Common types of electric forklift motors

小型電動堆高機馬達:類型、選型和計算方法

小型電動堆高機使用什麼馬達,以及各自如何選型

簡短答案

1 至 2 噸級的小型電動堆高機,通常把行駛、液壓泵浦與轉向分成各自獨立的馬達功能。行駛馬達多為 24 或 48 V 平台上約 3 至 8 kW 的三相交流感應馬達,透過減速機驅動車輪。功率相近的液壓泵浦馬達負責升降與傾斜迴路,可能採短時定額。轉向由較小的馬達負責,通常僅數百瓦。較舊或低價車款仍可能使用串激式直流行駛馬達。

簡短答案:關鍵在兩個馬達,而非一個

堆高機馬達的詢價,經常漏掉這個馬達負責哪一項功能。一台車至少有三個馬達功能,各自的定額基準都不同。先確認角色,才能避免用錯誤的工作條件去指定替代品。

馬達驅動對象1 至 2 t 級典型定額定額基準常見型式
行駛(驅動)經減速機與差速器驅動車輪3 至 8 kW,24 或 48 V行駛時連續 S1三相交流感應,少數為直流串激
液壓泵浦經齒輪泵驅動升降、下降與傾斜油缸峰值 4 至 8 kW,24 或 48 V短時 S2,或通電率約 15% 的 S3舊車為直流串激,現行車為交流感應或 PMSM
轉向轉向泵或電動輔助轉向0.3 至 1.0 kW間歇、極低負載小型直流或 BLDC
選配屬具側移、夾具、貨叉定位器0.5 至 2 kW間歇小型直流,共用液壓迴路

堆高機馬達的報價必須註明其角色。行駛馬達與泵浦馬達可能共用同一機座尺寸,但繞組與熱定額可能不同,因為一個是為行駛工作而設計,另一個可能只在短暫的升降時段運轉。

直流、交流與 PMSM 各有哪些型式的完整分類,另見電動堆高機馬達的常見型式;本文只聚焦小型機的數字。

小型電動堆高機用行駛馬達,具法蘭安裝、定位孔與電池電纜端子座
這種行駛馬達安裝在車架縱樑與終傳之間。法蘭與定位孔讓它在變速箱上就位,端子座承載整個電池電流,這也是電纜線徑必須跟著電壓平台走的原因。

車型會改變答案

堆高機的設計在馬達數量與配置上各不相同。在比較功率之前,先確認車型,因為它決定了是否使用差速器、轉向是否電動,以及泵浦要供應幾項液壓功能。

  • 電動拖板車,1.0 至 1.5 t。通常是一具 24 V 行駛馬達搭配整合式減速機,升降泵浦則內建於同一殼體。沒有差速器、沒有動力轉向,是同級中最便宜的 24 V 直流平台。
  • 三輪配重式,1.0 至 1.5 t。一具行駛馬達經差速器驅動,另配電動輔助轉向,因為是後輪轉向。轉向馬達雖小,卻幾乎持續運轉,因此其工作性質與升降馬達正好相反。
  • 四輪配重式,1.5 至 2.5 t。48 V 為標準。可為單一行駛馬達搭配差速器,或兩具輪轂馬達搭配電子差速控制;後者是讓窄巷作業成為可能的配置。
  • 前移式(reach),1.0 至 2.0 t。除行駛外還有前移、升降與傾斜功能,因此是三具泵浦馬達,或一具泵浦搭配閥塊。工作負載高於配重式,馬達要依該負載而非依載重能力來選。

因此,兩台額定載重相同的車,可能需要不同的馬達。1.5 t 拖板車與 1.5 t 前移式都舉升 1,500 kg,但泵浦的工作時數可能相差很大。文中提到每班泵浦運轉時數相差五倍,這點應以具代表性的工作循環數據核對;它同時影響熱定額與功率選型。

側視的三輪配重式電動堆高機,可見後轉向輪與駕駛區
三輪配重式。後方只有一個轉向輪,正是這種配置把電動輔助轉向列為標配、而拖板車沒有的原因。

行駛馬達:為何交流感應取代直流

數十年來,串激式直流馬達在堆高機行駛驅動中相當普遍。其轉矩隨電流上升,適合載重起步,且可用簡單的截波控制器。隨著變頻器成本與維護需求改變,許多較新的設計改用交流感應馬達。

