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Die Erfindung betrifft eine mehrpolige Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator zum Antrieb eines bewegbaren Elementes sowie ein System aus einer derartigen Synchronmaschine und einem derartigen Element.
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Bei Antriebsaufgaben ist es oftmals erforderlich, das angetriebene Objekt an beliebigen Stellen anzuhalten und in dieser Position zu halten, bis ein Kraftgrenzwert überschritten wird. Synchronmaschinen samt bewegbaren Elementen kommen auch für derartige Aufgaben zum Einsatz, bei denen das Element in einer Position mit einer Haltekraft (bzw. entsprechender „Losreißkraft”) gehalten werden soll, wie es beispielsweise bei automatisch betätigten Türen (z. B. für eine Befreiung) der Fall ist.
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Weit verbreiteter Stand der Technik ist es, das bewegbare Element (z. B. eine automatisch betätigte Tür) durch Ausüben einer Krafteinwirkung der Antriebseinheit in der festen Position (i. d. R. die Geschlossen-Position) zu halten. Dies verursacht aber über eine lange Haltedauer einen hohen, unerwünschten Energiebedarf. Weiterhin sind Systeme bekannt, die das bewegbare Element selbst oder einen zum Antrieb des Elementes verwendeten Zahnriemen bei z. B. geschlossener Position festhalten. Hierbei sind allerdings zusätzliche mechanische Teile und vor allem deren Montage und Justage „im Feld” nötig. Darüber hinaus wird bei magnetischen Haltevorrichtungen beim Losreißen ein unerwünschtes (Klack-)Geräusch freigesetzt.
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Bekannte Lösungen zum Halten eines Objektes sind:
- • Anwendung einer mechanischen Bremse (Pneumatik & Hydraulik eingeschlossen),
- • Anwendung einer magnetischen Bremse,
- • selbsthemmendes Getriebe,
- • Verriegelung des Getriebes,
- • Nutzung der systemimmanenten Reibung, auch in Verbindung mit einem Getriebe,
- • elektromagnetische Bremse (z. B. durch Kurzschluss der Wicklung eines DC-Motors),
- • Anlegen einer PWM (Pulsweitenmodulation) mit 50% Tastverhältnis und
- • Verwendung eines Positionsreglers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zum Halten eines bewegbaren Elementes in einer Halteposition anzugeben, die ohne spezielle Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Haltemomentes auskommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine mehrpolige Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator zum Antrieb zumindest eines bewegbaren Elementes, wobei ein Querschnitt und eine Anordnung der Pole derart ausgebildet sind, dass mittels eines Rastmomentes der Synchronmaschine in zumindest einer Halteposition eine Haltekraft zum Halten des Elementes auf das Element ausübbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein System mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.
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Synchronmaschinen weisen immer ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Rastmoment auf. Im Regelfall versucht man, dieses Rastmoment zu minimieren, da es eine Geräuschentwicklung sowie eine Momentenwelligkeit zur Folge hat. Eine Verringerung des Rastmomentes durch geänderte mechanische Konstruktion hat jedoch eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge, so dass man in der Realität immer einen Kompromiss zwischen diesen beiden Punkten finden muss.
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Wenn man nun die Rastmomente nicht wegminimiert, sondern stattdessen auf eine besonders starke Ausprägung Wert legt, so ergeben sich folgende Vorteile:
- • vergleichsweise hoher Wirkungsgrad und
- • hohes Haltemoment auch bei spannungs- und getriebeloser Synchronmaschine.
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Wenn man das Rastmoment bei Synchronmaschinen bewusst ausprägt, anstatt wegzuminimieren, kommt das Rastmoment auch bei getriebelosen Anwendungen in den Bereich eines DC-Motors mit z. B. 15:1-Schneckengetriebe. Dadurch entfällt die Notwendigkeit spezieller Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Haltemomentes.
