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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Schnittsystem für Drahtbearbeitungsmaschinen,
mit einem Messerhalter, der ein beim Schnitt mit einem stationären
Gegenschneidewerkzeug zusammenwirkendes Messer trägt und
zur Ausführung einer hin- und hergehenden Bewegung mittels über
Verbindungsmittel an einen Exzenterzapfen oder eine Nockenscheibe
an einer Kurbelwelle angeschlossen ist, die ihrerseits von einem
Elektromotor angetrieben wird, wobei der Messerhalter bei seiner
hin- und hergehenden Bewegung in einer Führung gleitet,
die stationär angeordnet ist oder, bei starrer Verbindung
von Verbindungsmitteln und Messerhalter, um eine zur Drehachse der
Kurbelwelle parallele Achse frei verschwenkt werden kann.
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Üblicherweise
arbeiten bekannte Schnittsysteme für Drahtbearbeitungsmaschinen
(Federherstellungsmaschinen, Biegemaschinen, Richtmaschinen usw.)
mit schnell drehenden Synchron-Servomotoren und zusätzlich
mit entsprechenden Übersetzungsgetrieben, um die notwendigen
Schnittkräfte bereitstellen zu können.
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Allerdings
gibt es bereits ab relativ kleinem Drahtdurchmesser (etwa ab ca.
3 mm) bei den herkömmlichen Schnittsystemen gewisse Probleme:
Bei einem Draht mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Zugfestigkeit
von 2.300 MPa werden z. B. bereits Schnittkräfte von ca.
20 kN für den Schnitt benötigt. Beim Trennen eines
solchen Drahtes treten dann Schnittschläge auf, welche
die hochempfindlichen Gebersysteme der Servomotoren leicht zerstören können
und daher Sondermaßnahmen (wie ein Entkoppeln, Dämpfen
usw.) ergriffen werden müssen. Es erfordert allerdings
einen großen Aufwand und ist auch sehr teuer, solche Schnittkräfte über
Servomotoren mit entsprechenden Getrieben, Dämpfungen oder
Entkopplungen zu realisieren. Ab einer bestimmten Höhe
der Schnittkraft gibt es allerdings keine Servomotoren mit entsprechenden
Leistungswerten mehr, die eine sinnvolle Konstruktion ermöglichen.
Es muß daher in solchen Fällen auf eine Mehrfachanordnung
oder andere ungünstige Alternativen, wie einen hydraulischen
Antrieb o. ä., ausgewichen werden.
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Auch
gibt es ab einer bestimmten Größenordnung (Abtriebsmoment > 6.000 Nm) am Markt auch
keine spielarmen Planetengetriebe mehr, die aber notwendig wären,
damit sich die beim Schnitt auftretenden Schnittschläge
nicht negativ auf die Lebensdauer des gesamten Schnittsystems auswirken. Andererseits
geht beim Einsatz größer Übersetzungsgetriebe
(z. B. bei Verwendung schnell drehender Servomotoren) die gewünschte
Dynamik des Gesamtsystems verloren und die Dauer zur Durchführung
eines Schnittes wird deutlich erhöht.
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Schließlich
benötigen herkömmliche Schnittsysteme mit ihrem
Servomotor-Antrieb in der Regel ein hochempfindliches Gebersystem
zur Positionierung des Antriebs, das meist ganz hinten am Motor sitzt,
also dort, wo die Beschleunigungen am größten sind.
Solche hochempfindlichen Gebersysteme vertragen zwar Vibrationen
mit Beschleunigungen bis zu 50 g, die jedoch beim Schnitt des Drahtes
deutlich überschritten werden können, so daß gesonderte Maßnahmen
zur Entkoppelung notwendig werden.
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Aus
der
JP 2007-069251
A ist ein Schnittsystem für eine Drahtbearbeitungsmaschine
bekannt, bei dem die Kurbelwelle des Schnittsystems über
fünf sternförmig angeordnete, extrem trägheitsarme Werkzeugantriebsmotoren
angetrieben wird. Bei dieser bekannten Mehrmotorenlösung
ergibt sich jedoch ein erhöhter mechanischer Aufwand und
deutlich erhöhte Kosten.
