-
Die Erfindung betrifft ein Flurtörderzeug,
insbesondere Gabelstapler, mit einem elektrischen Antrieb bestehend
aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und mindestens
einem Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter.
-
Die Erfindung betrifft ebenfalls
ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs eines Flurförderzeugs
bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und
mindestens einem Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter.
-
Flurförderzeuge mit einem elektrischen
Antrieb besitzen üblicherweise
eine Spannungsquelle, einen elektrischen Motor und eine Steuerelektronik zur
Regelung von Geschwindigkeit und Drehrichtung des Antriebs, die
beispielsweise ein Fahrer über
Bedienelemente vorgibt. Als Motoren kommen vermehrt Drehstrommotoren
zum Einsatz, die über
einen Umrichter angesteuert werden, der seine Vorgaben von der Steuerelektronik
erhält.
Diese Umrichter sind üblicherweise
getrennt vom Motorgehäuse
angeordnet.
-
Bei als Gegengewichtsstaplern ausgebildeten
Flurförderzeugen
beispielsweise befinden sich die Motoren des Fahrantriebs meist
direkt an der Vorderachse. Dort ist der Einbauraum sehr knapp bemessen
und es sollten möglichst
keine Bauteile nach vorn über
die Vorderachse hinausragen, damit der Hubmast möglichst nahe an der Achse platziert
werden kann. Dies ist nötig,
um eine optimale Schwerpunktlage und damit gute Kippstabilität zu erreichen. Daher
werden die dazugehörigen
Umrichter üblicherweise
im Bereich des Gegengewichts angeordnet, wo auch eine gute Ableitung
der beim Betrieb auftretenden Wärme
gewährleistet
werden kann. Da von der meist zentral angeordneten Batterie zunächst eine
Zuleitung zum Umrichter und dann vom Umrichter zum Motor erfolgen
muss, bedingt diese Anordnung erhebliche Kabellängen und damit neben dem Herstellaufwand
vor allem Energieverluste in den Leitungen. Bei batteriebetriebenen
Fahrzeugen führt dieser
Energieverlust zu verringerter Einsatzzeit.
-
Neben den Kabeln zur Übertragung
der elektrischen Leistung sind meist zusätzlich Kabel zur Übertragung
von Informationen zwischen Motor und Umrichter, wie beispielsweise
für Motordrehzahl
und -temperatur, nötig,
deren Verlegung großen
Aufwand bedeutet. Bei Schäden
an den Verbindungskabeln zwischen Motor und Umrichter kann die Fehlersuche aufwändig und
langwierig sein. Zudem müssen
die Verbindungskabel zwischen Umrichter und Motor abgeschirmt werden,
um elektromagnetische Störeinflüsse auf
die Umgebung des Flurförderzeugs
oder dessen elektrische Komponenten zu vermeiden.
-
Um eine Überhitzung des Motors zu vermeiden,
sollte ein Temperatursensor dort angebracht sein, wo die Temperatur
während
des Betriebs ihren höchsten
Wert erreicht. Dieser so genannte Heißpunkt ist zumeist schwer zugänglich und
erfordert eine aufwändige
Verkabelung mit den damit verbundenen, bereits erwähnten Nachteilen.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Flurförderzeug,
insbesondere Gabelstapler, mit einem elektrischen Antrieb, bestehend
aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und mindestens
einem Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter, zur Verfügung zu
stellen, das bei einfachem Aufbau und kompakten Einbaumaßen des Antriebs
einen niedrigen elektromagnetischen Störeinfluss und verringerte Energieverluste
besitzt.
-
Weiterhin liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs
eines Flurförderzeugs
mit einem möglichst einfachen
Aufbau, bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik
und mindestens einem Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter,
zu ermöglichen,
bei dem eine Überhitzung
des Motors vermieden wird.
-
Diese Aufgabe wird bezüglich des
Flurförderzeugs
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Umrichter in unmittelbarer Nähe zum Drehstrommotor im Wesentlichen
innerhalb dessen radialer Abmessungen angeordnet ist.
