Тяговый электропривод фронтального погрузчика

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электроприводам, и может быть использована в системах электродвижения транспортных средств тяжелой строительной техники, а именно фронтального погрузчика.
Известен комплектный тяговый электропривод (RU 2222098, МПК Н02Р 7/62, B60L 11/12, 2004), содержащий тяговый электродвигатель, обмотка которого через регулятор напряжения, имеющий как минимум две выходные клеммы, подключена к тяговой аккумуляторной батарее, выпрямитель, полностью управляемые ключевые элементы.
Недостатком является зависимость эксплуатационных свойств комплектного электропривода от емкости и ресурса единственного источника питания - аккумуляторной батареи, подбираемой из расчета покрытия электроприводом всей тягово-динамической характеристики транспортного средства, где для тяжелой строительной техники потребуется наличие мощной территориальной зарядной станции.
Наиболее близким техническим решением является электропривод постоянного тока (RU 41396 МПК Н02Р 7/62, 2004), содержащий инвертор на полностью управляемых ключевых элементах и синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами и датчик положения ротора, выход которого подключен к входу управления инвертором, силовой вход которого подключен к сети постоянного напряжения, а его выход соединен с обмотками статора синхронного двигателя.
Недостатком решения является энергозависимый ротор, где предполагается размещение вращающейся электромагнитной системы, требующей источника питания.
Задачей является создание высокоэффективного привода автономного электродвижения тяжелого многодвигательного фронтального погрузчика с требуемым комплексом свойств для условий строительной среды эксплуатации, обладающего плавностью хода, меньшими габаритами по сравнению с серийными электроприводами городского безрельсового электрического транспорта, а так же удовлетворяющий критериям технологичности для серийного производства с использованием отечественных материалов.
Технический результат заключается в создании технического средства определенного назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что тяговый электропривод фронтального погрузчика содержит инвертор на полностью управляемых ключевых элементах и синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами и датчик положения ротора, выход которого подключен к входу управления инвертором, силовой вход которого подключен к сети постоянного напряжения, а его выход соединен с обмотками статора синхронного двигателя, отличающийся тем, что магниты ротора, образующие основной поток ротора, дополнены магнитными подпорами, направленными тангенциально потоку этих магнитов, кодирование положения ротора выполнено двумя датчиками, работающими каждый в своем направлении вращения и установленными на заданный угол опережения однократно по критерию оптимального КПД, инвертор на входе имеет возможность питания от двух источников тока, образованных тяговым генератором и массивом аккумуляторов, с возможностью параллельной работы этих источников, обмотка статора образована m-слоями спиральных катушек из n параллельных проводников, где катушки уложены в пазы магнитопровода статора и соединены в шестифазную схему обмотки.
На фиг. 1 представлена функциональная схема тягового электропривода фронтального погрузчика для одного колеса.
На фиг. 2 представлен синхронный электродвигатель (вид со стороны вала и в разрезе).
На фиг. 3 приведен вид спиральной катушки одного полюса одной фазы шестифазной обмотки статора, где число слоев m=2 и число параллельных проводников n=2.
На фиг. 4 представлена функциональная схема работы сигнального процессора.
1 - тяговый генератор;
2 - выпрямитель;
3 - регулируемый источник тока;
4 - инвертор на полностью управляемых ключевых элементах;
5 - зарядный преобразователь;
6 - преобразователь аккумуляторного напряжения;
7 - синхронный электродвигатель с постоянными магнитами;
8 - модуль измерения положения ротора;
9 - массив аккумуляторов;
10 - магнитопровод статора;
11 - магниты ротора с дополнительными тангенциальными магнитными подпорами;
12 - шестифазная обмотка статора;
13 - магниты кодирования положения ротора;
14 - экранированные датчики типа Холла;
15 - сигнал задания движения от педали водителя;
16 - контакт установки запрета использования массива аккумуляторов в преобразователе аккумуляторного напряжения;
17 - контакт шунтирования регулятора скорости;
18 - регулятор скорости;
19 - регулятор тока;
20 - сигнал задания для регулируемого источника тока;
21 - сигнал обратной связи по току статора;
22 - сигнал обратной связи по скорости вращения двигателя;
23 - сигнальный процессор.