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Aus
der
EP 0798058 B1 ist
eine Federwindemaschine bekannt, die mit einem hydraulischen Schnittantrieb
versehen ist. Dieser führt aber zu dem Nachteil der Notwendigkeit
des Vorsehens eines Hydrauliksystems in der Maschine und eines damit
verbundenen großen Aufwandes.
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Aus
der
DE 4138896 C2 und
der
DE 4040659 C1 sind
Drahtumformmaschinen bekannt, bei denen das eingesetzte Schnittsystem
für Rotationsschnitt und Geradschnitt mit schnell laufendem Servoantrieben
arbeitet. Um jedoch die hohen Drehzahlen derselben in die erforderlichen
Schnittkräfte umzusetzen, müssen die Servoantriebe
mit Übersetzungsgetrieben in Form vom Riementrieben arbeiten,
was zu den weiter oben für solche Schnittsysteme angegebenen
Nachteilen führt und außerdem einen großen
baulichen Aufwand mit einer Vielzahl von Einzelkomponenten erfordert.
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Demgegenüber
ist es nun Aufgabe der Erfindung, ein Schnittsystem für
Drahtbearbeitungsmaschinen zur Verfügung zu stellen, das
eine robuste, kostengünstige Antriebslösung realisiert,
ohne Übersetzungsgetriebe auskommt und eine freie Wahl
des Gebersystems (unabhängig vom Motorenhersteller) ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
dies bei einem Schnittsystem der eingangs genannten Art dadurch erreicht,
daß die Kurbelwelle direkt von einem Asynchronmotor angetrieben
wird, an den eine Schwungmasse angeschlossen ist, deren kinetische
Energie beim Auftreffen des Messers auf den Draht als Schnittkraft
freigegeben wird, wobei der Asynchronmotor je Schnittzyklus genau
eine Umdrehung (360°) ausführt und so angesteuert
wird, daß er nur bis zum Beginn des Schnitts beschleunigt
und nach erfolgtem Schnitt abgebremst wird.
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Während
bisher Asynchronmotoren als Antrieb für die Schnittsysteme
von Drahtbearbeitungsmaschinen nicht in Betracht gezogen wurden,
weil es sich dabei um relativ träge und langsamere Motortypen
handelt, wird bei der Erfindung erstmals diese Sichtweise verworfen
und damit die Möglichkeit gegeben, bei dem erfindungsgemäßen
Schnittsystem einen direkten Antrieb der Kurbelwelle durch den eingesetzten
Asynchronmotor vorzunehmen und auf die Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes vollständig
zu verzichten. Dabei wird der Asynchronmotor so geregelt, daß er
innerhalb einer Umdrehung die benötigte Schnittenergie
in Form von kinetischer Energie an der Schwungmasse zur Verfügung
stellt und sofort nach dem Schnitt die Restenergie wieder abgebremst
wird. Hierdurch wird ein im Aufbau relativ einfaches Schnittsystem
mit wenig Antriebskomponenten und unter Weglassung eines Übersetzungsgetriebes
geschaffen, bei dem gleichzeitig die Nutzung der kinetischen Energie
einer vom Asynchronmotor angetriebenen Schwungmasse zum Aufbau der
erforderlichen Schneidenergie eingesetzt wird. Bei Verwendung moderner
Asynchronmotoren ist es inzwischen möglich, das Beschleunigen,
Schneiden und Abbremsen des Schnittsystems innerhalb einer Motorumdrehung
und während ca. 320 ms vorzunehmen, wobei es sich bei dieser
Zeit noch nicht um eine Minimalzeit handelt, weil die Gesamtzeit
im wesentlichen durch die Reglergröße bestimmt
wird und auch eine weitere Reduzierung noch möglich erscheint. Andererseits
ist diese nicht so wichtig, weil z. B. der Federherstellungsprozeß deutlich
mehr Zeit in Anspruch nimmt als der reine Schnitt, und durch ein frühzeitiges
Starten des Schnittvorgangs (also etwa schon dann, wenn die Feder
noch nicht komplett fertig gewunden ist) die Stillstandzeit für
den Schnitt minimal gehalten werden kann. Sobald das Schnittmesser
den Drahtpfad wieder verlassen hat, kann bereits mit der Herstellung
der nächsten Feder begonnen werden (auch wenn das Schnittwerkzeug
seine Ruhestellung noch nicht erreicht hat).
