DE102007014659A1

DE102007014659A1 - Elektrische Antriebsmaschine

Info

Publication number: DE102007014659A1
Application number: DE200710014659
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr. Huth; Markus Reinhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09
Also published as: WO2008116885A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine (1) aus einem Stator (2) und einem Läufer (3), die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieübertragungssystem (5) zur elektrischen Energieversorgung einer Last (8) auf dem bewegten Teil zugeordnet ist. Die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion sind weitgehend voneinander unabhängig. Zur Bereitstellung einer konstanten Versorgungsspannung für die Last (8) ist ein Regelkreis für einen Umrichter (11) des Energieübertragungssystems (5) vorgesehen, wobei eine Drehzahl (n) des Läufers (3) als Steuergröße für die an einer Wicklung (7) des Läufers (3) abgreifbare Versorgungsspannung dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Läufer, die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieübertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind.
Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise nach dem Prinzip einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine aufgebaut und kann als Linear- bzw. Drehantrieb dienen. Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Läufer. Bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Werkzeug- und Produktionsmaschinen, ist es nötig, elektrische Energie auf den Läufer, zum Beispiel in Form einer Welle oder einer Spindel, zu übertragen. Die elektrische Energie kann unter anderem der Versorgung von Sicherheitseinrichtungen, Sensoren, Datenübertragungssystemen oder Aktuatoren (z. B. zum Spannen von Werkzeugen) dienen.
Zur Energieübertragung bei Antriebsmaschinen ist ein geeignetes Energieübertragungssystem erforderlich. Ein derartiges Energieübertragungssystem muss in die Antriebsmaschine integriert oder separat eingebaut werden.
Eine Übertragung elektrischer Energie auf den Läufer ist zum Beispiel mit galvanischer Kopplung möglich. Hierbei können beispielsweise Schleifringe verwendet werden, die einfach und zuverlässig sind, jedoch einen erheblichen Wartungsaufwand erfordern. Darüber hinaus wird Bauraum für den Schleifringapparat benötigt. Eine alternative Möglichkeit der galvanischen Kopplung ist die Verwendung von Schleppkabeln. Dabei ist das Problem ein begrenzter möglicher Verdrehwinkel und die Gefahr eines Kabelbruchs durch eine ständige Biegebelastung des Kabels.
Alternativ ist die Übertragung elektrischer Energie auf den Läufer durch induktive Kopplung möglich. Die geschilderten Probleme der galvanischen Kopplung können mit der induktiven Kopplung umgangen werden. Dabei befindet sich eine primäre Drehstromwicklung (Primärwicklung) auf dem Stator der Antriebsmaschine und eine zweite Wicklung (Sekundärwicklung) auf dem Läufer der Antriebsmaschine. In die Primärwicklung speist ein Umrichter ein dreiphasiges Spannungssystem ein. Prinzip bedingt hängt dabei die Höhe der an der Sekundärwicklung anliegenden Spannung vom Schlupf ab. Eine schwankende, an der Sekundärwicklung anliegende Spannung schafft jedoch erhebliche Probleme für eine mit der Sekundärwicklung gekoppelte elektrische Last.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Antriebsmaschine anzugeben, bei welcher an der Sekundärwicklung eine konstante Spannung abgreifbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Erfindungsgemäß ist zur Bereitstellung einer konstanten Versorgungsspannung für die Last auf dem bewegten Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine ein Regelkreis für einen Umrichter des Energieübertragungssystems vorgesehen, wobei eine Drehzahl des Läufers als Steuergröße für die an einer Wicklung des Läufers abgreifbare Versorgungsspannung dient.