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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine mit einem bewegbaren
Werkzeug gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Des Weiteren bezieht sie sich auf ein Verfahren
zum Betreiben einer derartigen Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Werkzeugmaschinen
mit elektromotorisch angetriebenen Werkzeugen sind im Stand der
Technik weit verbreitet. Werden mit diesen Werkzeugen periodisch
wiederkehrende Bewegungen ausgeführt, wie
es in der Regel bei Präge-,
Stanz- oder Perforiermaschinen der Fall ist, so müssen während eines
Arbeitszyklus nicht nur positive, sondern auch negative Beschleunigungskräfte auf
das Werkzeug übertragen
werden. Das heißt,
das Werkzeug wird immer wiederkehrend unter Zufuhr kinetischer Energie
beschleunigt und unter Entnahme kinetischer Energie abgebremst.
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Zur
Erfüllung
dieser Doppelfunktion werden in Antriebssträngen moderner netzbetriebener
Werkzeugmaschinen heute meist hochdynamische Servomotoren eingesetzt,
die sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden können. Solche
Servomotoren arbeiten im Antriebsbetrieb als normale Elektromotoren,
während
sie im Bremsbetrieb nach Wechsel der Drehrichtung und des Drehmoments
als Elektrogeneratoren verwendet werden, wodurch eine elektrische
Abbremsung der Werkzeugbewegung ermöglicht wird. Die beim Bremsvorgang
freigesetzte kinetische Energie, die sogenannte Bremsenergie, wird
dabei in dem generatorbetriebenen Servomotor wieder in elektrische
Energie umgesetzt.
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Zur
Steuerung der Drehzahl werden die Servomotoren heute überwiegend
mit Frequenzumrichtern betrieben. Die im Bremsbetrieb von dem Servomotor
erzeugte elektrische Energie wird dabei in den Gleichspannungszwischenkreis
des Frequenzumrichters zurückgeführt. Die
Spannung im Gleichspannungszwischenkreis darf aber im generatorischen Bremsbetrieb
einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, um keine ernsthaften
Schäden
aufgrund von Überspannungen
in der Leistungselektronik hervorzurufen.
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Um
die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis auch im generatorischen
Bremsbetrieb noch auf einem vorgegebenen Sollwert auszuregeln, ist
es bekannt, die in den Zwischenkreis zurückgespeiste überschüssige elektrische
Energie durch eine Chopper-Steuerung
(Bremschopper) auf einen externen Bremswiderstand abzuleiten und
dort in Wärme
umzusetzen. Zwar kann der Antrieb dadurch kontrolliert abgebremst
werden, jedoch wird die beim Bremsen erzeugte wertvolle elektrische
Energie auf verschwenderische Art und Weise nur in Wärme umgewandelt
und irreversibel an die Umgebung abgestrahlt, anstatt sie für Antriebsarbeit
zu nutzen.
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Ein
Energieeinsparpotential bieten hingegen aus dem Stand der Technik
bekannte rückspeisefähige Frequenzumrichter,
die, wie ihr Name schon sagt, die Energie in das Netz zurückführen. Ein
großer Nachteil
solcher Lösungen
ist aber, dass sie das Einspeisenetz ”verschmutzen”, da Frequenzumrichter im
Netz Oberschwingungen verursachen, die besonders schädlich sind,
da sie andere, am gleichen Netz angeschlossene Geräte stören können. Aus
diesem Grund sind solche Rückspeisungen
in das öffentliche Netz
oft unerwünscht,
weil sie Netzstörungen
bewirken und eine sichere lokale Energieversorgung gefährden können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine
der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass ein möglichst
großer
Teil der Bremsenergie für
den Werkzeugantrieb zurückgewonnen
werden kann. Auch ist es die Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer
Werkzeugmaschine zu schaffen, mit dem eine wirksame Bremsenergierückgewinnung
ermöglicht wird.
