DE19545544A1

DE19545544A1 - Flurfördersystem mit Einzelantrieb-Fahrzeugen mit Elektrolyt-Kondensator-Speicher oder mit Gold-Caps-Speicher

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Publication number: DE19545544A1
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Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1996-12-19
Also published as: WO1996017740A3; WO1996017740A2; DE9419568U1

Description

Der Begriff "Flur" ist im vor liegenden Fall im fördertechni schem Sinne zu verstehen: Er bedeutet, daß es sich um ein För dersystem mit Fahrzeugen (und keine Rollenbahn) handelt, bei welchem die am Fahrzeug (1) angebauten und das Fahrzeug tragen den Räder (8) auf einer Fläche (4 bzw. 10) unter dem Fahrzeug (1) und nicht über dem Fahrzeug (wie bei Hängebahnen, Overhead-Hänge förderern etc.) rollen.

Diese Fläche kann der Fußboden (4) direkt oder ein Unterbau über dem Fußboden sein, eine Zwischenetage im Gebäude oder ein Schutz gittersteg (Fig. 2) etc., auch wenn diese hängend an der Decke gebaut und/oder mit zusätzlichem Unterbau (9) versehen sind.

Es sind unterschiedliche Systeme von Flurförderanlagen, bei welchen Lasten durch einzelne Fahrzeuge transportiert werden, bekannt, wobei aufgrund der vieljährigen Erfahrung die Vor- und Nachteile eines jeden Systems auch gut bekannt sind.

Z.B., bei Flurförderanlagen, bei welchen die Fahrzeuge durch mechanische Schleppmittel (z. B. Seile oder Ketten) bewegt werden, ist der mit den Schleppmitteln verbundene Aufwand in der Regel sehr hoch. Außerdem können bei Anlagen dieser Art beim Betrieb in Werkshallen die Forderungen hinsichtlich Lärmpegel nicht immer eingehalten werden.

Das Verlegen der Schleppmittel für Flurfahrzeuge über deren Trasse (an der Decke) wird nur selten praktiziert, weil dabei der Förderanlage zu viel Raum im Gebäude geopfert werden muß.

Beim Verlegen des Schleppmittels im Boden ist das Einrichten von Gruben für die relativ voluminösen Antriebs- und Spannstationen, Umlenkeinrichtungen und Weichen, sowie das Einrichten des Kanals für das Schleppmittel entlang der Fördertrasse mit Problemen wie Umbau am Gebäude und an dessen Fundamenten, verbunden.

Folge: Hohe Investitionskosten, lange Bauzeiten, hohe Wartungs kosten und sehr geringe Flexibilität bei Modernisierungen (wenn die Linienführung der Trasse geändert werden muß).

Systeme mit Fahrzeugen mit elektrischem Einzelantrieb, sind zwar von den meisten der oben genannten Nachteilen frei, das große Problemen ist hier aber die Energieversorgung der Antriebe.

Beim bekannten fahrerlosen Transportsystemen (FTS) wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Fahrzeuge mit aufladbaren Batte rien (Akkus) ausgestattet werden. Die Fahrzeuge werden dabei durch ein elektronisches Führungs- oder Navigationssystems zu ihren Zielstationen geführt.

Die bekannten Nachteile dieser Anlagen sind:
Hohe Störanfälligkeit; in Störfällen ist oft der Einsatz von hochqualifiziertem Personal erforderlich; die in den Batterien enthaltenen großen Mengen von Säuren (oder Alkalilösungen) sind eine Gefahrenquelle bei Unfällen; die Entsorgung der schweren, voluminösen Batterien, die wegen ihrer begrenzten Lebensdauer oft erneuert werden müssen, ist eine kostspielige und umwelt belastende Angelegenheit.

Zu den Nachteilen zählen hier auch die hohen Anschaffungskosten (pro Fahrzeug). Um diese in erträglichen Grenzen zu halten, werden meistens relativ billige Akkus verwendet, deren Gewicht pro Ener gieeinheit sehr hoch ist und die nennenswert weniger Energie ab geben als sie beim Aufladen verschlingen (insbesondere, wenn sie nicht mehr ganz neu sind).