Тяговый электропривод фронтального погрузчика состоит из синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе (7), подключенного к тяговому преобразователю, содержащему инвертор (4) на полностью управляемых ключевых элементах, который включен в параллельное соединение источников тока (3, 6), образованных массивом аккумуляторов (9) и тяговым генератором (1) с выпрямителем (2).
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами (7) включает магниты ротора (11) с дополнительными магнитными подпорами, направленными тангенциально потоку основных магнитов, шестифазную обмотку (12), состоящую из спиральных катушек, образованных n параллельными проводниками и уложенных в m слоев, установленных в пазы магнитопровода статора (10), кольцо маркерных магнитов кодирования положения ротора (13), монтируемого на ротор, экранированных датчиков типа Холла (14), монтируемых на задней стенке корпуса на заданный угол опережения, образовывая с кольцом маркерных магнитов (13) модуль измерения положения ротора (8). Число слоев m спиральной катушки ограничено высотой зубца магнитопровода статора и всегда больше или равно 1, а число n параллельных проводников в катушке ограничено шириной паза магнитопровода и механическими свойствами каждого проводника и всегда больше или равно 1.
Тяговый преобразователь состоит из выпрямителя генераторного напряжения (2), выход которого подключен на вход источника тока (3), работающего по схеме понижающего DC/DC преобразователя, и на вход зарядного преобразователя (5) для заряда массива аккумуляторов (9). К силовым клеммам массива аккумуляторов (9) включен DC/DC преобразователь аккумуляторного напряжения (6), работающий в режиме источника тока, выход которого подключен параллельно к выходу регулируемого источника тока (3), а точка их параллельного соединения подается на вход инвертора (4), выход которого подсоединен к обмотке статора (12) электродвигателя (7). Тяговый преобразователь содержит сигнальный процессор (23), реализующий функцию регуляторов тока (19) и скорости (18), принимающий количественные сигналы от датчика тока (21) на выходе источника тока (3), датчика скорости (22), работающего по производной от числа импульсов от модуля измерения положения ротора (8), и устанавливающий количественный сигнал (20) задания выходного тока для регулируемого источника тока (3) и дискретный сигнал (16) разрешения или запрета работы преобразователя аккумуляторного напряжения (6), причем этот сигнал противоположен сигналу (17), который шунтирует регулятор скорости (18), и устанавливается переключателем в кабине водителя.
Тяговый электропривод фронтального погрузчика включается при наличии генераторного напряжения и напряжения массива аккумуляторов, при этом тяговый преобразователь принимает сигналы задания движения от педали водителя (15), направления движения, режима движения (16). Синхронный электродвигатель (7) с постоянными магнитами на роторе приводит в движение фронтальный погрузчик через мотор-редукторное сопряжение с его колесом. Вращение ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе (11) происходит за счет магнитного взаимодействия с обмоткой статора (12), где с целью уменьшения габарита магнитной системы применены в магнитах ротора тангенциально направленные магнитные подпоры, а в статоре обмотка образована шестифазной схемой включения спиральных катушек из n параллельных проводников, уложенных в пазы магнитопровода в m слоев. Шестифазная обмотка статора питается от инвертора (4), выполненного по мостовой шестифазной схеме на полностью управляемых ключевых элементах, где коммутация фаз обмотки осуществляется согласно сигналу датчиков положения ротора (13), при этом в зависимости от направления движения, задаваемого водителем, селектируется тот датчик, который соответствует заданному направлению вращения вала и установлен на заданный угол опережения коммутации фаз обмотки по критерию оптимального КПД электродвигателя, а свободный датчик участвует в формирования количественного сигнала величины скорости вращения по производной от числа импульсов этого датчика в сигнальном процессоре (23). Инвертор (4) получает питание от источника тока, согласующего через выпрямитель (2) и регулируемый источник тока (3) величину тока для питания шестифазной обмотки (12), и дополнительное питание от массива аккумуляторов (9) через преобразователь аккумуляторного напряжения (6), по параллельной схеме включения этих источников. Заряд массива аккумуляторов осуществляется от зарядного преобразователя (5), включенного параллельно входу регулируемого источника тока (3) после выпрямителя генераторного напряжения (2).
