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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Reihenschlussmotor, der zum Antreiben der Werkzeugmaschine vorgesehen ist, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Werkzeugmaschine.
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Werkzeugmaschinen werden häufig mit Reihenschlussmotoren angetrieben. Ein Reihenschlussmotor umfasst üblicherweise eine Erregerspule, die mit einer Ankerspule in Reihe geschaltet ist, welche wiederum einen Anker des Reihenschlussmotors umwickelt. Der Anker des Reihenschlussmotors steht mit einer Welle des Reihenschlussmotors in Verbindung, um beispielsweise ein Werkzeug der Werkzeugmaschine anzutreiben. Ein solcher Reihenschlussmotor eignet sich zum Antreiben eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine, da er bei geringen Drehzahlen, d.h. ab dem Stillstand des Werkzeugs, ein hohes Drehmoment ausüben kann.
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Bei einigen Anwendungen von Werkzeugmaschine mit Reihenschlussmotoren ist es jedoch erforderlich, das Werkzeug der Werkzeugmaschine und somit den Reihenschlussmotor innerhalb einer kurzen Zeitdauer abzubremsen, beispielsweise innerhalb weniger Sekunden. Das Abbremsen des Reihenschlussmotors kann prinzipiell mit mechanischen Bremssystemen erfolgen, was jedoch mit Abnutzung und Verschleiß verbunden ist. Ferner sind elektronische Bremssysteme für Reihenschlussmotoren bekannt, bei denen entweder die Ankerspule kurzgeschlossen wird und eine definierte Bestromung der Erregerspule mittels einer Netzspannung erfolgt oder die Erregerspule in einen Generatorbetrieb umgeschaltet wird, wobei jedoch eine Begrenzung des Stroms durch die Ankerspule und damit eine Begrenzung des erreichbaren Bremsmoments erforderlich ist. Die bekannten elektronischen Bremssysteme für Reihenschlussmotoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Umwandlung der Rotationsenergie des Ankers in Wärme eine erhebliche Wärmeentwicklung in der Elektronik und in der Peripherie des Reihenschlussmotors bewirkt. Die bekannten elektronischen Bremssysteme erfordern daher eine geeignet dimensionierte Kühlung. Außerdem kann eine Überbeanspruchung elektronischer Bauteile auftreten.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Werkzeugmaschine mit einem Reihenschlussmotor und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen zu schaffen, bei denen eine Abbremsung des Reihenschlussmotors innerhalb einer kurzen Zeitdauer ohne besondere Anforderung an die Kühlung des Reihenschlussmotors möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine umfasst einen Reihenschlussmotor, der zum Antreiben der Werkzeugmaschine vorgesehen ist. Der Reihenschlussmotor weist einen Anker mit einer Ankerspule, eine erste Erregerspule, eine zweite Erregerspule und eine Steuereinheit auf. In einem Antriebsmodus steuert die Steuereinheit die erste und die zweite Erregerspule derart an, dass diese gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden und ein Magnetfeld zum Antreiben des Ankers erzeugen. In einem Bremsmodus hingegen steuert die Steuereinheit die erste und die zweite Erregerspule derart an, dass die erste und zweite Erregerspule zumindest für eine vorbestimmte Zeitdauer, insbesondere wiederholt, gegensinnig von einem Strom durchflossen werden, um dadurch das Magnetfeld, das durch die erste und die zweite Erregerspule erzeugt wird, zum Abbremsen des Ankers zu regeln.
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Erfindungsgemäß ist die in herkömmlichen Reihenschlussmotoren vorgesehene Erregerspule auf die erste und zweite Erregerspule aufgeteilt. Die erste und zweite Erregerspule sind bevorzugt magnetisch gekoppelt (siehe unten). Da die erste und die zweite Erregerspule im Antriebsmodus gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden, wird das resultierende Magnetfeld, das mit der Ankerspule wechselwirkt und dadurch den Anker antreibt, durch die erste und zweite Erregerspule gegenseitig verstärkt. Umgekehrt bewirkt die gegensinnige Stromrichtung durch die erste und die zweite Erregerspule im Bremsmodus, dass das resultierende Magnetfeld abgeschwächt wird, was von dem jeweiligen Strom durch die erste und die zweite Erregerspule abhängt. Durch die Abschwächung bzw. Veränderung des Magnetfelds im Bremsmodus kann eine Bremswirkung auf den Anker gesteuert werden. Dabei kann beispielsweise die erste Erregerspule in einen Generatorbetrieb übergeleitet werden. Durch die so erzielte gegensinnige Ansteuerung der zweiten Erregerspule im Vergleich zur ersten Erregerspule kann die Bremswirkung, die durch den Generatorbetrieb der ersten Erregerspule erreicht wird, auf definierte Weise geregelt werden, beispielsweise durch eine geeignete Ansteuerung der zweiten Erregerspule. Konkret kann die Bremswirkung abgeschwächt werden, indem die zweite Erregerspule im Bremsmodus bestromt wird und so ein Magnetfeld erzeugt, welches dem Magnetfeld der im Generatorbetrieb arbeitenden ersten Erregerspule entgegenwirkt. Das resultierende Magnetfeld wird dadurch geschwächt, sodass die Bremswirkung auf den Anker reduziert wird. Je höher der (gegensinnige) Strom in der zweiten Erregerspule ist, umso geringer ist die Bremswirkung.
