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Antriebstechnik

Elektrische Antriebe für Flurförderzeuge

Gleislose Fördermittel wie Stapler, Hubwagen, Containerumschlaggeräte (Reach-Stacker, Spreader), fahrerlose Transportsysteme (FTS) wie selbstfahrende Gabelstapler, Spurmeise und andere bilden ein wichtiges Standbein der Intralogistik, um die Förderaufgaben im innerbetrieblichen Transport und Warenumschlag rationell auszuführen. Neben Verbrennungsmotoren (Diesel, Treibgas) kommt der wirtschaftlichere Elektroantrieb für Fahr- und Lenkaufgaben zur Anwendung. Strukturiert wie die stationäre Ausführung, zeigt sich auch bei dieser Anwendung die Überlegenheit der Drehstrom- gegenüber der Gleichstromausführung. Manchmal höhere Aufwendungen gleichen Vorzüge wie Wartungsarmut, bessere Dynamik, geringeren Energieverbrauch aus. Sie führen zu insgesamt niedrigeren Gesamtkosten.

Motoren als Energiewandler

Antriebstechnik: Elektrische Antriebe für FlurförderzeugeBilder
Bild 5: Drehstrom-Asynchronmotor von Toyota (Quelle: Toyotagabelstapler, Duisburg)

Grundsätzlich sind Motoren aller bekannten Grundprinzipien geeignet. Als Fahrmotor können sie in allen vier Quadranten ihrer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie zur Vorwärts-/Rückwärtsbewegung und zum Bremsen aus beiden Drehrichtungen arbeiten. Als Lenkmotor bestimmen sie die Fahrzeugrichtung. Ein wartungsfreies (beziehungsweise –armes) System entsteht durch die Kombination Drehstrom-Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer und dem lebensdauergeschmierten Getriebe (Stirnrad-, Kegelgetriebe), manchmal gepaart mit einer Hydraulikpumpe. Geräuscharmut kennzeichnet die in die Radnabe integrierte Maschine (Bild 1), weil ihre Optimierung zusammen mit dem Getriebe erfolgt. Je nach Größe der Akku-Spannung (24, 48 Volt am Eingang des Zwischenkreises) liegt die Ständerspannung der Asynchronmaschine zwischen 17 und 32 Volt. Wegen des niedrigen Werts muss ein hoher Strom fließen, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Verlängerte Batterielaufzeit und hohe Energieeffizienz ergeben sich aus der elektrischen Bremsung mit Rückspeisung der Energie bei jedem Abbremsvorgang. Noch günstigere Eigenschaften hinsichtlich Dynamik und Wirkungsgrad zeigt der permanent erregte EC-Motor wegen der fehlenden elektrischen Läuferverluste. Die immer vorhandene Zusatzbremse fungiert als Halte- und Notstoppbremse. In die Ständerwicklung eingebrachte, temperaturabhängige Widerstände liefern Signale, deren Auswertung vor Übertemperaturen schützt. Neben der Einmotorenausführung steht die zweimotorige Lösung (Bild 2). Atex-zertifizierte Drehstrommaschinen bilden eine Voraussetzung, Flurförderfahrzeuge ebenfalls in explosionsgefährdeter Umgebung arbeiten zu lassen.

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Stellglied und Energieversorgung

Gleichstromsteller steuern verlustarm die Spannung von Gleichstrommaschinen (Bild 3). Geeignete Verfahren wie Pulsbreitenmodulation (TE, TA – variabel, TS = konstant), Pulsfrequenzmodulation (TE = konstant, TA, TS – variabel) oder Strom-Zweipunktregelung (TE, TA, TS – variabel) realisieren kostengünstige Informationsverarbeitungssysteme. Forderungen nach hoher Fahrdynamik und Regelgenauigkeit sowie wirtschaftlicher Energieanwendung bei verbesserter Ausnutzung der Batteriekapazität werden erfüllt.

Der fremdgesteuerte Pulswechselrichter speist die kontaktfreie Asynchronmaschine (Bild 4, 5). Über den Motorstrom entsteht die Zugkraft. Selbstgesteuert durch den internen Rotorlagegeber der PM-Innenpol-Synchronmaschine (Bild 4) ersetzt der Stromrichter den mechanischen Kommutator der Gleichstrommaschine. Beide Lösungen eignen sich infolge ihres guten dynamischen Übertragungsverhaltens (kleines Trägheitsmoment), des guten Wirkungsgrades, wegen des – gegenüber der Gleichstrommaschine – besseren Leistungsgewichtes, durch die Wartungsfreiheit für batteriebetriebene Fahrzeuge. Mit jeder Art von Stromrichterspeisung sinkt der Energieverbrauch, weil die Bremsenergie in die Energiequelle zurückfließt (Nutzbremsung).

Ihre Energie beziehen die Motoren über die Stellglieder aus dem fahrzeugseitigen Speicher, einem Akkumulator großer Energiedichte und hohen Wirkungsrades (Nickel-Metallhybrid, Natrium-Nickel-Chlorid, Lithium-Ionen) oder – wie bei FTS – kontinuierlich und drahtlos aus induktiven Übertragungssystemen (Bild 6). Innovative Lösungen setzen mit Erfolg die wasserstoffgetriebene Brennstoffzelle ein, zunächst als Hybrid in Kombination mit konventionellem Sammler.

Angepasstes Steuerungssystem

Das gewünschte Fahrverhalten des Flurförderfahrzeuges lässt sich flexibel einstellen. Sowohl Schlupf- als Flussvektorregelung kommen beim Motor zum Einsatz. Dazu werden Drehzahl und Strom über Impulsgeber und Shunts in den Motorphasen gemessen. Zur Spurführung fahrerloser Systeme dienen in den Boden eingelassene Leitungen, neuerdings optische Piloten zur unbegrenzten Gestaltung des Fahrkurses. Joachim Krause

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