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich der Vorteil, dass eine elektrische Energieübertragung durch induktive Kopplung ermöglicht ist, wodurch keine mechanischen Elemente, wie zum Beispiel Schleifringe, benötigt werden. Unter Kosten- und Wartungsgesichtspunkten, ist damit eine optimierte elektrische Antriebsmaschine bereitgestellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die der Last zur Verfügung gestellte Spannung in ihrer Höhe frei wählbar ist und zudem während des Betriebs der elektrischen Antriebsmaschine veränderbar ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das Energieübertragungssystem einer elektrischen Antriebsmaschine als Anordnung einer Asynchronmaschine in Schleifringläufertechnik realisierbar ist, wobei die entsprechenden Gleichungen zur Beschreibung des Betriebsverhaltens verwendet werden können. Für die Läuferspannung bei Stillstand U_q20 gilt: Uq20 = √2πf1N2kW2Φ ^ (1)
Hierbei ist f₁ die Frequenz der Speisespannung im Stator, N₂ die Läuferwindungszahl und k_W2 der Wickelfaktor. Φ ^ ist der Scheitelwert des Luftspalt-Hauptflusses. Bei einer relativen Bewegung des Läufers zum Stator gilt für die Läuferspannung U_q2: Uq2 = sUq20 = s√2πf1N2kW2Φ ^ (2)
Dabei ist mit s der Schlupf bezeichnet. Aus Gleichung 2 ist erkennbar, dass sich mit änderndem Schlupf sich auch die Höhe der Spannung U_q2 ändert. Ein steigender Schlupf hat eine höhere Spannung zur Folge, was bedeutet, dass die der Last zur Verfügung gestellte Spannung schwankend ist. Der Schlupf s berechnet sich wie folgt:
Dabei ist n_s die synchrone Drehzahl des umlaufenden Ständerfelds und n die mechanische Drehzahl des Läufers. Die Polpaarzahl der Wicklungen von Stator und Läufer wird mit p bezeichnet. Setzt man Gleichung 3 in Gleichung 2 ein, erhält man:
Hieraus ist zu erkennen, dass die Spannung U_q2 eine Funktion der Maschinenkonstanten Polpaarzahl p, Läuferwindungszahl N₂, Wickelfaktor k_W2 sowie der Frequenz der Speisespannung f₁, des Flusses Φ ^ und der Drehzahl n des Rotors ist. Soll die der Last zur Verfügung gestellte Spannung damit trotz einer Änderung der Drehzahl konstant bleiben, so kann dies erreicht werden, indem die Frequenz der Speisespannung des Energieübertragungssystems neu bestimmt wird. Aus Gleichung 4 folgt:
Hieraus ist erkennbar, dass durch die messtechnische Erfassung der Drehzahl des Läufers und die Bestimmung einer neuen Frequenz der Speisespannung die der Last zur Verfügung gestellte Spannung konstant gehalten werden kann. Hierbei kann der Wert der Spannung frei gewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Regelkreis eine Vorrichtung zur, insbesondere drahtlosen, Erfassung der Drehzahl des Läufers. Die Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl des Läufers kann beispielsweise als Tachogenerator, Inkrementalgeber oder Resolver ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Regelkreis eine Verarbeitungseinheit, zum Beispiel in Form eines Mikrocontrollers, einem d-Space-System oder einem DSP (Digital Signal Processor)-Board, die mit der Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl gekoppelt ist, wobei der Verarbeitungseinheit von der Vorrichtung ein der Drehzahl entsprechendes Signal zur Ermittlung der Speisefrequenz zuführbar ist. Dem Umrichter des Energieübertragungssystems ist die von der Verar beitungseinheit ermittelte Frequenz als Sollfrequenz zuführbar. Der neue Sollwert der Speisefrequenz kann einem handelsüblichen Umrichter zugeführt werden, welcher sicherstellt, dass der Fluss Φ ^ immer konstant gehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Übertragung elektrischer Energie auf die Last induktiv realisiert.