特性直流串激馬達交流感應馬達BLDC 或 PMSM
額定點效率75 至 82%85 至 92%88 至 94%
碳刷與整流子保養每 1,500 至 3,000 小時無無
回生煞車有限,需額外硬體四象限變頻器為標準標準
零轉速轉矩高,受電流限制磁場導向控制下為高同機座中最高
控制器成本低中等中等,需轉子位置
耐水與耐粉塵差,碳粉加濕氣適當 IP 等級下良好良好

從直流改為交流後有何改變

關鍵變化是具磁場導向控制的三相變頻器價格下降。當它低於碳刷、整流子車削與停機時間的整體壽命成本時,直流機除了最小車款的初期成本之外,已沒有其他理由。

回生煞車也從選配變成免費,而在每 30 至 60 秒就停一次的倉儲作業中,這份回收約相當於行駛能量的 10 至 20%。在兩班制運轉下,這就是「每班換一次電池」與「不必換」之間的差別。

液壓泵浦馬達以短時工作定額決定

這是買方最常弄錯的地方。泵浦馬達把負載舉升幾秒,然後在車輛行駛時閒置,接著再舉升。它的銘牌功率描述的是短時定額,而非連續定額,拿它與相同數字但連續定額的馬達相比毫無意義。

讀懂升降馬達的銘牌

標示「6 kW、S3 15%」的泵浦馬達,其定額對應所述循環工作,在循環的 15% 時間內運轉。以本文採用的簡化熱等效假設,其連續等效值約為 6 x sqrt(0.15) = 2.3 kW。若是 6 kW 連續定額馬達,就必須依該連續輸出重新選型並做熱定額設計。

這個平方根關係反映的是假設的工作條件與熱模型。只依 kW 數字挑選的替代品,若其定額與車輛實際循環不符,就可能過熱;若車輛實際負載已經改變,原本的馬達也可能不再合適。

定額代號意義堆高機典型用途對定額的影響
S1連續,達到熱平衡行駛時的行駛馬達銘牌等於連續能力
S2 短時於指定時間加載後休止簡易車款的升降馬達,S2 10 或 30 分鐘銘牌僅適用於該時段
S3 斷續週期性,註明通電率多數配重式的升降與傾斜定額隨通電率縮放
S4 至 S5含起動或制動影響的週期頻繁起停的行駛起動損失計入熱預算

電壓平台:24、48 或 80 V

電池電壓部分取決於功率需求與電纜長度。相同功率下提高電壓可降低電流;在相同電纜電阻下,也降低 I²R 電纜損失。

平台典型車型級別5.3 kW 時電流相對電纜損失說明
24 V拖板車、三輪約 1.2 t 以下221 A4.0電池便宜、電纜粗、走線短
48 V1.2 至 2.5 t 配重式111 A1.0小型車的主流選擇
80 V3 t 以上、高負載車隊66 A0.36行駛快、機座較大、成本較高

電纜與連接器的影響

相同功率下,24 V 系統的電流大於 48 V 系統,這會影響電纜截面以及連接器、接觸器與熔斷器的額定。這也說明了為何 1.5 t 級距的許多車款採用 48 V 平台;但合適的電壓仍取決於整車設計。

電池側的選型邏輯見AGV 馬達的電池電壓選型,其中採用同樣的電流、電纜重量與充電器可得性之間的取捨。

由爬坡能力決定行駛馬達

行駛馬達的選型,應納入滿載時所需的爬坡能力。坡道速度與坡度決定該工作點的牽引力與功率;所需最高速度也影響馬達的轉速範圍與基準轉速的選擇。

坡道上所需的牽引力,是滾動阻力與沿斜面方向重力分量之和:

F = m x g x (f + sin theta)

其中 m 為載重質量,f 為滾動阻力係數,theta 為坡道角度。接著 P = F x v / eta,v 為坡道上的速度,eta 為傳動效率。

計算範例:1.5 t 配重式、8% 坡度

項目數值備註
額定載重1,500 kg已知
含電池的整車質量2,800 kg此級距典型值
載重質量 m4,300 kg載重加整車質量
坡度8%,theta = 4.57 度sin theta = 0.0797
滾動阻力 f0.02實心胎於混凝土
牽引力 F4,205 N4300 x 9.81 x 0.0997
坡道速度4 km/h = 1.111 m/s設計選擇
車輪端功率4.67 kWF x v
傳動效率0.88齒輪與差速器
馬達軸功率5.3 kW4.67 / 0.88