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In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist die Synchronmaschine derart ansteuerbar, dass eine aufgrund des Rastmomentes auftretende Momentenwelligkeit kompensierbar ist. Die durch die starke Ausprägung des Rastmomentes verstärkt auftretende Momentenwelligkeit lässt sich durch eine bewusste Vorverzerrung des Ansteuersignals kompensieren. Die zuvor genannte Geräuschentwicklung ist eine Folge der Momentenwelligkeit, denn sie entsteht aufgrund wechselnder Kräfte im Motor. Hält man die Kraft jedoch konstant (z. B. durch sinusförmige Ansteuerung mit Kompensation der Rastmomente), so ergibt sich eine nur minimale Geräuschentwicklung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Querschnitt der Pole rechteckig ausgebildet. Hierdurch steigt die wirksame Fläche schlagartig an, wohingegen bei herkömmlichen Synchronmaschinen zur Verringerung des Rastmomentes der Querschnitt der Pole z. B. parallelogrammförmig gestaltet wird, so dass die wirksame Fläche eben nicht schlagartig, sondern allmählich ansteigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform stehen die Anzahlen der Pole im Rotor und im Stator in einem Verhältnis, das ein ganzzahliges Vielfaches ist. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass in einer Halteposition ein Pol einer Pollücke gegenübersteht, was zu einem reduzierten Rastmoment führen würde.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Pole rotationssymmetrisch angeordnet. Auch hierdurch wird auf eine starke Ausprägung des Rastmomentes Wert gelegt, während bei bekannten Lösungen durch eine gezielte Verschiebung von Polpaaren eine Verringerung des Rastmomentes erzielt wird, wie dies z. B. in der
DE 103 03 848 A1 beschrieben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das bewegbare Element zumindest als Teil zumindest eines automatisch betätigten Öffnungsmechanismus, insbesondere einer Aufzugstür, ausgebildet. Das bewegbare Element kann dabei ein Türmitnehmer/Gurtschloss sein, aber auch die Tür an sich, die in der Halteposition gehalten wird. Insbesondere bei derartigen Öffnungsmechanismen wie z. B. Türen ist es weit verbreitet, die Tür durch Ausüben einer Kraftentwicklung der Antriebseinheit in der Halteposition – in der Regel die Geschlossen-Position – zu halten. Die Bestromung des Antriebs während der Stillstandszeiten macht dabei einen erheblichen Anteil der Gesamtenergiekosten des Türsystems aus. Dieser wird bei dem erfindungsgemäßen System eingespart.
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Wenn während der Stillstandszeiten kein Motormoment anliegen muss, hat dies weitere Vorteile in Bezug auf die Ausnutzung des Antriebes, da das Haltemoment bis zu 50% des Nenndrehmomentes des Antriebes betragen kann. Hier kann dann der Antrieb entweder geringer dimensioniert werden, oder es kann eine höhere Performance zugelassen werden (z. B. Anzahl der Zyklen pro Stunde oder höhere Beschleunigung), ohne dass es zu einer thermischen Überlastung kommt.
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Speziell in Verbindung mit Getrieben lassen sich mit den erfindungsgemäßen Lösungen Antriebseinheiten aufbauen, die wesentliche Vorteile gegenüber denen aus dem Stand der Technik bekannten wie z. B. DC-Motoren haben:
- • gesteigertes Haltemoment,
- • gesteigerter Wirkungsgrad und damit weniger Verluste,
- • gesteigerte Lebensdauer durch Wegfall der Kollektoreinheit und
- • eine geringere Geräuschentwicklung.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine mehrpolige Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator zum Antrieb eines bewegbaren Elementes sowie ein System aus einer derartigen Synchronmaschine und einem derartigen Element. Um eine Lösung zum Halten eines bewegbaren Elementes in einer Halteposition anzugeben, die ohne spezielle Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Haltemomentes auskommt, wird eine Synchronmaschine vorgeschlagen, bei der ein Querschnitt und eine Anordnung der Pole derart ausgebildet sind, dass mittels eines Rastmomentes der Synchronmaschine in zumindest einer Halteposition eine Haltekraft zum Halten des Elementes auf das Element ausübbar ist. Speziell in Verbindung mit Getrieben lassen sich mit den erfindungsgemäßen Lösungen Antriebseinheiten aufbauen, die wesentliche Vorteile gegenüber denen aus dem Stand der Technik bekannten wie z. B. DC-Motoren haben:
- • gesteigertes Haltemoment,
- • gesteigerter Wirkungsgrad und damit weniger Verluste,
- • gesteigerte Lebensdauer durch Wegfall der Kollektoreinheit und
- • eine geringere Geräuschentwicklung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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