DE10042068A1

DE10042068A1 - Energiesparende Beeinflussung der Bewegung mechanischer Schwungmassenantriebe mittels scheiben- oder ringförmigen Elektromaschinen

Info

Publication number: DE10042068A1
Application number: DE2000142068
Authority: DE
Inventors: Erwin Oser; Klaus-Peter Zeyen
Original assignee: Individual
Current assignee: Nidec Desch Antriebstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-08-26
Filing date: 2000-08-26
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtungen zur Beeinflussung von Drehbewegungen starrer Körper, bevorzugt von starren Körpern, die freie Achsen besitzen und um eine solche freie Achse rotieren. Technisch relevante Beispiele sind als Zylinder, Scheiben oder Räder ausgeführte Schwungmassen, in deren Drehbewegung Energie für mechanische Antriebe gespeichert wird. DOLLAR A Bei Schwungmassenantrieben werden die Drehbewegungen der Schwungmassen meist in lineare Bewegungen umgewandelt, mit denen bestimmte Operationen durchgeführt werden. Wichtige technische Beipsiele hierfür sind etwa Exzenterantriebe oder unterschiedliche Ausführungen von Kurbelantrieben. DOLLAR A Durch die mechanische Umwandlung sind die Drehbewegungen der Schwungmassen und die dadurch bewirkten linearen Bewegungen zwangsweise miteinander verkoppelt. Eine Änderung der Linearbewegung setzt deshalb eine entsprechende Beeinflussung der Drehbewegung der Schwungmasse voraus. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Beeinflussung der Drehbewegung eines Schwungmassenantriebs durch die Einwirkung elektromagnetisch erregter Drehmomentimpulse bewirkt. Diese Drehmomentimpulse bewirken in Drehrichtung eine Beschleunigung, entgegen der Drehrichtung eine Abbremsung der Drehbewegung. Die Drehmomentimpulse sollen erfindungsgemäß mit Hilfe einer scheiben- oder ringförmigen Elektromaschine mit Stator und Rotor erzeugt werden, die über eine geeignete Leistungselektronik mit sehr kurzen Reaktionszeiten angesteuert wird. Ein ...

Description

Zur Leistungssteigerung von maschinengebundenen Prozessen, z. B. zur Kürzung von Zykluszeiten oder Optimierung verfahrenstechnischer Parameter, wird eine höhere Dynamik sowie eine prozessoptimierende Steuerung oder Regelung der Antriebe gefordert. Ein nicht zu unterschätzendes Problem bei der Beeinflussung von Maschinenbewegungen bleibt dabei der erforderliche Energiebedarf, der insbesondere bei großen aufzubringenden Mo menten in Abhängigkeit von dem gewählten Antriebssystem zu großen Energieverlusten führen kann. Daneben werden an moderne Maschinen auch immer höhere Anforderungen hinsichtlich der Flexibilität gestellt. Da die Bedienung unterschiedlicher Kundenwünsche häufig kleinere Losgrößen zur Folge hat, tritt bei Produktwechsel ein Umstell- bzw. Umrüst aufwand auf, der die Verfügbarkeit der Anlagen verschlechtert.

Für den Maschinenhersteller können diese unterschiedlichen Forderungen zu Zielkonflikten führen. Mechanische Antriebe haben Nachteile hinsichtlich der Umrüstbarkeit, da meist me chanische Komponenten ausgetauscht, verstellt und wieder "eingefahren" werden müssen. Demgegenüber sind elektronische Antriebe zwar flexibel an unterschiedliche Bewegungs abläufe anpassbar, diese Antriebe sind jedoch bei hoher Dynamik meist in den realisierba ren Drehmomenten und Leistungen begrenzt. Die Aspekte des geringen Energiebedarfs sprechen gegen Lösungen, die mit hohen energetischen Verlusten behaftet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bewegungsbeeinflussung von mechanischen An triebssystemen, die aus mechanischen Energiespeichern in Form von rotierenden Schwungmassen gespeist werden. Diese mechanischen Antriebssysteme geben Energie ab, indem die Drehzahl der Schwungmasse abnimmt, wobei der entnommene Energiebe trag durch das dynamische Trägheitsmoment der Schwungmasse und den Drehzahlabfall gedeckt wird.