-
Durch die Anordnung des Umrichters
in unmittelbarer Nähe
zum Motor sind die Verbindungskabel zwischen diesen beiden Komponenten
sehr kurz. Daduch wird der Aufbau des Flurförderzeugs vereinfacht und durch
reduzierte Leitungsverluste und somit Energieverluste die Betriebszeit
verlängert
sowie elektromagnetische Störungen
verringert. Da der Umrichter im Wesentlichen innerhalb der radialen Abmessungen
des Drehstrommotors angeordnet ist, ergeben sich kompakte Einbaumaße, wobei
bei einem elektrischen Fahrantrieb insbesondere keine Bauteile des
Antriebs deutlich über
die Vorderachse hinausragen. Dadurch kann bei einem Gegengewichststapler
der Hubmast nahe der Vorderachse platziert werden.
-
Es ist besonders vorteilhaft, wenn
der Umrichter und der Drehstrommotor in einem gemeinsamen Gehäuse, insbesondere
in Längsrichtung
des Motors hintereinander, angeordnet sind und die elektrische Kontaktierung
zwischen Umrichter und Elektromotor vollständig innerhalb des gemeinsamen
Gehäuses
erfolgt. Dadurch wird die Länge
der Verbindungskabel weiter reduziert und der Aufbau vereinfacht,
da kein zusätzliches
Gehäuse
für den
Umrichter benötigt
wird. Wenn die elektrische Kontaktierung zwischen Umrichter und
Elektromotor vollständig
innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses
erfolgt, wird die Abschirmung zur Reduzierung elektromagnetischer
Störungen
weiter verbessert. Zudem ist die Kühlung beider Komponenten mit
einem einzigen Kühluftstrom
möglich.
-
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft,
wenn die Kühlung
des Umrichters durch mindestens ein auf der Motorwelle angeordnetes
Lüfterrad
erfolgt. Dadurch wird der Aufbau vereinfacht, da keine weitere Lüftervorrichtung
notwendig ist und auf einfache Weise der Energieverbrauch für die Kühlung bei
Stillstand des Motors automatisch reduziert wird.
-
In einer besonders vorteilhaften
Ausbildung steht mindestens ein Sensor zur Erfassung von Betriebszuständen des
Motors, insbesondere der Temperatur und/oder der Drehzahl, mit mindestens
einer der Platinen des Umrichters in Wirkverbindung, wobei die Verkabelung
vollständig
innerhalb des gemeinsamen Gehäuses
von Motor und Umrichter verläuft.
Dadurch werden bei einfachem Aufbau Kabellängen und Störeinflüsse reduziert
-
Es ist von Vorteil, wenn mindestens
ein Sensor zur Erfassung einer Temperatur, dessen Messwert zur Berechnung
einer beim Betrieb des Motors relevanten Temperatur an anderer Stelle
als der Einbaustelle des Sensors, insbesondere des so genannten
Heißpunktes,
dient, mit mindestens einer der Platinen des Umrichters in Wirkverbindung
steht. Durch geeignete Platzierung des Sensors werden ein einfacher
Aufbau und möglichst
kurze Kabellängen
erreicht, während
gleichzeitig durch die Berechnung der Temperatur an anderer Stelle
des Motors sichergestellt ist, dass diese für den Betrieb des Motors relevante
Temperatur ermittelt wird. Die Temperatur am schwer zugänglichen
Heißpunkt
des Motors kann somit mit einem an einer leicht zugänglichen,
vom Heißpunkt
abweichenden Einbaustelle angeordneten Sensor bestimmt werden.