Die Folge sind weitere Übel: Ein sehr niedriger Gesamtwirkungs grad der Anlage, oftes Nachladen der Batterien und deren kurze Lebensdauer.

Die Versuche, Flurfahrzeuge mit relativ einfachen individuellen Elektroantrieben auszurüsten und den für den Antrieb erforderli chen elektrischen Strom über Schleifleitungen zuzuführen, haben bisher zu keinem nennenswerten Durchbruch geführt.

Das Verlegen der Schleifleitung über der Trasse (z. B. unter der Decke des Gebäudes) wird bei Flurförderern in Gebäuden nur sel ten praktiziert, vor allem wegen den dabei entstehenden Problemen der mechanischen Führung (Lenkung) der Fahrzeuge und auch aus Platzgründen.

Beim Verlegen der Schleifleitungen im Fußboden darf aus Sicher heitsgründen eine nur sehr niedrige Spannung eingesetzt werden (Schutzspannung, in Deutschland z. B. 60 V bei Gleichspannung - siehe Fundstelle 1: DIN VDE 0100, Teil 410).

Bei dieser Spannung treten die in der Elektrotechnik bekannten Kontaktprobleme bei niedrigen Spannungen auf: Schon eine geringe Korrosionsfilmbildung oder Verschmutzung an der Schleiffläche der Schleifleitung führt zu störenden Unterbrechungen der Strom zufuhr (Fahrzeuge laufen ruckartig oder bleiben ganz stehen).

Kontaktunterbrechungen bei niedriger Spannung werden hauptsäch lich dadurch verursacht, daß das für das Aufrechterhalten des Kontakts wichtige elektrische "Durchschlagen" des sich laufend bildenden Korrosionsfilms (oder auch einer Schmutzschicht) von der Kontaktstelle wegen zu geringer Feldstärke des elektrischen Feldes oft ausbleibt.

Außerdem: Niedrige Spannung bedeutet hohen Strom, was bei Kon taktunterbrechungen zur verstärkten Elektroerrosion (durch Fun kenbildung) und somit zur fortschreitenden Zerstörung der Schleif leitung und zur stetigen Verschärfung des Kontaktproblems an die ser führt.

Die bekannte Lösung des genannten Kontaktproblems an den Schleif leitungen besteht darin, daß man bei rauhen Industrie- oder Be triebsverhältnissen Schleifleitungen mit niedriger Spannung nicht einsetzt, bei Schleifleitungen bei solchen Verhältnissen gilt es: ab 380 V aufwärts, bei Elektrolokomotiven - bis zu 30.000 V. Wenn Personen durch berühren gefährdet sind, so werden berührungs geschützte Schleifleitungen verwendet.

Aber auch bei hohen Spannungen kann es Unterbrechungen der Strom versorgung aus der Schleifleitung geben, jedoch aus anderen Gründen als die oben genannten, z. B. Bügelsprung bei Elektrolokomotiven oder Passieren einer Trennstelle der Schleifleitung.

Die in der Technik bekannten Lösungen des Problems (bei hohen Spannungen) können in 2 Gruppen eingeteilt werden:

- Erste Gruppe: Die Antriebsmotoren werden mit Strom für das Bewegen des Fahrzeuges nicht versorgt, der Abschnitt ohne Energieversorgung aus der Schleifleitung wird durch die ki netische Energie (Schwung) des Fahrzeuges überwunden. Dabei werden nur die wichtigsten Energie-Kleinverbraucher (vor allem die Bordelektronik und das Bremssystem) mit Energie versorgt. Zu diesem Zweck werden entweder die Antriebsmo toren in der Funktion von Generatoren genutzt, oder es wird Energie entnommen aus irgendwelchen aufladbaren Energiespei chern, deren Energievorrat für die Dauer der Unterbrechung der Stromversorgung aus der Schleifleitung für die Kleinver braucher ausreicht (z. B. kleinere Akkus) von welchen aber kein Strom für die Antriebsmotoren für das Fortbewegen des Fahrzeuges geliefert wird.

