DE102005009866A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Übertragung hoher elektrischer Leistung auf drehbare und lineare bewegliche Geräteträger mit integrierbarer berührungsloser bidirektionaler Kommunikationsverbindung - Google Patents

Abstract

Bei vielen Verfahren zur Materialbearbeitung werden elektrisch betriebene Bearbeitungsmaschinen und Elektronik auf drehbaren oder anderweitig beweglichen Geräteträgern verwendet. Die dort benötigte elektrische Energie wird üblicherweise über geführte Kabel (sog. Energieketten) oder über andere elektromechanische Kontakte (Schleifringe etc.) zu den Geräteträgern gebracht. Nachteil all dieser Verfahren ist der Verschleiß; bei den drehbaren Geräteträgern ist es zusätzlich der endliche Drehwinkel und die dadurch notwendigen ständigen Rückwärtsbewegungen. DOLLAR A Die folgende Patentschrift beschreibt eine Einrichtung zur Übertragung hoher elektrischer Leistungen auf bewegliche oder feste Geräteträger, ohne die Verwendung einer mechanisch-elektrischen Verbindung zur Energieübertragung. Es werden dabei zwei verschiedene Prinzipien verwendet: zum einen eine spezielle Anordnung von Asynchronmaschinen, bei der kein unerwünschtes Drehmoment zur Wirkung kommt, zum anderen eine spezielle Transformatorkonstruktion, bei der entstehende Kräft mit Lagern abgefangen werden. DOLLAR A Die rotationssymmetrische Anordnung und die Verwendung von Hohlwellen erlaubt ferner die einfache Einbringung für zusätzliche berührungslose Übertrager für eine störsichere Breitbandübertragung für Informationsströme in beide Richtungen, wodurch empfindliche Elektronik auf den beweglichen Geräteträgern reduziert werden kann. DOLLAR A Das Verfahren ist einsetzbar bei Rundtaktmaschinen, bei mehrspindligen Drehmaschinen, bei ...

Description

• Beschrieben wird eine Einrichtung zur berührungslosen Übertragung großer elektrischer Leistung auf bewegliche oder feste Geräteträger mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. Das heißt, auf die Verwendung einer mechanisch- elektrischen Verbindung zur Energieübertragung wie z.B. Kabel (Energieketten, Schleppketten...) oder Schleifringe etc. wird verzichtet.
• Ferner wird über zusätzliche speziell angeordnete berührungslose Übertrager eine störsichere Breitbandübertragung für Informationsströme in beide Richtungen ermöglicht.
• Zum Verständnis des Hochenergieteils (Leistungsübertragung) wird zunächst ein Asynchronmotor betrachtet, der sowohl Wicklungen für Drehstrom im Ständer (Stator) besitzt als auch im Läufer (Rotor). Ein Vertreter dieses Typs wäre beispielsweise ein herkömmlicher Asynchronmotor mit Ständer- und Läufer- Wicklungen und Schleifringen am Läufer.
• Da bei dem nachfolgend beschriebenen Prinzip die Energieflussrichtung umkehrbar ist, das heißt, dass sie vom Läufer in den Stator genauso übertragen werden kann wie vom Stator auf den Läufer, wird im weiteren nur von Feldwicklungen 1 und von Feldwicklungen 2 gesprochen.
• Die Läuferwicklungen werden elektrisch über Drehstromkabel angeschlossen, das durch eine Hohlwelle verlegt wird. Bei den außen liegenden Ständerwicklungen wird der übliche Drehstromanschluss verwendet.
