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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen von wärmeabgebenden Teilen eines elektromotorischen
Antriebs gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zum Kühlen
des stromdurchflossenen Ankers und/oder Rotors eines Elektromotors,
insbesondere einer Messmaschine (
US 5 834 862 A )
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Aus
der
US 5,834,862 A ist
eine Kühleinrichtung
für einen
Linearmotor mit einer über
einen Statorkern bewegten Spule bekannt. An einem Ende der bewegten
Spule ist eine Luftaustrittsdüse
angeordnet, die aus einem Grundkörper,
einer Abdeckplatte und Luftleitflächen besteht, so dass zwei
fächerförmige Luftströme über die
Außenfläche der
bewegten Spule geleitet werden und die von der bewegten Spule abgegebene
Wärme zur
Stabilisierung der Spulentemperatur abführen. Die aus der Düse austretende Luft
wird von einer Luftquelle über
eine Einrichtung zur Regelung des Luftdruckes geleitet, und so eingestellt,
dass die bei einer Umgebungstemperatur von 20° C innerhalb kurzer Zeit auf
85° C ansteigende Spulentemperatur
unter Anhebung der Umgebungstemperatur auf eine für die Spulen
und in der Nähe der
Spulen angeordnete Teile des Linearmotors akzeptable Temperatur
abgesenkt wird.
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Durch
die ständige
Ableitung erwärmter
Luft von der bewegten Spule stellt sich in der unmittelbaren Nähe des Linearmotors
ein Temperaturgleichgewicht ein, das oberhalb der Umgebungstemperatur liegt.
Das Anheben des Temperaturniveaus in der unmittelbaren Umgebung
eines elektromotorischen Antriebs ist aber dann problematisch, wenn
es auf eine Temperaturkonstanz, insbesondere auf eine konstante
Umgebungstemperatur auch in der unmittelbaren Nähe des elektromotorischen Antriebs
ankommt. Ein Beispiel hierfür
ist eine Messmaschine, mit der sehr genau Längenmessgeräte mittels eines Interferometers
vermessen werden können.
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Aus
der
DE 195 05 388
A1 ist eine rotierende elektrische Maschine bekannt ist,
bei der die in den Rotor- und Statorstäben entstehende Verlustwärme in einem
offenen Kühlkreislauf
an Luft als Kühlmedium
abgegeben wird. An einem Ende des Rotors wird eine Turbinenstufe
angeordnet, an der komprimierte Luft entspannt und somit abgekühlt wird,
wodurch die Kühlleistung
der Luft und damit die Leistungsdichte der elektrischen Maschine
erhöht
wird. Die den Rotor und Stator durchströmende Luft tritt jedoch durch
einen Kühlluftaustritt
aus und strömt
ebenfalls in die Umgebung mit der Folge einer Erwärmung der
Umgebung und damit Anhebung der Umgebungstemperatur ab.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein
Verfahren zum Kühlen
von wärmeabgebenden
Teilen eines elektromotorischen Antriebs ohne Erhöhung der
Temperatur in der Umgebung des elektrischen Antriebs anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Verfahrensmerkmale des Patentanspruchs 1
gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung gewährleistet eine
wirksame Kühlung
der wärmeabgebenden
Teile eines elektromotorischen Antriebs ohne Erhöhung der Umgebungstemperatur
und ermöglicht
damit den Einsatz elektromotorischer Antriebe auch in hochgenauen
Messeinrichtungen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung, ein Gas,
vorzugsweise Druckluft; dem elektromotorischen Antrieb so zuzuführen, dass
es in der Nähe
der zu kühlenden,
wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs expandiert, nutzt die Erfindung den
Joule-Thomson-Effekt,
wonach der Energieinhalt eines realen, unter Druck stehenden Gases
sich bei der Entspannung des Gases ändert. Dabei wird beispielsweise
bei Kohlendioxyd (CO2) und Luft eine Temperatursenkung
von ¾K
bzw. ¼K
pro bar Druckdifferenz erzielt.
