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交流驱动系统引领电动叉车技术革命

供稿:科尔摩根 2006/4/13 14:30:00

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被誉为“搬运之神”的叉车在物流领域发挥着巨大作用。最近几年,中国叉车销售量年均增幅都在30%以上,远远超过了国民经济的增长速度。中国已成为全球叉车市场上最为活跃的国家之一,受到世界的瞩目。
目前,虽然内燃叉车仍占据国内叉车市场的主导地位,但随着企业环保意识逐渐增强,可靠性更高、更清洁的电动叉车得到了越来越多的企业的青睐。而以交流电机为核心的交流驱动系统更因其生产效率高、维护成本低而被业内专家誉为21世纪电动叉车的革命性技术。全球十大叉车巨头竞相推出了性能更佳的交流驱动电动叉车,以丰富自己的产品,满足用户需求,赢得市场份额。国内领先的叉车企业也开始致力于交流技术应用方面的研发,将新型交流驱动电动叉车作为参与国内乃至全球市场竞争的制胜砝码。随着电动叉车在叉车市场中所占份额不断攀升,交流驱动系统将引领新一轮电动叉车技术革命,给用户带来更高的生产效率、更低的叉车使用成本和更舒适的驾驶体验。

一、 我国电动叉车需求逐年上升,但技术相对落后,外资企业产品占据大部分市场份额
按照动力方式来分类,叉车可以分为内燃叉车和电动叉车。电动叉车利用蓄电池作为动力源,使用时无尾气排放,低噪声,操作方便而灵巧,运行平稳。正是由于电动叉车具有上述特点,国内外用户对电动叉车的需求量不断增加,电动叉车在整个叉车销量中所占比例稳步上升。尤其是在港口、仓库以及烟草、食品、轻纺等行业,电动叉车正在逐步替代内燃叉车。
我国工业车辆行业起步较国外晚了大约20年,自20世纪50年代首部叉车面世以来,直到70年代叉车行业才初具规模。从叉车生产企业角度来看,当前,我国内燃叉车已形成以安徽叉车集团公司、杭州叉车股份有限公司、大连叉车有限责任公司为骨干的企业群,2004年三家企业共销售内燃叉车34689台,占全行业(包括独、合资企业)总产量46893台的74%;电动车辆也已形成以安徽叉车集团公司、杭州叉车股份有限公司、宝鸡双力叉车集团公司、抚顺叉车制造有限公司和衡阳电瓶车总厂为主的重点企业。
据中国机动工业车辆分会秘书长苏恩一介绍,2004年我国共销售机动工业车辆59676台,比上年的45482台增长了31.2%。按驱动方式划分,内燃叉车销量为46893台,比上年的35616台相比,增长了31.7%;电动叉车销量12783台,与上年的9866台相比,增长了30%。
有专家认为,从产业周期的角度分析,发达国家的叉车产业已处于成熟期,而国内叉车产业和叉车产品尚处于发展期。从目前的市场需求来看,国内叉车产品的使用范围和数量还未得到充分拓展。今后几年,随着世界制造业向中国转移和国内物流业的高速发展,中国叉车市场增长潜力巨大,未来三年内年产量有望突破8万台,同时,叉车行业将进一步提高技术水平,逐渐与世界接轨。而在世界叉车市场上,电动叉车需求远远大于内燃叉车,这与全球重视环保的因素密切相关。由此可以预见,随着我国环保政策的出台和全民环保意识的增强,以及外资企业的大量进入,我国也将顺应全球叉车行业的发展方向,电动叉车市场需求将迅速上升。
但不容忽视的是,我国电动叉车生产尚处于起步阶段,一直是我国工业车辆行业的弱项,特别是三电(电控、电机、电瓶)的落后状况困扰着电动叉车的发展,国内厂家的技术水平与产品质量相对于国外先进的工业车辆制造商尚有一定差距。独、合资企业在我国电动车辆领域仍然占有绝对优势,在产品的先进性与可靠性等方面显示出较大的优越性。2004年,独、合资企业在中国共销售电动车辆7183台,占全行业的一半以上。同时,从海关总署公布的2004年全年叉车进口数据中可以看到,在高端市场,进口叉车仍占主流地位,2004年国内进口叉车中高端电动叉车的比例为62.49%,同比2003年数量增长了21.05%,说明国内目前对高端电动叉车的需求大量增加,而现有的叉车企业又不能完全满足市场需要。不仅如此,随着国内物流业的大力推进,大型集装箱将会成为运输的主流,而集装箱的搬运、码放将需要大量无污染、能举高的电动叉车,这些都是叉车企业不能放弃的机会。因此,我国叉车企业要想在未来的市场竞争中取得优势,应当加快电动叉车的研发,通过采用世界领先技术提高产品品质,以一流的产品赢得更多的客户。