-
Es ist vorteilhaft, wenn eine Anordnung
aus mehreren Motoren und dazugehörigen
Umrichtern in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht ist. Dadurch
wird ein einfacher und kompakter Aufbau erreicht, der einen gemeinsamen
Kühlluftstrom
für sämtliche
Komponenten ermöglicht
und bei dem sämtliche
Motoren mit den dazugehörigen
Umrichtern über
einen einzigen Kabelstrang von der Spannungsquelle mit Spannung
versorgt werden. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Platz sparender Fahrantrieb
mit zwei Motoren für
Flurförderzeuge
zur Verfügung
gestellt werden.
-
Die Aufgabe wird bezüglich des
Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Antriebs eines Flurförderzeugs
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass aus der an einer Stelle des Motors ermittelten Temperatur eine
für den
Betrieb des Motors relevante Temperatur an einer anderen Stelle
des Motors, insbesondere des so genannten Heißpunktes, berechnet wird und
die Steuerelektronik oder der Umrichter des Motors bei Überschreiten
einer kritischen berechneten Temperatur und/oder eines kritischen
Temperaturgradienten Betriebsparameter des Motors oder einer Kühlvorrichtung
derart beeinflusst, dass ein weiteres Ansteigen der Temperatur an
dieser oder anderen für
den Betrieb relevanten Stellen und/oder eines kritischen Temperaturgradienten
verhindert wird.
-
Durch die Berechnung der Temperatur
des Motors an mindestens einer Stelle, die von der Stelle, an der
eine Bestimmung der Temperatur vorgenommen wird, verschieden ist,
ist es möglich,
die Bestimmung der Temperatur an einer gut zugänglichen Stelle vorzunehmen,
was einen einfachen Aufbau des elektrischen Antriebs ermöglicht,
während
gleichzeitig die Überhitzung
des Motors dadurch verhindert wird, dass die Temperatur und/oder
der Temperaturgradient an einer für den Betrieb des Motors relevanten
Stelle durch Berechnung bekannt ist und bei Überschreiten eines kritischen
Wertes die Betriebsparameter des Motors derart beeinflusst werden, dass
ein weiterer Anstieg der Temperatur und/oder des Temperaturgradienten
vermieden wird.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die Berechnung anhand eines mathematischen Modells der Temperaturentwicklung
im Motor erfolgt, dessen Parameter in Versuchen an realen Motoren
experimentell ermittelt wurden. Bei einer experimentellen Ermittlung
der Parameter an realen Motoren wird der Fehler, der sich bei aus
rein theoretischen Überlegungen
gewonnenen Modellen ergeben kann, wenn diese Gegebenheiten des realen
Betriebs nicht hinreichend berücksichtigen,
vermieden. Die Übereinstimmung
des berechneten Wertes mit dem realen Wert wird so verbessert und
sichergestellt, dass weder durch einen wesentlich zu niedrigen berechneten Wert
der Motor überhitzt
und beschädigt
wird, noch durch einen wesentlich zu hohen berechneten Wert eine
zu frühe
Veränderung
der Betriebsparameter und damit eine Reduzierung der Leistung vorgenommen
wird.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigt
-
1 eine
typische Achsanordnung in einem Gabelstapler mit einem erfindungsgemäßen Antrieb
in einer Schnittdarstellung,
-
2 eine
typische Achsanordnung in einem Gabelstapler mit einem erfindungsgemäßen Antrieb
von vorn gesehen,
-
3 eine
erfindungsgemäße Anordnung von
Motor und Umrichter in einem Längsschnitt,
-
4 eine
erfindungsgemäße Anordnung von
zwei Motoren und dazugehörigen
Umrichtern in einem Gehäuse,
-
5 ein
Ablaufschema für
ein erfindungsgemäßes Verfahren.
-
1 zeigt
einen typischen Einbauraum für Achse
und Hydraulikantrieb eines Gabelstaplers mit einem Rahmen 1,
in dessen vorderen Bereich eine Achskonstruktion 2 mit
einem Antriebsmotor 3 angebracht ist. Dicht vor der Achse 2 ist
ein Hubmast 4 angebracht, der über einen Neigezylinder 5 in
seiner Neigung verändert
werden kann. Zur Versorgung der hydraulischen Verbraucher, also
auch des Neigezylinders 5, ist ein Hydraulikantrieb 6 vorgesehen, der
oberhalb der Achse 2 angeordnet ist.