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Das
sich beim Ausströmen
expandierende und dabei abkühlende
Gas trifft auf die zu kühlenden, wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs, woraus bei entsprechender
Einstellung der Temperatur des unter Druck zugeführten Gases und des Gasdruckes
eine Mischtemperatur resultiert, die auf einen konstanten Wert und
insbesondere auf die Umgebungstemperatur eingestellt werden kann.
Dadurch tritt trotz wirksamer Kühlung
der wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs in der unmittelbaren Umgebung
des elektromotorischen Antriebs keine Temperaturerhöhung auf,
so dass auch bei einer Verwendung eines derart gekühlten elektromotorischen
Antriebs in einer Messmaschine den hohen Anforderungen an eine Temperaturstabilität genügt wird.
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Mit
der erfindungsgemässen
Lösung
ist es somit möglich,
die wärmeabgebenden
Teile eines elektromotorischen Antriebs zu kühlen, obwohl die zugeführte Luft
und die Abluft Umgebungstemperatur aufweisen. Nur dadurch wird ein
Minimum an Störeinflüssen auf
die Messmaschine erzielt. Die zum Kühlen nötige Temperaturdifferenz zwischen
den wärmeabgebenden
Teilen des elektromotorischen Antriebs und der zugeführten Luft
wird durch den Joule-Thomson-Effekt bewirkt. Damit wird die Voraussetzung
dafür geschaffen,
die Gastemperatur konstant und insbesondere auf dem Niveau der Umgebungstemperatur
zu halten, wenn der Druck im Gasbehälter der jeweils anfallenden
Verlustleistung angepasst wird.
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Die
Einstellung des Gasdruckes und damit die Einstellung der unter Ausnutzung
des Joule-Thomson-Effektes erzielten Kühlleistung kann sowohl manuell
erfolgen als auch in Abhängigkeit von
der im bzw. am elektromotorischen Antrieb erfassten Temperatur und/oder
in Abhängigkeit
von der dem elektromotorischen Antrieb zugeführten Leistung, insbesondere
des dem elektromotorischen Antrieb zugeführten Stromes, geregelt werden.
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Sowohl
eine manuelle Einstellung als auch eine Regelung des Gasdruckes
eignet sich besonders für
elektromotorische Antriebe mit konstanter oder nahezu konstanter
Verlustleistung, da mit dem jeweils eingestellten Gasdruck die aus
dem Joule-Thomson-Effekt resultierende Kühlleistung exakt eingestellt
und eine hohe Temperaturkonstanz und damit ein Wärmegleichgewicht in der Umgebung des
elektromotorischen Antriebs erzielt wird.
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Bei
variabler Verlustleistung kann nach einem weiterführenden
Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung in
Abhängigkeit
vom Motorstrom der Gasdruck so variiert werden, dass ebenfalls ein
Wärmegleichgewicht
hergestellt wird.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
das Gas in Abhängigkeit
von der erforderlichen Kühlleistung
vorzukühlen.
Damit kann insbesondere bei größeren Verlustleistungen
unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes in Verbindung mit einer
leistungsabhängigen
Vorkühlung
des Gases ein Wärmegleichgewicht
und damit eine konstante Umgebungstemperatur erreicht werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
das Gas über
eine Drosselstelle in der Nähe
der zu kühlenden,
wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs austreten zu lassen, so dass
auch bei elektromotorischen Antrieben, bei denen eine Durchlaufkühlung vorgesehen
ist, der durch die Expansion eines unter Druck stehenden Gases auftretende Joule-Thomson-Effekt
zur Wärmeabfuhr
ohne Anhebung der Umgebungstemperatur ausgenutzt werden kann, da
das hinter der Drosselstelle entspannte Gas durch den Joule-Thomson-Effekt
kälter
als das unter Druck zugeführte
Gas ist.
