung des Kühllüfters feststellen.
  • Bei einer Verschmutzung ändern sich die Werte von Drehzahl und/oder aufgenommenen Strömen. Aus dem Verhalten des Antriebs kann daher auf Veränderungen des Kühllüfter-Systems geschlossen werden und eine erforderliche Wartung angezeigt werden, z. B. eine erforderliche Reinigung des Kühllüfters.
  • In günstiger Ausführungsform erhält eine Überlastschutzschaltung für den Hilfsumrichter das Signal des Stromsensors.
  • Vorteilhaft kann der Hilfsumrichter den Asynchrondrehstrommotor des Kühllüfters auch mit zur normalen Drehrichtung umgekehrter Drehrichtung ansteuern.
  • Damit kann der Lüfterantrieb mit geringem Aufwand auch in der zum Normalbetrieb umgekehrten Drehrichtung betrieben werden und bei Bedarf können Luftkanäle eines Wärmetauschers von Verunreinigungen z. B. durch Papierreste, Staub oder ähnlichem gesäubert werden.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
  • 1 ein erfindungsgemäßes Flurförderzeug schematisch in einer Aufsicht und
  • 2 schematisch den Aufbau des Antriebs eines erfindungsgemäßen Flurförderzeugs.
  • In der 1 ist ein Flurförderzeug in Form eines Gegengewichtsgabelstaplers in Aufsicht mit den wesentlichen Aggregaten des Antriebs dargestellt. Der Gegengewichtsgabelstapler weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, der im lastzugewandten Bereich mit zwei Antriebsrädern 3 und im lastabgewandten Bereich mit gelenkten Rädern 4 versehen ist. Am vorderen lastzugewandten Bereich des Gegengewichtsgabelstaplers ist ein Hubgerüst 5 angeordnet, an dem ein als Lastgabel ausgebildetes Lastaufnahmemittel 6 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Im lastabgewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit einem Gegengewicht 7 versehen.
  • Der Gegengewichtsgabelstapler ist mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem versehen, das ein elektrisches Fahrantriebsaggregat umfasst. Das Fahrantriebsaggregat weist eine Energieversorgungseinheit auf, die von einem Verbrennungsmotor 8, z. B. einem Dieselmotor, und einem mit dem Verbrennungsmotor 8 verbundenen Synchrongenerator 9 gebildet ist.
  • Die von dem Generator 9 erzeugte elektrische Energie wird einem mit einer Leistungselektronik versehenen Umrichter 11 zugeführt, mittels der mindestens ein in oder an einer Antriebsachse 12 angeordneten elektrischer Fahrantriebsmotor 13, beispielsweise ein als Asynchronmotor ausgebildeter Drehstrommotor, mit elektrischer Energie versorgbar ist. Der Umrichter 11 ist in einem Gehäuse 25 angeordnet, das beispielsweise an der Antriebsachse 12 benachbart zum Fahrantriebsmotor 13 angeordnet ist.
  • Der Fahrantriebsmotor 13 steht unter Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes 31 und zweier Untersetzungsgetrieben 30 mit den Antriebsrädern 3 in Verbindung. Anstelle einer derartigen Einmotorachse, bei der ein Fahrantriebsmotor 13 beide Antriebsräder 3 antreibt, kann ebenfalls eine Zweimotorachse vorgesehen werden, bei der jeweils ein Fahrantriebsmotor unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit dem entsprechenden Antriebsrad 3 in Verbindung steht.
  • Der Verbrennungsmotor 8, der Generator 9 sowie das Gehäuse 25 und die Antriebsachse 12 sind hierbei zusammen mit weiteren nicht mehr dargestellten Komponenten in einem Aggregateraum 33 des Flurförderzeugs 1 angeordnet.
  • Der Verbrennungsmotor 8 ist mit einer Flüssigkeitskühlung versehen. Die Flüssigkeitskühlung weist einen beispielsweise im Bereich des Gegengewichts 7 angeordneten Wärmetauscher 14 auf, der mit dem Verbrennungsmotor 8 in einem inneren Kühlkreislauf 15 und einem äußeren Kühlkreislauf 16 verbunden ist. Im inneren Kühlkreislauf 15 strömt die Kühlflüssigkeit von dem Verbrennungsmotor 8 in einer Kühlflüssigkeitszulaufleitung 17 zu dem Wärmetauscher 14 und in einer ersten Kühlflüssigkeitsrücklaufleitung 18 zu dem Verbrennungsmotor 8 zurück, ohne den Wärmetauscher 14 zu durchströmen. In dem äußeren Kühlkreislauf 16 strömt die Kühlflüssigkeit dem Wärmetauscher 14 über die Kühlflüssigkeitszulaufleitung 17 zu und über eine zweite Kühlflüssigkeitsrücklaufleitung 19 unter Durchströmung des Wärmetauscher 14 zu dem Verbrennungsmotor 8 zurück. Der Wärmetauscher 14 wird mit Hilfe eines Kühllüfters 20 von Luft durchströmt, der von einem Drehstrommotor, insbesondere einem Asynchrondrehstrommotor 21 angetrieben wird, um die von der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft abgebbare Wärmemenge zu erhöhen.
