Anwendung eines Permanentmagnet-Synchronmotorsystems in einem elektrischen Gabelstapler

In den letzten Jahren ist der Umweltschutz mit dem tiefen Verständnis der Menschen für die Schäden durch Umweltverschmutzung zum Mittelpunkt des gemeinsamen Interesses auf der Welt geworden. Daher haben sich verschiedene Batteriefahrzeuge wie Elektrostapler , die Batterien als Stromquellen verwenden, schnell entwickelt. Elektrostapler haben die Vorteile einer hohen Energieumwandlungseffizienz, geringer Geräuschentwicklung, keiner Abgasemissionen und bequemer Steuerung. Sie werden häufig in Werkstätten, Lagerhallen, automatischen Lagersystemen, großen Supermärkten und anderen Orten mit hohen Umweltbedingungen eingesetzt. Derzeit hat der Anteil der Elektrostapler in Industrieländern wie Europa und den Vereinigten Staaten 60 % der gesamten Gabelstapler erreicht, während der Anteil der inländischen Elektrostapler nur etwa 20 % beträgt.

Elektrische Gabelstapler haben mittlerweile die Beschränkung durchbrochen, dass sie nur für kleine Tonnagevorgänge eingesetzt werden können. Sie werden zunehmend vom Innen- in den Außenbereich verlagert, und die Marktnachfrage steigt von Jahr zu Jahr.

1. Elektrischer Gabelstapler-Antriebsmotor
Die Entwicklung von Elektrostaplern hat die kontinuierliche Innovation ihres Antriebsmotors und ihres Steuerungssystems gefördert. Es gibt viele Arten von Motoren und deren Steuerungssysteme. Inländische Elektrostapler verwenden hauptsächlich Gleichstrommotoren, darunter reihenerregte Gleichstrommotoren, parallelerregte Gleichstrommotoren und kombinierterregte Gleichstrommotoren. Obwohl Gleichstrommotoren viele Eigenschaften aufweisen, wie z. B. eine gute Drehzahlregelungsleistung, einen großen Drehzahlregelungsbereich, ein großes Anlaufdrehmoment und eine einfache Steuerung, enthalten Gleichstrommotoren Kontaktbürsten, wodurch während des Betriebs leicht Kommutierungsfehler und andere mechanische Fehler auftreten können, mit hohem Geräuschpegel, geringer Lebensdauer und häufigem Wartungsaufwand. Daher hat die Anwendung von Asynchronmotoren in den letzten Jahren zugenommen, und es werden auch Permanentmagnet-Synchronmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren verwendet. Von den Eigenschaften verschiedener Motoren haben Asynchronmotoren eine hohe Zuverlässigkeit und Permanentmagnet-Synchronmotoren eine hervorragende Gesamtleistung, aber sowohl Asynchronmotoren als auch Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerungssysteme stehen vor dem Problem hoher Steuerungskosten.
Die Gesamtleistung von Permanentmagnet-Synchronmotoren übertrifft die anderer Motortypen und macht sie zu einem idealen Antriebsmotor für Elektrostapler. Mit der Entwicklung der Computertechnologie, Sensortechnologie und Leistungselektronik werden Permanentmagnet-Synchronmotorsysteme im Bereich der Elektrofahrzeuge breitere Anwendung finden. Im Hinblick auf die obige Analyse stellt dieser Artikel ein Permanentmagnet-Synchronmotor-Antriebssystem für Elektrostapler vor und vergleicht seine Leistung mit Gleichstrommotoren derselben Leistungsstufe.

2. Permanentmagnet-Synchronmotor
Das Funktionsprinzip des Synchronmotors mit Permanentmagneten ist das gleiche wie das des Synchronmotors mit elektrischer Erregung, allerdings wird die Erregerwicklung durch einen Permanentmagneten ersetzt, was die Motorstruktur vereinfacht, die Verarbeitungskosten senkt und den anfälligen Kommutator und die Bürsten eliminiert, wodurch die Zuverlässigkeit des Motors verbessert wird. Da es keinen Erregungsverlust gibt, werden auch die Effizienz und Leistungsdichte des Motors verbessert. Abbildung 1 zeigt ein Rotormagnetkreisdiagramm eines Synchronmotors mit Permanentmagneten für Elektrostapler. Der Motor verfügt über eine Rotormagnetkreisstruktur mit eingebautem magnetischem Stahl.
Die Vorteile des eingebauten Rotors aus magnetischem Stahl sind ein kleiner Leckkoeffizient und eine gute dynamische Leistung, was ihn besonders für Permanentmagnet-Synchronmotoren für Elektrostapler mit relativ hohen Anforderungen an die dynamische Leistung geeignet macht. Das durch die Asymmetrie seines Magnetkreises erzeugte magnetische Widerstandsdrehmoment trägt auch dazu bei, die Überlastfähigkeit und Leistungsdichte des Motors zu verbessern, und die Geschwindigkeit lässt sich durch ein „schwaches Magnetfeld“ leicht erhöhen. Der Motor verfügt über die Eigenschaften einer niedrigen Geschwindigkeit und eines hohen Drehmoments, um das für das Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen erforderliche Anlaufdrehmoment sicherzustellen; er verfügt über einen breiten Betriebsgeschwindigkeitsbereich, um den Anforderungen der Fahrzeugstromerzeugung und der Kraftunterstützung gerecht zu werden; und er verfügt über eine hohe Arbeitseffizienz. Tabelle 2 listet den Leistungsvergleich eines 6,5-kW-Permanentmagnet-Synchronmotors und eines häufig verwendeten Gleichstrommotors auf.