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Mit
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
erzielbaren konstanten Umgebungstemperatur bei wirksamer Kühlung wärmeabgebender
Teile eines elektromotorischen Antriebs eignet sich das Verfahren
vorzugsweise zum Kühlen
des stromdurchflossenen Ankers und/oder Rotors eines Elektromotors
mit mindestens einer in der Nähe
des stromdurchflossenen Ankers und/oder Rotors des elektromotorischen
Antriebs angeordnete Gasaustrittsöffnung und voneinander unabhängige Einrichtungen zur
Steuerung oder Regelung der Temperatur und des Druckes des zugeführten Gases,
insbesondere zum Kühlen
der bewegten Spulen eines feste Permanentmagneten aufweisenden eisenlosen
Linearmotors.
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Da
der aufgrund des Joule-Thomson-Effektes auftretende Kühleffekt
eine Temperatureinstellung oder Temperaturregelung im Milli-Kelvin-Bereich ermöglicht,
eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zum Kühlen
der bewegten Spulen eines feste Permanentmagneten aufweisenden eisenlosen
Linearmotors einer luftgelagerten Messmaschine mit einem Maßstab, einem über den
Maßstab
mittels des Linearmotors geführten
Messschlittens mit einem Abtastkopf, einem Interferometer und einer
Einrichtung zum Vergleich eines vom Interferometer abgegebenen ersten
Positionssignals, das die vom Interferometer ermittelte Position
des Messschlittens angibt, mit einem zweiten Positionssignal, das
die vom Abtastkopf erfasste Position angibt.
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Dabei
werden beidseitig eines die bewegten Spulen enthaltenden Spulenkörpers Arme
angeordnet, die Düsenbohrungen
aufweisen und über
eine Gaszufuhrleitung mit einem Gasbehälter verbunden sind, wobei
die Düsenbohrungen
an den Armen so ausgerichtet sind, dass sie den Spulenkörper umströmen.
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Wird über die
Gaszufuhrleitung ein temperaturgeregeltes Gas zugeführt, so
kühlt das
aus dem Düsenbohrungen
ausströmende
und dabei expandierende Gas infolge des Joule-Thomson-Effektes ab. Das abgekühlte Gas
umströmt
den Spulenkörper und
nimmt dabei die von den bewegten Spulen abgegebene Wärme auf,
so dass die abgegebene Wärme nicht
wie beim Stand der Technik abgeführt,
sondern durch die Zufuhr des unterkühlten Gases kompensiert wird.
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Durch
die Anordnung einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung in dem Gasbehälter kann
eine vom Gasdruck unabhängige
Gastemperatur eingestellt werden, die insbesondere der Umgebungstemperatur
entspricht, da die Zuleitungen zu den bewegten Spulen üblicherweise
keine Wärmesenken
oder Wärmequellen
darstellen.
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Mittels
einer Einrichtung zur Steuerung oder Regelung des Gasdruckes in
Abhängigkeit
von der von den bewegten Spulen in Form von Wärme abgegebenen Verlustleistung
kann der Druck in der Zufuhrleitung so eingestellt werden, dass
die von den bewegten Spulen abgegebene Wärme gerade ausreicht, das entspannte
und durch den Joule-Thomson- Effekt
abgekühlte
Gas wieder auf die Umgebungstemperatur zu bringen, so dass ein die
Umgebungstemperatur nicht veränderndes
Wärmegleichgewicht
erzielt wird.
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Durch
eine Erhöhung
des Gasdruckes wird eine verstärkte
Kühlwirkung
sowohl durch die höhere Abkühlung infolge
des Joule-Thomson-Effektes als auch infolge des größeren Volumens
des ausströmenden
Gases pro Zeiteinheit bewirkt.
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Zur
Steuerung oder Regelung der Gastemperatur kann der Gasbehälter sowohl
eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des im Gasbehälter gespeicherten Gases als
auch eine Kühleinrichtung
zum Vorkühlen
des Gases aufweisen, so dass die Temperatur des der Gasaustrittsstelle
unter Druck zugeführten
Gases der jeweils anfallenden Verlustleistung angepasst werden kann.
