[0001] Die Erfindung betrifft ein Flurförderzeug, insbesondere Gabelstapler, mit einem elektrischen
Antrieb bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und mindestens
einem Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[zu Anspruch 1]
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
- Figur 1
- eine typische Achsanordnung in einem Gabelstapler mit einem erfindungsgemäßen Antrieb
in einer Schnittdarstellung,
- Figur 2
- eine typische Achsanordnung in einem Gabelstapler mit einem erfindungsgemäßen Antrieb
von vom gesehen,
- Figur 3
- eine erfindungsgemäße Anordnung von Motor und Umrichter in einem Längsschnitt,
- Figur 4
- eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei Motoren und dazugehörigen Umrichtern in einem
Gehäuse,
- Figur 5
- ein Ablaufschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
[0020] Figur 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.
[0021] Der Hydraulikantrieb 6 besteht, wie in Figur 2 dargestellt, aus einem Elektromotor
7 als Antrieb und einer Hydraulikpumpe 8.
[0022] In Fig. 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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 Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, optimal genutzt.
[0026] Der in Fig. 2 dargestellte Antrieb 7 der Hydraulikpumpe 8 kann je nach Erfordernissen
ebenfalls als Drehstrommotor in erfindungsgemäßer Ausführung gestaltet sein.
[0027] 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 Fig. 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 Fig. 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.
[0028] Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs eines
Flurförderzeugs ist in Fig. 5 der prinzipielle Ablauf eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt. Zunächst wird an einer Stelle des Motors des elektrischen
Antriebs eine Temperatur T
mess ermittelt. Aus dieser Temperatur wird die Temperatur T
ber 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 T
ber einen vorgegebenen Grenzwert T
max, 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.
1. Flurförderzeug, insbesondere Gabelstapler, mit einem elektrischen Antrieb bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und mindestens einem
Drehstrommotor mit mindestens einem Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (10) in unmittelbarer Nähe zum Drehstrommotor (3) im Wesentlichen innerhalb
dessen radialer Abmessungen angeordnet ist.
2. Flurförderzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (10) und der Drehstrommotor (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (9), insbesondere
in Längsrichtung des Motors (3) hintereinander, angeordnet sind und die elektrische
Kontaktierung (12) zwischen Umrichter (10) und Motor (3) vollständig innerhalb des
gemeinsamen Gehäuses (9) erfolgt.
3. Flurförderzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Umrichters (10) durch mindestens ein auf der Motorwelle (11) angeordnetes
Lüfterrad (13) erfolgt.
4. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (14) zur Erfassung von Betriebszuständen des Motors (3), insbesondere
der Temperatur und/oder der Drehzahl, mit mindestens einer der Platinen des Umrichters
(10) in Wirkverbindung steht, wobei die Verkabelung (15) vollständig innerhalb des
gemeinsamen Gehäuses (9) von Motor (3) und Umrichter (10) verläuft.
5. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (16) zur Erfassung einer Temperatur, dessen Messwert zur Berechnung
einer beim Betrieb des Motors (3) relevanten Temperatur an mindestens einer anderen
Stelle als der Einbaustelle des Sensors, insbesondere des so genannten Heißpunktes,
dient, mit mindestens einer der Platinen des Umrichters (10) in Wirkverbindung steht.
6. Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung aus mehreren Motoren (3) und Umrichtern in einem gemeinsamen Gehäuse
(19) angebracht ist.
7. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs eines Flurförderzeugs bestehend
aus einer Spannungsquelle, einer Steuerelektronik und mindestens einem Drehstrommotor
mit mindestens einem Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass aus der an einer Stelle des Motors ermittelten Temperatur mindestens eine für den
Betrieb des Motors relevante Temperatur an mindestens einer anderen Stelle des Motors,
insbesondere am so genannten Heißpunkt, berechnet wird und die Steuerelektronik oder
der Umrichter des Motors bei Überschreiten einer kritischen berechneten Temperatur
und/oder eines kritischen Temperaturgradienten im Motor Betriebsparameter des Motors
und/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 im Motor verhindert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung anhand eines mathematischen Modells der Temperaturentwicklung im Motor
erfolgt, dessen Parameter in Versuchen an realen Motoren optimiert wurden.