In einem mechanischen Antriebssystem mit einem Schwungmassenspeicher, z. B. Kurbel antriebe oder Exzenterantriebe, sind die Rotationsbewegungen der Schwungmasse und die Linearbewegung des angetriebenen Funktionsbauteils miteinander verkoppelt. Werden unter verfahrenstechnischen Gesichtspunkten ungleichförmige Linearbewegungen gefor dert, so sind diese nur über eine Beeinflussung der Drehbewegung möglich.

Mechanische Energiespeicher in Form von Schwungmassen sind günstig mit großem Träg heitsmoment ausgestattet, das um eine freie Achse rotiert. Eine Beeinflussung der Rotation erfordert deshalb hinreichend große Drehmomente. Bei kurzzeitigen Bewegungsänderun gen sind dementsprechend hinreichend große Drehmomentenimpulse gefordert. Das Er zeugen von Drehmomentimpulsen hinreichender Größe und dem Verlauf, gekennzeichnet durch Anstieg und Dauer, kann dann vor große technische Probleme stellen, insbesondere unter Berücksichtigung von vorgegebenen Einbaumaßen und Energieverbrauch.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die Verwendung einer schei ben- oder ringförmigen Elektromaschine mit Rotor und Stator, die als Motor oder Generator wirken kann und folgende technischen Merkmale miteinander verbindet

- günstige Einbaumaße durch die scheiben- oder ringförmige Geometrie, Ver hältnis Durchmesser/Breite, vorzugsweise größer 6
- geringes Eigenträgheitsmoment mit hoher Drehmomentabgabe
- kurze Reaktionszeiten durch eine Ansteuerung mit moderner Leistungselekt ronik.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen für Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Die Prinzipanordnung der scheiben- oder ringförmigen Elektromaschine mit Zwi schenkreiskondensator

Fig. 2 Die Ausgestaltung des Rotors der Elektromaschine als Schwungmasse des me chanischen Antriebs

Fig. 3 Die Realisierung der Schwungmasse durch ein Planetengetriebe zur Anpassung der Drehmomentimpulse

Fig. 4 Die Integration der Elektromaschine in Außenläuferordnung in einem als Schwungmasse wirkenden Planetengetriebe zur Realisierung einer raumspa renden Anordnung mit Drehmomentanpassung

Gegenüber einer mechanischen oder hydraulischen Form der Energieerzeugung für die Bewegungsbeeinflussung zeichnet sich ein elektromotorisches System (1) mit Zwischen kreiskondensator (2) dadurch vorteilhaft aus, dass beim Abbremsen der Drehbewegung die entzogene Energie generatorisch zwischengespeichert und für nachfolgende Beschleuni gungen wieder genutzt werden kann. Dieses Prinzip ermöglicht erfindungsgemäß einen sehr günstigen Energieverbrauch der Bewegungsbeeinflussung im Gesamtsystem (Fig. 1).

Zur Realisierung günstiger Einbaumaße kann nach Fig. 2 der Rotor der Elektromaschine (3) unmittelbar selbst als Schwungmasse ausgestaltet werden, die in ein umschließendes Statorgehäuse (4) integriert ist. Die exzentrisch angebrachte Antriebskurbel wird am Rotor befestigt (5).

Bei vorgegebenen Größenverhältnissen und Einbaumaßen kann eine Fehlanpassung zwi schen dem geforderten und dem realisierbaren Drehmomentimpulsen auftreten. Eine ver besserte Anpassung kann durch eine mechanische Übersetzung in einem Getriebe erreicht werden. Platzsparend kann das System erfindungsgemäß dabei so ausgestaltet werden, wenn als Übersetzungsgetriebe ein Planetengetriebe (6) vorgesehen wird, das selbst die zu beeinflussende Schwungmasse darstellt (Fig. 3). Das aufzubringende Drehmoment redu ziert sich dadurch nach Maßgabe des Übersetzungsverhältnisses im Getriebe, indem die Drehmomentenimpulse über die Sonnenradwelle (7) eingebracht werden.