在上述範例假設下,行駛馬達軸功率約為 5.3 kW,落在 5 至 6 kW 級距,這也正是 1.5 t 車款型錄數值聚集之處。同一坡道若為 6 km/h,計算需求上升到 8.0 kW。因此爬坡能力必須連同其對應速度一起標示。

四輪配重式電動堆高機,即選型範例所用的 1.5 至 2.5 噸級
計算範例所用的四輪配重式。含電池的整車質量大約是額定載重的兩倍,這正是坡道上 4,200 N 牽引力的來源。

由升降速度決定泵浦馬達

升降計算是負載、重力與升降速度的乘積。馬達軸功率還須計入油缸與泵浦效率,而熱定額則由工作循環決定。

P = (m x g x v) / (eta_cyl x eta_pump)

計算範例:1.5 t、0.30 m/s

項目數值備註
負載加載貨架1,650 kg負載 1,500 kg、屬具 150 kg
載重時升降速度0.30 m/s此級距典型值
升降功率4.86 kW1650 x 9.81 x 0.30
油缸效率0.95密封件摩擦
泵浦效率0.85工作壓力下的齒輪泵
馬達軸功率6.0 kW4.86 / (0.95 x 0.85)
通電率15% S33 分鐘循環中 20 秒升降
等效連續功率2.3 kW6.0 x sqrt(0.15)

通電率與等效連續值,是比較這些選項的核心。6 kW S3 15% 的定額,與 6 kW 連續定額並不能互換。功率與工作定額都要指定;只依 kW 數字下單的馬達,可能熱容量或機座尺寸不符。

從車輪轉矩到馬達轉矩

先從輪胎上所需的作用力出發,再換算成車輪轉矩與馬達轉矩。車輪轉矩為牽引力乘輪胎半徑;馬達轉矩為車輪轉矩除以減速比與傳動效率。

T_wheel = F x r 以及 T_motor = T_wheel / (i x eta)

以上例而言,輪胎半徑 0.25 m、減速比 16:1,車輪轉矩為 4,205 x 0.25 = 1,051 N·m,馬達轉矩為 1,051 / (16 x 0.88) = 74.6 N·m。在 4 km/h 時車輪轉速為 42.4 rpm,因此馬達運轉於 679 rpm。

在計算出的坡道工作點,馬達約以其 2,000 rpm 基準轉速的三分之一運轉,且必須在該處無熱降額地輸出 74.6 N·m。要確認變頻器在該轉速能提供所需電流;若電流上限低於計算需求,可用牽引力就會下降。因此除了銘牌功率,還需要轉矩-轉速曲線。

同樣的計算鏈,套用在倉儲機器人而非堆高機上,見AGV 馬達轉矩計算與AGV 需要多少轉矩。

小型堆高機中的 BLDC 與 PMSM

包括 BLDC 與 PMSM 在內的永磁機,用於部分鋰電池車款與小型拖板車。它們在部分負載下效率可能更高,但結果取決於馬達與控制器設計,以及車輛的工作循環。

取捨在控制器。PMSM 需要轉子位置,來自霍爾感測器或無感測器估測器,而在貨叉載重下進行無感測器起動正是弱點。對於必須在貨叉載著 1.5 t 於坡道起步的車輛,霍爾回授是較安全的選擇;比較見霍爾感測器與無感測器 BLDC 馬達。

當機座空間受限時,整合式輪轂馬達可完全省去差速器與傳動軸。該架構見AGV 輪轂馬達設計,而它與傳統齒輪傳動之間的取捨見齒輪馬達與直驅馬達比較。

24 V 拖板車方面,倉儲 AGV 與機器人用 24 V BLDC 馬達是參考平台;更完整的系列見AGV 最佳馬達型式與倉儲 AGV 用馬達。

工作循環,以及為何加大容量反而更糟

馬達過熱時,換大一級機座未必能解決原因。較大的馬達可在較低負載率下運轉,但是否因此增加損失,取決於其效率曲線、控制設定與冷卻。改變定額之前,先診斷運轉條件。

感應馬達的效率隨負載與機型而變;文中引用的「峰值 75 至 100%、約 40% 以下開始下降」是一般性估計,並非適用所有馬達的法則。7.5 kW 馬達承擔平均 3 kW 負載時,約在額定的 40% 運轉。在判斷哪一顆會更涼之前,應比較其實際效率與損失,再與所提的 4 kW 馬達對照。額外質量也會影響車輛的載重計算。

