Aplicação de sistema de motor síncrono de ímã permanente em empilhadeira elétrica

Nos últimos anos, com a profunda compreensão das pessoas sobre os danos da poluição ambiental, a protecção ambiental tornou-se o foco de preocupação comum no mundo. Portanto, vários veículos a bateria, como empilhadeiras elétricas que usam baterias como fontes de energia, desenvolveram-se rapidamente. As empilhadeiras elétricas têm as vantagens de alta eficiência de conversão de energia, baixo ruído, sem emissões de escapamento e controle conveniente. Têm sido amplamente utilizados em oficinas, armazéns, sistemas de armazenamento automático, grandes supermercados e outros locais com elevadas condições ambientais. Atualmente, a proporção de empilhadeiras elétricas em países desenvolvidos como a Europa e os Estados Unidos atingiu 60% do total de empilhadeiras, enquanto a proporção de empilhadeiras elétricas domésticas é de apenas cerca de 20%.

As empilhadeiras elétricas já romperam a limitação de que só podem ser usadas para operações de pequena tonelagem e passaram gradualmente de ambientes internos para externos, e a demanda do mercado tem aumentado ano após ano.

1. Motor de acionamento de empilhadeira elétrica
O desenvolvimento das empilhadeiras elétricas tem promovido a inovação contínua do seu motor de acionamento e do seu sistema de controle. Existem muitos tipos de motores e seus sistemas de controle. As empilhadeiras elétricas domésticas usam principalmente motores CC, incluindo motores CC com excitação em série, motores CC com excitação paralela e motores CC com excitação composta. Embora os motores CC tenham muitas características, como bom desempenho de regulação de velocidade, ampla faixa de regulação de velocidade, grande torque de partida e fácil controle, os motores CC contêm escovas de contato, o que facilita a ocorrência de falhas de comutação e outras falhas mecânicas durante a operação, com alto ruído , baixa vida útil e manutenção frequente. Portanto, a aplicação de motores assíncronos tem aumentado nos últimos anos, sendo também utilizados motores síncronos de ímã permanente e motores de relutância comutada. Pelas características de vários motores, os motores assíncronos têm alta confiabilidade e os motores síncronos de ímã permanente têm excelente desempenho abrangente, mas tanto os motores assíncronos quanto os sistemas de controle de motores síncronos de ímã permanente enfrentam o problema de altos custos do controlador.
O desempenho abrangente dos motores síncronos de ímã permanente excede o de outros tipos de motores e é um motor de acionamento de empilhadeira elétrica ideal. Com o desenvolvimento da tecnologia de computadores, tecnologia de sensores e tecnologia de eletrônica de potência, os sistemas de motores síncronos de ímã permanente terão aplicações mais amplas no campo de veículos elétricos. Tendo em vista a análise acima, este artigo apresenta um sistema de acionamento de motor síncrono de ímã permanente para empilhadeiras elétricas e compara seu desempenho com motores CC de mesmo nível de potência.

2. Motor síncrono de ímã permanente
O princípio de funcionamento do motor síncrono de ímã permanente é o mesmo do motor síncrono de excitação elétrica, mas substitui o enrolamento de excitação por ímã permanente, o que simplifica a estrutura do motor, reduz o custo de processamento e elimina o comutador e as escovas que são propensos a problemas, melhorando a confiabilidade do motor; e como não há perda de excitação, a eficiência e a densidade de potência do motor são melhoradas. A Figura 1 mostra um diagrama do circuito magnético do rotor de um motor síncrono de ímã permanente para empilhadeiras elétricas. O motor adota uma estrutura de circuito magnético de rotor embutido em aço magnético.
As vantagens do rotor embutido de aço magnético são o pequeno coeficiente de vazamento e o bom desempenho dinâmico, o que é particularmente adequado para motores síncronos de ímã permanente para empilhadeiras elétricas com requisitos de desempenho dinâmico relativamente altos. O torque da resistência magnética gerado pela assimetria de seu circuito magnético também ajuda a melhorar a capacidade de sobrecarga e a densidade de potência do motor, sendo fácil aumentar a velocidade por "campo magnético fraco". O motor possui características de baixa velocidade e alto torque para garantir o torque de partida necessário para o veículo em baixa temperatura; possui uma ampla faixa de velocidade operacional para atender às necessidades de geração de energia e assistência de energia do veículo; e tem alta eficiência de trabalho. A Tabela 2 lista a comparação de desempenho de um motor síncrono de ímã permanente de 6,5 kW e um motor CC comumente usado.

