DE19711701A1 - Drehstromantrieb für Flurförderzeuge mit Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Energie in einem Flurförderzeug, insbesondere in einem Gabelstapler, zwischen einem Verbrennungsmotor und mindestens einem elektrischen Antriebsmotor. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Flurförderzeug, insbesondere einen Gabelstapler, mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einem elektrischen Antriebsmotor und einem Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsmotor.

Verbrennungsmotorisch betriebene Flurförderzeuge haben gegenüber batterie­ elektrisch betriebenen Fahrzeugen den Vorteil, daß sie für höhere Leistungen ausgelegt werden können. Ferner ist der Energieinhalt von Diesel- oder Ottokraftstoff erheblich größer als der einer Fahrzeugbatterie, wodurch bei Flurförderzeugen mit Verbrennungsmotor auch eine längere unterbrechungsfreie Einsatzzeit möglich wird.

Zur Energieübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem oder den Antriebsmotoren sind in derartigen Flurförderzeugen verschiedene Verfahren bekannt. Zum Einsatz kommen Schaltgetriebe mit hydrodynamischem Wandler, hydrostatische Energieübertragungssysteme mittels Ölpumpe(n) und Ölmotor(en) sowie elektrische Energieübertragungssysteme mittels Gleichstrommotor(en). Letztere sind gegenüber den hydrodynamischen und hydrostatischen Systemen insofern vorteilhaft, als daß sie eine bessere Steuer- und Regelbarkeit besitzen. Nachteilig an Gleichstromantrieben ist allerdings, daß Verbrauchserscheinungen, beispielsweise an den Kohlebürsten, zu Stillstandszeiten und Wartungskosten führen können.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, welches die Nachteile der bekannten Verfahren möglichst vermeidet und an den Einsatz in einem Flurförderzeug besonders gut angepaßt ist. Die Energieübertragung soll über den gesamten Drehzahl-Drehmoment-Bereich einen hohen Wirkungsgrad besitzen, stufenlos erfolgen und einfach zu steuern und zu regeln sein. Ferner soll ein entsprechendes Flurförderzeug bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, daß die von dem Verbrennungsmotor gelieferte Energie in ein elektrisches Drehstromsystem umgewandelt wird, und daß der Drehstrom dem Antriebsmotor zugeführt wird.

Die Erfindung stellt ein auf Flurförderzeuge optimal abgestimmtes Antriebskonzept zur Verfügung. Die Übertragung der Energie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsmotor des Flurförderzeugs erfolgt auf elektrischem Wege. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Energie aber nicht mittels eines Gleichspannungs-, sondern mittels eines Drehstrom- bzw. Drehspannungssystems den Antriebsrädern zugeführt.

Vorzugsweise wird von dem Verbrennungsmotor ein Wechselstromgenerator angetrieben und die von dem Wechselstromgenerator erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichgerichtet, welche anschließend wiederum in eine Drehspannung umgerichtet wird. Es ist ebenfalls günstig, mit dem Verbrennungsmotor einen Gleichstromgenerator anzutreiben, dessen Ausgangsspannung anschließend in eine Drehspannung umgerichtet wird. Zur stufenlosen Regelbarkeit von Drehzahl und Drehmoment wird die Drehspannung bevorzugt mit variabler Frequenz und/oder variabler Amplitude erzeugt. Die Erzeugung eines derartigen verstellbaren Drehstromsystems erfolgt günstig mit Hilfe einer Pulsbreitenmodulation entsprechend vorgegebener oder aus den Betriebsparametern des Antriebs bestimmter Sollwerte.

Besitzt das Flurförderzeug mehr als einen elektrischen Antriebsmotor, ist es günstig, nicht alle Antriebsmotoren jederzeit mit einem Drehstromsystem gleicher Amplitude und gleicher Frequenz zu speisen. Die teilweise oder auch gänzlich voneinander unabhängige Speisung der elektrischen Antriebsmotoren ermöglicht eine Verbesserung des Fahrverhaltens des Flurförderzeugs. Dadurch kann beispielsweise bei Kurvenfahrten die Drehzahl des kurveninneren Motors verringert und die des kurvenäußeren Motors erhöht werden, so daß das Fahrzeug leichter um die Kurve zu steuern ist.

Neben dem Verfahren zur Energieübertragung in Flurförderzeugen bezieht sich die Erfindung auch auf ein entsprechendes Flurförderzeug, insbesondere einen Gabelstapler, mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einem elektrischen Antriebsmotor und einem Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsmotor.

Erfindungsgemäß ist der Antriebsmotor als Drehstrommotor ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Drehstrommotors wird ein Flurförderzeug mit einem sehr robusten und relativ günstigen Antrieb geschaffen.