Zwischen der Last und einem Wicklungssystem des Energieübertragungssystems, das auf dem Läufer angeordnet ist, kann gemäß einer weiteren Ausbildung ein Spannungszwischenkreis vorgesehen sein, an den die Last angeschlossen ist. Die von dem Spannungszwischenkreis bereit gestellte Spannung ist hierbei auf einen konstanten Wert geregelt. Der Spannungszwischenkreis kann einen Gleichrichter sowie einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller umfassen. Durch diese Ausgestaltungsform ist es möglich, die Spannung nicht nur im Leerlauf am Ausgang der Sekundärwicklung des Energieübertragungssystems konstant zu halten, sondern vielmehr auch dann, wenn das Wicklungssystem, wie in der Praxis, mit einer elektrischen Last verbunden ist.
Das Energieübertragungssystem der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine kann in dieses integriert oder separat angebaut sein. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungen des Antriebssystems und des Energieübertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil untergebracht. Die Übertragung elektrischer Energie ist zweckmäßigerweise induktiv ausgeführt. Der entkoppelte Betrieb der Teilfunktionen ist durch eine geeignete Wahl der Wicklungsparameter der Wicklungen von Motorsystem einerseits und Energieübertragungssystem andererseits erreicht. Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise in der DE 10 2005 024 203 A1 der Anmelderin beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend weiter unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel in der Zeichnung näher erklärt. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen Darstellung ein in einer Antriebsmaschine integriertes Energieübertragungssystem.
Die Antriebsmaschine 1 umfasst einen Stator 2 sowie eine Rotor 3. Sie kann als Linear- oder als Drehantrieb dienen. Das Energieübertragungssystem 5 ist durch eine Ständerwicklung 6 in dem Stator 2 sowie eine Läuferwicklung 7 in dem Läufer 3 ausgebildet. Der Stator 2 und der Läufer 3 sind in bekannter Weise durch einen Luftspalt 4 von einander getrennt. Die Ständerwicklung 6 ist über einen Umrichter 11 an ein Drehstromnetz 12 angeschlossen. Mit der Läuferwicklung 7 ist eine elektrische Last 8 verbunden. Bei der Last 8 kann es sich beispielsweise um eine Sicherheitseinrichtung, eine Sensorik oder eine Aktuatorik handeln. Nicht dargestellt, aber optional möglich, kann zwischen der Läuferwicklung 7 und der elektrischen Last 8 ein Spannungszwischenkreis vorgesehen sein, der unter anderem einen Gleichrichter sowie einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller umfasst. Der Spannungszwischenkreis dient dazu, die Last 8 mit einer konstanten Spannung zu versorgen. Der Spannungszwischenkreis wird seinerseits mit einer konstanten Leerlaufspannung an den Klemmen der Läuferwicklung 7 versorgt
Der Übersichtlichkeit halber wurde in der Figur lediglich das Energieübertragungssystem 5 dargestellt, wohin gegen die zur Realisierung der Motorfunktion notwendigen Komponenten in dem Stator 2 und dem Rotor 3 nicht dargestellt sind.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Regelkreises, welcher dem Umrichter 11 eine Soll-Speisefrequenz f_Soll vorgibt, kann an den Klemmen der Läuferwicklung 7 eine konstante Leerlaufspannung bereitgestellt werden, die insbesondere unabhängig von der mechanischen Drehzahl des Läufers 3 ist. Zu diesem Zweck ist ein Drehzahlsensor 9, zum Beispiel in Gestalt eines Tachogenerators oder eines Resolvers, zur Ermittlung der Drehzahl des Läufers 3 vorgesehen, der durch einen in der Figur nicht darstellten Antrieb in Bewegung gesetzt ist oder wird. Der Drehzahlsensor 9 gibt ein, der Drehzahl n entsprechendes Signal an eine Verarbeitungseinheit 10 ab, welche aus diesem gemäß Gleichung 5 eine Speisefrequenz ermittelt. Die Verarbeitungseinheit 10 kann in Gestalt eines herkömmlichen Mikrocontrollers ausgebildet sein. Alternativ ist die Verwendung eines so genannten d-Space-Systems oder eines DSP-Boards denkbar. Die Verarbeitungseinheit 10 dient dazu, aus dem ihr zugeführten Signal, das der Drehzahl n entspricht, die Soll-Speisefrequenz f_Soll, zu errechnen und ein entsprechendes Signal an einen Eingang (Steuerklemmen) des Umrichters 11 anzulegen. Die Frequenz f_Soll wird dem Umrichter 11 als Soll-Speisefrequenz zugeführt.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf:

– Die Realisierung des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems, bei dem eine konstante Spannung am Ausgang der Läuferwicklung unabhängig von einer Drehzahl des Läufers sichergestellt werden kann, weist den Vorteil auf, dass keine mechanischen Komponenten zur Energieübertragung, wie z. B. Schleifringe, notwendig sind. Ein erfindungsgemäßes Energieübertragungssystem kann deshalb in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, was bei herkömmlichen Energieübertragungssystemen unter Verwendung von Schleifringen nicht möglich ist.