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Durch die definierte Regelung der Bremswirkung auf den Anker des Reihenschlussmotors lässt sich auch die Zeitdauer des Abbremsens z.B. in der Steuereinheit einstellen. Insbesondere erfolgt die Einstellung derart, dass die Umwandlung der Rotationsenergie des Ankers in Wärme nahezu ausschließlich im Reihenschlussmotor selbst erfolgt und die Elektronik des Motors sowie dessen Peripherie nicht unnötig erwärmt werden. Dadurch erfordert der Reihenschlussmotor keine zusätzliche Kühlung, so dass der erforderliche Bauraum für den Reihenschlussmotor im Vergleich zu bekannten Reihenschlussmotoren verringert ist. Durch die Verringerung der Wärmeentwicklung in der Umgebung des Reihenschlussmotors wird ferner die Lebensdauer der Elektronik verlängert, mit welcher der Reihenschlussmotor gesteuert wird. Zudem kann durch das langsamere Bremsen eine starke Beanspruchung der Mechanik verhindert werden.
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Bei der Werkzeugmaschine mit Reihenschlussmotor handelt es sich beispielsweise um eine Oberfräse oder eine Unterflurzugmaschine, bei denen eine Abbremsung des Reihenschlussmotors zum Abbremsen des entsprechenden Werkzeugs innerhalb von etwa 1 bis 3 s erforderlich ist. Der Reihenschlussmotor weist bei solchen Werkzeugmaschinen eine Leistung von etwa 1 kW bis 3 kW auf und treibt ein Werkzeug einer solchen Werkzeugmaschine an, indem der Anker des Reihenschlussmotors eine Welle antreibt, die wiederum mit dem Werkzeug in Verbindung steht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Erregerspule derart magnetisch gekoppelt, dass die erste und die zweite Erregerspule in dem Antriebsmodus zusammenwirken, um die resultierende magnetische Feldstärke an der Ankerspule zu erhöhen, und in dem Bremsmodus gegeneinander wirken, um die resultierende magnetische Feldstärke an der Ankerspule zu verringern. Durch die Anpassung der magnetischen Kopplung und die geeignete Ansteuerung bzw. Bestromung der ersten und zweiten Erregerspule können die Bremswirkung auf den Anker und die zeitliche Entwicklung des Bremsvorgangs auf gewünschte Weise eingestellt werden.
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Der Reihenschlussmotor oder die Werkzeugmaschine kann ferner einen Schalter (z.B. einen TRIAC) aufweisen, der die erste und die zweite Erregerspule sowie die Ankerspule in dem Antriebsmodus mit einer Netzspannung verbindet und in dem Bremsmodus von der Netzspannung trennt. Dabei kann der Reihenschlussmotor ferner einen Kondensator aufweisen, der in dem Antriebsmodus mit der Netzspannung verbunden ist, um geladen zu werden, während er im Bremsmodus von der Netzspannung getrennt ist, um entladen zu werden und um die erste und die zweite Erregerspule sowie die Ankerspule kurzzeitig mit Strom zu versorgen.
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Im Antriebsmodus kann zwischen den Anschlüssen für die Netzspannung eine Reihenschaltung von erster und zweiter Erregerspule, Ankerspule und Schalter vorliegen. Im Bremsmodus können zwei über die Ankerspule miteinander verbundene Stromkreise vorliegen. Der erste Stromkreis kann eine Reihenschaltung von Ankerspule, zweiter Erregerspule und der nachstehend erwähnten Schalteinrichtung (IGBT) umfassen, wohingegen der zweite Stromkreis eine Reihenschaltung von Ankerspule und erster Erregerspule umfassen kann.