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Anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der
Erfindung zugrundeliegenden Gedanke weiter erläutert werden. Es zeigen:
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1 – eine schematisch-perspektivische Darstellung
einer Messmaschine;
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2 – einen
Längsschnitt
durch die Messmaschine gemäß 1;
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3 – eine teilweise
geschnittene Seitenansicht der relativ zueinander bewegten Teile
eines Linearmotors mit einer Druckluft-Kühleinrichtung;
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4 – einen
Schnitt durch die Anordnung gemäß 3;
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5 – eine schematische
Darstellung einer Einrichtung zur Steuerung der Kühlleistung
einer Kühleinrichtung
gemäß den 3 und 4 und
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6 – eine schematische
Darstellung einer Regelung der Kühlleistung
einer Kühleinrichtung
gemäß den 3 und 4.
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In
den 1 und 2 ist in einer perspektivischen
Darstellung und in einem Längsschnitt
eine Messmaschine 1 dargestellt, mit der ein Längenmessgerät in Form
eines Maßstabes 9 hochgenau vermessen
wird. Dazu wird der Maßstab 9 auf
einem Tisch 10 vorzugsweise aus Granit angebracht und ein
von einem Linearmotor 2a angetriebener Messschlitten 12a mit
einem Abtastkopf 12b über
den Maßstab 9 geführt. Mit
dem Messschlitten 12a wird ein ebenfalls durch einen Linearmotor 2b angetriebener
Hilfsschlitten 13 mitgeführt, wobei zwischen dem Hilfsschlitten 13 und
dem Messschlitten 12a ein Luftspalt 16 besteht.
Der Hilfsschlitten 13 ist über einen Faltenbalg 14 mit
einem Interferometer 11 verbunden, so dass die von dem
Interferometer 11 abgegebenen Lichtstrahlen durch den Faltenbalg 14, über den
Hilfsschlitten 13 und den Luftspalt 16 zu einer
im Messschlitten 12a angeordneten Prismeneinrichtung 17 geführt und
zum Interferometer 11 zurückgeleitet werden.
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Durch
einen Vergleich der vom Interferometer 11 ermittelten Position
des Messschlittens 12a mit der vom Abtastkopf 12b ausgegebenen
Position können
beispielsweise Teilungsfehler des Maßstabes 9 überprüft werden.
Wegen der hierfür
geforderten Genauigkeit ist es erforderlich, die Messmaschine 1 und deren
unmittelbare Umgebung auf einer stabilen Temperatur zu halten, um
Ausdehnungseffekte und damit Messungenauigkeiten zu vermeiden.
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Die
Genauigkeitsanforderungen betragen bei einer Umgebungstemperatur
von beispielsweise 20° C
wenige Milli-Kelvin (mK). Eine Luftkühlung wie beim Stand der Technik
gemäß der US-A
5,834,862 würde
dagegen zu einer Anhebung der Umgebungstemperatur im Bereich der
Messmaschine 1 führen, die
für die
geforderte Temperaturstabilität
nicht akzeptabel ist.
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In
den 3 und 4 ist in einer teilweise geschnittenen
Seitenansicht und in einem Längsschnitt
ein Ausschnitt aus einem Linearmotor dargestellt, der beispielsweise
als Antrieb für
einen Messschlitten bzw. Hilfsschlitten einer in den 1 und 2 dargestellten
Messmaschine eingesetzt werden kann. Die relativ zueinander bewegten
Teile des Linearmotors sind in diesem Ausführungsbeispiel die in einem
Spulenkörper 21 angeordneten
bewegten Spulen und die feststehenden Magnete 22. Zur Kühlung der
von im Spulenkörper 21 angeordneten stromdurchflossenen
Spulen ist eine Kühlvorrichtung 3, 3' vorgesehen,
die einen Arm 30 mit einer Längsbohrung 31, die
an eine Gaszufuhrleitung 33 angeschlossen ist, aufweist.
