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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine derartige Antriebseinrichtung ist aus der
DE 43 39 099 A1 bekannt und umfasst eine gleichzeitige Regelung sowohl der Drehzahl als auch des Drehmoments eines Elektromotors. Hierzu weist die bekannte elektrische Antriebseinrichtung eine Drehmomentmesswelle auf, die Bestandteil einer dynamisch arbeitenden Drehmomentsteuerung ist.
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Generell ist es bekannt, Drehmomentenregelprozesse von Elektromotoren so zu realisieren, dass ein antreibender oder bremsender Motor im stromgeregelten Modus betrieben wird. Magnetische Rastmomente der Elektromotoren verursachen dabei Momentenschwankungen. Werden Elektromotoren mit angeflanschten Getrieben verwendet, so wird diese Art der Regelung ungenau, da auch bereits über eine Umdrehung des Getriebes die Reibmomente des Getriebes schwanken, was auch nachgeschaltete Regelkreise mit Drehmomentsensoren nicht mehr vollständig ausregeln können. Besitzt ein Elektromotor ein Getriebe mit einem großen Übersetzungsverhältnis von z.B. 20:1 oder 100:1, wobei der Elektromotor dabei ein definiertes Bremsmoment einregeln soll, so wird eine derartige Drehmomentregelung aufgrund kleinster Reibmomente komplett instabil.
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Weiterhin ist es bekannt, antreibende oder bremsende Elektromotoren auch im drehzahlgeregelten Modus zu betreiben. Dabei führen dann kleine Winkelfehler der Antriebe oder kleine Drehzahlschwankungen des Elektromotors bereits zu Drehmomentspitzen, die auch nachgeschaltete Regelkreise mit Drehmomentsensorik nicht mehr vollständig ausregeln können. Kleine Abweichungen der Drehzahlregelung führen somit zwangsläufig auch zu Abweichungen des Drehmoments vom Soll-Wert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Regelkreise der Drehzahlregelung und der Drehmomentregelung entkoppelt werden. Es wird somit eine elektrische Antriebseinrichtung ermöglicht, die auch dann eine präzise Regelung von Drehmomenten ermöglicht, wenn im Regelkreis Getriebe mit schwankenden Reibmomenten vorhanden sind. Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung ermöglicht es darüber hinaus, einer fast konstanten Drehzahl eines Motors hochfrequent ein Drehmoment aufzumodulieren. Somit wird insgesamt gesehen eine präzisere und dynamischere Drehmomentregelung gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht. Dies ist auch dann der Fall, wenn Getriebe mit großen Übersetzungsverhältnissen im Regelkreis vorhanden sind. Dies ermöglicht wiederum den Einsatz von kleineren Elektromotoren als bisher. Weiterhin werden Drehmomentrippel durch magnetische Rastmomente minimiert.
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Konkret schlägt es hierzu die Lehre des Anspruchs 1 vor, dass über einen mit dem Elektromotor oder dem Generator zumindest mittelbar verbundenen Übertragungsmechanismus ein auf dessen Antriebs- oder Abtriebselement wirkendes, regelbares Solldrehmoment erzeugbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Antriebseinrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung des Übertragungsmechanismus wird vorgeschlagen, dass dieser ein beweglich angeordnetes Element aufweist, das mit einem Stellmechanismus zusammenwirkt, der auf das Element eine einem Solldrehmoment zugeordnete Sollkraft ausübt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Stellmechanismus zur Einleitung eines Solldrehmoments auf den Übertragungsmechanismus dient.
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In einer ersten konkreten Ausgestaltung eines derartigen Stellmechanismus ist dieser als elektromechanischer Stellmechanismus in Form eines Tauchspulenaktors ausgebildet, dessen auf das Element wirkende Kraft mittels einer stromdurchflossenen Spule regelbar ist.
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In alternativer Ausgestaltung des Stellmechanismus weist dieser einen piezoelektrisch betätigbaren Aktor auf. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere sinnvoll, wenn höherfrequente Drehmomentprofile aufmoduliert werden sollen.
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Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Stellmechanismus sieht vor, dass das Element in Form eines schwenkbar gelagerten Hebels ausgebildet ist, und dass der Hebel vorzugsweise an einem ersten Endbereich mit dem Elektromotor und an seinem anderen Endbereich mit dem Stellmechanismus zumindest mittelbar in Wirkverbindung angeordnet ist
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Eine andere konstruktiv bevorzugte Variante sieht vor, dass das Abtriebselement über ein Riemenelement von dem Elektromotor antreibbar ist, wobei das Riemenelement über an dem beweglich angeordneten Element ortsfest angeordnete Umlenkräder geführt ist.