– Das Energieübertragungssystem ist mit separaten Drehübertragen (Antrieben) oder alternativ mit solchen Drehübertragern realisierbar, die in das Aktivteil einer anderen Maschine integriert sind.
– Die Spannungshöhe am Ausgang der Läuferwicklung kann frei gewählt werden und ist zudem während des Betriebs der Antriebsmaschine änderbar.
– Es besteht die Möglichkeit, das Reaktionsdrehmoment gezielt minimieren zu können. Dies ist mit einem Schlupf s > 1 realisierbar.
– Zur Regelung des Umrichters ist keine Sensorik auf dem sich bewegenden Teil, dem Läufer, notwendig. Somit müssen auch keine Signale von dem Läufer auf den Stator oder ein anderes Maschinengehäuseteil übertragen werden. Ausreichend ist vielmehr ein beliebiges Drehzahlsignal.
– Die Relativbewegung zwischen dem Läufer und dem Ständer ist vorzugsweise rotatorisch, sie kann jedoch auch linear sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005024203 A1 [0020]

Claims

Elektrische Antriebsmaschine (1) aus einem Stator (2) und einem Läufer (3), die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieübertragungssystem (5) zur elektrischen Energieversorgung einer Last (8) auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer konstanten Versorgungsspannung für die Last (8) ein Regelkreis für einen Umrichter (11) des Energieübertragungssystems (5) vorgesehen ist, wobei eine Drehzahl (n) des Läufers (3) als Steuergröße für die an einer Wicklung (7) des Läufers (3) abgreifbare Versorgungsspannung dient.
Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis eine Vorrichtung zur, insbesondere drahtlosen, Erfassung einer Drehzahl (n) des Läufers (3) umfasst.
Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl (n) des Läufers (3) als Tachogenerator, Inkrementalgeber oder Resolver ausgebildet ist.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis eine Verarbeitungseinheit (10) umfasst, die mit der Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl (n) gekoppelt ist, wobei der Verarbeitungseinheit (10) von der Vorrichtung ein der Drehzahl (n) entsprechendes Signal zur Ermittlung einer Speisefrequenz zuführbar ist.
Antriebsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umrichter (11) des Energieübertragungssystems (5) die von der Verarbeitungseinheit (10) ermittelte Frequenz als Sollfrequenz (f_Soll) zuführbar ist.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung elektrischer Energie auf die Last (8) induktiv ausgeführt wird.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Last (8) und einem Wicklungssystem (7) des Energieübertragungssystems (5), das auf dem Läufer (3) angeordnet ist, ein Spannungszwischenkreis vorgesehen ist, an den die Last (8) angeschlossen ist.
Antriebsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Spannungszwischenkreis bereit gestellte Spannung auf einen konstanten Wert geregelt ist.
Antriebsmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungszwischenkreis einen Gleichrichter sowie einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller umfasst.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Antriebssystem und des Energieübertragungssystems (5) in einem gemeinsamen Aktivteil untergebracht sind.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung elektrischer Energie induktiv ausgeführt ist.
Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entkoppelte Betrieb der Teilfunktionen durch eine geeignete Wahl der Wicklungsparameter der Wicklungen von Motorsystem einerseits und Energieübertragungssystem (5) andererseits erreicht ist.