3. Steuerungssystem für den Synchron-Antriebsmotor mit Permanentmagnet
Das Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerungssystem verwendet direkte Drehmomentsteuerung, Raumvektorsteuerung und sensorlose Vektorsteuerung ohne Geschwindigkeitssensor und andere Steuerungsmethoden. Es ist hocheffizient, leistungsstark und zuverlässig und hat die Funktion, die Bremsenergie des Elektrostaplers an den Akkupack zurückzuspeisen. Das Steuerungssystem verfügt über ein CAN-Kommunikationsmodul mit anderen Fahrzeugsystemen. Die Ausstattung des Steuerungssystems von Elektrofahrzeugen mit einem Controller Area Network (CAN) ist heute eine der modernsten Steuerungstechnologien der Welt. Das auf dem CAN-Bus basierende Steuerungssystem für Elektrostapler ist zu einem heißen Forschungsthema der großen Gabelstaplerhersteller der Welt geworden. Der Permanentmagnet-Synchronmotor-Controller realisiert die folgenden Funktionen durch effektive Steuerung des Antriebsmotors: ① Stromerzeugungsbetrieb: wird zur Energierückgewinnung beim Bremsen verwendet; ② Elektrobetrieb: treibt das Fahrzeug an und kann auch zur Unterstützung beim Beschleunigen verwendet werden. Hardwareteil des Motorantriebs: Der Motorcontroller besteht hauptsächlich aus einem leistungsstarken eingebetteten Chip der Infineon XC2000-Serie mit integriertem DSP, einem IGBT-Modul, einem Antriebsschaltungsmodul und einem Signalerkennungsschaltungsmodul. Es realisiert eine geschlossene Regelung des Antriebsmotors durch Erkennen des Rückkopplungsstroms und verwendet eine Vielzahl von Sensoren, um das gesamte System zu überwachen und so die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Motors zu gewährleisten. Abbildung 2 zeigt das Hardware-Schemadiagramm des Antriebsmotor-Controllers.
Die wichtigsten Schutzfunktionen des Antriebsmotorreglers umfassen Motortemperaturfehlerschutz, Motorreglertemperaturfehlerschutz, DC-Bus-Überspannungsfehlerschutz, DC-Bus-Unterspannungsfehlerschutz, Motorüberlastfehlerschutz, Motorüberdrehzahlfehlerschutz, Motorregler-IPM-Fehlerschutz, 12-V-Steuerstromversorgungsfehlerschutz, CAN-Kommunikationsfehlerschutz und Fahrzeugsteuerbefehl-Anormalfehlerschutz. Die technischen Anzeigen und Funktionen, die der Permanentmagnet-Synchronmotorregler erreichen kann, sind wie folgt: (1) Eingangsspannungsschwankungsbereich: UN±30 %; (2) Kommunikationssteuerungsschnittstelle: zwei CAN2.0B-Busse; (3) Isolationswiderstand: jeder Anschluss an das Gehäuse ist größer als 25 MΩ; (4) Es verfügt über eine Fehlerselbstdiagnosefunktion: Überspannung/Unterspannung, Überlastung, Regler-Übertemperatur begrenzte Leistungsabgabe, Kommunikationsfehler, Abschaltung wegen extremer Temperaturen usw.; (5) Arbeitsbereich mit hohem Wirkungsgrad: 75 % des Arbeitsbereichswirkungsgrads sind größer als 90 %; (6) Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen: > 3.000 h; (7) Die Genauigkeit der Drehmomentregelung beträgt höchstens 5 %; (8) Das Verhältnis von maximaler Regelgeschwindigkeit und Wendepunktgeschwindigkeit beträgt mehr als 3; (9) Die Spitzenleistungsvolumendichte beträgt mindestens 8 kW/l; (10) Die elektromagnetische Verträglichkeit entspricht den Anforderungen von GB/T18655-2002 und GB/T17619-1998. Der Permanentmagnet-Synchronmotor und sein Steuersystem sind eine Art Fahrzeugantriebssystem mit hervorragender Gesamtleistung. Im Bereich der Elektrostapler werden sie allmählich Gleichstrommotoren und Asynchronmotorsysteme ersetzen.