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Gelöst werden
diese Aufgaben mittels einer Werkzeugmaschine gemäß Anspruch
1 sowie eines Verfahrens zum Betreiben einer Werkzeugmaschine nach
Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine lässt sich
mittels einer vergleichsweise wenig aufwändigen, platz- und gewichtssparenden
Zusatzeinrichtung zur Zwischenspeicherung und Rückführung der Bremsenergie mit
deutlich verbesserten Wirkungsgraden und entsprechend geringerem
Stromverbrauch betreiben. Als Zwischenspeicher für die Bremsenergie wird dabei
ein einfacher Schwungradenergiespeicher verwendet, der sich in Relation
zu anderen Speichertechnologien (z. B. Kondensatoren, Batterien
oder Akkumulatoren) durch seine lange Lebensdauer und durch seine
leichte Regelbarkeit hinsichtlich der Leistungsaufnahme und der
Leistungsabgabe vorteilhaft auszeichnet.
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Über einen
zusätzlichen,
situationsbedingt als Motor oder Generator verwendbaren Servomotor lässt sich
der Schwungradenergiespeicher kurzfristig auf- bzw. entladen, wobei
sich vorteilhafterweise die speicherbare Energie und die geplante
Leistungsabgabe durch eine zentrale Steuereinheit regeln lassen.
Der Füllgrad
des Energiespeichers ist dabei aus der Drehzahl des Schwungrades
für die
Steuereinheit sofort erkennbar. Die vom Schwungradenergiespeicher
noch aufzunehmende oder wieder abzugebende elektrische Energie wird
durch die Steuereinheit anhand des Spannungsniveaus im Gleichspannungskreis
reguliert. Hierdurch lässt
sich in einfacher Weise eine an die tatsächlichen Verhältnisse
angepasste verlustoptimierte Steuerung erzielen.
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Die
mechanische Kopplung zwischen Servomotor und Energiespeicher kann
in einer bevorzugten Ausführungsform
durch drehfeste Anbringung des mindestens einen Schwungrades auf
der Rotorwelle des Servomotors realisiert sein. Diese Direktanbindung
ist besonders einfach, kompakt und verlustarm, da kein zwischengeschaltetes
Getriebe zwischen dem Servomotor und dem Schwungradenergiespeicher
vorgesehen werden muss.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
rotiert das Schwungrad in einem evakuierten Gehäuse, um die Verluste durch
Luftreibung zu unterdrücken.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mit dem Gleichspannungskreis
eine Bremswiderstand-Chopper-Baugruppe gekoppelt, welche eine Sicherheitsfunktion
ausfüllt,
indem sie im Gleichspannungskreis auftretende Spannungsspitzen,
die z. B. aus Fehlfunktionen, aus äußeren Einflüssen (Blitzschlag) oder bei
abrupter Bremsung nach Stromausfall oder Nothalt resultieren und
die vom Energiespeicher zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie
nur teilweise aufgenommen werden können, ableitet und in Wärme umwandelt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung die Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Karrenbalkenstanze
mit eingebauter Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung,
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2 in
vergrößerter Einzeldarstellung
eine perspektivische Ansicht auf die in der Karrenbalkenstanze nach 1 verwendete
Einrichtung zur Bremsenergie-Rückgewinnung,
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3 das
elektrische Schema des Antriebs- und Bremssystems der Karrenbalkenstanze
aus 1.
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In 1 ist
eine Karrenbalkenstanze 1 veranschaulicht, die eine Rückgewinnung
und Nutzung der bei Bremsungen während
des Stanzbetriebs auftretenden Bremsenergien erlaubt. Die vorliegende Erfindung
sieht vor, bestehende Werkzeugmaschinen 1 nachträglich mit
einer noch nachfolgend zu beschreibenden Einrichtung 7 zur
Bremsenergierückgewinnung
auszurüsten,
ohne dass hierbei grundlegende Änderungen
am mechanischen Aufbau dieser Werkzeugmaschinen 1 nötig werden.