• Wird nun bei dieser Anordnung in die Wicklungen 1 ein elektrisches Drehfeld eingespeist, so kann man an den Wicklungen 2 ein elektrisches Drehfeld abgreifen und somit berührungslos elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad von den Wicklungen 1 auf die Wicklungen 2 übertragen. Bei dieser Anordnung wird angenommen, dass die Wicklungen 1 fest mit dem Fundament verbunden sind, während die Wicklungen 2 über Lager frei drehbar angeordnet sind. Die Wicklungen 2 würden also zur Versorgung der Geräte auf dem drehbaren Geräte- und Maschinenträger verwendet.
• Leider ergibt sich bei dieser Anordnung ein mechanisches Drehmoment in Richtung des Drehfeldes, wie es sich eben für einen Asynchronmotor mit Schleifringläufer gehört. Um diesen störenden Effekt zu beseitigen, wird die gleiche Anordnung wie bereits oben beschrieben, mechanisch parallel geschaltet: das heißt, auf der gleichen Antriebswelle (die als Hohlwelle ausgeprägt ist) sitzen zwei Rotoren mit jeweils einer vollständigen Drehfeld- Läuferwicklung (mindesten also dreipolig), ebenso wie im „verlängerten" Stator (Ständer) zwei gleichartige Drehfeldwicklungen sitzen.
• Für weiteren Gebrauch werde nun alle Wicklungen zur Einspeisung Wicklungen 1a und Wicklungen 1b genannt. Die Wicklungen für den Energieabgriff heißen Wicklungen 2a und Wicklungen 2b.
• Speist man nun in die Wicklungen 1a ein rechts drehendes Drehfeld ein und in die Wicklungen 1b ein links drehendes Drehfeld gleicher Stärke ein, so wirken bei gleicher Stromentnahme an den Wicklungen 2a und 2b die beiden Drehfelder als gleich große Drehmomente aber in entgegen gesetzter Richtung, so dass sich das resultierende Drehmoment zu Null ergibt. Um mit den Wicklungen 2a und den Wicklungen 2b praktisch immer die gleich große Leistung zu entnehmen, was zur Erfüllung des Wunsches "Drehmoment = Null" notwendig ist, ist es noch erforderlich, die Wicklungen 2a und 2b phasenmäßig geeignet parallel oder in Reihe zu schalten. Dies geschieht sinnvoller weise auch für die Wicklungen 1a und 1b. (Parallel oder in Reihe: Beides ist im Einspeisepfad und im Abgriffpfad möglich – man hat dadurch zusammen zusätzlich vier interessante nutzbare Freiheitsgrade).
• Anmerkung: Durch gezieltes unsymmetrisches Auskoppeln der elektrischen Leistung oder gar der Gleichschaltung der Drehfelder kann dieser Energieübertrager zusätzlich als Antrieb für den drehbaren Geräteträger verwendet werden.
• Zusammenfassung und Verallgemeinerung des Prinzips:
• Zur berührungslosen Übertragung großer elektrischer Leistungen wird ein Prinzip verwendet, wie man es aus der Asynchronmotor- Technik mit Schleifringläufern kennt. Mehrere Ständer und Läufer werden mechanisch so in Reihe geschaltet, dass sich bei geeigneter Stromeinspeisung auf der Primärseite und bei geeigneter Stromentnahme auf der Sekundärseite jeweils das Gesamtdrehmoment zu Null ergibt.
• Das oben an zwei derart zusammen geschalteten Asynchronmotoren erläuterte Prinzip lässt sich in einer Neuentwicklung zu einer Einheit in nur einer Ebene sowie auf eine ganze Reihe solcher mechanischer Reihenschaltungen von Asynchronmotoren übertragen. Das hat den Vorteil, dass man ganz verschieden geometrische Anforderungen erfüllen kann. Ebenso spielt die Polzahl bei dem Prinzip keine Rolle, aber auch sie kann konstruktiv zu speziellen Ausprägungen variiert werden. Es muss nur jeweils darauf geachtet werden, dass die Wicklungsverhältnisse, die u_k- Werte, die Verpolung etc. zusammen passen.