Beispiel zu dieser Gruppe:

- Fundstelle 5 (siehe Verzeichnis der Fundstellen):
S. 15, 1. Sp., 3. Abs.;
Hier werden die Antriebsmotoren in der Funktion von Ge neratoren eingesetzt (um die normale Funktionen der Bordelektronik und vor allem die Bremsfähigkeit des Systems zu halten).

Sehr oft wird z. B. bei Elektrolokomotiven die Kombination Antriebsmotoren als Generatoren mit "Puffer"-Akku eingesetzt.

Versuche, diese für den Eisenbahnlokomotivenbetrieb geeignete Methode bei Förderfahrzeugen anzuwenden und Stellen, an welchen die Stromzufuhr unterbrochen ist, durch kinetische Energie der Fahrzeuge zu überwinden, sind bis jetzt bei Flurförderfahrzeugen gescheitert, erstens - wegen zu kleinem Vorrat an kinetischer Energie des sich bewegenden Fahrzeuges, denn meistens bewegen sich die Fahrzeuge mit einer Geschwindigkeit deutlich unter 60 m/min (unter 3,6 km/h), und zweitens deswegen, weil man es hier nicht mit einzelnen Unterbrechungen, sondern mit dem er wähntem Kontaktproblem bei niedrigen Spannungen zu tun hat, was ein anderes Verhalten des Antriebs als bei einzelnen Unterbre chungen zur Folge hat.

- Zweite Gruppe: Die Antriebsmotoren werden von einem Energie speicher mit Strom für die Fortbewegung des Fahrzeugs ver sorgt, welcher ausreichend Energie zu diesem Zweck liefern kann.

Beispiele zu dieser Gruppe:

A) mit aufladbarem Akku als Pufferspeicher:
- Fundstelle 2: US-Patent Nr. 4.129.203, Pos. 78;
- Fundstelle 3: PCT/US92/07443, Pos. 42;
- Fundstelle 4: Patent DE 29 12 558 C2, Patentanspruch 6, und Fig. 1, Pos. 26.
B) Es ist der Einsatz von "Giro"-Energiespeichern zum Zweck der Überbrückung von Energiezufuhrlücken bekannt insbe sondere bei Elektro-Straßen-Fahrzeugen mit Oberleitung (z. B. bei manchen Trolleybusen). Bei diesem Speichertyp wird die Energie in Form von kinetischer Energie eines mit hoher Drehzahl rotierenden Schwungrades gespeichert.
C) mit Leistungs-Kondensatoren (oder Kondensatoren für die Energie-Elektronik) als Pufferspeicher:
- Fundstelle 6: US-Patent Nr. 4.145.618, Beschreibung, Spalte 1, ab Zeile 36; Patentanspruch 1; Fig. 1, 2 und 3. Durch den Tiefpaß LC (siehe Fig. 1 bis 3 der Fundstelle) am Eingang des elektronischen Wandlers (static inverter) werden kurze Spannungsunterbrechungen, z. B. durch Funken bildung am Bügel (pantograph), ausgeglichen (geglättet - smoothing).

Bei einer längeren Unterbrechung der Stromversorgung aus der Schleifleitung, z. B. beim Passieren einer Oberleitungs trennstelle oder bei einem größeren Bügelsprung, wird das Antriebssystem aus dem Vorrat der im Kondensator C1 gespei cherten Energie versorgt.

Da die Trägheit des Antriebssystems beim Anfahren durch diesen Kondensator nicht beeinflußt werden kann, ist sei ne Kapazität nur durch den zur Verfügung stehenden Raum im Fahrzeug, sein Gewicht und aus der Sicht seiner Anschaf fungskosten begrenzt.

Ein nennenswerter Nachteil des Systems ist der Energiever lust im Widerstand R und im Varistor Z beim Aufladen des Kondensators C1 (siehe Fig. 3 der Fundstelle).

Kondensator-Speicher werden als Überbrückungs-Stromquelle für den Antrieb des Fahrzeugs wegen einer Reihe von Problemen, mit welchen man dabei konfrontiert wird, nur selten verwendet.