Die Karrenbalkenstanze 1 gemäß 1 weist
daher in bekannter Weise ein ortsfestes Grundgestell 22 mit
einer linken Gestellsäule 23 und
einer rechten Gestellsäule 24 auf,
die oben durch ein Joch 25 und im Abstand darunter durch
eine den Stanztisch bildende Traverse 26 miteinander verbunden
sind. In einer Führung 27 des Jochs 25 ist
ein Stanzkarren 28 horizontal beweglich gelagert, welcher
mittels eines nicht dargestellten elektrischen Transportantriebs
längs der
Führung 27 verfahren
wird. In dem Stanzkarren 28 befindet sich der Hydraulikantrieb
für ein
in dem Stanzkarren 28 vertikal bewegliches Stanzwerkzeug 2.
Den Flüssigkeitsdruck
für den
Hydraulikantrieb des Stanzwerkzeugs 2 liefert eine nicht
dargestellte elektrisch angetriebene Hydraulikpumpe.
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Das
elektrische Antriebssystem der Hydraulikpumpe weist dabei einen
in 1 ebenfalls nicht erkennbaren Elektromotor auf,
der über
seine Antriebswelle mit der Hydraulikpumpe verbunden ist. Durch
eine an der linken Seite des Grundgestells 22 in einem
Schaltschrank 29 enthaltene elektrische Steuerung kann
der Elektromotor der Hydraulikpumpe derart gesteuert werden, dass
das Stanzwerkzeug 2 eine nach unten gerichtete Hubbewegung
gegen die den Stanztisch bildende Traverse 26 ausübt, auf
welcher das auszustanzende Material ausgebreitet wird. Das Stanzwerkzeug 2 wird
zur Ausführung des
Stanzhubes über
die vom Elektromotor angetriebene Hydraulikpumpe beschleunigt, wobei
kurz vor Abschluss des Stanzhubes – etwa 50 mm vor Auftreffen
des Stanzwerkzeugs 2 auf dem Stanztisch 26 – dessen
Bremsung eingeleitet werden muss, damit sich das Stanzwerkzeug 2 nach
dem Durchstanzen des auf dem Stanztisch 26 gelegenen Materials
wieder im Stillstand befindet, so dass es nachfolgend mittels des
Transportantriebs an eine andere Horizontalposition zur Ausführung des
nächsten
Stanzhubes verfahren werden kann. Da das Stanzwerkzeug 2 eine
große
Trägheitsmasse
darstellt, sind die bei jedem Stanzzyklus anfallenden Bremsenergien erheblich,
und es wäre
zur Steigerung des Wirkungsgrades einer solchen Karrenbalkenstanze 1 wünschenswert,
die Bremsenergie wieder zum Antreiben des nachfolgenden Stanzhubes
nutzbar zu machen, anstatt sie beispielsweise in Form von Bremswärme jedes
Mal ungenutzt zu verschwenden.
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3 veranschaulicht
das elektrische Antriebs- und Bremssystem 3 der Karrenbalkenstanze 1 aus 1,
mit dem eine solche Wirkungsgradsteigerung durch Zwischenspeicherung
und Rückführung der
Bremsenergie erreicht wird. Der Antrieb des Stanzwerkzeugs 2 erfolgt
hier auf schematisch dargestellte Weise durch einen Servomotor 4.
Dieser Servomotor 4 bildet eine zusätzliche, vom oben erläuterten
Elektromotor der Hydraulikpumpe unabhängige Antriebseinheit für die Hubbewegung
des Stanzwerkzeugs 2. Zu diesem Zweck ist der Servomotor 4 derart
mit dem Stanzwerkzeug 2 gekoppelt, dass die lineare Hubbewegung
vom Stanzwerkzeug 2 auf den Servomotor 4 sowie
umgekehrt übertragbar ist.
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Beispielsweise
kann diese Kopplung rein mechanisch durch eine Getriebekombination
aus Zahnrad und Zahnstange realisiert sein, die dazu dient, die
Drehbewegung des Servomotors 4 in die lineare Hubbewegung
des Stanzwerkzeugs 2 umzuwandeln und umgekehrt. Vorstellbar
und im Rahmen der Erfindung liegend wäre es aber auch die Kopplung
zwischen Stanzwerkzeug 2 und Servomotor 4 auf
fluidtechnischem Wege zu erzielen. Das beim Absenken des Stanzwerkzeugs 2 durch
das Hydrauliksystem der Karrenbalkenstanze 1 strömende Fluid kann über eine
zusätzliche
Pumpe geleitet werden, die wiederum mit dem Servomotor 4 mechanisch
gekoppelt ist, so dass die bei der Bewegung des Stanzwerkzeugs 2 auftretenden
Strömungen
des Hydraulikfluids zur Erzeugung der Rotationsbewegung des Servomotors 4 ausgenutzt
werden können.