二、 交流电机的优点
多年来,直流驱动作为一种比较便宜的驱动方式在很早以前就已在电动设备上广泛应用。然而,直流系统本身在性能、维修等方面存在一些固有的缺陷,而交流驱动与之相比则具有较大的优势。
下面对电动叉车用的直流和交流两种电机的特点进行比较说明。
1. 直流电动机
  20世纪90年代前的电动车辆几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低,体积和质量大,换向器和碳刷限制了它转速的提高,最高转速为6000——8000r/min。其工作原理是:直流电流经碳刷输送至换向器,并传到转子。这种方式有两个明显缺陷:第一,所有的电枢电流必须经由碳刷来输送,电机的性能取决于碳刷的物理尺寸及磨损情况,而且这也会限制电机制动性能的发挥。另外,碳刷容易损坏,必须定期(半年至一年)更换,否则会极大地影响电机寿命。考虑到这一点,许多厂商都会在叉车上配置侦测碳刷磨损并发出警告的装置。第二,直流电动机的热量主要产生在电动机的内部部件,因此大多数直流电动机都会同时配备一个风扇用于散热。以上装置无疑增加了电机的成本。
2. 三相交流电动机
  感应电机交流驱动系统是20世纪90年代发展起来的新技术。其原理是将三相交流电输送给固定的定子绕组,产生旋转的磁场感应闭合的转子绕组产生电流,转子在电磁力的作用下顺着旋转磁场的转动方向旋转。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。交流电动机最为突出的优势是没有碳刷,也没有直流电动机通常对最大电流方面的限制,这意味着电动机在实际使用中可以得到更多的能量及更大的制动扭力,于是可以更快的速度运转。其次,交流电动机的热量主要发生在电动机外壳部分的定子线圈,便于冷却与散热。近年来,随着交流感应电机变频技术的进步,以及大功率半导体器件和微处理器速度的大幅度提高,使感应电机交流驱动系统与直流电机驱动系统相比,具有效率高、体积小、质量小、结构简单、免维护、易于冷却和寿命长等优点。该系统调速范围宽,而且能实现低速恒转矩、高速恒功率运转,很好地满足了电动车辆实际行驶所需的转速特性。
综上所述,交流电动机的优点主要有:交流电动机所需元件数量大大减少,并且没有需要定期更换的易损件,几乎不用维护,比直流电动机更高效,更坚固耐用。
可以说,正是半导体技术的突飞猛进催生了交流电机的技术革命,使交流电机的控制能力大大增强;而且,电子元件的价格也不断下跌,使交流电机控制器硬件部分的成本得以降低,从而为交流驱动系统的大规模推广应用奠定了基础,创造了条件。
1996年,在低压交流运动控制技术开发领域始终处于全球领先地位的美国丹纳赫传动(Danaher Motion)公司率先推出了第一代用于牵引和举升的 48 伏交流电机和驱动系统,并以直-交流变换技术领导着叉车市场。丹纳赫传动(Danaher Motion)的交流驱动系统基于CANopen总线(CAN是现场总线的一种),可以实现功能特性的无缝添加或修改。该系统模块包括:转向驱动系统、牵引驱动、举升驱动、牵引电机、举升电机、导引装置、车辆主控器、显示器、制动器。丹纳赫传动(Danaher Motion)的交流驱动系统的突出特点是,电动机的工作效率提高,使用寿命延长,蓄电池尺寸更小,并实现了电机免维护。凭借其运行平稳性、优秀的低速特性以及绝佳的无缝换向性能,该产品自问世以来备受推崇。当今,全球十大顶尖的物料搬运设备生产商都选用了丹纳赫传动(Danaher Motion)的交流驱动系统模块,推出了交流驱动叉车、牵引车等搬运设备,引发了全球电动叉车领域技术与产品的更新换代。

三、 采用交流驱动系统的叉车优势明显
一台叉车的总成本并不等于其组成部件的总和。在整台叉车的寿命周期内,还涉及到其他诸多因素。对最终用户来说,叉车的总拥有成本包括购买成本以及运行与维护成本,因此选择高质量、性能可靠的产品就显得相当重要。
采用交流驱动系统的叉车,整体性能显著提高,故障及元件更换率明显降低,可靠性大大增强;叉车单位时间的生产率更高,操作及维护成本更低,将给用户带来非常显著的效益。因此,交流驱动系统一经推出,不仅得到了叉车生产企业的信赖,也越来越受到用户的青睐,成为近年来电动叉车技术发展的趋势与方向。
采用交流驱动系统的电动叉车的优势主要体现在以下方面:
1. 运行与维护成本低。
l 交流电机终生免维护。
交流电机无需换向接触器(前进、后退换向),节省了部件。更为重要的是,交流电机无碳刷和换向器,不仅电机的体积更加轻便小巧,运转速度提高了,而且彻底摆脱了定期检测和更换碳刷的麻烦。由此带来的最大好处是:叉车电机几乎终生不需要维护,极大地增强了叉车的可靠性与稳定性;同时,在叉车设计时不用考虑预留电机维修空间,甚至可以将电机密封起来,使叉车结构设计更加紧凑。
l 采用再生制动,减少机械磨损。
再生制动是一种非接触性制动,比传统的制动系统大大简化。不论驾驶者通过踩刹车踏板刹车,还是转换行驶方向刹车,电动机均会处于发电机状态,其电磁转矩将成为制动性质的转矩。这意味着刹车片的磨损降至最低。而机械磨损大大下降,也就减少了叉车维护费用,使运行成本更低。
同时,交流电动机在行驶与制动上的效率都更高。刹车或换向时,会有再生能量产生。刹车越强烈,再生的能量越多。交流驱动系统的蓄能装置则会在刹车或换向时自动启动,将能量回送给蓄电池,使电池工作时间延长,寿命也更长。虽然某些直流驱动叉车上也有再生制动,但必须在强烈的刹车时才能启用,这也意味着再生的部分能量在刹车时转化成了热量。而几乎在所有的情况下,交流电机均会产生能量再生,并且持续作用直至叉车完全静止,显然比直流电机的能量再生效率更高。
2. 生产效率提高。
交流<

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