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交流驱动系统――电动叉车技术革命AAA

2019-11-02

被誉为“搬运之神”的叉车在物流领域发挥着巨大作用。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为活跃的国家之一,受到世界的瞩目。

虽然目前内燃叉车仍占据国内市场的主导地位,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、更低的使用成本和更舒适的驾驶体验。

一、电动叉车需求逐年上升,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(参见以下图表)。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。

图1日本叉车市场销售情况(台)

图2日本内燃叉车与电动叉车销售对比图

图3欧洲内燃叉车与电动叉车销售对比图(%)

  自20世纪50年代首台叉车面世以来,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。

据统计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%。下图为我国内燃叉车与电动叉车销售构成图。

图4中国内燃叉车与电动叉车销售对比图

  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。世界车市场上,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。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起步阶段,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优势,在产品的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,在市场仍进口叉车为主流,2004年国内进口叉车中电动叉车的比例为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,通过采用世界技术提高产品品质,以一流的产品赢得更多的客户。

二、用交流驱动系统的叉车优势明显

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。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;而且随着电子元件价格的不断下跌,交流电机控制器的成本得以降低,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。

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。其优势主要体现在以下方面:

运行与维护成本低

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。

图片说明:采用交流驱动系统的丰田叉车维护费用大大降低(DC代表直流电)

  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。

交流电机高转速比直流电机提高很多,动力更强劲。而且,交流电机可以将获得的再生能量回馈给蓄电池,既延长了电池的使用时间,又可以将这些能量用于提高叉车的整体性能。其结果是叉车在行驶中启动更快,加速/减速性能大大提高,缩短了达到高速度的时间与行走距离。研究表明,在大多数的实际使用中,叉车自启动至停止的一次搬运作业距离很少长于20m。而交流电机优秀的加速性能使得在如此短的距离内实现叉车全速运转成为可能,叉车的工作效率显著提高。

3.易于编程,控制能力大大增强。

随着半导体技术的飞速发展,变频调速技术取得了突破性发展,可以实时控制交流电机的运转,使交流电机的控制能力大大增强,获得了同直流电机一样的调速性能。交流驱动采用速度力矩控制,控制的灵敏度提高,可以提高叉车操作效率;采用加速踏板释放制动功能(即叉车行走时油门稍一松,再生制动就会起作用),前进过程中换向为倒车时可以平稳过渡,提高了叉车的稳定性与可靠性。同时采用CAN总线,分布式节点不受安装位置的限制;模块化结构,系统拓展容易,可实现功能特性的无缝添加或修改;实现了总线接口标准化,使系统集成更简单,单元设计更灵活。

4.叉车操作更加舒适。

交流驱动系统在提高叉车驾驶员操作舒适方面所起到的作用与众不同。由于交流电机比直流电机小巧轻便,这使得叉车的设计相对更灵活。例如,利用这一灵活性,丰田叉车公司采用独特的低重心设计,从而开发出驾驶舒适、性能优越的7FB系列电动叉车。

下表以德国永恒力(Jungheinrich)电动平衡重叉车为例,对配备交流电机与直流电机这两种不同驱动系统的同型号叉车的差异性(维护成本、效率比较与其它)的比较。

交流电机(AC)与直流电机(DC)

维护成本(以5年使用为例)

效率比较(以Jungheinrich电动平衡重叉车为例)

其他比较(以Jungheinrich电动平衡重叉车为例)

流驱动系统供应商情况

  交流驱动系统是20世纪90年代发展起来的新技术,目前世界上能够提供交流驱动系统厂家为数不多,许多厂家的技术也不很成熟,其中美国丹纳赫传动(Danaher Motion)公司提供的是交流驱动叉车的全系统集成解决方案,能够做到交流控制系统与交流电机的完全匹配,驱动系统性能、稳定可靠性都得到更佳保证。在这个领域,美国丹纳赫传动(Danaher Motion)公司是当之无愧的者。

1996年,美国丹纳赫传动(Danaher Motion)公司率先推出了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。