Auf den Spulenkörper 21 ausgerichtet
sind von den Längsbohrungen 31 der Arme 30 ausgehend
Düsenbohrungen 32 vorgesehen,
die ein unter Druck über
die Gaszufuhrleitung 33 und die Längsbohrung 31 zugeführtes Gas
derart auf den Spulenkörper 21 richten,
dass dieser von dem aus den Düsenbohrungen 32 austretenden
Gas umspült
wird.
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Das
aus den Düsenbohrungen 32 austretende
Gas expandiert an der Austrittsstelle und verringert seine Temperatur
in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck in der Gaszufuhrleitung 33 vor
den Düsenbohrungen 32 und
dem Umgebungsdruck hinter den Düsenbohrungen 32 infolge des
Joule-Thomson-Effektes, so dass die auf die im Spulenkörper 21 angeordneten
bewegten Spulen auftreffende Gasströmung die von den bewegten Spulen
abgegebene Wärme
aufnimmt. Das sich dabei einstellende Temperaturgleichgewicht entspricht der
Umgebungstemperatur des Linearmotors, so dass im Bereich des Linearmotors
angeordnete Funktionselemente keiner Temperaturänderung ausgesetzt sind.
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Steht
beispielsweise das Gas in der Gaszufuhrleitung 33 unter
einem Gasdruck von 1 bis 6 bar, so ergibt sich beim Gasaustritt
und der daraus folgenden Expansion des Gases infolge des Joule-Thomson-Effektes
eine Temperaturabsenkung um 1,5K für Luft. Das so abgekühlte Gas
kann die von den bewegten Spulen abgegebene Wärme aufnehmen, wobei durch
exakte Einstellung des Gasdruckes die zu kompensierende Wärmemenge
bestimmt und infolge des Joule-Thomson-Effektes eine sehr feinfühlige Temperaturregelung
durchgeführt
werden kann.
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Zu
diesem Zweck wird der Gasdruck so gesteuert bzw. geregelt, dass
die von den bewegten Spulen abgegebene Wärmemenge ausreicht, die pro Zeiteinheit
abgegebene Gasmenge, die durch den Joule-Thomson-Effekt abgekühlt wurde,
wieder auf die Umgebungstemperatur des Linearmotors zu bringen.
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Ist
die Verlustleistung des elektromotorischen Antriebs im Wesentlichen
konstant, so kann durch Einstellen eines geeigneten Gasdruckes die von
den bewegten Spulen abgegebene Wärmemenge
pro Zeiteinheit und damit ein Wärmegleichgewicht erzielt
werden, das insbesondere die Temperatur in der Umgebung des Linearmotors
konstant hält.
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Zu
diesem Zweck ist entsprechend dem in 5 dargestellten
Schaltschema in dem elektromotorischen Antrieb 2 ein Temperatursensor 51 vorzugsweise
in der Nähe
der wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs 2 angeordnet und mit
einer Temperaturanzeige 58 zur Anzeige der Temperatur TM im Bereich der wärmeabgebenden Teile verbunden.
Ein Temperatursensor 52 erfasst die Umgebungstemperatur
TU des elektromotorischen Antriebs 2 und
zeigt diese in einer Temperaturanzeige 57 an. Die vorstehend
anhand der 3 und 4 erläuterte Kühlvorrichtung 3, 3' im Bereich der
wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs 2 ist über ein
Ventil 6 mit einer Druckluftleitung verbunden und in der
Zuleitung zur Kühleinrichtung 3 ein
Druckmesser 55 angeordnet, der mit einem Druckanzeiger 59 verbunden
ist.
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Durch
Einstellung der Gasströmung
bzw. des Gasdruckes PK am Ausgang des Ventils 6 wird die
Kühlleistung
der Kühlvorrichtung 3 infolge
des Joule-Thomson-Effektes und des Volumenstromes des aus der Kühlvorrichtung 3 austretenden
Gases pro Zeiteinheit so gesteuert, dass die in dem elektromotorischen
Antrieb 2 gemessene Temperatur TM der Umgebungstemperatur
TU des elektromotorischen Antriebs 2 entspricht
bzw. übereinstimmt.