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Schon
der direkte Anschluß des Asynchronmotors an die Kurbelwelle
zu deren Antrieb und das dadurch gegebene Entfallen eines Getriebes
führt zu einer deutlichen baulichen Vereinfachung gegenüber bekannten
Schnittsystemen, mit der gleichzeitig auch eine besonders robuste
Ausbildung des erfindungsgemäßen Schnittsystems
einhergeht. Dadurch, daß bei der Erfindung an den Asynchronmotor
eine vorbestimmte Schwungmasse angeschlossen ist, deren kinetische
Energie beim Auftreffen des Messers auf den Draht als Schnittkraft
freigegeben wird, in Verbindung mit der bei modernen Asynchronmotoren
gegebenen Möglichkeit, innerhalb kürzester Zeit
die Schwungmasse so zu beschleunigen, daß die für
den Schnittvorgang erforderliche kinetische Energie zur Verfügung
steht (die abhängig vom Durchmesser und der Zugfestigkeit
des zu trennenden Drahtes ist), läßt sich ein
wenig aufwendiger und preisgünstiger Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen
Schnittsystems erreichen. Das erfindungsgemäße
Schnittsystem gestattet den Einsatz einfacher, externer Gebersysteme
und muß nicht (wie bei Synchronservomotoren meist üblich)
mit in den Motor integrierten empfindlichen Gebern arbeiten. Dabei
können zur Positionsregelung des Asynchronmotors bevorzugt
Schaltnocken oder Näherungsschalter verwendet werden, bei
denen es sich um einfache, stoßunempfindliche Schaltelemente
handelt, die auch nahe der steifen Maschinenwand eingesetzt werden
können und damit nur geringeren Beschleunigungskräften
ausgesetzt sind. Diese externen, motorunabhängigen Geber,
zu denen auch magnetische Inkremetalgeber, induktive Geber o. ä.
gehören, sind robust, wobei trotz der auftretenden Schnittschläge
das Ausfallrisiko, verglichen mit dem der hochempfindlichen Gerbersysteme
beim Einsatz schnell laufender Servomotoren, ganz erheblich geringer
ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Schwungmasse
vom Rotor des Asynchronmotors gebildet werden, falls dieser von ausreichender
Masse ist.
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Eine
andere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin,
daß die Schwungmasse von der Kurbelwelle gebildet wird,
bei deren Ausgestaltung eine ausreichende Masse ohne Schwierigkeit
realisiert werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch noch
darin, daß als Schwungmasse ein separates Schwungrad eingesetzt
wird.
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Der
Antrieb des erfindungsgemäßen Schnittsystems erfolgt
bevorzugt derart, daß der Asynchronmotor, ausgehend von
einer Kurbelwellenstellung von 0°, im Bereich von 0° bis
180° beschleunigt und im anschließenden Bereich
bis 360° wieder abgebremst wird, wobei im Bereich von 160° bis
180° der Schnitt erfolgt und dabei die kinetische Energie
der Schwungmasse beim Auftreffen des Messers auf den Draht in Form
der Schnittkraft wieder freigegeben wird.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Beschleunigung
des erfindungsgemäßen Schnittsystems durch eine
Vektorregelung, die mittels einer internen Messung von Strom und Spannung
sowie der bekannten Motordaten des Asynchronmotors ermöglicht
wird. Die Vektorregelung führt zu einer höheren
Leistung (größeren Dynamik) eines für
den Betrieb des Asynchronmotors eingesetzten Frequenzumrichters
und daher gleichzeitig zu einer höheren Dynamik des Asynchronmotors selbst.