Eines davon ist, daß wegen dem steilen Spannungsabfall beim Entladen des Kondensators nur ein relativ kleiner Teil der gespeicherten Energie genutzt werden kann, da für die normale Funktion des Fahrzeug-Antriebs die Spannung einen gewissen Minimalwert nicht unterschreiten darf. Durch Einsatz eines zu sätzlichen Spannungswandlersystems könnte zwar der Teil der zur Geltung kommenden gespeicherten Energie vergrößert werden. Diese Lösung ist jedoch zu kostspielig (und zu volumenös).

Oft scheitert der Einsatz des Kondensators als Energiespeicher am großen Volumen pro gespeicherte Energieeinheit (insbesondere bei Systemen mit relativ niedriger Betriebsspannung).

Je höher die Arbeitsspannung eines Kondensators, desto größer sein Volumen. Da aber die im Kondensator gespeicherte Energie menge proportional dem Quadrat der Spannung zunimmt, können für Spannungen wie sie für Elektrolokomotiven typisch sind (12.000 V oder gar 25.000 V), Kondensatoren eingesetzt werden, in welchen bei relativ kleinem Volumen ausreichende Energiemengen gespei chert werden können. Ein Kondensator mit einem Volumen von 3 oder 5 Kubikmetern kann in innerem einer Elektromotive meistens problemlos untergebracht werden.

Bei niedrigen Spannungen und weniger geräumigen Fahrzeugen kann ein Speicher aus Leistungs-Kondensatoren wegen seinem großem Raumbedarf desöfteren nicht untergebracht werden.

Elektrolyt-Kondensatoren, die bei gleichem Volumen (im Vergleich zu Leistungs-Kondensatoren) ein Vielfaches an Energie Speichern können, können zur Lösung des Volumen-Problems bei Fahrzeugen mit Energieversorgung über Schleifleitungen wie Lokomotiven, Straßen bahnen, und ähnl. nicht eingesetzt werden, weil man bei dem hohen Leistungsbedarf dieser Fahrzeuge gezwungen ist, hohe Spannungen (bis zu 30.000 V) einzusetzten, um die Stromgröße, und somit die Wärmeverluste in der Schleifleitung und die Bogenbildung am Strom abnehmer in zumutbaren Grenzen zu halten.

Die höchste Arbeitsspannung, für welche Elektrolyt-Kondensatoren noch hergestellt werden können, liegt bei 500 V (wegen den beson deren Eigenschaften ihres Dielektrikums und wegen den nur in die sem Typ Kondensatoren ablaufenden elektrochemischen Vorgängen - siehe Fundstelle 8). Gold-Caps können nur für Spannungen bis zu höchstens 75 V hergestellt werden.

Es sind also ganz unterschiedliche Spannungsbereiche.

Anders sieht es bei Flurförderfahrzeugen aus, wenn diese über im Fußboden oder direkt über dem Fußboden verlegte Schleiflei tungen mit elektrischer Energie versorgt werden sollen. Auf die klassische Lösung, höhere Spannungen einzusetzten und berührungsgeschützte Schleifleitungen anzuwenden, kann hier nicht zugegriffen werden, denn ohne besonderen Schutzmaßnahmen, wie Abgrenzung durch Zäune auf der gesamten Trassenlänge, dür fen in diesem Bereich auch berührungsgeschützte Schleifleitun gen mit Spannung höher als die Schutzspannung, nicht verlegt werden.

Um eine nennenswerte Energiemenge für Überbrückungszwecke für den Antrieb im Spannungsbereich unter der Schutzspannung in einer Kondensatorenbatterie, die aus Leistungs-Kondensatoren für die Starkstromtechnik ausgelegt sind, hier speichern zu können, müßte der Speicher um das Mehrfache größer sein als das Fahrzeug - siehe hierzu Fundstelle 9 (Leistungs- und Ener giebedarf von fahrerlosen Transportsystemen). Es geht in die ser Fundstelle um batteriebetriebene Fahrzeuge, jedoch mit gleichem Energiebedarf, wie bei Flurförderfahrzeugen mit Strom versorgung über Schleifleitung.

