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Anordnung zur lastunabhängigen Drehzahlsteuerung von Nähmaschinen
Es ist bekannt, Arbeitsmaschinen, z. B. Nähmaschinen, durch dauernd laufende Elektromotoren
oder Transmissionen über Friktionskupplungen anzutreiben. Durch mehr oder weniger
starkes Anpressen dieser Kupplungen kann das auf die Arbeitsmaschine übertragene
Drehmoment Md geändert werden. Bei Arbeitsmaschinen, die ein mit der Drehzahl ansteigendes
Drehmoment haben (was bei den meisten Arbeitsmaschinen zutrifft), kann durch die
Änderung des Drehmoments auch eine Änderung der Drehzahl bei entsprechendem Schlupf
der Kupplung erreicht werden. Man kennt aber auch elektromagnetische Kupplungen
für Arbeitsmaschinen, die in Abhängigkeit der Differenzspannung zwischen einer gleichbleibenden
Bezugsspannung und einer veränderlichen Spannung erregt werden, wobei die veränderliche
Spannung durch einen mit der Arbeitsmaschine auf Drehung kuppelbaren Spannungserreger
erzeugt wird. Ver-@uche haben gezeigt, daß sich durch Magnetkupplungen auch bei
sehr großem Schlupf (901/o und mehr) überraschend konstante Drehmomente übertragen
lassen und daß diese Eigenschaft der Magnetkupplungen mit der an sich bekannten
Steuerung durch Stromtore, d. h. also gittergesteuerte Elektronenröhren, zu einer
sehr einfachen lastunabhängigen Drehzahlregulierung kombiniert werden kann. Es spielt
dabei eine praktisch unbedeutende Rolle, daß sich hierdurch Verluste ergeben, die
dem Schlupf der Kupplung proportional sind, weil kurze Regulierperioden mit langen
Vollastperioden wechseln. Es ergibt sich als besonderer Vorteil, daß die Abmessungen
der Röhren der Stromtore bei der erfindungsgemäßen Anordnung viel kleiner werden
als bei einer entsprechenden Steuerung eines Gleichstrommotors, der die Arbeitsmaschine
direkt antreiben kann, weil die Erregerleistung einer Magnetkupplung im Verhältnis
zu der mit der Kupplung übertragbaren Leistung sehr klein ist. Deshalb können die
Vorteile der elektronischen Steuerung durch diese Erfindung für alle Antriebe nutzbar
gemacht werden, wenn der Antrieb eines elektronisch gesteuerten Gleichstrommotors
aus Kostengründen nicht in Betracht gezogen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung .bestellt nun darin, bei einer Anordnung
zur lastunabhängigen Drehzahlregulierung von Nähmaschinen, die über eine Magnetkupplung
angetrieben werden, deren Magnetfeldstärke in Abhängigkeit der Differenzspannung
einer mit der angetriebenen Arbeitsmaschine antriebsverbundenen, Spannung liefernden
Tachometerdynamo und einer Bezugsspannung erfolgt, den Erregerstrom der Magnetkupplung
über gittergesteuerte Elektronenröhren zu steuern und die Bezugsspannung einstellbar
zu machen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß auf einer der
Triebwerkswellen der Nähmaschine oder einer mit ihr in Antriebsverbindung stehenden
Welle zusätzlich eine elektronisch gesteuerte Magnetbremse angebracht ist und die
gittergesteuerten Elektronenröhren der Magnetkupplung und der Magnetbremse durch
einen gemeinsamen Steuerverstärker wechselweise geöffnet bzw: gesperrt werden, je
nachdem die Nähmaschine die Solldrehzahl unter- oder überschritten hat.
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In dem @lld,t Diagramm (Abb. 1) stellt der Punkt 1t das Drehmoment
dar, das erforderlich ist, um die Arbeitsmaschine vom Stillstand aus in Bewegung
zu setzen. Sobald diese angelaufen ist, fällt das Drehmoment zunächst etwas ab,
steigt aber dann mit der Drehzahl mehr oder weniger rasch an. Dementsprechend ergibt
das an der Kupplung eingestellte Drehmoment 11d1 die Drehzahl n1 bzw. Hd. die Drehzahl
ff,.
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Beim praktischen Betrieb von Arbeitsmaschinen ist die Mdn Kurve nicht
konstant, sondern sie verschiebt sich entsprechend dem wechselnden Nutz- und Reibungs-,viderstand
derAntriebsmaschine. Im Diagramm ist dies durch die gestrichelte Kurve angedeutet.
Sie ergibt für Mdl die Drehzahl x1, und für ,lIdz die Drehzahl n2,. Diese Abweichungen
(z. B. von itl auf ztl,) stören im allgemeinen nicht, da sie von der Bedienung der
Arbeitsmaschine durch eine entsprechende Änderung des Kupplungsdruckes leicht ausgeglichen
werden können.