面對過熱馬達,正確做法是先檢查工作條件:循環時間、環境溫度、冷卻路徑,以及變頻器是否比設計假設更長時間維持電流上限。該診斷的熱側見AGV 馬達過熱。

轉速選擇也與此相關。遠低於基準轉速運轉的馬達,內部風量較少、冷卻係數較低,因此相同轉矩會產生更高的繞組溫度。實務範圍見AGV 馬達轉速與 rpm 選型。

六種故障模式及其指向

此表列出堆高機馬達常見症狀、可能原因,以及有助於區分它們的量測。實際故障頻率取決於車輛設計與使用條件。

症狀可能原因可確認的量測
絕緣電阻數週內下降沖洗後進水、軸封失效500 V 高阻計,看趨勢而非單次讀值;48 V 機低於 1 MΩ 即為警訊
僅夏季發生熱跳脫環境溫度高於額定 40°C、散熱鰭片堵塞繞組溫度對照環境溫度、風扇罩處風量
起步轉矩喪失電池壓降、接觸器電阻、變頻器電流上限行駛開始前兩秒的端子電壓
碳刷火花與壽命短直流機、整流子磨耗、過載碳刷長度與整流子銅排痕跡樣式
低速嗡鳴或抖動PWM 載波與結構或齒輪啮合共振改變載波頻率後再量測振動
PMSM 位置或轉速異常霍爾或編碼器故障、電纜與動力線並行手動轉動時控制器端的訊號品質

症狀指向什麼

有兩種模式有助於縮小診斷範圍。只在夏季發生的熱跳脫,可能指向環境溫度或散熱受限;只換馬達未必能解決。若起步轉矩偏低但之後行駛正常,應先量測加速期間的電池與控制器電壓,再判定馬達有問題。

值得維持的三個保養週期

例行檢查可在造成馬達故障前發現問題。於冷機時進行 500 V 絕緣電阻測試,並記錄成趨勢,有助於及早發現絕緣劣化。清潔冷卻路徑可降低熱跳脫的風險。

檢查煞車氣隙可發現駐車煞車調整偏移,否則會表現為車輛在坡道上無法保持、卻被歸咎於馬達。週期數值應依車輛製造商的保養計畫;這裡的重點是三者都以記錄判斷,而非憑感覺。

規格表上該寫什麼

馬達規格應包含供應商選型所需的運轉細節。以下項目有助於把需求說清楚。

項目為何會改變馬達
角色:行駛、泵浦或轉向決定工作定額,因而決定機座尺寸
額定功率與基準轉速定義基準轉速以下的轉矩-轉速範圍
峰值轉矩及其持續時間坡道起步、脫離、溢流閥設定
工作定額:S1、含時段 S2,或含通電率 S3規格表上影響最大的一行
電池電壓與工作範圍繞組匝數、絕緣等級、控制器匹配
防護等級與沖洗方式密封、呼吸器、防腐蝕
環境溫度與海拔高於 40°C 或 1,000 m 時降額
安裝:法蘭、軸、鍵、定位徑直接安裝或需轉接板
煞車:彈簧施力、電磁釋放坡道駐車,機械安全標準所要求
回授:霍爾、編碼器或無感測器載重起動與低速控制
連接器與電纜長度組裝時間與格蘭頭進水風險

多數配重式採用彈簧施力、電磁釋放式煞車,使車輛在操控放開或失去電力時仍能保持。應就特定車輛與適用安全標準確認煞車型式與保持需求,然後把該介面同時寫入馬達圖與車輛圖。

正在為小型電動車輛選馬達?請提供載重質量、坡道與其上的速度、升降速度與負載、電池電壓及工作循環。我們會回覆軸功率、最惡劣情況下的轉矩,以及能涵蓋兩者的機座。聯絡工程團隊。