Die Lösung des Problems speziell für den Fall mit Flurförderfahr zeugen mit Energieversorgung über Schleifleitung bei Spannungen im Schutzspannungsbereich:
Elektrolyt-Kondensator-Speicher oder Gold-Caps-Speicher (5, Fig. 1), dessen Energievorrat bei Unterbrechungen der Stromversorgung aus der Schleifleitung (3) nicht nur zur Versorgung der Fahrzeug elektronik (und anderer Kleinverbraucher), sondern hauptsächlich als Energiequelle für den Antriebsmotor 2 (bzw. Antriebsmotoren) genutzt wird.

Der Energievorrat im Speicher wird bei intakter Stromzufuhr aus der Schleifleitung aufgefüllt.

Die moderne Elektronik und Elektrotechnik bietet die Möglichkeit, durch einige Erweiterungen der Schaltung den Energiespeicher so auszulegen, daß dieser zusätzlich als funkendämpfende Einrich tung (bei Kontaktunterbrechungen an der Schleifleitung) einge setzt werden kann. Damit kann die Elektroerrosion an der Schleifleitung auf ein geringes (eine hohe Lebensdauer der Schleifleitung gewährleistendes) Maß unterdrückt werden.

Die moderne Elektrotechnik bietet auch die Möglichkeit, das An triebsaggregat so auszulegen, daß bei den in der Praxis auftre tenden Größen der Spannungsschwankungen durch das Entladen und Aufladen des Speicher-Kondensators die Antriebsgeschwindigkeit konstant bleibt.

Der Schleifleitungskanal (7), der auch als Führungskanal für das Fahrzeug dienen kann, kann sehr kompakt ausgelegt werden, so daß zum Verlegen dieses Kanals im Fußboden eine nur kleine Rille ausgefräst werden muß. Außerdem kann der Schleifleitungskanal an den Teilen der Trasse, wo es aus Platzgründen zulässig ist, auf dem Fußboden (ohne Versenken) oder auch über dem Fußboden verlegt werden. Beim Einführen des Systems entstehen somit keine hohen Baukosten, es sind nur kurze Bauzeiten für die Förderanlage erforderlich. Und bei Modernisierungen kann die Linienführung der Trasse mit geringem Aufwand geändert werden (im Vergleich zu Anlagen mit mechanischen Schleppmitteln).

Das System enthält keine hochempfindlichen sensiblen Komponen ten und keine gefährlichen Chemikalien, es ist robust und war tungsfreundlich und kann auch bei größeren, verzweigten An lagen sehr einfach gesteuert werden (im Vergleich zur kompli zierten, sensiblen und störanfälligen Steuerung der batterie angetriebenen Fahrzeuge, welche durch Elektromagnetfeld- oder Laserstrahlimpulse entlang der Trasse geführt werden).

Ein großer Vorteil des System ist unter anderem, daß sich die Fahrzeuge problemlos auf unterschiedlichen Ebenen (E1 und E2, Fig. 6) in Werkshallen bewegen können. Dies erlaubt es, einen bei Power-and-Free-Förderern und Elektrohängebahnen oft prakti zierten Vorgang anzuwenden:
Das Fahrzeug wird auf Fußbodenebene beladen, dann wird es z. B. durch ein Hubwerk (12) angehoben und bewegt sich als Overhead- Transporter z. B. auf der Schutzgitterebene. Um den Stromabneh mer (6) muß dabei nicht unbedingt aus dem Führungskanal (3) he rausgenommen werden. Er bleibt in einem am Hubschlitten (13) des Hubwerks befestigten Schleifleitungs- und Führungskanal stücks (14).

Zum Entladen kann das Fahrzeug auf die Fußbodenebene herun tergeholt werden.

Auf diese Art und Weise kann in Werkshallen Platz dort freige halten werden, wo er kostbar ist - auf der Fußbodenebene, und dort genutzt werden, wo meistens viel Raum brach liegt - auf Overhead-Höhe.

