交流驅(qū)動系統(tǒng)

——引領(lǐng)電動叉車技術(shù)革命

北京交通大學(xué)楊曉軍

　　被譽(yù)為“搬運(yùn)之神”的叉車在物流領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。最近幾年，中國叉車銷售量年均增幅都在30%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國民經(jīng)濟(jì)的增長速度。中國已成為全球叉車市場上最為活躍的國家之一，受到世界的矚目。
　　雖然目前內(nèi)燃叉車仍占據(jù)國內(nèi)市場的主導(dǎo)地位，但隨著企業(yè)環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，可靠性更高、更清潔的電動叉車得到了越來越多的企業(yè)的青睞。而以交流電機(jī)為核心的交流驅(qū)動系統(tǒng)更因其生產(chǎn)效率高、維護(hù)成本低而被業(yè)內(nèi)專家譽(yù)為21世紀(jì)電動叉車的革命性技術(shù)。全球十大叉車巨頭競相推出了性能更佳的交流驅(qū)動電動叉車，以豐富自己的產(chǎn)品，滿足用戶需求，贏得市場份額。國內(nèi)領(lǐng)先的叉車企業(yè)也開始致力于交流技術(shù)應(yīng)用方面的研發(fā)，將新型交流驅(qū)動電動叉車作為參與國內(nèi)乃至全球市場競爭的制勝砝碼。隨著電動叉車在叉車市場中所占份額不斷攀升，交流驅(qū)動系統(tǒng)將引領(lǐng)新一輪電動叉車技術(shù)革命，給用戶帶來更高的生產(chǎn)效率、更低的使用成本和更舒適的駕駛體驗(yàn)。
　　一、電動叉車需求逐年上升，外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)大部分市場份額
　　按照動力方式來分類，叉車可以分為內(nèi)燃叉車和電動叉車。電動叉車?yán)眯?a title="電池" target="_blank">電池作為動力源，使用時無尾氣排放，低噪聲，操作方便而靈巧，運(yùn)行平穩(wěn)。正是由于電動叉車具有上述特點(diǎn)，國內(nèi)外用戶對電動叉車的需求量不斷增加，電動叉車在整個叉車銷量中所占比例穩(wěn)步上升（參見以下圖表）。尤其是在港口、倉庫以及煙草、食品、輕紡等行業(yè)，電動叉車正在逐步替代內(nèi)燃叉車。

　　圖1日本叉車市場銷售情況(臺)

圖2日本內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖

圖3歐洲內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖(%)

　　自20世紀(jì)50年代首臺叉車面世以來，直到70年代叉車行業(yè)才初具規(guī)模。從叉車生產(chǎn)企業(yè)角度來看，當(dāng)前，我國內(nèi)燃叉車已形成以安徽叉車集團(tuán)公司、杭州叉車股份有限公司、大連叉車有限責(zé)任公司為骨干的企業(yè)群，2004年三家企業(yè)共銷售內(nèi)燃叉車34689臺，占全行業(yè)（包括獨(dú)、合資企業(yè)）總產(chǎn)量46893臺的74%；電動車輛也已形成以安徽叉車集團(tuán)公司、杭州叉車股份有限公司、寶雞雙力叉車集團(tuán)公司、撫順叉車制造有限公司和衡陽電瓶車總廠為主的重點(diǎn)企業(yè)。
　　據(jù)統(tǒng)計2004年我國共銷售機(jī)動工業(yè)車輛59676臺，比上年的45482臺增長了31.2%。按驅(qū)動方式劃分，內(nèi)燃叉車銷量為46893臺，比上年的35616臺相比，增長了31.7%；電動叉車銷量12783臺，與上年的9866臺相比，增長了30%。下圖為我國內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售構(gòu)成圖。