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Für den Bremsvorgang ist insbesondere keine zusätzliche Energie erforderlich, so dass dieser auch bei einem Netzausfall erfolgen kann. Die Spannungs- bzw. Stromversorgung der Spulen des Reihenschlussmotors wird stattdessen im Bremsmodus durch einen Entladungspuls des Kondensators angeregt, der einen kurzzeitigen Stromfluss durch die Ankerspule und zumindest eine der beiden Erregerspulen bewirkt. Durch diesen Stromfluss wird ein Magnetfeld in der Ankerspule erzeugt, das mit der ersten Erregerspule wechselwirkt, die im Bremsmodus bevorzugt als Generator betrieben wird (d.h. zusammen mit der Ankerspule einen Generatorbetrieb des Motors bewirkt). Durch die Wechselwirkung der Ankerspule mit der ersten Erregerspule im Generatorbetrieb kann daher ein Stromfluss generatorisch erzeugt und aufrechterhalten werden. Durch die Wechselwirkung der Magnetfelder der Ankerspule und der ersten Erregerspule kann eine Abbremsung des Ankers erreicht werden.
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Der Reihenschlussmotor kann außerdem eine Schalteinrichtung, z.B. einen IGBT, aufweisen, die ausgebildet ist, um die zweite Erregerspule in dem Bremsmodus mit Strompulsen anzusteuern, welche die entgegengesetzte Stromrichtung wie in dem Antriebsmodus aufweisen. Die Strompulse können dabei von der als Generator wirkenden Ankerspule gespeist werden..
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Die Schalteinrichtung sorgt mittels der Strompulse für eine definierte Abschwächung des resultierenden Magnetfelds an der Ankerspule, so dass die Bremswirkung auf den Anker durch eine geeignete Einstellung der Strompulse auf eine gewünschte Weise beeinflusst werden kann. Der Reihenschlussmotor weist dabei insbesondere eine Einrichtung zur Messung eines Stroms durch die Ankerspule auf, und die Steuereinheit steuert bevorzugt die Pulsweite der Strompulse in Abhängigkeit von dem Strom durch die Ankerspule.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine mit einem Reihenschlussmotor, wie sie beispielsweise vorstehend beschrieben ist. Der Reihenschlussmotor weist einen Anker mit einer Ankerspule, eine erste Erregerspule sowie eine zweite Erregerspule auf. Im Antriebsmodus werden die erste und die zweite Erregerspule derart angesteuert, dass sie gleichsinnig von einem Strom durchflossen werden und ein Magnetfeld zum Antreiben des Ankers erzeugt wird. Im Bremsmodus hingegen werden die erste und die zweite Erregerspule derart angesteuert, dass diese für zumindest eine vorbestimmte Zeitdauer gegensinnig von einem Strom durchflossen werden, um dadurch das durch die erste und zweite Erregerspule erzeugte Magnetfeld zum Abbremsen des Ankers zum Regeln.
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Die vorstehend genannten Vorteile und die Offenbarung, die für die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und deren Ausführungsformen beschrieben sind, gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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In dem Bremsmodus kann die erste Erregerspule als Generator betrieben werden, während die zweite Erregerspule mit Strompulsen angesteuert wird, welche die gleiche Stromrichtung für die Ankerspule und die zweite Erregerspule aufweisen.
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Durch die geeignete Einstellung dieser Strompulse kann das resultierende Magnetfeld der ersten und zweiten Erregerspule an der Ankerspule auf eine gewünschte Weise beeinflusst werden, so dass die Bremswirkung auf den Anker ebenfalls wie gewünscht beeinflusst werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 einen Reihenschlussmotor für eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine in einem Antriebsmodus und
- 2 den Reihenschlussmotor von 1 in einem Bremsmodus.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Reihenschlussmotors 11, der auf übliche Weise einen Anker 13 mit einer Ankerspule und eine erste Erregerspule 15 aufweist, wobei die Ankerspule und die erste Erregerspule 15 in Reihe geschaltet sind. Der Reihenschlussmotor 11 weist ferner eine zweite Erregerspule 17 auf. In einem Antriebsmodus bzw. Normalbetrieb, der in 1 dargestellt ist, sind die Ankerspule sowie die erste und die zweite Erregerspule 15, 17 über einen Netzschalter 19 mit einer Spannungsversorgung bzw. Netzspannung 21 verbunden, wobei die zweite Erregerspule 17 im Antriebsmodus von 1 ebenfalls mit der Ankerspule des Ankers 13 in Reihe geschaltet ist. Der Netzschalter 19 ist dabei als TRIAC (engl. Abkürzung für „triode for alternating current“) ausgebildet.