參考文獻

  1. International Electrotechnical Commission. (2022). IEC 60034-1:2022 Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. webstore.iec.ch/en/publication/65446
  2. International Electrotechnical Commission. (2014). IEC 60034-2-1:2014 Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests. webstore.iec.ch/en/publication/121
  3. International Electrotechnical Commission. (2025). IEC 60034-30-1:2025 Rotating electrical machines – Part 30-1: Efficiency classes of line operated AC motors (IE code). webstore.iec.ch/en/publication/91195
  4. International Electrotechnical Commission. (2016). IEC TS 60034-30-2:2016 Rotating electrical machines – Part 30-2: Efficiency classes of variable speed AC motors (IE code). webstore.iec.ch/en/publication/30830
  5. International Electrotechnical Commission. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). webstore.iec.ch/en/publication/2452
  6. International Electrotechnical Commission. (2023). IEC 61800-9-2:2023 Adjustable speed electrical power drive systems – Ecodesign for power drive systems, motor starters, power electronics and their driven applications. webstore.iec.ch/en/publication/111276
  7. International Organization for Standardization. (2011, amended 2020). ISO 3691-1:2011/Amd 1:2020 Industrial trucks – Safety requirements and verification – Part 1: Self-propelled industrial trucks. iso.org/standard/78303.html
  8. European Parliament and Council. (2023). Regulation (EU) 2023/1230 on machinery and repealing Directive 2006/42/EC. eur-lex.europa.eu/eli/reg/2023/1230/oj
  9. European Commission. (2019). Commission Regulation (EU) 2019/1781 laying down ecodesign requirements for electric motors and variable speed drives. eur-lex.europa.eu/eli/reg/2019/1781/oj
  10. U.S. Department of Energy. (2024). Motors and drives systems – advanced manufacturing office resources. energy.gov/eere/amo/motor-systems

常見問題

Q:小型電動堆高機使用什麼馬達?

1 至 2 噸級的小型配重式堆高機通常使用三個馬達。行駛馬達是 24 或 48 V、約 3 至 8 kW 的三相交流感應馬達,經減速機驅動車輪。液壓泵浦馬達功率相近或略高,驅動升降與傾斜泵浦,採短時工作定額。另有數百瓦級的獨立轉向馬達補齊整套系統。

Q:小型電動堆高機還在使用直流馬達嗎?

僅限較舊機型與最便宜的拖板車。串激式直流馬達之所能存活,是因為簡單的截波控制器便宜;但每 1,500 至 3,000 小時的碳刷與整流子保養、沒有回生煞車、效率較低,使幾乎所有新款配重式都改採搭配磁場導向變頻器的交流感應馬達。

Q:1.5 噸電動堆高機需要多少功率?

在 8% 坡道上滿載 1,500 kg、時速 4 km/h 時,牽引力約 4,200 N,馬達軸端輸出約 5.3 kW。以 0.30 m/s 舉升 1,650 kg,泵浦馬達軸端約需 6.0 kW。確切數值取決於輪胎半徑、滾動阻力與溢流閥設定,應針對每台車重新計算。

Q:為何升降馬達的定額高於行駛馬達?

計入工作定額後,通常並沒有比較高。升降馬達約以 15% 通電率運轉,因此其 6 kW 銘牌對應的等效連續功率約 2.3 kW。行駛馬達在車輛行駛時連續運轉,其熱限制來自該工作條件,而非峰值數字。

Q:小型堆高機該選 24 V 還是 48 V?

對於約 1.2 噸以上,或有持續坡道工況的車輛,48 V 通常是較實用的平台。以 5.3 kW 為例,24 V 約需 221 A,48 V 為 111 A。在相同電纜電阻下,24 V 系統的導體損失約為四倍。1.2 噸以下、於平坦倉儲地面使用的輕型車,24 V 仍相當普遍。

Q:在實際使用中,什麼會讓堆高機馬達損壞?

沖洗後進水、冷卻路徑堵塞或環境溫度高於額定 40°C 造成的熱濫用、舊型直流機的碳刷磨耗,以及門架振動造成的軸承故障。48 V 機絕緣電阻低於 1 MΩ 是早期警訊,應在繞組損壞前處理。

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