Bevorzugt ist der Antriebsmotor als Asynchronmotor, besonders bevorzugt als Kurzschlußläufermotor, ausgeführt. Derartige Motoren haben den Vorteil, leicht, billig und wartungsarm zu sein. Der Einsatz von Synchronmotoren ist für kleinere Leistungen auch sinnvoll. Im allgemeinen werden jedoch Asynchronmotoren bevorzugt, da diese einen größeren Drehzahlbereich aufweisen und geringere Kosten verursachen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt das Energieübertragungssystem einen Wechselstromgenerator, einen Gleichrichter, einen Spannungszwischenkreis und einen Umrichter, welcher in einer besonders vorteilhaften Variante zur Erzeugung einer Drehspannung variabler Frequenz und/oder Amplitude geeignet ist. Auf diese Weise wird ein sehr gutes dynamisches Verhalten des Antriebs erzielt. Die Motordrehzahl und das Motordrehmoment können den jeweiligen Bedingungen praktisch verzögerungsfrei angepaßt werden. Die Energieübertragung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsmotor erfolgt in allen vier Quadranten der Drehzahl-Drehmoment-Ebene stufenlos. Der Wechselstromgenerator kann als permanent- oder fremderregter Synchrongenerator oder als Asynchrongenerator ausgeführt sein, wobei bevorzugt ein permanenterregter Synchrongenerator zum Einsatz kommt. Gegenüber einem Asynchrongenerator besitzt dieser den Vorteil, keine zusätzlichen Umrichter zu benötigen.

Besitzt das Flurförderzeug mehrere Antriebsmotoren, beispielsweise im Fall eines Gabelstaplers mit einem Zwei-Motoren-Antrieb, so ist es zweckmäßig, jedem Antriebsmotor einen Umrichter zuzuordnen. Dadurch können Drehzahl und Drehmoment der Motoren unabhängig voneinander gesteuert und geregelt werden was beispielsweise bei Kurvenfahrten oder unterschiedlich starken Motorbelastungen von Vorteil ist.

Bei einem Energieübertragungssystem zwischen dem Verbrennungsmotor und dem oder den Antriebsmotoren mit mehreren Umrichtern ist es günstig, genau einen Spannungszwischenkreis vorzusehen, mit dem die einzelnen Umrichter elektrisch verbunden sind. Der Verbrennungsmotor treibt gemäß dieser Ausführungsform einen Wechselstromgenerator, dessen Ausgangsspannung gleichgerichtet und in einen einzigen Spannungszwischenkreis gespeist wird, an den wiederum mehrere Umrichter angeschlossen sind. Auf den Einsatz mehrerer Zwischenkreise, Gleichrichter oder Generatoren kann verzichtet werden. Die Kombination eines Zwischenkreises mit mehreren, jeweils einem Antriebsmotor zugeordneten Umrichtern erlaubt eine optimale Steuerung der einzelnen Motoren bei nur geringem technischen Aufwand.

Im Bremsbetrieb arbeiten der elektrische Antriebsmotor und der Umrichter generatorisch, d. h. sie speisen Energie in den Zwischenkreis zurück. Zur Umsetzung der zurückgespeisten Energie ist in dem Spannungszwischenkreis von Vorteil ein zuschaltbarer Bremswiderstand vorgesehen. Dieser Bremswiderstand wird im Bedarfsfall so in den Zwischenkreis geschaltet, daß die beim Bremsen entstehende elektrische Energie in dem Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Der Wirkungsgrad des Antriebssystems kann dadurch verbessert werden, daß die während des Bremsens zurückgespeiste Energie nicht vollständig in Wärmeenergie umgesetzt wird, sondern in geeigneter Weise zwischengespeichert wird. Hierzu ist es von Vorteil, eine elektrische Batterie so in den Zwischenkreis zu schalten, daß beim Bremsen der zurückgespeiste Stromfluß über die Batterie erfolgt. Insbesondere bei Kurzstreckenfahrten kann so eine nicht unbedeutende Energieeinsparung erzielt werden. Auch die Verwendung einer Schwungmasse oder eines Druckspeichers als energetischer Zwischenspeicher hat sich als günstig erwiesen.

Der erfindungsgemäße Einsatz der Drehstromtechnik weist zahlreiche Vorteile gegenüber den bekannten Konzepten zur Energieübertragung in verbrennungsmotorisch betriebenen Flurförderzeugen auf. Die Erfindung erlaubt eine einfache und stufenlose Drehzahlverstellung des Antriebsmotors, der sich durch ein geringes Leistungsgewicht, geringes Leistungsvolumen und einen großen verfügbaren Drehzahlbereich auszeichnet. Somit wird ein ruckfreier Fahrbetrieb in allen vier Quadranten der Drehzahl-Drehmoment-Ebene bei optimaler Motorauslastung gewährleistet. Zudem ist der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Drehstromantriebes höher als der eines entsprechenden Gleichstromantriebes.

Gegenüber der Verwendung der Gleichstromtechnik ist vor allem der Wegfall der Kommutatoren und bei Käfigläufern auch der Wegfall der Schleifringe vorteilhaft. Dadurch können die Stillstandszeiten und Wartungskosten beträchtlich gesenkt werden. Die Erfindung stellt somit ein einfaches, günstig herzustellendes, mechanisch robustes und gegen Umwelteinflüsse geschütztes Antriebskonzept zur Verfügung, welches den speziellen Anforderungen von Flurförderzeugen, insbesondere Gabelstaplern, optimal angepaßt ist.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Hierbei zeigt die einzige Figur schematisch eine erfindungsgemäße Schaltung zur Steuerung der Antriebsachse eines Gabelstaplers.