圖4中國內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖

　　從產(chǎn)業(yè)周期的角度分析，發(fā)達(dá)國家的叉車產(chǎn)業(yè)已處于成熟期，而國內(nèi)叉車產(chǎn)業(yè)和叉車產(chǎn)品尚處于發(fā)展期。從市場需求來看，國內(nèi)叉車產(chǎn)品的使用范圍和數(shù)量還未得到充分拓展。今后幾年隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移和國內(nèi)物流業(yè)的高速發(fā)展，中國叉車市場增長潛力巨大，未來三年內(nèi)年產(chǎn)量有望突破8萬臺，同時叉車行業(yè)將進(jìn)一步提高技術(shù)水平，逐漸與世界接軌。世界車市場上，電動叉車需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)燃叉車，這與全球重視環(huán)保的因素密切相關(guān)。隨著我國環(huán)保政策的出臺和全民環(huán)保意識的增強(qiáng)，以及外資企業(yè)的大量進(jìn)入，我國也將順應(yīng)全球發(fā)展方向，電動叉車市場需求將迅速上升。
　　但不容忽視的是，我國電動叉車生產(chǎn)尚處起步階段，特別是三電（電控、電機(jī)、電瓶）的落后狀況困擾著電動叉車的發(fā)展，國內(nèi)廠家的技術(shù)水平與產(chǎn)品質(zhì)量相對于國外先進(jìn)的工業(yè)車輛制造商尚有一定差距。獨(dú)、合資企業(yè)在我國電動車輛領(lǐng)域仍然占有絕對優(yōu)勢，在產(chǎn)品的先進(jìn)性與可靠性等方面顯示出較大的優(yōu)越性。2004年，獨(dú)、合資企業(yè)在中國共銷售電動車輛7183臺，占全行業(yè)的一半以上。同時，從海關(guān)總署公布的2004年全年叉車進(jìn)口數(shù)據(jù)中可以看到，在高端市場仍進(jìn)口叉車為主流，2004年國內(nèi)進(jìn)口叉車中高端電動叉車的比例為62.49%，同比2003年數(shù)量增長了21.05%，說明國內(nèi)目前對高端電動叉車的需求大量增加，而現(xiàn)有的叉車企業(yè)又不能完全滿足市場需要。不僅如此，隨著國內(nèi)物流業(yè)的大力推進(jìn)，大型集裝箱將會成為運(yùn)輸?shù)闹髁?，而集裝箱的搬運(yùn)、碼放將需要大量無污染、能舉高的電動叉車，這些都是叉車企業(yè)不能放棄的機(jī)會。因此，我國叉車企業(yè)要想在未來的市場競爭中取得優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)加快電動叉車的研發(fā)，通過采用世界領(lǐng)先技術(shù)提高產(chǎn)品品質(zhì)，以一流的產(chǎn)品贏得更多的客戶。
　　二、用交流驅(qū)動系統(tǒng)的叉車優(yōu)勢明顯
　　近年來，隨著交流感應(yīng)電機(jī)變頻技術(shù)的進(jìn)步，以及大功率半導(dǎo)體器件和微處理器速度的大幅度提高，使感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)與直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，而且能實(shí)現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，很好地滿足了電動車輛實(shí)際行駛所需的轉(zhuǎn)速特性?？梢哉f，正是半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)催生了交流電機(jī)的技術(shù)革命，使交流電機(jī)的控制能力大大增強(qiáng)；而且隨著電子元件價格的不斷下跌，交流電機(jī)控制器的成本得以降低，從而為交流驅(qū)動系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，創(chuàng)造了條件。
　　采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的叉車，整體性能顯著提高，故障及元件更換率明顯降低，可靠性大大增強(qiáng);叉車單位時間的生產(chǎn)率更高，操作及維護(hù)成本更低，將給用戶帶來非常顯著的效益。因此，交流驅(qū)動系統(tǒng)一經(jīng)推出，不僅得到了叉車生產(chǎn)企業(yè)的信賴，也越來越受到用戶的青睞，成為近年來電動叉車技術(shù)發(fā)展的趨勢與方向。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

　運(yùn)行與維護(hù)成本低

　　交流電機(jī)終生免維護(hù)。
　　交流電機(jī)無需換向接觸器（前進(jìn)、后退換向），節(jié)省了部件。更為重要的是，交流電機(jī)無碳刷和換向器，不僅電機(jī)的體積更加輕便小巧，運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高了，而且徹底擺脫了定期檢測和更換碳刷的麻煩。由此帶來的最大好處是：叉車電機(jī)幾乎終生不需要維護(hù)，極大地增強(qiáng)了叉車的可靠性與穩(wěn)定性；同時，在叉車設(shè)計時不用考慮預(yù)留電機(jī)維修空間，甚至可以將電機(jī)密封起來，使叉車結(jié)構(gòu)設(shè)計更加緊湊。

圖片說明：采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的豐田叉車維護(hù)費(fèi)用大大降低（DC代表直流電）