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Als
Verbindungsmittel zwischen Messerhalter und Exzenterzapfen der Kurbelwelle
können alle für die Umsetzung der Drehbewegung
der Kurbelwelle in eine hin- und hergehende Bewegung des Messerhalters
geeigneten Einrichtungen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt
werden die Verbindungsmittel in Form einer Pleuelstange oder einer
mit dem Exzenterzapfen der Kurbelwelle zusammenwirkenden Kulissenführung
ausgebildet. Gleichermaßen sind jedoch auch z. B. geeignete
Nockentriebe einsetzbar, bei denen an der Kurbelwelle ein Nocken
mit einer Steuerkurve vorgesehen ist und die Verbindungsmittel als
mit der Steuerkurve zusammenwirkende, an ihr stets und in jeder
Winkelstellung derselben in Anlagekontakt gehaltene Abtastelemente
(z. B. in Form von auf der Nockenfläche abrollenden Führungsrollen)
ausgebildet sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im Prinzip beispielshalber
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Schnittsystem in einer schematischen
Darstellung in Vorderansicht;
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2 das
erfindungsgemäße Schnittsystem aus 1,
aber in Seitenansicht;
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3 ein
Diagramm des Verlaufs der Motordrehzahl des Asynchronmotors über
der Zeit bei einem erfindungsgemäßen Schnittsystem,
und
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4 eine
teilweise geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen
Schnittsystems in perspektivischer Darstellung.
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Die 1 und 2 zeigen
in einer rein schematischen Darstellung ein Schnittsystem 1,
wobei 1 dieses in Vorderansicht und 2 in
Seitenansicht wiedergibt.
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Das
Schnittsystem 1 umfaßt einen Asynchronmotor 2,
der direkt, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes,
eine Kurbelwelle 3 antreibt (vgl. die teilweise geschnittene
Ansicht des Schnittsystems 1 in perspektivischer Darstellung
in 4).
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Die
Kurbelwelle 3 ist an ihrem dem Asynchronmotor 2 entgegengesetztem
axialen Ende mit einem Exzenterzapfen 4 versehen, an dem
ein Pleuel 5 angelenkt ist, das an seinem dem Exzenterzapfen 4 abgewandten
Ende an einem Messerhalter 6 angelenkt ist, der seinerseits
mit einem Messer 7 zur Ausführung des Schnitts
am Draht bestückt ist.
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Der
Messerhalter 6 läuft in einer als Lager dienenden
Führung 8, die in den 1 und 2 nur ganz
schematisch angedeutet ist und bei der es sich z. B. um eine Schlittenführung
handeln kann. Aber auch andere geeignete Möglichkeiten
eines Lagers bzw. einer Führung 8 können
in Betracht gezogen werden.
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Wenn
nun die Führung 8 aus einem gestellfest fixierten
Lagerelement besteht, führt bei einem Drehen der Kurbelwelle 3 der
Messerhalter 6 mit dem an ihm angebrachten Messer 7 eine
hin- und hergehende, reine Translationsbewegung (Geradschnitt) aus.
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Wird
die Führung 8 jedoch um eine Schwenkachse 9 drehbar
angeordnet, wie dies in 2 angedeutet ist, und sind Pleuel 5 und
Messerhalter 6 miteinander steif verbunden, in diesem Fall führt
bei einem Drehen der Kurbelwelle 3 der Messerhalter 6 mit
dem Messer 7 eine überlagerte Schwenk- und Translationsbewegung
aus, was zu einer ellipsenförmigen Bahnkurve des Messers 7 führt
(rotierender Schnitt).
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Denkbar
ist auch jede andere Art des Schnittes, z. B. ein Büchsenschnitt
o. ä., solange ausreichend Zeit zur Beschleunigung, Abbremsung
und Rückführung des Schnittsystems 1 bei
Betrieb zur Verfügung steht.
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Um
die für den Schnitt erforderliche Schnittenergie zur Verfügung
zu stellen, treibt der Asynchronmotor 2 eine Schwungmasse 10 an,
deren kinetische Energie beim Auftreffen des Messers 7 auf
den zu schneidenden Draht 11 in Form der Schnittkraft wieder
freigegeben wird. Der Draht 11 wird vom Messer 7 in
Zusammenwirken mit einem Gegenschneidewerkzeug 12 in Form
eines Dornes abgetrennt. Ist das Abtrennen des Drahtes 11 erfolgt,
muß die noch verbleibende kinetische Energie der Schwungmasse 10 wieder
abgebremst werden, was durch ein Abbremsen des Asynchronmotors 2 erfolgt.
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Die
Schnittenergie, die benötigt wird, um den Draht 11 zu
schneiden, hängt vom Durchmesser und der Zugfestigkeit
des abzuschneidenden Drahtes 11 ab. Aus dieser Schnittenergie
und der Trägheitsmasse des gesamten Schnittsystems 1 kann
die notwendige Drehzahl, auf die die Schwungmasse 10 vor dem
Schnitt beschleunigt werden muß, ermittelt werden.