Eine besonders platzsparende Lösung ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, dass die ringförmige Elektromaschine in einer Außenläuferanordnung vollständig in das Bauvolumen des Planetengetriebes als Schwungmasse integriert wird (Fig. 4). Das als Schwungmasse ausgeführte Planetengetriebe kann dabei in unterschiedlicher Art angetrieben werden:

1. Über einen Riementrieb um das Hohlrad mit einem externen Elektromotor
2. Über die Hohlradwelle mit Hilfe einer scheiben- oder ringförmigen Elektroma schine
3. Über das Hohlrad selbst, indem das Hohlrad mit elektromagnetisch erregten bzw. erregbaren Segmenten bestückt wird und als Rotor eines scheibenför migen elektromotorischen Antriebs in ein entsprechendes Statorgehäuse in tegriert wird.

Die Alternative 3. bietet eine Lösung mit besonders günstigen Einbaumaßen, ggf. auch für eine Nachrüstung an vorhandenen mechanischen Antrieben.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung der Drehbewegung starrer Körper.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Dreh bewegung des starren Körpers als mechanischer Energiespeicher für einen mecha nischen Antrieb wirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Körper als Schwungmasse eines antriebstechnischen Systems ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der starre Körper als Scheibe oder Zylinder ausgebildet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das antriebstechnische System als Kurbelantrieb oder Exzenterantrieb ausgebildet ist, mit dem die Drehbe wegung der Schwungmasse in eine lineare Bewegung eines mechanischen Funkti onsbauteils umgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische An trieb eine mechanische Presse antreibt, indem die Linearbewegung einen Umform stößel bewegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung der Schwungmasse des antriebstechnischen Systems durch aufgeprägte Drehmomen tenimpulse beeinflusst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentenim pulse durch einen elektromotorischen Antrieb auf die Drehachse aufgebracht wer den.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb in Form einer scheiben- oder ringförmigen Elektromaschine vorzugsweise mit einem Verhältnis Durchmesser/Breite größer als 6, bestehend aus Stator und Rotor, ausgestaltet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Abbremsen der Bewegung freigesetzte Energie mit der Elektromaschine generatorisch in einem Kondensator zwischengespeichert und für einen anschließenden Beschleunigungs vorgang wieder genutzt wird.

11. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse selbst als Rotor einer scheiben- oder ringförmigen Elektromaschine ausgestaltet ist.

12. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse des antriebstechnischen Systems durch ein Planetengetriebe reali siert ist.

13. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentimpulse zur Änderung der Bewegungsenergie auf die Sonnenradwelle des Planetengetriebes wirken.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro maschine in Außenläufenanordnung auf die Sonnenradwelle vollständig in das Bau volumen des Planetengetriebes integriert ist.

15. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als Planetengetriebe ausgeführte Schwungmasse des mechanischen Antriebs als Rotor eines scheibenförmigen elektromotorischen Antriebs ausgestaltet ist, das von einem Statorgehäuse umschlossen wird und durch elektromagnetische Erregung angetrie ben wird.

16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als Planetengetriebe ausgeführte Schwungmasse mit Hilfe eines externen elektromoto rischen Antriebs und eines Riemenantriebs um den Umfang das Hohlrades ange trieben wird.

17. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsenergie in die Schwungmasse mit einem scheibenförmigen Motor über die Hohlradwelle elektromotorisch gebracht wird.

18. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die über scheibenförmige Motoren elektromotorisch angetriebenen Hohlwelle und Son nenradwelle mit gleicher Winkelgeschwindigkeit eingeregelt werden, so dass das Planetengetriebe im verblockten Zustand rotiert.