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Der Reihenschlussmotor 11 weist ferner einen Kondensator 23 auf, der im Antriebsmodus ebenfalls mit der Netzspannung 21 verbunden ist und somit im Antriebsmodus aufgeladen wird. Der Kondensator 23 ist als Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von etwa 4,7 µF ausgebildet. Darüber hinaus weist der Reihenschlussmotor 11 einen IGBT 25, d.h. eine Schalteinrichtung, auf, der für den in 2 dargestellten Bremsmodus vorgesehen ist und nachstehend beschrieben wird.
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Zusätzlich umfasst der Reihenschlussmotor 11 einen ersten Schalter 27, einen zweiten Schalter 29 und einen dritten Schalter 31. Die drei Schalter 27, 29, 31 können ebenso wie der Netzschalter 19 als TRIAC ausgebildet sein.
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Im Antriebsmodus ist nur der zweite Schalter 29 eingeschaltet (d.h. leitend), während der erste und der dritte Schalter 27, 31 ausgeschaltet (d.h. nicht-leitend) sind, um dadurch die erste und die zweite Erregerspule 15, 17 mit der Ankerspule des Ankers 13 in Reihe zu schalten, so dass beide Erregerspulen 15, 17 gleichsinnig vom selben Strom durchflossen werden. Die erste und die zweite Erregerspule 15, 17 sind ferner derart magnetisch gekoppelt, dass im Antriebsmodus, der in 1 dargestellt ist, aufgrund des gleichsinnigen Stromflusses durch die Spulen 15, 17 deren resultierendes Magnetfeld an der Ankerspule verstärkt wird und der Anker 13 durch die Wechselwirkung dieses Magnetfeldes mit der Ankerspule angetrieben wird.
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Zum Betätigen des Netzschalters 21 und des ersten bis dritten Schalters 27, 29, 31 weist der Reihenschlussmotor 11 ferner eine Steuereinheit 33 auf, die jeweils mit den Schaltern 21, 27, 29, 31 verbunden ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Verbindungsleitungen zwischen der Steuereinheit 33 und den Schaltern 21, 27, 29 bzw. 31 in 1 und 2 nicht dargestellt.
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Der in 2 dargestellte Bremsmodus des Reihenschlussmotors 11 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Antriebsmodus dadurch, dass der Netzschalter bzw. TRIAC 19 ausgeschaltet ist und die Ankerspule sowie die Erregerspulen 15, 17 dadurch von der Netzspannung 21 getrennt sind. Außerdem unterscheidet sich die Stellung der drei Schalter 27, 29, 31 im Bremsmodus von der jeweiligen Schalterstellung im Antriebsmodus. Im Bremsmodus von 2 sind der erste Schalter 27 und der dritte Schalter 31 eingeschaltet, während der zweite Schalter 29 ausgeschaltet ist.
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Da der Reihenschlussmotor 11 im Bremsmodus von 2 von der Netzspannung 21 getrennt ist, wird der Kondensator 23 kurzzeitig mit der Erregerspule 17 und dem Anker 13 gekoppelt und entladen, so dass aufgrund der Stellung des ersten Schalters 27 und des dritten Schalters 31 kurzzeitig ein Strom durch die Ankerspule des Ankers 13 fließt, wobei die Stromrichtung im Anker 13 (d.h. in der Ankerspule) und in der zweiten Erregerspule 17 entgegengesetzt zu der Stromrichtung des in 1 gezeigten Antriebsmodus verläuft. Die Entladung des Kondensators 23 wirkt aufgrund des kurzzeitigen Stromflusses wie ein Zündfunken für den Bremsmodus, da die Entladung ein Magnetfeld erzeugt, welches dann eine Stromerzeugung im Anker 13 (bzw. in der Ankerspule) startet. Die so generatorisch erzeugte elektrische Leistung bremst die mechanische Bewegung des Ankers 13 (und des mit dem Anker 13 verbundenen Werkzeugs).