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Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn das beweglich angeordnete Element in Abhängigkeit der auf das Element einwirkenden Kraft zwischen zwei Positionen einstellbar angeordnet ist. Dabei nimmt das beweglich angeordnete Element die beiden Endpositionen üblicherweise nicht ein, da in den Endpositionen Drehmomentspitzen auftreten könnten, die nicht ausgeregelt werden können.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die beiden Endpositionen als mechanische Anschläge ausgebildet sind, wobei Erfassungsmittel zur Erfassung der Position des beweglich angeordneten Elements vorgesehen sind. Die Erfassung der Position des beweglichen Elements dient insbesondere der Erkennung der Annäherung an die oben genannten Endpositionen. Um ein Anschlagen an dem jeweiligen Endanschlag zu vermeiden, kann ggf. ein Drehzahlregler des Antriebs eingreifen und durch eine Drehzahlkorrektur das bewegliche Element wieder in seinen Arbeitsbereich bringen.
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Ein vorzugsweiser Anwendungsfall der soweit beschriebenen elektrischen Antriebseinrichtung besteht beim Einsatz als Teil einer Fertigungseinrichtung. Hierbei können beispielsweise Schraubprozesse oder ähnliches gleichzeitig drehmoment- und drehzahlgeregelt realisiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten elektrischen Antriebseinrichtung als Bestandteil einer Fertigungseinrichtung,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten elektrischen Antriebseinrichtung bei einem abgewandelten Stellmechanismus und
- 3 eine Prinzipdarstellung wesentlicher Komponenten der elektrischen Antriebseinrichtung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erste elektrische Antriebseinrichtung 10 als Bestandteil einer im Einzelnen nicht gezeigten Fertigungseinrichtung dargestellt. Die elektrische Antriebseinrichtung 10 umfasst einen Elektromotor 12, beispielsweise einen Gleichstrom- oder Drehstromelektromotor, der über ein Getriebe 14 mit einem relativ großen Übersetzungsverhältnis von beispielsweise zwischen 1:20 und 1:100 zum Antreiben eines Abtriebselements 16 in Form beispielsweise eines Schraubkopfes oder ähnlichem dient. Ein nicht gezeigtes Antriebselement ist durch die mit dem Getriebe 14 verbundene Welle des Elektromotors 12 gebildet.
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Der Elektromotor 12 ist einerseits in einer Lagerplatte 20 in vertikaler Richtung gesichert aufgehängt, und andererseits ist dessen aus dem Getriebe 14 ragende Abtriebselement 16 über einen Übertragungsmechanismus 1 mit einem Hebel 22 in Form einer Platte 23 mit einem Aktor 25 in Wirkverbindung angeordnet. Der Aktor 25 ist in Form eines Tauchspulenaktors 26 ausgebildet, wobei an dem dem Elektromotor 12 abgewandten Endbereich des Hebels 22 bzw. der Platte 23 ein stangenförmiges Element 28 angeordnet ist, dessen Position über eine Bestromung des Aktors 25 veränderbar ist. Die Position des Hebels 22 ist über eine Sensoreinrichtung 30 erfassbar, wobei der Hebel 22 zwischen zwei, als mechanische Endanschläge 33, 34 ausgebildete Elemente schwenkbar angeordnet ist. Dem aus dem Getriebe 14 herausragenden Abtriebselement 16 ist ein Drehmomentsensor 35 zur Erfassung des Drehmoments des Abtriebselements 16 zugeordnet.