Ввод в работу преобразователя аккумуляторного напряжения (6) происходит по сигналу разрешения работы (16), устанавливаемому водителем в зависимости от режима эксплуатации фронтального погрузчика: рабочий (тихоходный), когда контакт (17) замкнут и контакт (16) разомкнут, и быстроходный (скоростной), когда контакт (17) разомкнут и контакт (16) замкнут. Контакт (17) является шунтирующим для регулятора скорости, поскольку функция этого регулятора необходима для реализации намерения скорости движения по количественному заданию (15) от педали водителя, где значение наводимой ЭДС в двигателе будет выше располагаемого напряжения массива аккумуляторов (9). Смежный контакт (16) устанавливает запрет работы преобразователя аккумуляторного напряжения (6). Если контакт (17) замкнут по команде водителя, регулятор скорости (18) не участвует в формировании задания тока для источника тока (3), количественный сигнал задания движения от педали водителя (15) реализует намерение силы (момента) движения, и поступает в регулятор тока (19) минуя регулятор скорости (18). Контакт (16) при этом разомкнут, что вводит в работу преобразователь аккумуляторного напряжения (6), с помощью которого инвертор получает дополнительный ресурс тока от массива аккумуляторов.
Отличительными особенностями тягового электропривода фронтального погрузчика являются:
- в электродвигателе поток магнитов на роторе дополняют тангенциально направленные магнитные подпоры, что позволяет уменьшить габарит магнитной системы и сохранить ротор электродвигателя энергонезависимым в покрытии всего диапазона скоростей вращения и величин моментов кратной перегрузки электродвигателя;
- шестифазная статорная обмотка применена для снижения пульсаций момента и обусловлена расстановкой приоритетов в пользу тихоходного режима работы электродвигателя как целевого эксплуатационного, при этом высокий коэффициент заполнения пазов магнитопровода статора обеспечивается за счет укладки на каждый зубец m слоев спиральной катушки из n параллельных проводников;
- обеспечение двойного питания для режимов кратной перегрузки при старте и реверсе, когда массив аккумуляторов и тяговый генератор работают совместно, обеспечивая токи, обусловленные суммарной мощностью этих источников.
Технические характеристики:
Применение тягового электропривода
мотор-колесный редуктор
Степень защиты оболочки
IP67
Число фаз обмотки статора
6
Сечение проводников питания статора
50 мм<sup>2</sup>
Номинальная мощность
26 кВт
Номинальный момент
500 Нм
Кратность перегрузки по моменту
2
Максимальный (пусковой) момент
1000 Нм
Номинальная частота вращения
450 об/мин
Максимальная частота вращения
4500 об/мин
Диапазон частоты вращения
10
Момент на максимальной частоте
50 Нм
Напряжение источника тока на номинальном моменте
60 В
Номинальный ток
450 А
Максимальный (пусковой) ток
900 А
Напряжение питания на максимальной частоте вращения
500 В
Индукция активных частей статора
1,8 Тл
Количество датчиков Холла
2
Установка угла опережения
механическая
Угол коммутации инвертора
30 градусов
Число магнитов кодирования положения ротора
60
Охлаждение при скважности перегрузки 2
жидкостное
Средняя температура активных частей
90 град. Цельсия
КПД при номинальном моменте
92%
КПД на максимальной частоте вращения
88%
Вес
220 кг
Диаметр по корпусу
420 мм
Длина без кабелей и вала
380 мм
Таким образом, минимальный габарит активных частей электродвигателя обеспечивается магнитами ротора, образующими основной магнитный поток, дополненными магнитными подпорами, направленными тангенциально потоку этих магнитов, и обмоткой статора, образованной укладкой в пазы магнитопровода спиральных катушек из n параллельных проводников в m слоев, где их шестифазная схема включения обеспечивает плавность хода и реверса, а число n параллельных проводников в слое - выдерживание кратных перегрузок по току. Предлагаемое решение m-слойной спиральной катушки статора помогает обеспечить технологичность его производства с использованием отечественных магнитных материалов по технологии шаблонной вставной обмотки с высоким коэффициентом заполнения пазов магнитопровода статора.