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Als
Schwungmasse 10 läßt sich z. B. ein getrenntes
Schwungrad einsetzen. Bei der Ausführungsform der 1, 2 und 4 wird
als Schwungmasse 10 jedoch gleich die Kurbelwelle 3 verwendet.
Es bestünde auch die Möglichkeit, direkt den Rotor
des Asynchronmotors 2 als Schwungmasse 10 zu nutzen.
Die Größe der eingesetzten Schwungmasse 10 muß jedoch
so groß gewählt sein, daß die erforderliche
Schnittenergie mit einer im Drehzahlbereich des eingesetzten Asynchronmotors 2 liegenden
Drehzahl in Form kinetischer Energie zur Verfügung steht.
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Der
Betrieb des Asynchronmotors 2 erfolgt über einen
Frequenzumrichter oder, wie in 2 angedeutet, über
einen Servoverstärker 13 mit Netzversorgung 14.
Ferner ist ein berührungsfreies Gebersystem 15 vorgesehen,
bei dem es sich ganz grundsätzlich z. B. um einen magnetischen
Inkrementalgeber oder einen induktiven Geber o. ä. handeln
kann.
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Ein
solches Gebersystem wird jedoch für den Antrieb des Schnittsystems 1 nicht
grundsätzlich benötigt. Zur Lageregelung des Asynchronmotors 2 können
auch einfache stoßunempfindliche Schaltelemente (z. B.
Schaltnocken oder Näherungsschalter) betätigt
werden.
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Im
einfachsten Fall wird ein Schaltnocken eingesetzt, der die Nullstellung
des Asynchronmotors 2 definiert. Bei der Darstellung nach 4 ist,
im Unterschied zu der nach 2, ein Schaltnocken 15' an der
Kurbelwelle 3 angebracht, wobei auf die Darstellung des
mit ihm zusammenwirkenden Gegenelementes des Gebersystems verzichtet
ist. Als Erweiterung können weitere Schaltnocken vorgesehen
sein, z. B. einer vor dem Eintauchen des Messers 7 in den Drahtpfad
und ein weiterer Schaltnocken nach dem Auftauchen des Messers 7 aus
dem Drahtpfad, durch die ohne großen Aufwand eine Harmonisierung
bzw. Optimierung der Federherstellungszyklen möglich wird.
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Zum
Betrieb wird der Asynchronmotor 2 über einen Impuls
aktiviert (bestromt), wobei nach dem Passieren des jeweils entsprechenden
Schaltelementes die Bestromung gestoppt und das Schnittsystem 1 durch
Abbremsen des Asynchronmotors 2 abgebremst wird. Durch
den Einsatz mehrerer Schaltelemente können auch Zwischenpositionen
definiert werden.
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Der
Asynchronmotor 2, der kein hochgenaues Gebersystem benötigt,
läßt es auch zu, einfache Gebersysteme nahe der
(steifen) Maschinenwand einzusetzen, wodurch die benutzten Geber
nur geringeren Beschleunigungskräften ausgesetzt sind.
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3 zeigt
ein Diagramm des Verlaufs der Drehzahl U des Asynchronmotors 2 für
eine Umdrehung desselben, aufgetragen über der Zeit t.
Dabei sind die den Winkelstellungen der Kurbelwelle 3 bei 160° und
180° sowie 360° entsprechenden Zeiten angegeben.
Die Gesamtdauer dieser Umdrehung liegt bei 320 ms.
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Wie
aus 3 ersichtlich, führt das Schnittsystem
je Schnittzyklus genau eine Umdrehung um 360° aus. Während
dieser Umdrehung werden lediglich 20% zum Abtrennen des Drahtes 11 benötigt. Der
Schnitt erfolgt innerhalb einer Umdrehung des Asynchronmotors 2 bei
einer Kurbelwellenposition von 160° bis 180° und
benötigt keinerlei separates Getriebe. Im Bereich zwischen
0° und 180° wird der Asynchronmotor beschleunigt
und anschließend bis 360° abgebremst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-069251
A [0006]
- - EP 0798058 B1 [0007]
- - DE 4138896 C2 [0008]
- - DE 4040659 C1 [0008]