作为全球的交流驱动全系统集成解决方案提供商,丹纳赫传动(Danaher Motion)非常了解全球叉车行业主要制造商的以及终用户的需求。丹纳赫传动(Danaher Motion)的运动控制系统具有的高效性、耐用性、可靠性、安全性,以及运行平稳性和的驾驶舒适性。通过使用Danaher Motion系统,叉车制造商将会在整个生产链和整个产品寿命周期内获益,实现自我增值。另外, 作为系统集成商, 丹纳赫传动(Danaher Motion)还能提供定制集成系统产品工程设计以及系统应用支持,从而降低叉车生产企业的开发成本,缩短产品上市时间。而且,就终用户而言,安装有Danaher Motion驱动系统的叉车,不但生产效率高,而且运行成本低,可靠性高。

随着新型电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,控制器的性能价格比越来越高,体积越来越小。作为未来技术发展方向,丹纳赫传动(Danaher Motion)正在对高性能的永磁交流电机(PMAC电机)进行进一步研发,以便应用在电动叉车领域。PMAC电机的效率比感应式交流电机提高了10%-15%,体积更小,质量更小,也没有直流电机的换向器和碳刷等缺点。目前,由于该类驱动系统需要的永磁材料成本较高,因此只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。永磁同步电机将是电动车辆电机的下一步发展方向。

四、驱动系统在叉车行业的应用情况

交流驱动系统在全球电动车辆行业与市场的推广应用情况,分析我国与发达国家存在一定差距。

国外应用情况

国外叉车企业从1996年起就开始研发、生产交流驱动叉车,现在已经批量生产,处于平稳发展阶段。全球的叉车企业几乎都采用了丹纳赫传动(Danaher Motion)的交流驱动系统,设计、生产独具本公司特色的电动叉车。据介绍,这些公司包括:瑞典的BT、Atlet,芬兰的Rocla,德国的永恒力(Jungheinrich)、瓦格纳(Wagner)、Still,美国的纳科集团(生产海斯特Hyster、耶鲁Yale叉车)、美国皇冠(Crown)、Airtrax、Raymond、BT Prime Mover,日本的丰田、小松等。如今,越来越多的叉车企业看好交流驱动系统叉车的市场前景,不断推出新车型并向用户大力推荐,将其视为在日益激烈的市场竞争中制胜的又一利器。

以丰田公司为例,丰田现已推出多款采用交流驱动系统的电动叉车。其新型7FBE三轮叉车的许多强化性能都是以的交流驱动系统为基础的,该系统对性能所提供的控制水平与以往的任何产品都不同。例如,交流电源系统所提供的电源控制使得7FBE叉车能够充分利用每一次电池充电潜能。到目前为止,所有的电动叉车都曾经历过随电池电力消耗而性能逐渐下降的情况。而丰田7FBE三轮叉车因为有了电力保持功能,所以操作者能够享受到“刚充完电”般的强劲动力,其时间要比现有的叉车型号长40%。

2.国内应用情况

交流驱动系统直到2003年才开始在我国销售,目前在这一技术领域我国尚处于起步阶段,国内已有几家主要的叉车企业使用丹纳赫传动(Danaher Motion)公司提供的交流驱动系统生产电动叉车,其系列化产品正在开发试制中。例如,安徽合力股份有限公司采用丹纳赫传动(Danaher Motion)交流驱动系统的四轮1.5t全交流驱动叉车样车已经完成测试,正在开始批量生产。目前,国内主要的叉车制造商都已制订了新的交流驱动叉车的研制计划。随着中国叉车市场逐渐与国际市场接轨,交流驱动叉车也呈现出加速发展势头,市场潜力巨大,前景看好。

总之,交流驱动系统作为叉车更新换代的技术,必将得到越来越广泛的运用。这项被称为“21世纪电动叉车的革命性技术”,对叉车企业的技术水平、产品销量、市场份额、利润乃至创新形象等都会产生一定的影响。毕竟,未来的竞争更多地体现为技术的较量。谁掌握了新技术,谁就能在未来的市场中赢得更多优势,占领更为有利的位置。

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