Der Vorteil einer solchen Lösung
gegenüber
der rein mechanischen Kopplung besteht darin, dass der Servomotor 4 nicht
im Stanzaggregat 35 angeordnet sein muss, sondern irgendwo
in das hydraulische System integriert sein kann.
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In 3 ist
aber in sehr vereinfachter Darstellung das Stanzwerkzeug 2 als
direkt an den Servomotor 4 angeschlossene Lineareinheit
dargestellt, da mit 3 nicht auf die exakte Wiedergabe
des mechanischen oder hydraulischen Aufbaus sondern vielmehr auf
die elektrische Interaktion der erfindungsrelevanten Komponenten
abgestellt wird. Demzufolge könnte
es sich bei diesem Servomotor 4 durchaus auch um den oben
erläuterten,
horizontalen Transportantrieb des Stanzwerkzeugs 2 handeln, da
auch bei dieser Horizontalbewegung immer wiederkehrende Beschleunigungs-
und Bremskräfte
auf das bzw. vom Werkzeug 2 übertragen werden und die Erfindung
nicht auf eine bestimmte Antriebseinheit der Werkzeugmaschine 1 eingeschränkt ist.
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Dieser
das Stanzwerkzeug 2 allein oder unterstützend antreibende Servomotor 4 wird über einen
ersten Wechselrichter 5 aus einem Gleichspannungskreis 6 gespeist,
wobei der Wechselrichter 5 die Gleichspannung 14 in
eine Wechselspannung gewünschter
Frequenz- und Stromstärke umwandelt, um
den angeschlossenen Servomotor 4 zu betreiben. Der Gleichspannungskreis 6 wird
wiederum über
einen Netzgleichrichter 20 aus einem Wechselspannungsnetz 21 mit
Spannung und Leistung versorgt.
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Um
eine Rückspeisung
der Bremsenergie in den Gleichspannungskreis 6 zu ermöglichen,
ist der mit dem Stanzwerkzeug 2 verbundene Servomotor 4 mit
zugehörigem
Wechselrichter 5 als elektrischer Motor-Generator ausgebildet,
d. h. im Antriebsbetrieb fungiert dieser Servomotor 4 zur Übertragung von
Leistung an das Stanzwerkzeug 2 als Elektromotor, und im
Bremsbetrieb dient dieser Servomotor 4 als elektrischer
Generator, der die beim Bremsen des Stanzwerkzeugs 2 abgebaute
Bewegungsenergie (Bremsenergie) als elektrischen Strom zurückgewinnt.
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Die
Umpolung des Servomotors 4 zum Wechsel zwischen Motor-
und Generatorbetrieb erfolgt in Anpassung an die gewünschte Bewegungskurve
des Stanzwerkzeugs 2 durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung,
die den Wechselrichter 5 des Servomotors 4 ansteuert.
Zum Antrieb des Stanzwerkzeugs 2, z. B. zur Einleitung
der vertikalen Hubbewegung, wird der Netzgleichrichter 20 aktiviert und
der Gleichspannungskreis 6 mit Gleichspannung 14 versorgt.
Der Wechselrichter 5 ist so angesteuert, dass der angeschlossene
Servomotor 4 als Elektromotor arbeitet und aus dem Gleichspannungskreis 6 Leistung
aufnimmt, um diese in die gewünschte
Bewegung des Stanzwerkzeugs 2 umzusetzen. Nach einem vollen
Hub des jeweiligen Stanzwerkzeugs 2 wird dessen Bewegung
idealerweise allein durch den nun als Nutzbremse wirkenden Servomotor 4 elektrisch
abgebremst und die dabei in dem Servomotor 4 als Generator
erzeugte elektrische Bremsenergie wird über den Wechselrichter 5 in
den Gleichspannungskreis 6 zurückgespeist.
