電動フォークリフトにおける永久磁石同期モーターシステムの応用

近年、人々が環境汚染の害を深く理解するにつれて、環境保護は世界共通の関心事となり、 バッテリーを動力源とする電動フォークリフトなどの各種バッテリー車両が急速に発展しました。電動フォークリフトは、エネルギー変換効率が高く、騒音が少なく、排気ガスがなく、制御が便利などの利点があり、工場、倉庫、自動倉庫システム、大型スーパーマーケットなど、環境条件の高い場所で広く使用されています。現在、欧米などの先進国では、電動フォークリフトの割合がフォークリフト全体の60％に達していますが、国内の電動フォークリフトの割合は約20％にすぎません。

電動フォークリフトは現在、小トン数の作業にしか使用できないという制約を打破し、屋内から屋外へと徐々に移行し、市場需要は年々増加しています。

1. 電動フォークリフト駆動モーター
電動フォークリフトの発展は、駆動モーターとその制御システムの継続的な革新を促進してきました。モーターとその制御システムには多くの種類があります。国内の電動フォークリフトは主に直流モーターを使用しており、直励直流モーター、並列励磁直流モーター、複合励磁直流モーターなどがあります。直流モーターは、速度調整性能が良好、速度調整範囲が広い、始動トルクが大きい、制御が容易など多くの特徴がありますが、直流モーターには接触ブラシが含まれているため、運転中に整流障害などの機械的故障が発生しやすく、騒音が高く、寿命が短く、メンテナンスが頻繁に必要になります。そのため、近年非同期モーターの応用が増えており、永久磁石同期モーターやスイッチドリラクタンスモーターも使用されています。各種モーターの特性から、非同期モーターは信頼性が高く、永久磁石同期モーターは総合性能に優れていますが、非同期モーターと永久磁石同期モーターの制御システムはどちらもコントローラーのコストが高いという問題に直面しています。
永久磁石同期モーターの総合性能は他のタイプのモーターの性能を上回っており、理想的な電動フォークリフト駆動モーターです。コンピューター技術、センサー技術、パワーエレクトロニクス技術の発展に伴い、永久磁石同期モーターシステムは電気自動車の分野でより広く応用されるでしょう。上記の分析を考慮して、本稿では電動フォークリフト用の永久磁石同期モーター駆動システムを紹介し、その性能を同じ電力レベルのDCモーターと比較します。

2. 永久磁石同期モータ
永久磁石同期モーターの動作原理は電気励磁同期モーターと同じですが、励磁巻線を永久磁石に置き換えることでモーターの構造が簡単になり、加工コストが削減され、トラブルが発生しやすい整流子とブラシがなくなり、モーターの信頼性が向上します。また、励磁損失がないため、モーターの効率と電力密度が向上します。図1は、電動フォークリフト用永久磁石同期モーターのローター磁気回路図を示しています。このモーターは、磁性鋼内蔵ローター磁気回路構造を採用しています。
磁性鋼内蔵ローターの利点は、漏れ係数が小さく、動特性が良好であることであり、比較的動特性の要求が高い電動フォークリフト用永久磁石同期モーターに特に適しています。磁気回路の非対称性によって発生する磁気抵抗トルクも、モーターの過負荷容量と電力密度の向上に役立ち、「弱磁場」によって速度を上げやすいです。モーターは低速高トルクの特性を備えており、低温で車両に必要な始動トルクを確保します。広い動作速度範囲を備えており、車両の発電と電力補助のニーズを満たし、作業効率も高いです。表2は、6.5kW永久磁石同期モーターと一般的なDCモーターの性能比較を示しています。

3. 永久磁石同期駆動モータ制御システム
永久磁石同期モーター制御システムは、直接トルク制御、空間ベクトル制御、速度センサレスベクトル制御などの制御方法を採用しており、高効率、高性能、高信頼性を備え、電動フォークリフトのブレーキエネルギーをパワーバッテリーパックにフィードバックする機能を備えています。制御システムには、他の車両システムとのCAN通信モジュールがあります。電気自動車の制御システムにコントローラエリアネットワーク（CAN）を装備することは、今日の世界の最新の制御技術の1つです。 CANバスに基づく電動フォークリフト制御システムは、世界の大手フォークリフトメーカーによる研究のホットトピックになっています。永久磁石同期モーターコントローラーは、駆動モーターを効果的に制御することにより、次の機能を実現します。①発電操作：ブレーキ時のエネルギー回収に使用します。 ②電動操作：車両を駆動し、加速時のアシストにも使用できます。モーター駆動ハードウェア部分：モーターコントローラーは、主にDSPを統合した高性能Infineon XC2000シリーズ組み込みチップ、IGBTモジュール、駆動回路モジュール、信号検出回路モジュールで構成されています。フィードバック電流を検出することで駆動モーターの閉ループ制御を実現し、さまざまなセンサーを使用してシステム全体を監視して、モーターの信頼性と安全性を確保します。図2は、駆動モーターコントローラーのハードウェア概略図を示しています。
駆動モーターコントローラーの主な保護機能には、モーター温度障害保護、モーターコントローラー温度障害保護、DCバス過電圧障害保護、DCバス低電圧障害保護、モーター過負荷障害保護、モーター過速度障害保護、モーターコントローラーIPM障害保護、12V制御電源障害保護、CAN通信障害保護、車両制御コマンド異常障害保護などがあります。 永久磁石同期モーターコントローラーが実現できる技術指標と機能は次のとおりです。(1)入力電圧変動範囲：UN±30％。(2)通信制御インターフェース：2つのCAN2.0Bバス。(3)絶縁抵抗：シェルへの各端子は25MΩ以上。(4)障害自己診断機能があります：過電圧/低電圧、過負荷、コントローラー過熱制限電力出力、通信障害、極度の温度シャットダウンなど。(5)高効率作業領域：作業領域の75％の効率は90％以上です。(6)平均故障間隔：> 3,000時間。 （7）トルク制御精度は5％以下である。 （8）最大制御速度と変曲点速度の比は3より大きい。 （9）ピーク電力体積密度は8kW / L以上である。 （10）電磁両立性はGB / T18655-2002およびGB / T17619-1998の要件を満たしています。 永久磁石同期モーターとその制御システムは、優れた総合性能を備えた車両駆動システムの一種です。 電動フォークリフトの分野では、DCモーターと非同期モーターシステムに徐々に置き換えられる傾向があります。