3. Sistema de controle do motor de acionamento síncrono de ímã permanente
O sistema controlador de motor síncrono de ímã permanente adota controle direto de torque, controle vetorial espacial e controle vetorial sem sensor de velocidade e outros métodos de controle. Possui alta eficiência, alto desempenho e alta confiabilidade, e tem a função de realimentar a energia de frenagem da empilhadeira elétrica para a bateria de alimentação. O sistema de controle possui um módulo de comunicação CAN com outros sistemas do veículo. Equipar o sistema de controle de veículos elétricos com uma rede de área de controlador (CAN) é uma das tecnologias de controle mais recentes do mundo atualmente. O sistema de controle de empilhadeiras elétricas baseado no barramento CAN tornou-se um tema quente de pesquisa pelos principais fabricantes de empilhadeiras do mundo. O controlador do motor síncrono de ímã permanente realiza as seguintes funções através do controle efetivo do motor de acionamento: ① Operação de geração de energia: usado para recuperação de energia durante a frenagem; ② Operação elétrica: conduz o veículo, podendo também ser utilizada para auxiliar na aceleração. Parte de hardware do acionamento do motor: O controlador do motor é composto principalmente por um chip incorporado da série Infineon XC2000 de alto desempenho com DSP integrado, um módulo IGBT, um módulo de circuito de acionamento e um módulo de circuito de detecção de sinal. Ele realiza o controle de circuito fechado do motor de acionamento detectando a corrente de feedback e usa uma variedade de sensores para monitorar todo o sistema para garantir a confiabilidade e segurança do motor. A Figura 2 mostra o diagrama esquemático de hardware do controlador do motor de acionamento.
As principais funções de proteção do controlador do motor de acionamento incluem proteção contra falhas de temperatura do motor, proteção contra falhas de temperatura do controlador do motor, proteção contra falhas de sobretensão do barramento CC, proteção contra falhas de subtensão do barramento CC, proteção contra falhas de sobrecarga do motor, proteção contra falhas de sobrevelocidade do motor, proteção contra falhas IPM do controlador do motor, 12 Proteção contra falhas da fonte de alimentação de controle V, proteção contra falhas de comunicação CAN e proteção contra falhas anormais do comando de controle do veículo. Os indicadores técnicos e funções que o controlador do motor síncrono de ímã permanente pode alcançar são os seguintes: (1) Faixa de flutuação da tensão de entrada: UN±30%; (2) Interface de controle de comunicação: dois barramentos CAN2.0B; (3) Resistência de isolamento: cada terminal do invólucro é superior a 25 MΩ; (4) Possui função de autodiagnóstico de falhas: sobretensão/subtensão, sobrecarga, saída de energia limitada por superaquecimento do controlador, falha de comunicação, desligamento por temperatura extrema, etc.; (5) Área de trabalho de alta eficiência: 75% da eficiência da área de trabalho é superior a 90%; (6) Tempo médio entre falhas: >3.000 h; (7) A precisão do controle de torque é menor ou igual a 5%; (8) A relação entre a velocidade máxima de controle e a velocidade do ponto de inflexão é superior a 3; (9) A densidade volumétrica de potência de pico é superior ou igual a 8 kW/L; (10) A compatibilidade eletromagnética atende aos requisitos de GB/T18655-2002 e GB/T17619-1998. O motor síncrono de ímã permanente e seu sistema de controle são um tipo de sistema de acionamento de veículo com excelente desempenho abrangente. No campo das empilhadeiras elétricas, elas tendem a substituir gradativamente os motores DC e os sistemas de motores assíncronos.