  • 2 zeigt schematisch den Aufbau des Antriebs des erfindungsgemäßen Flurförderzeugs aus der 1. Der Verbrennungsmotor 8 treibt den Synchrongenerator 9 an und der von dem Synchrongenerator 9 erzeugte Drehstrom wird in einem in den Umrichter 11 integrierten Gleichrichter 22 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 23 geglättet. Die von dem Gleichrichter 22 zu einem Wechselrichter 24 führenden Leitungen bilden einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 26. Der Wechselrichter 24 setzt den Gleichstrom des Gleichspannungs-Zwischenkreises 26 in Drehstrom variabler Frequenz für den Fahrantriebsmotor 13 um, der über das Differentialgetriebe 31 die Antriebsräder 3 antreibt. Auf den Gleichspannungs-Zwischenkreis ist ein Bremswiderstand 27 aufschaltbar, der bei einer elektrischen Bremsung, wenn der Fahrantriebsmotor 13 im Generatorbetrieb läuft, die Bremsleistung aufnehmen kann. In das Gehäuse des Umrichters 11 integriert ist ein Hilfsumrichter 28, der aus von dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 26 den Asynchrondrehstrommotor 21 des Kühllüfters 20 mit Drehstrom mit variabler Frequenz und Amplitude speist. Der Umrichter 11 wie auch der Hilfsumrichter 28 sind über einen CAN-Bus 29 mit einer Fahrzeugsteuerung 32 verbunden. Ein Stromsensor 34 ist in einer der Zuleitungen des Hilfsumrichters 28 aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 26 angeordnet.
  • Durch den leistungskräftigen Asynchrondrehstrommotor 21 kann der Kühllüfter 20 auf Anforderung von der Fahrzeugsteuerung 32 über den CAN-Bus 29 die auch bei Volllast des Verbrennungsmotors 8 erforderliche Kühlleistung aufbringen, da die Antriebsleistung hierfür aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 26 und somit aus der gesamten durch den Synchrongenerator 9 zur Verfügung stehenden Leistung entnommen wird. Aus dem durch den Stromsensor 34 gemessenen Wert kann eine hier nicht dargestellte Recheneinheit die Phasenströme des Asynchrondrehstrommotors 21 anhand eines Rechenmodells berechnen.

Claims (10)

  1. Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, mit einer elektrischen Strom liefernden Energieversorgungseinheit, einem elektrischen Fahrantriebsaggregat mit zumindest einem als Drehstrommotor ausgebildeten Fahrantriebsmotor (13), einem Kühllüfter (20) zur direkten oder indirekten Kühlung der Energieversorgungseinheit und mindestens einem Umrichter (11), der von der Energieversorgungseinheit erzeugte elektrische Energie aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) in Drehstrom variabler Frequenz für den Drehstrommotor umsetzen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühllüfter (20) von einem Drehstrommotor, insbesondere einem Asynchrondrehstrommotor (21) angetrieben wird, der über einen Hilfsumrichter (28) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) gespeist wird.
  2. Flurförderzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit aus einem Verbrennungsmotor (8) mit gekoppeltem Synchrongenerator (9) besteht und der Umrichter (11) den Drehstrom des Synchrongenerators (9) in gleichgerichtete Ströme und Spannungen des Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) umsetzt.
  3. Flurförderzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit eine indirekte Wasserumlaufkühlung mit einem Wärmetauscher (14) aufweist, der durch den Kühllüfter (20) mit Luft beaufschlagbar ist
  4. Flurförderzeug einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsumrichter (28) in ein Gehäuse (25) des Umrichters (11) integriert ist und beide gemeinsame Baugruppen haben, insbesondere Spannungsversorgung sowie Überwachungsschaltungen.
  5. Flurförderzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (11) und der Hilfsumrichter (28) mit einem CAN-Bus (29) des Flurförderzeugs verbunden sind.
  6. Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsumrichter (28) einen Stromsensor (34) in einer Zuleitung des Hilfsumrichters (28) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (26) aufweist.
  7. Flurförderzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit die Phasenströme des Hilfsumrichters (28) basierend auf dem gemessenen Strom des Stromsensors (34) durch eine Modellrechnung bestimmen kann.
  8. Flurförderzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit anhand des gemessenen Stroms eine Verschmutzung des Kühllüfters feststellen kann.
  9. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlastschutzschaltung für den Hilfsumrichter das Signal des Stromsensors erhält.
  10. Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsumrichter den Drehstrommotor, insbesondere Asynchrondrehstrommotor, des Kühllüfters auch mit zur normalen Drehrichtung umgekehrter Drehrichtung ansteuern kann.
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