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Um
die aus dem Wechselspannungsnetz 21 entnommene Leistung
zu reduzieren und auch die Schwankungen dieser Leistungsentnahme
zu minimieren, gehört
zu dem Antriebs- und Bremssystem 3 außerdem eine Einrichtung 7 zur
Zwischenspeicherung und Rückführung der
Bremsenergie, die parallel zum Gleichspannungskreis 6 geschaltet
ist und aus einem Energiespeicher 8 mit mindestens einem Schwungrad 9,
aus einem ebenfalls als Motor oder Generator betreibbaren, zweiten
Servomotor 10 und aus einem zwischen Gleichspannungskreis 6 und zweitem
Servomotor 10 angeordneten, zweiten Wechselrichter 11 besteht.
Diese Einrichtung 7 zur Bremsenergiezwischenspeicherung
und -rückführung ist
in ihrer maschinentechnischen Umsetzung in 2 gezeigt,
wobei aber zunächst
anhand des elektrischen Schemas aus 3 ihre Funktionsweise
und Wechselwirkung mit den sonstigen Komponenten des Antriebs- und
Bremssystems 3 näher
erläutert
werden soll.
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In
der Einrichtung 7 zur Zwischenspeicherung und Rückführung der
Bremsenergie werden ebenfalls zwei Betriebszustände unterschieden. Im Ladezustand
wird der zweite Servomotor 10 als Elektromotor betrieben,
um eine festgelegte Drehzahl 13 zum Antrieb des Schwungrads 9 des
Energiespeichers 8 zu liefern, d. h. der Energiespeicher 8 wird
mit kinetischer Energie aufgefüllt.
Im Entladezustand wird der zweite Servomotor 10 als Elektrogenerator betrieben,
um unter Energieentnahme, d. h. unter Drehzahlreduzierung, elektrischen
Strom zu erzeugen, der über
den Wechselrichter 11 wieder in den Gleichspannungskreis 6 zurückgespeist
wird.
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Diese
Phasen der Energieaufnahme und Energieabgabe des Schwungradenergiespeichers 8 werden über eine
Steuereinheit 12 derart reguliert, dass während des
Bremsbetriebs des ersten Servomotors 4 die Ladung des Energiespeichers 8 unter Stromentnahme
aus dem Gleichspannungskreis 6 erfolgt und im Antriebsbetrieb
des ersten Servomotors 4 die Entladung des Energiespeichers 8 unter Stromeinspeisung
in den Gleichspannungskreis 6 und in den damit verbundenen
ersten Servomotor 4 stattfindet. Die Steuereinheit 12 ist
mit dem Wechselrichter 11 des Servomotors 10 der
Bremsenergierückgewinnungseinrichtung 7 verbunden
und so beschaffen, dass sie die Stromentnahme bzw. Stromeinspeisung
aus dem bzw. in den Gleichspannungskreis 6 in Abhängigkeit
vom Füllgrad 13 des
Energiespeichers 8, der sich leicht aus der Drehzahl des Schwungrades 9 ermitteln
lässt,
und in Abhängigkeit von
der am Wechselrichter 11 anliegenden Gleichspannung 14,
die der Spannung im Gleichspannungskreis 6 entspricht,
regelt.
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Fällt die
gemessene Spannung 14 im Gleichspannungskreis 6 unter
einen vorgegebenen Sollwert, wird der zweite Servomotor 10 im
Generatorbetrieb als Nutzbremse gefahren, d. h. das mindestens eine
Schwungrad 9 im Energiespeicher 8 wird unter Erzeugung
elektrischer Energie so lange abgebremst, bis die Spannung 14 im
Gleichspannungskreis 6 den ursprünglichen, zum Antrieb des ersten Servomotors 4 notwendigen
Wert erreicht hat. Steigt die Spannung 14 im Gleichspannungskreis 6 während des
Bremsbetriebs des ersten Servomotors 4 an, so wird durch
Verwendung des zweiten Servomotors 10 als Elektromotor
der Beschleunigungsvorgang für
das mindestens eine Schwungrad 9 des Energiespeichers 8 eingeleitet.