Claims (8)

1. Patentanspruch 1: Energieeinspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, die drehbar über einer festen Plattform angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ständerwicklungen mechanisch fest miteinander verbunden sind und dass sie verschiedene Drehrichtungen der Drehfelder zulassen. Dass dann mehrere Läufer mit jeweils eigenen Läuferwicklungen auf einer gemeinsamen Hohlwelle so angeordnet sind, dass auch sie verschiedene Drehrichtungen ihrer Drehfelder zulassen. Dass diese Anordnung dazu verwendet wird, elektrische Leistung auf der gewählten Primärseite (wählbar ist entweder der Läufer oder der Ständer) über mindestes zwei Drehfelder einzuspeisen und die elektrische Leistung auf der Sekundärseite so abzugreifen, dass nach dem oben erläuterten Prinzip, in der Regel das mechanische „Moment = Null" eingehalten wird. Erwünschte andere Drehmomente können durch Umpolung oder/und ungleichen Stromabgriff auf der Sekundärseite erzeugt werden.
2. Patentanspruch 2: Energieeinspeisung in Geräteträger, die linearen oder kurvenförmigen (Bewegungen folgen müssen. Hier geht es um die Energieübertragung großer elektrischer Energien ohne elektromechanische Hilfsmittel wie zum Beispiel Energieketten mit Kabeln, Schleifabgriffe etc. Die Energie- Einspeisung erfolgt bei diesem System mechanisch parallel zu einem Linearmotorantrieb oder parallel zu Führungsschienen auf denen sich zum Beispiel eine Laufkatze bewegt. Auf der einspeisenden Seite, hier parallel zu den Führungsschienen, werden drei laufende magnetische Wellen (Wanderfelder) so anordnet, dass die beiden äußeren Wellen zusammen die gleiche magnetische Leistung bringen, wie die mittlere. Die Geschwindigkeit der beiden äußeren Wanderwellen muss zunächst genau so groß sein wie die der mittleren, jedoch in entgegen gesetzte Richtung laufend. Auf der Abtriebseite muss die mittlere Spur des asynchronen Abtriebs doppelt so groß sein wie jeweils die beiden äußeren asynchronen Abtriebe. Auf diese Weise werden die Vorschub-Kräfte dieser Teil- Linearantriebe gegenseitig kompensiert und man kann durch geeignete Parallel- oder Reihenschaltung der Wicklungen der beweglichen Teile des Linearantriebs elektrische Energie auf dem beweglichen Teil auskoppeln. Dieses Prinzip ist auch für eine höhere Anzahl gleichzeitig angreifender Wanderwellen in gleicher Weise anwendbar. Zusatzanspruch: über unterschiedlich schnell laufende Wanderwellen und oder durch weitere zu und abschaltbare Wanderwellen, kann der als Abgriff verwendete Abrieb gleichzeitig als Linearmotorantrieb genutzt werden. Ebenso kann über ungleiche Energieauskopplung ein Vorschub erzeugt werden.
3. Patentanspruch3: Um die Streufelder und Verluste klein zu halten, wird abschnittsweise elektronisch geschaltet. Bei einem großen zu bedienenden Bewegungsbereich bzw. bei langen Führungsschienen wären von der einspeisenden Schiene her nur die Teile zur Energie- Übertragung wirksam, die unmittelbar unter dem beschriebenen „asynchronen Abgriff" liegen. Auf dem liest der Schienen würden unnötig Streufelder erzeugt. Um dies zu verhindern, wird die Energie- Einspeisung nur unter dem Abschnitt eingeschaltet, über dem sich die Laufkatze aktuell befindet. Dazu wird das Vorhandensein der Laufkatze berührungslos erfasst und, davon abhängig, geeignete Relais bzw. Halbleiter ein oder abgeschaltet. Zusatzanspruch: Dieses abschnittsweise Zuschalten einer einspeisenden Schiene kann auch vorteilhaft zum Antrieb eines Linearmotors verwendet werden.
4. Patentanspruch 4: Energieübertragung zur Anwendung bei schnellen Bewegungen. Der unter Patentanspruch 2 formulierte Gerätetechnische Aufbau hat den Nachteil, dass vor allem bei schnellen Bewegungen durch den Abgriff des asynchronen Mechanismus Kräfte auftreten, die mit oder gegen die antreibende gewünschte Antriebskraft wirken können. Um dies zu verhindern, wird sowohl die Drehfeld Einspeisung als auch der asynchrone Abgriff, wie oben beschrieben, quer zur Bewegungsrichtung angeordnet. Aus Gründen der gleichmäßigen Übertragung ist hier eine mehrspurige und konstruktiv aufwändigere Polanordnung erforderlich.
5. Patentanspruch5: Übertragung von Wechselstrom aus einem feststehenden Stator mit einem frei drehbaren Motor. Das Prinzip ist im beiliegenden Bild 1 dargestellt: In einer Unterschale (den Stator) ist die einspeisende Spule (Spule 1) befestigt. In der darüber liegenden frei drehbaren Oberschale liegt eine zweite Spule, aus der, wie bei einem Transformator, Wechselspannung entnommen werden kann. Es entstehen dabei keine störenden Momente in der Drehrichtung aber es entstehen Kräfte zwischen den beiden Halbschalen. Um diese anziehenden Kräfte insbesondere bei hohen Übertragungsleistungen aufzufangen, bieten sich magnetisch leitende, hydraulisch unterstützte Gleitlager an. Bei kleineren Leistungen lassen sich Schrägrollenlager oder andere konventionelle Lager einsetzen. Bei erforderlichem sekundärem Drehstrom wird diese Anordnung drei- oder mehrfach übereinander angeordnet. In diesem Falle wird entweder die elektrische Einspeisung oder der elektrische Abgriff über (durch) die Hohlwelle geführt.
6. Patentanspruch 6: Breitband- Datenübertragung zu Zwecken der Prozessleittechnik und spezieller anderer Protokolle zwischen Elektronik auf der einspeisenden Seite zu den Geräten und Maschinen auf dem Geräteträger und umgekehrt. Mit der Bauform nach Bild 5.1 lässt sich mit sehr viel kleineren Abmessungen ein breitbandiger Übertrager realisieren, der sich leicht in jeden der oben beschriebenen der rotationsbeweglichen Energieübertrager integrieren lässt. Da hier nur vernachlässigbar kleine Streufelder auftreten, kann dies zur bidirektionalen sicheren Breitbandkommunikation zwischen der jeweils einspeisenden Seite und der versorgten Seite verwendet werden.
7. Patentaspruch 7: Sichere Breitbanddatenübertragung wie in Anspruch 6, jedoch ausgeführt als zentral im Zentrum der Hohlwelle angeordneter Optokoppler oder Lichtleider.
8. Patentanspruch8: Um den Hohlwellencharakter für andere Anwendungen zu erhalten (z.B. zur Materialzuführung etc.) werden ringförmig ausgeprägte Optokoppler oder/und Lichtleiter in der Weise angeordnet, dass sie in der Innenseite der Hohlwelle oder geschützt in einer Ausfräsung eingelegt sind. Bei kleinflächigen Sender- und Empfängerflächen wird für eine entsprechende Überlappung gesorgt.