-
Der Hydraulikantrieb 6 besteht,
wie in 2 dargestellt,
aus einem Elektromotor 7 als Antrieb und einer Hydraulikpumpe 8.
-
In 3 ist
eine erfindungsgemäße Anordnung
von Umrichter 10 und Motor 3 in einer besonders
vorteilhaften Ausgestaltung gezeigt. Der Umrichter 10 ist
im Wesentlichen innerhalb der radialen Abmessungen des Motors 3 und
mit diesem in Längsrichtung
des Motors 3 hintereinander in dem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet.
Die Verbindungskabel 12, über die im Dargestellen Beispiel
die Kontaktierung zwischen Umrichter 10 und Motor 3 erfolgt,
sind vollständig
innerhalb des Gehäuses 9 verlegt.
Dadurch werden kurze Leitungslängen
und eine optimale Abschirmung erreicht. Für den Umrichter 10 ist
damit kein eigenes Gehäuse,
das diesen vor Umgebungseinflüssen
schützt,
notwendig, was den Aufbau des Flurförderzeugs insgesamt vereinfacht,
insbesondere auch, weil ein separates Gehäuse wesentlich mehr Platz beansprucht
als die erfindungsgemäße Ausführung.
-
Die Kühlung des Umrichters erfolgt
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
durch ein Lüfterrad 13, das
auf der Motorwelle 11 angeordnet ist. Dadurch wird bei
Betrieb des Motors 3 der Umrichter 10 effektiv
gekühlt,
während
bei längerem
Stillstand, wenn der Umrichter 10 keine Leistung in nennenswertem Umfang
abgibt und damit keine Kühlung
benötigt wird,
auch keine Leistung für
die Kühlung
beansprucht wird. Somit wird die Betriebszeit bis zum nächsten Aufladen
der Batterien verlängert.
-
Die Drehzahl des Motors wird über einen Sensor 14 überwacht,
dessen Verbindungskabel 15 zum Umrichter 10 ebenfalls
mit den bekannten Vorteilen auf kürzestem Wege und vollständig innerhalb des
Gehäuses 9 verlaufen.
Die Temperatur des Motors 3 wird über einen Sensor 16 erfasst,
der über Verbindungskabel 17 mit
dem Umrichter 10 verbunden ist. Die Anbringung des Sensors 16 an
einer Spule 18 des Motors 3 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
so gewählt,
dass sich eine möglichst geringe
Länge des
Kabels 17 ergibt, das wiederum vollständig innerhalb des Gehäuses 9 geführt wird und
somit die bekannten Vortreile bietet. Die Stelle, an der der Sensor 16 angebracht
ist, ist nicht notwendigerweise der so genannte Heißpunkt,
also die Stelle, an der die höchste
Temperatur im Motor 3 auftritt. Um dennoch eine Überhitzung
des Motors 3 zu verhindern, wird aus dem gemessenen Wert
der Wert an einer beliebigen Stelle, insbesondere am Heißpunkt des
Motors 3, berechnet.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des
Umrichters 10 im Wesentlichen innerhalb der radialen Abmessungen
des Motors 3 und mit diesem in Längsrichtung des Motors
3 hintereinander
in dem gemeinsamen Gehäuse 9 wird
der zur Verfügung
stehende Bauraum, wie in 1 und 2 gezeigt, optimal genutzt.
-
Der in 2 dargestellte
Antrieb 7 der Hydraulikpumpe 8 kann je nach Erfordernissen
ebenfalls als Drehstrommotor in erfindungsgemäßer Ausführung gestaltet sein.
-
Insbesondere bei größeren Flurförderzeugen
sind für
den Fahrantrieb zwei Fahrmotoren vorgesehen, die an einer Antriebsachse
angebracht sind. Eine erfindungsgemäße Anordnung dieser Fahrmotoren
und der dazugehörigen
Umrichter ist in 4 dargestellt.