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Durch die Stellung des Schalters 31 ist jedoch die Stromrichtung für den Stromfluss durch die erste Erregerspule 15 die gleiche wie für den in 1 dargestellten Antriebsmodus, so dass die Ankerspule des Ankers 13 und die erste Erregerspule 15 gegensinnig von Strom durchflossen werden. Es wird ein Stromfluss durch die Ankerspule und die erste Erregerspule 15 generatorisch erzeugt und aufrechterhalten, und es erfolgt eine Abbremsung des Ankers 13 aufgrund der Wechselwirkung der Magnetfelder der Ankerspule und der ersten Erregerspule 15. Die Schalteinrichtung 25 ist unmittelbar zu Beginn des Bremsmodus während des „Zündfunkens“ durch Entladung des Kondensators 23 offen, d.h. nicht leitend, so dass zunächst kein Strom durch die zweite Erregerspule 17 fließt.
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Ohne die zweite Erregerspule 17 und die Schalteinrichtung 25 würde jedoch im Bremsmodus eine heftige Abbremsung des Ankers 13 erfolgen, die jedoch bei einem Betrieb des Reihenschlussmotors 11 in einer Werkzeugmaschine unerwünscht ist. Um die starke Abbremsung des Ankers 13 aufgrund des Generatorbetriebs der ersten Erregerspule 15 definiert zu regeln, erzeugt die Schalteinrichtung 25 Strompulse in der zweiten Erregerspule 17, indem die Schalteinrichtung 25 periodisch mit einer vordefinierten Pulsweite geschlossen wird bzw. leitend ist. Dadurch fließt periodisch auch durch die zweite Erregerspule 17 ein Strom. Der Strom durch den Anker 13 wird somit jedesmal dann auf die beiden Spulen 15, 17 aufgeteilt, wenn die Schalteinrichtung 25 leitend ist.
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Aufgrund der jeweiligen Betriebsweise als Generator bzw. Motor sind die Spulen 15, 17 in 1 und 2 zusätzlich mit Eg bzw. Em bezeichnet, d.h., dass die erste Erregerspule 15 zusätzlich mit Eg („Erregerspule Generatorbetrieb“) und die zweite Erregerspule 17 ist zusätzlich mit Em („Erregerspule Motorbetrieb“) bezeichnet ist.
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Durch den gegensinnigen Stromfluss durch die erste Erregerspule 15 und die zweite Erregerspule 17 wird das resultierende Magnetfeld an der Ankerspule des Ankers 13 auf geeignete Weise abgeschwächt, wobei diese Abschwächung durch die Strompulse geregelt wird, die mittels der Schalteinrichtung 25 erzeugt werden. Die Einstellung der Pulsweite der Strompulse erfolgt in Abhängigkeit vom Strom durch die Ankerspule des Ankers 13. Zur Messung des Ankerstroms weist der Reihenschlussmotor 11 eine nicht dargestellte Messeinrichtung auf, die mit der Steuereinrichtung 33 verbunden ist.
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Durch die Einstellung der Pulsweite der Strompulse wird somit insgesamt die Bremswirkung aufgrund des Generatorbetriebs der ersten Erregerspule 15 abgeschwächt und dadurch wie gewünscht eingestellt. Die heftige Abbremsung, die durch die Erregerspule 15 im Generatorbetrieb allein erfolgen würde, wird folglich durch die zweite Erregerspule im Motorbetrieb und die Strompulse der Schalteinrichtung 25 auf eine gewünschte Weise angepasst.
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Die Schalteinrichtung 25 ist durch einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl.: insulated-gate bipolar transistor) mit Diode gebildet, wobei der IGBT zu Beginn des Bremsvorgangs (aber nach der Entladung des Kondensators 23) beispielsweise zu 100% leitend ist, d.h. solange der Strom durch die Ankerspule einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Wenn der Strom durch die Ankerspule jedoch den Schwellenwert unterschreitet, ist der IGBT offen, so dass dann zeitweise keine Abschwächung des Bremsvorgangs erfolgt. Wird wieder zu stark gebremst, schließt der IGBT wieder, um die Bremskraft abzuschwächen. Auf diese Weise ist eine Regelung des Bremsvorgangs möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Reihenschlussmotor
- 13
- Anker
- 15
- erste Erregerspule
- 17
- zweite Erregerspule
- 19
- Netzschalter, TRIAC
- 21
- Netzspannung
- 23
- Kondensator
- 25
- Schalteinrichtung
- 27
- erster Schalter
- 29
- zweiter Schalter
- 31
- dritter Schalter
- 33
- Steuereinheit