　　采用再生制動，減少機(jī)械磨損。
　　再生制動是一種非接觸性制動，比傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)大大簡化。不論駕駛者通過踩剎車踏板剎車，還是轉(zhuǎn)換行駛方向剎車，電動機(jī)均會處于發(fā)電機(jī)狀態(tài),其電磁轉(zhuǎn)矩將成為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。這意味著剎車片的磨損降至最低。而機(jī)械磨損大大下降，也就減少了叉車維護(hù)費(fèi)用，使運(yùn)行成本更低。
同時，交流電動機(jī)在行駛與制動上的效率都更高。剎車或換向時，會有再生能量產(chǎn)生。剎車越強(qiáng)烈，再生的能量越多。交流驅(qū)動系統(tǒng)的蓄能裝置則會在剎車或換向時自動啟動，將能量回送給蓄電池，使電池工作時間延長，壽命也更長。雖然某些直流驅(qū)動叉車上也有再生制動，但必須在強(qiáng)烈的剎車時才能啟用，這也意味著再生的部分能量在剎車時轉(zhuǎn)化成了熱量。而幾乎在所有的情況下，交流電機(jī)均會產(chǎn)生能量再生，并且持續(xù)作用直至叉車完全靜止，顯然比直流電機(jī)的能量再生效率更高。
　　2．生產(chǎn)效率提高。
　　交流電機(jī)最高轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)提高很多，動力更強(qiáng)勁。而且，交流電機(jī)可以將獲得的再生能量回饋給蓄電池，既延長了電池的使用時間，又可以將這些能量用于提高叉車的整體性能。其結(jié)果是叉車在行駛中啟動更快，加速/減速性能大大提高，縮短了達(dá)到最高速度的時間與行走距離。研究表明，在大多數(shù)的實(shí)際使用中，叉車自啟動至停止的一次搬運(yùn)作業(yè)距離很少長于20m。而交流電機(jī)優(yōu)秀的加速性能使得在如此短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)叉車全速運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能，叉車的工作效率顯著提高。
　　3．易于編程，控制能力大大增強(qiáng)。
　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性發(fā)展，可以實(shí)時控制交流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使交流電機(jī)的控制能力大大增強(qiáng)，獲得了同直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能。交流驅(qū)動采用速度力矩控制，控制的靈敏度提高，可以提高叉車操作效率；采用加速踏板釋放制動功能（即叉車行走時油門稍一松，再生制動就會起作用），前進(jìn)過程中換向?yàn)榈管嚂r可以平穩(wěn)過渡，提高了叉車的穩(wěn)定性與可靠性。同時采用CAN總線，分布式節(jié)點(diǎn)不受安裝位置的限制；模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)拓展容易，可實(shí)現(xiàn)功能特性的無縫添加或修改；實(shí)現(xiàn)了總線接口標(biāo)準(zhǔn)化，使系統(tǒng)集成更簡單，單元設(shè)計更靈活。
　　4．叉車操作更加舒適。
　　交流驅(qū)動系統(tǒng)在提高叉車駕駛員操作舒適方面所起到的作用與眾不同。由于交流電機(jī)比直流電機(jī)小巧輕便，這使得叉車的設(shè)計相對更靈活。例如，利用這一靈活性，豐田叉車公司采用獨(dú)特的低重心設(shè)計，從而開發(fā)出駕駛舒適、性能優(yōu)越的7FB系列電動叉車。
　　下表以德國永恒力（Jungheinrich）電動平衡重叉車為例，對配備交流電機(jī)與直流電機(jī)這兩種不同驅(qū)動系統(tǒng)的同型號叉車的差異性（維護(hù)成本、效率比較與其它）的比較。

交流電機(jī)(AC)與直流電機(jī)(DC)

維護(hù)成本（以5年使用為例）

零件與服務(wù)費(fèi)用	直流電機(jī)	交流電機(jī)
更換驅(qū)動馬達(dá)上的碳刷	3 x = EUR 950	無
驅(qū)動馬達(dá)的維修保養(yǎng)費(fèi)用	EUR 1,125	無
驅(qū)動馬達(dá)上的整流子	1 x = EUR 300	無
更換提升馬達(dá)上的碳刷	3 x = EUR 980	無
提升馬達(dá)上的整流子	1 x = EUR 100	無
更換接觸器	2 x = EUR 920	無
總費(fèi)用	EUR 4,375	無