Das Schwungrad 9 wird dabei so lange beschleunigt, bis
die Spannung 14 im Gleichspannungskreis 6 den
ursprünglichen (Soll-)Wert
erreicht hat. Mit der Überwachung
der Drehzahl 13 des Schwungradenergiespeichers 8 wird
zudem sichergestellt, dass zu keinem Zeitpunkt eine vorgegebene
Maximaldrehzahl überschritten wird,
die die mechanische Integrität
des Schwungradenergiespeichers 8 gefährden würde.
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Um
auch noch bei Ausfall oder Wartung der Bremsenergiespeicher- und
-rückführungseinrichtung 7 oder
bei Erreichen der Speicherkapazität des Schwungradenergiespeichers 9 im
Falle von Lastspitzen (z. B. bei Stromausfall oder Nothalt) sicherzustellen,
dass die in den Gleichspannungskreis 6 zurückgespeiste
Energie, ohne Bauteile durch Überspannung
zu schädigen,
abgeleitet wird, ist parallel zum Gleichspannungskreis 6 eine
Bremswiderstand-Chopper-Baugruppe 17 angeordnet. Diese Baugruppe 17 wird
immer dann zugeschaltet, wenn die Spannung 14 im Gleichspannungskreis 6 einen vorgegebenen
Maximalwert übersteigt,
und ermöglicht
es, diese überschüssige Energie
am Bremswiderstand 18 in Wärme umzuwandeln und an die
Umgebung abzugeben.
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In 2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der maschinentechnischen Umsetzung der Einrichtung 7 zur
Zwischenspeicherung und Rückführung der
Bremsenergie in einer perspektivischen Einzeldarstellung veranschaulicht.
Diese Einrichtung 7 umfasst einen Servomotor 10,
der so auf drei Tragarmen 30 eines dreifüßigen Gestells 31 befestigt
ist, dass sich seine Rotorwelle 15 durch eine Lagerhülse 32 vertikal
nach unten in den Zwischenraum zwischen den drei Gestellfüßen 33 erstreckt,
wobei jeder Tragarm 30 an seinem Ende von einem Gestellfuß 33 abgestützt ist.
Die Lagerhülse 32 bildet
gleichzeitig den zentralen Verbindungspunkt der drei Tragarme 30,
die stirnseitig an der Außenfläche der
Lagerhülse 32 im
120-Grad-Winkelabstand angeschweißt sind. Auf der Rotorwelle 15 sind
zwischen den Gestellfüßen 33 wiederum
ein oder mehrere Schwungräder 9, die
vorzugsweise aus hochfesten, aber extrem leichten Kohlefaserringen
bestehen, drehfest angebracht. Die Schwungräder 9 sind allerdings
in 2 nicht erkennbar, weil sie sich innerhalb eines
diese umschließenden
hohlzylindrischen Gehäuses 16 befinden. Dieses
Schwungradgehäuse 16 dient
nicht nur zur sicheren Unterbringung der mit Drehzahlen von bis
zu 6000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Schwungräder 9,
sondern gleichzeitig auch als Vakuumgehäuse, damit an den Schwungrädern 9 im
Rotationsbetrieb keine unerwünschten
Energieverluste durch Luftreibung auftreten.
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Des
Weiteren sind an den Servomotor 10 und an das Schwungradgehäuse 16 verschiedene Sensoren 34 gekoppelt,
die zur Erfassung wichtiger Betriebsdaten wie Drehzahl 13,
Drehmoment und Temperatur dienen. Die Einrichtung 7 zur
Bremsenergiespeicherung und -rückführung ist
gemäß 1 auf
dem Jochende oberhalb der linken Gestellsäule 23 der Karrenbalkenstanze 1 befestigt,
wo keine schädlichen
Erschütterungen
auf die Einrichtung 7 einwirken können.