Der Verbrennungsmotor 4 eines Gabelstaplers wird von einem Mikroprozessor 1 angesteuert und mit Hilfe eines ebenfalls mit dem Mikroprozessor 1 in Verbindung stehenden Verstellmotors 5 zusätzlich geregelt. Der Verbrennungsmotor 4 treibt einen Wechselstromgenerator 6 an, der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist. Das erzeugte Drehstromsystem wird mittels eines Gleichrichters 8 gleichgerichtet und speist einen Spannungszwischenkreis 9, welcher zur Verringerung der Wechselspannungsanteile mit einem Kondensator 10 versehen ist. Der Spannungszwischenkreis 9 ist lastseitig mit einem Wechselrichter 11 verbunden, der ein Drehstromsystem variabler Amplitude und variabler Frequenz erzeugt. Dieses speist einen Drehstrom-Asynchronmotor 12, der als Käfigläufermotor ausgeführt ist und die Antriebsachse 13 des Gabelstaplers antreibt.

Die Steuerung und Regelung des Fahrantriebes erfolgt mit Hilfe des Mikroprozessors 1. Hierzu sind Signalleitungen zwischen einem Fahrtrichtungsschalter 2, einem Sollwertgeber 3, dem Verbrennungsmotor 4, dem Verstellmotor 5, dem Drehstromgenerator 6, dem Wechselrichter 11 sowie dem Asynchronmotor 12 und dem Mikroprozessor 1 vorgesehen. Zusätzlich werden Frequenz und Drehzahl des Wechselstromgenerators 6 in den Leitungen 7 erfaßt und dem Mikroprozessor 1 zugeführt. Ferner besteht eine Signalverbindung zwischen einem Drehzahlgeber 14 zur Bestimmung der Drehzahl des Asynchronmotors 12 und dem Wechselrichter 11.

Im Fahrbetrieb wird mittels des Sollwertgebers 3 dem Mikrorechner 1 eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit als Sollwert vorgegeben. Durch Vergleich der von dem Drehzahlgeber 14 bestimmten aktuellen Drehzahl des Motors 12 mit dem vorgegebenen Sollwert und unter Berücksichtigung der mittels oben genannter Signalleitungen dem Mikroprozessor 1 zugeführten Betriebsparameter der einzelnen Komponenten des Fahrantriebes steuert der Prozessor 1 den Verstellmotor 5, den Verbrennungsmotor 4 und insbesondere den Wechselrichter 11. Diese Steuerung gewährleistet einen optimalen Wirkungsgrad und sorgt über den gesamten Drehzahlbereich für ein den jeweiligen Bedingungen angepaßtes Drehmoment.

Im Bremsbetrieb arbeitet der Asynchronmotor 12 generatorisch und speist über den Wechselrichter 11 elektrische Energie in den Spannungszwischenkreis 9. Zur Umsetzung dieser Energie wird im Bremsbetrieb eine Bremseinheit 15 aktiviert, mittels der ein Bremswiderstand 16 in den Zwischenkreis geschaltet wird. Der zurückgespeiste Strom fließt über den Widerstand 16, wobei die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Übertragung von Energie in einem Flurförderzeug, insbesondere in einem Gabelstapler, zwischen einem Verbrennungsmotor und mindestens einem elektrischen Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Verbrennungsmotor gelieferte Energie in ein elektrisches Drehstromsystem umgewandelt wird, und daß der Drehstrom dem Antriebsmotor zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Verbrennungsmotor ein Wechselstromgenerator angetrieben wird, daß die von dem Wechselstromgenerator erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichgerichtet wird und daß die Gleichspannung anschließend in eine Drehspannung umgerichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehspannung variabler Frequenz und/oder Amplitude erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrom einem Asynchronmotor zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Antriebsmotoren mit einem Drehstromsystem gleicher Amplitude und
Frequenz gespeist werden.

6. Flurförderzeug, insbesondere Gabelstapler, mit einem Verbrennungsmotor, mindestens einem elektrischen Antriebsmotor und einem Energieübertragungssystem zur Übertragung von Energie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Antriebsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor ein Drehstrommotor ist.

7. Flurförderzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor ein Asynchronmotor ist.

8. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieübertragungssystem einen Wechselstromgenerator, einen Gleichrichter, einen Spannungszwischenkreis und einen Umrichter umfaßt.

9. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umrichter zur Erzeugung einer Drehspannung variabler Frequenz und/oder Amplitude vorgesehen ist.

10. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Antriebsmotor ein Umrichter zugeordnet ist.

11. Flurförderzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieübertragungssystem mehrere Umrichter und genau einen Spannungszwischenkreis umfaßt.

12. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein in den Spannungszwischenkreis zuschaltbarer Bremswiderstand vorgesehen ist.