效率比較（以Jungheinrich電動平衡重叉車為例）

行駛速度(滿載)	17 km/h	15 km/h	+ 13%
提升速度(空載)	0.56 m/s	0.48 m/s	+ 16%
提升速度(滿載)	0.40 m/s	0.36 m/s	+ 11%
加速度(空載)	3.5 s	3.8 s	- 7%
加速度(滿載)	4.0 s	4.5 s	- 11%
最大爬坡性能(空載)	35%	28%	+ 25%
最大爬坡性能(滿載)	24%	17%	+ 41%
剎車時能量回充效率	30%	15%	+ 100%
每小時運(yùn)搬量 (L:100m，H:3m)	52 Pallet	39 Pallet	+ 33%

其他比較（以Jungheinrich電動平衡重叉車為例）

	EFG-Vac 20（交流）	EFG-V 20（直流）
內(nèi)部環(huán)境	無碳刷磨損產(chǎn)生的粉塵，內(nèi)部環(huán)境清潔，延長整體電氣部分壽命。	碳刷磨損易產(chǎn)生粉塵，過度磨損將直接燒毀馬達(dá)。
馬達(dá)	馬達(dá)為密閉結(jié)構(gòu)，防塵防潮。運(yùn)轉(zhuǎn)時熱量產(chǎn)生在外殼部分，散熱快，利于長時間連續(xù)作業(yè)。	馬達(dá)為非密閉設(shè)計。熱量產(chǎn)生在馬達(dá)內(nèi)部，散熱較慢，不利于長時間在高溫下持續(xù)作業(yè)。
能量回充	剎車時能量回充效率將近30%，極大提高電瓶連續(xù)使用時間，延長電瓶壽命。	剎車時能量回充約15%。

　流驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商情況

　　交流驅(qū)動系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，目前世界上能夠提供交流驅(qū)動系統(tǒng)廠家為數(shù)不多，許多廠家的技術(shù)也不很成熟，其中美國丹納赫傳動(Danaher Motion)公司提供的是交流驅(qū)動叉車的全系統(tǒng)集成解決方案，能夠做到交流控制系統(tǒng)與交流電機(jī)的完全匹配，驅(qū)動系統(tǒng)性能、穩(wěn)定可靠性都得到最佳保證。在這個領(lǐng)域，美國丹納赫傳動(Danaher Motion)公司是當(dāng)之無愧的領(lǐng)先者。
　　1996年，美國丹納赫傳動(Danaher Motion)公司率先推出了第一代用于牽引和舉升的48 伏交流電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)，并以直-交流變換技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)著叉車市場。丹納赫傳動(Danaher Motion)的交流驅(qū)動系統(tǒng)基于CANopen總線（CAN是現(xiàn)場總線的一種），可以實(shí)現(xiàn)功能特性的無縫添加或修改。該系統(tǒng)模塊包括：轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)、牽引驅(qū)動、舉升驅(qū)動、牽引電機(jī)、舉升電機(jī)、導(dǎo)引裝置、車輛主控器、顯示器、制動器。丹納赫傳動(Danaher Motion)的交流驅(qū)動系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是，電動機(jī)的工作效率提高，使用壽命延長，蓄電池尺寸更小，并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)免維護(hù)。憑借其運(yùn)行平穩(wěn)性、優(yōu)秀的低速特性以及絕佳的無縫換向性能，該產(chǎn)品自問世以來備受推崇。當(dāng)今，全球十大頂尖的物料搬運(yùn)設(shè)備生產(chǎn)商都選用了丹納赫傳動(Danaher Motion)的交流驅(qū)動系統(tǒng)模塊，推出了交流驅(qū)動叉車、牽引車等搬運(yùn)設(shè)備，引發(fā)了全球電動叉車領(lǐng)域技術(shù)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
　　作為全球唯一的交流驅(qū)動全系統(tǒng)集成解決方案提供商，丹納赫傳動(Danaher Motion)非常了解全球叉車行業(yè)主要制造商的以及最終用戶的需求。丹納赫傳動(Danaher Motion)的運(yùn)動控制系統(tǒng)具有卓越的高效性、耐用性、可靠性、安全性，以及運(yùn)行平穩(wěn)性和極佳的駕駛舒適性。通過使用Danaher Motion系統(tǒng)，叉車制造商將會在整個生產(chǎn)鏈和整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi)獲益，實(shí)現(xiàn)自我增值。另外, 作為系統(tǒng)集成商, 丹納赫傳動(Danaher Motion)還能提供定制集成系統(tǒng)產(chǎn)品工程設(shè)計以及系統(tǒng)應(yīng)用支持，從而降低叉車生產(chǎn)企業(yè)的開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品上市時間。而且，就最終用戶而言，安裝有Danaher Motion驅(qū)動系統(tǒng)的叉車，不但生產(chǎn)效率高，而且運(yùn)行成本低，可靠性高。
　　隨著新型電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，控制器的性能價格比越來越高，體積越來越小。作為未來技術(shù)發(fā)展方向，丹納赫傳動(Danaher Motion)正在對高性能的永磁交流電機(jī)（PMAC電機(jī)）進(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)，以便應(yīng)用在電動叉車領(lǐng)域。PMAC電機(jī)的效率比感應(yīng)式交流電機(jī)提高了10%-15%，體積更小，質(zhì)量更小，也沒有直流電機(jī)的換向器和碳刷等缺點(diǎn)。目前，由于該類驅(qū)動系統(tǒng)需要的永磁材料成本較高，因此只在小功率的電動汽車中得到一定的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)將是電動車輛電機(jī)的下一步發(fā)展方向。
　　四、驅(qū)動系統(tǒng)在叉車行業(yè)的應(yīng)用情況
　　交流驅(qū)動系統(tǒng)在全球電動車輛行業(yè)與市場的推廣應(yīng)用情況，分析我國與發(fā)達(dá)國家存在一定差距。