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6 zeigt
ein Regelschema einer Kühleinrichtung,
bei der die Kühlleistung
in Abhängigkeit
von verschiedenen Parametern geregelt wird.
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Der
als Linearmotor oder rotatorischer Antrieb ausgebildete elektromotorische
Antrieb 2 enthält
im Bereich seiner wärmeabgebenden
Teile eine vorstehend beschriebene Kühlvorrichtung 3 mit
Düsenbohrungen
oder Drosselstellen, die über
eine Gaszufuhrleitung 33 und ein Drosselventil 61 an
einen Gasbehälter 4 angeschlossen
ist. Der Gasbehälter 4 enthält eine
Kühlung
und/oder Heizung 7, mit der das im Gasbehälter 4 befindliche
Gas temperiert werden kann. Zur Erfassung der Temperatur TB im Gasbehälter 4 ist ein Temperatursensor 53 vorgesehen,
während
ein Drucksensor 54 den Gasdruck PB im
Gasbehälter 4 erfasst. Über ein
Ventil 62 ist der Gasbehälter 4 mit einer Gasdruckquelle,
beispielsweise einem Kompressor verbunden.
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Ein
im elektromotorischen Antrieb 2 angeordneter Temperatursensor 51 erfasst
die Temperatur TM vorzugsweise in der unmittelbaren
Umgebung der wärmeabgebenden
Teile des elektromotorischen Antriebs 2. Weiterhin ist
ein Temperatursensor 52 vorgesehen, der die Umgebungstemperatur
TU des elektromotorischen Antriebs 2 erfasst
und dabei so angeordnet werden kann, dass er sich im Anwendungsfall
einer Messmaschine in unmittelbarere Nähe eines zu eichenden Maßstabes
befindet.
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Weiterhin
ist in der ein- oder mehrphasigen elektrischen Zuleitung 20 zum
elektromotorischen Antrieb 2 ein Stromsensor 56 zur
Erfassung des Motorstromes IM angeordnet.
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Eine
prozessorgesteuerte Regeleinrichtung 8 ist eingangsseitig
mit den verschiedenen Sensoren 51 bis 56 verbunden
und steuert ausgangsseitig das Drosselventil 61, das den
Gasbehälter 4 mit
einer Gasleitung verbindende Ventil 62 sowie die Heizung und/oder
Kühlung 7 an.
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Zur
Regelung der Kühlleistung
der Kühlvorrichtung 3 wird
in Abhängigkeit
von der von den wärmeabgebenden
Teilen des elektromotorischen Antriebs 2 abgegebenen Verlustwärme die
Temperatur TB im Gasbehälter 4 sowie der Druck
PK des der Kühlvorrichtung 3 zugeführten Gases
sowie in Abhängigkeit
von der im elektromotorischen Antrieb 2 erfassten Temperatur
TM und/oder in Abhängigkeit von dem dem elektromotorischen
Antrieb 2 zugeführten
und über
den Stromsensor 56 erfassten Strom-Istwert IM so
eingestellt, dass die sich aus der Verlustleistung und der Kühlleistung
ergebende Temperatur konstant, insbesondere gleich der vom Sensor 52 erfassten
Umgebungstemperatur TU ist.
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Als
zusätzlicher
Parameter kann der Gasdruck PB im Gasbehälter 4 erfasst
und über
das Ventil 62 geregelt werden.
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Mit
dem in 6 dargestellten Regelschema kann beispielsweise
die Grundeinstellung der erforderlichen Kühlleistung mittels der Einstellung
bzw. Regelung der Gastemperatur im Gasbehälter 4 erfolgen. Je
nach geforderter Kühlleistung
wird das im Gasbehälter 4 befindliche
Gas erwärmt
oder abgekühlt,
so dass mittels einer Feinregelung des Gasdruckes die Kühlleistung
am Ort der wärmeabgebenden Teile
des elektromotorischen Antriebs 2 feinstufig der Verlustleistung
angepasst und die sich aus der Regelung ergebende Mischtemperatur
der Umgebungstemperatur TU entspricht.