Claims

1. Flurförderbahnsystem, bei welchem die einzelnen Fahrzeuge (1) mit Antriebsmotoren (2) ausgestattet sind und durch mechani sche Führung gelenkt werden und bei welchen die Stromversor gung über Schleifleitungen (3) bewerkstelligt wird, wobei die an der Schleifleitung angelegte Spannung den aus Sicherheits gründen vorgeschriebenen Wert der sogenannten Schutzspannung nicht überschreitet und wobei "Flur" im fördertechnischem Sinne als Fußboden (4) oder Unterbau (9), auf welchem die Förderfahrzeuge rollen, zu verstehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck der Überwindung der in der Elektrotechnik bekannten Schwierigkeiten mit dem elektri schen Kontakt bei niedrigen Spannungen; Schwierigkeiten, wel che vor allem dadurch verursacht werden, daß das für die Auf rechterhaltung des Kontakts erforderliche elektrische "Durch schlagen" des sich laufend bildenden Korrosionsfilms und even tuell auch Schmutzschicht wegen zu geringer Feldstärke des elektrischen Feldes im Korrosionsfilm (bzw. Schmutzschicht) oft ausfällt, jedes Fahrzeug mit einem Elektrolyt- oder Gold caps-Kondensator-Speicher ausgestattet ist, in weichem in einem oder mehreren Kondensatoren des ein Vorrat elektrischer Energie gespeichert wird, hauptsächlich zum Zweck der Versor gung des Antriebsmotors (oder der Antriebsmotoren) mit Strom zum Bewegen des Fahrzeugs, aber auch zum Versorgen anderer Energieverbraucher am Fahrzeug, wenn die Energieversorgung über die Schleifleitungen wegen Kontaktstörungen am Stromab nehmer unterbrochen ist.

Der Energievorrat dieses Speichers wird bei intakter Energie zufuhr aus der Schleifleitung aufgefüllt.

2. Fördersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Energiespeichern zusammen mit dem Kondensator eine chemische Elektroenergiequelle (z. B. Akku) eingesetzt wird.

3. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher zusätzlich zu seiner Speicherfunktion auch zum Unterdrücken der Funkenbil dung bei Kontaktunterbrechungen an der Schleifleitung genutzt wird (z. B. durch Erweitern der Schaltung).

4. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung der Schleifleitungen (Schleifleitungskanal 7) zum mechanischen Führen der Fahrzeuge genutzt wird (mit oder ohne Servounterstützung am Fahrzeug).

5. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder (8) der Fahrzeuge nicht direkt auf dem Boden, sondern auf Profilen (10), welche als Laufflächen für die Räder oder als Führungsprofile dienen, laufen.

6. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifleitungskanal (7) im Fußboden versenkt verlegt ist, wobei seine Oberkante bündig (B, Fig. 1) oder auch nicht bündig mit der Oberfläche des Fußbodens ist.

7. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifleitungskanal (7) auf der gesamten Trasse oder nur auf Teilen der Trasse direkt auf dem Fußboden (ohne Versenken) oder über dem Fußboden verlegt ist.

8. Fördersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Fußboden verlegte Schleifleitungskanal (7) seitlich mit Rampen (11, Fig. 5) versehen ist, hauptsächlich um das Überfahren durch allerlei Fahrzeuge (z. B. Gabelstapler) zu erleichtern.

9. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schleifleitung (3, Fig. 3) im Inneren des Schleifleitungskanals (7) verdeckt und mit der Öffnung in waagrechter Richtung angeordnet ist, so daß die zugehörigen Schleifkontakte (6) seitlich in die Öffnung hineingeschwenkt werden können (Fig. 3).

10. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schleifleitungen (3, Fig. 4) im Inneren des Schleif leitungskanals (7) verdeckt und mit ihren Öffnungen in waag rechter Richtung angeordnet sind, so daß die zugehörigen Schleifkontakte (6) seitlich in die Öffnungen hineingeschwenkt werden können (Fig. 4).

11. Fördersystem nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeuge sich auf unterschiedlichen Ebenen (E1, E2, Fig. 6) bewegen, z. B. auf dem Fußboden und auf einem Schutz gittersteg (Fig. 6 und Fig. 2).

Der Wechsel von einer Ebene in die andere kann z. B. durch Heben bzw. Senken durch ein Hub-Senkwerk (12) bewerkstelligt werden.