　國外應(yīng)用情況

　　國外叉車企業(yè)從1996年起就開始研發(fā)、生產(chǎn)交流驅(qū)動叉車，現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn)，處于平穩(wěn)發(fā)展階段。全球頂尖的叉車企業(yè)幾乎都采用了丹納赫傳動(Danaher Motion)的交流驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計、生產(chǎn)獨(dú)具本公司特色的電動叉車。據(jù)介紹，這些公司包括：瑞典的BT、Atlet，芬蘭的Rocla，德國的永恒力（Jungheinrich）、瓦格納（Wagner）、Still，美國的納科集團(tuán)（生產(chǎn)海斯特Hyster、耶魯Yale叉車）、美國皇冠(Crown)、Airtrax、Raymond、BT Prime Mover，日本的豐田、小松等。如今，越來越多的叉車企業(yè)看好交流驅(qū)動系統(tǒng)叉車的市場前景，不斷推出新車型并向用戶大力推薦，將其視為在日益激烈的市場競爭中制勝的又一利器。
　　以豐田公司為例，豐田現(xiàn)已推出多款采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的電動叉車。其新型7FBE三輪叉車的許多強(qiáng)化性能都是以先進(jìn)的交流驅(qū)動系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，該系統(tǒng)對性能所提供的控制水平與以往的任何產(chǎn)品都不同。例如，交流電源系統(tǒng)所提供的電源控制使得7FBE叉車能夠充分利用每一次電池充電潛能。到目前為止，所有的電動叉車都曾經(jīng)歷過隨電池電力消耗而性能逐漸下降的情況。而豐田7FBE三輪叉車因?yàn)橛辛穗娏Ρ３止δ?，所以操作者能夠享受到“剛充完電”般的?qiáng)勁動力，其時間要比現(xiàn)有的叉車型號長40%。
　　2．國內(nèi)應(yīng)用情況
　　交流驅(qū)動系統(tǒng)直到2003年才開始在我國銷售，目前在這一技術(shù)領(lǐng)域我國尚處于起步階段，國內(nèi)已有幾家主要的叉車企業(yè)使用丹納赫傳動(Danaher Motion)公司提供的交流驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)電動叉車,其系列化產(chǎn)品正在開發(fā)試制中。例如,安徽合力股份有限公司采用丹納赫傳動(Danaher Motion)交流驅(qū)動系統(tǒng)的四輪1.5t全交流驅(qū)動叉車樣車已經(jīng)完成測試，正在開始批量生產(chǎn)。目前，國內(nèi)主要的叉車制造商都已制訂了新的交流驅(qū)動叉車的研制計劃。隨著中國叉車市場逐漸與國際市場接軌，交流驅(qū)動叉車也呈現(xiàn)出加速發(fā)展勢頭，市場潛力巨大，前景看好。
　　總之，交流驅(qū)動系統(tǒng)作為叉車更新?lián)Q代的技術(shù)，必將得到越來越廣泛的運(yùn)用。這項(xiàng)被稱為“21世紀(jì)電動叉車的革命性技術(shù)”，對叉車企業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)品銷量、市場份額、利潤乃至創(chuàng)新形象等都會產(chǎn)生一定的影響。畢竟，未來的競爭更多地體現(xiàn)為技術(shù)的較量。誰掌握了新技術(shù)，誰就能在未來的市場中贏得更多優(yōu)勢，占領(lǐng)更為有利的位置。