Dabei sind die beiden Motoren 3 und die Umrichter in einem
gemeinsamen Gehäuse 19 angeordnet.
Die Anordnung der jedem Motor 3 zugeordneten Komponenten
wird als bevorzugte Ausführung ähnlich wie
in 3 für Einzelmotoren
dargestellt vorgenommen werden, insbesondere die Anordnung der Umrichter
im Luftstrom eines oder mehrerer Lüfter sowie die Anbringung der
Sensoren zur Erfassung des Betriebszustandes der Motoren, jedoch
sind auch andere Ausführungen
denkbar. Die Anordnung von Motoren 3 und Umrichtern in
einem gemeinsamen Gehäuse
bietet neben den für
einen Einzelmotor genannten Vorteilen noch den Vorteil einer zusätzlichen
Platzersparnis und einer gemeinsamen Stromzuführung von der Spannungsquelle
zu den Fahrmotoren und damit reduziertem Verkabelungsaufwand.
-
Für
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb eines elektrischen Antriebs eines Flurförderzeugs
ist in 5 der prinzipielle
Ablauf eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt. Zunächst
wird an einer Stelle des Motors des elektrischen Antriebs eine Temperatur
Tmess ermittelt. Aus dieser Temperatur wird
die Temperatur Tber an mindestens einer
anderen Stelle des Motors anhand eines mathematischen Modells der
Temperaturentwicklung im Motor berechnet. Dieses Modell wird in einer
bevorzugten Ausführungsform
beruhend auf den physikalischen Grundlagen für den Betrieb von Elektromotoren
anhand von Vergleichsmessungen an realen Versuchsmotoren dahingehend
optimiert sein, dass die reale Temperatur bei bestimmten Betriebszuständen und
an bestimmten Punkten des Motors möglichst genau wiedergegeben
wird. Insbesondere ist dabei die Genauigkeit des Modells für diejenigen
Betriebszustände
und Stellen im Motor, bei denen eine Gefahr der Beschädigung durch Überhitzung
gegeben ist, optimiert. Es kann beispielsweise aber auch die Temperaturverteilung
im gesamten Motor berechnet werden, um große lokale Temperaturgradienten
zu bestimmen und durch geeignete Maßnahmen deren Ansteigen zu
verhindern. Zur Erzielung höchstmöglicher
Genauigkeit sollten die Versuchsmotoren, anhand derer das Modell
optimert wird, möglichst
weitgehend baugleich mit den Motoren sein, für die das Modell zum Einsatz
kommt, und unter den im Betrieb typischen Bedinungen betrieben werden. Übersteigt
der berechnete Temperaturwert Tber einen
vorgegebenen Grenzwert Tmax, so werden durch
eine Steuerung, die beispielsweise im Umrichter eines Drehstrommotors
integriert sein kann, Maßnahmen
zur Reduzierung der Temperatur ausgelöst. Dies kann beispielsweise,
wie im vorliegenden Fall, die Aktivierung einer Vorrichtung zur Kühlung sein.
Sollte eine solche Zusatzkühlung
nicht vorhanden oder aber bereits in Betrieb sein, so kann die Steuerung
beispielsweise Motorbetriebsparameter so verändern, dass die Temperatur
des Motors sinkt. Dies kann auch so weit gehen, dass eine Abschaltung
des Motors erfolgt, so dass mittels dieses Verfahrens eine Überhitzung
des Motors zuverlässig vermieden
wird. Gleichzeitig wird eine zu frühe Reduzierung der Leistung,
wie sie sich bei einer groben Abschätzung der Maximaltemperatur
aufgrund des dabei nötigen
Sicherheitszuschlags ergäbe,
ebenfalls zuverlässig
vermieden und so die Leistungsfähigkeit
des Flurförderzeugs
optimal genutzt.