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Der Elektromotor 12 arbeitet im drehzahlgeregelten Modus, wozu der Elektromotor 12 mit einem Drehzahlsensor 36 als Bestandteil dessen Drehzahlregelung in Wirkverbindung angeordnet ist. Die Einleitung eines gewünschten Solldrehmoments MS erfolgt über den Hebel 22, an welchem der Aktor 25 eine Kraft F, beispielhaft in Richtung zum Hebel 22 einleitet, die über den Hebelarm bzw. die Länge des Hebels 22 auf den Elektromotor 12 wirkt und somit das Solldrehmoment MS definiert. Der Aktor 25 wird in einem stromgeregelten Modus betrieben, was den positiven Effekt hat, dass die erzeugte Lorenzkraft in der Tauchspule des Aktors 25 proportional zum Strom ist, der durch die Tauchspule des Aktors 25 hindurchfließt. Damit ist das eingestellte Drehmoment auch proportional zu dem Strom durch die Tauchspule. Die Position des Hebels 22, an den der Aktor 25 seine Kraft F einleitet, wird mittels der Sensorik 30 erfasst. Die Position des Hebels 30 wird einer Steuer- und Regeleinheit 40 als Eingangsgröße zugeführt bzw. von dieser überwacht (3), wobei sich die Position des Hebels 22 beim Prozess der Drehmomentregelung stets zwischen den beiden Endanschlägen 33 und 34 befinden muss. Vorzugsweise gelangt der Hebel 30 dabei zur Vermeidung von Drehmomentspitzen nicht in Kontakt mit den Endanschlägen 33, 34. Hierzu kann ggf. die Regeleinheit 40 über eine Leistungselektronik 65 eine entsprechende Drehzahlkorrektur des Elektromotors 12 vornehmen.
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In der 2 ist eine elektrische Antriebseinrichtung 10a dargestellt, die eine von einem lediglich symbolisch dargestellten, drehzahlgeregelten Elektromotor 12a angetriebene Antriebsriemenscheibe 42 umfasst. Diese Antriebsriemenscheibe 42 wirkt über einen als Übertragungselement dienenden Riemen 44, beispielsweise einen Zahnriemen, auf eine Abtriebsriemenscheibe 46 als Abtriebselement. Weiterhin ist der Riemen 44 über vier ortsfest angeordnete Riemenscheiben 47 bis 50 geführt. Anstelle des Hebels 22 bei der elektrischen Antriebseinrichtung 10 findet bei der elektrischen Antriebseinrichtung 10a ein Übertragungsmechanismus 1a mit einem verschiebbaren Schlitten 52 Verwendung, der in Richtung des Doppelpfeils 53 längsverschiebbar angeordnet ist. An dem Schlitten 52 sind beispielhaft zwei weitere Riemenscheiben 54, 55 befestigt, um die der Riemen 44 geführt ist. Der eine Endbereich 58 des Schlittens 52 ist wiederum mit dem Aktor 25, der in Analogie zu dem Aktor 25 bei der elektrischen Antriebseinrichtung 10 ausgebildet sein kann, angeordnet.
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Die Wellen 60, 61 der Antriebsriemenscheibe 42 bzw. der Abtriebsriemenscheibe 46 laufen bereits drehzahlgeregelt bzw. synchronisiert. Wird nun der Schlitten 52 in eine Richtung des Doppelpfeils 53 seitlich mit einer definierten Kraft F,_hervorgerufen durch den Aktor 25, verschoben, so stellt sich an der Antriebsriemenscheibe 42 und der Abtriebsriemenscheiben 46 ein Drehmoment ein. Laufen die Antriebsriemenscheibe 42 und die Abtriebsriemenscheibe 46 mit leicht unterschiedlichen Drehzahlen, wobei der Aktor 25 den Schlitten 52 mit der definierten Kraft F beaufschlagt wird, so wandert der Schlitten 52 langsam entsprechend der Richtung der Kraft F in die eine bzw. andere Richtung, das Solldrehmoment Ms an der Abtriebsriemenscheibe 46 bleibt jedoch konstant.
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Zuletzt sind in der 3 die wesentlichen Bestandteile der elektrischen Antriebseinrichtung 10 in Form eines Blockschaltbilds dargestellt. Insbesondere erkennt man zum einen den Elektromotor 12, der über die Leistungselektronik 65 zur Drehzahlregelung verfügt. Diese Leistungselektronik 65 wird von der Steuer- und Regeleinheit 40 angesteuert. Die Steuer- und Regeleinheit 40 ist auch in Wirkverbindung mit dem Drehmomentsensor 35 sowie der Sensorik 30 angeordnet. Der Aktor 25 ist mit einer Leistungselektronik 68 zur Ansteuerung des Aktors 25 verbunden, welche wiederum über die Steuer- und Regeleinrichtung 40 betätigt wird.
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Die soweit beschriebene elektrische Antriebseinrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist es denkbar, dass anstelle des Elektromotors 12, 12a ein Generator Verwendung findet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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