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Es gibt aber Arbeitsmaschinen, bei denen auch'sehr niedrige Drehzahlen
(z. B. 5 bis 10 % der -Normaldrehzahl) noch sicher beherrscht werden müssen. Bei
spielsweise ist dies bei solchen -'Nähmaschinen der Fall, bei denen die Nadel beim
Stillsetzen automatisch im oberen oder unteren Totpunkt stehenbleiben muß. Um dies
zu erreichen, muß die Nähmaschine beim Stillsetzen zunächst auf eine niedrige Drehzahl
(z. B:
von 5000 auf 300 L°/min) abgebremst werden, so daß sie durch
eine synchron mit der Nähmaschinenwelle umlaufende Kontalzteinrichtung ohne Nachlaufen
in der gewünschten Stellung zum Halten gebracht werden kann. Dieses Abbremsen auf
eine niedrige Drehzahl, das in einer sehr kurzen Zeit (z. B. 0,2 Sekunden) automatisch
erfolgen muß, läßt sich mit einer mechanisch z. B. durch einen Fußtritt betätigte
Friktionskupplung nicht erreichen. Man müßte dazu einen Anschlag an der Kupplung
anbringen, der das vollkommene Ausrücken der Kupplung beim Stillsetzen verhindert
und ein Drehmoment bestehen läßt, das der niedrigen Weiterlaufdrehzahl (z. B. n
= 300) entspricht. Da aber der Ausschlag der Kupplung zwischen sehr kleinen und
großenDrehmomenten nur sehr klein ist (z. B. 0,1 mm und weniger), so ist die genaue
Einstellung eines solchen Anschlages unmöglich, um so mehr, als er bei jeder Abnutzung
der Kupplung nachgestellt werden müßte.
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Abb.2 zeigt beispielsweise die erfindungsgemäße Anordnung. 1 ist die
z. B. durch ein Riemenvorgelege 2 angetriebene Arbeitsmaschine, 4 ist der dauernd
laufende Antriebsmotor (z. B. ein Drehstrom-Asynchronmotor). Die Erregerwicklung
5 der Magnetkupplung 3 ist mit zwei Schleifringen 6 und 7 verbunden, auf denen die
Bürsten 8 und 9 schleifen. Die Bürsten sind über den Vorwiderstand 10 und die Röhre
11 des Stromtors mit dem Drehstromnetz 12 verbunden, an das auch der Antriebsmotor
4 über den Schalter 13 angeschlossen ist. Die Stärke des Erregerstromes, der dieWicklung
derMagnetkupplung durchfließt, wird durch die zwischen dem Gitter 14 und der Kathode
15 der Röhre 11 liegenden Zündspannung geregelt. Diese Zündspannung wird in bekannter,
hier nicht näher erläuterter Weise durch einen Steuerverstärker 16 geliefert. Die
Eingangsspannung des Stromverstärkers besteht in der Differenz der Spannungen eines
mit der Arbeitsmaschine 1 verbundenen Tachometerdynamos 17 und eines durch eine
Akkumulatorenbatterie 18 gespeisten Potentiometers 19.
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Bei Stillstand der Arbeitsmaschine 1 und Nullstellung x des Potentiometers
19 ist die Eingangsspannung des Steuerverstärkers 16 Null. Dabei sperrt er das Gitter
der Röhre 11, so daß in der Erregerwicklung der Magnetkupplung kein Strom fließt.
Wird nun das Potentiometer 19 aus der Nullstellung x in die Betriebsstellung y gebracht,
so wird dieEingangsspannung des Steuerverstärkers positiv. Dadurch führt er dem
Gitter der Röhre 11 eine Zündspannung zu, die Erregerspule 5 der Magnetkupplung
erhält Strom und zieht an, so daß sich die Arbeitsmaschine 1 und damit auch der
Tachometerdynamo 17 in Bewegung setzt. Beim Beginn des Anlaufs überwiegt die positive
Spannung des Potentiometers, so daß trotz einer negativen Vorspannung der Steuerröhre
die Gitterspannung weit ins positive Gebiet reichen würde (s. Abb. 3). Da
dem Gitter der Steuerröhre aber ein großer Widerstand. vorgeschaltet ist und der
Gitterstrom in diesem einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft, so-feicht
die Gitterspannung tatsächlich nur wenig ins positive Gebiet. Mit zunehmender Drehzahl
der Arbeitsmaschine nimmt auch die Spannung des Tachometerdvnamo: zu. Sobald sie
in die -Nähe der eingestellten Potentiometerspannung kommt, verläßt die Gitterspannung
der Steuerröhre das positive Gebiet und vermindert den Anodenstrom. Dadurch wird
die Zündspannung der Röhre 11 des Stromtors im Sinne einer Sperrung beeinflußt und
dementsprechend der Erregerstrom der Magnetkupplung vermindert. Damit nimmt auch
das auf die Arbeitsmaschine übertragene Drehmoment so lange ab, bis dieses keine
weitere Beschleunigung mehr erfährt. Durch entsprechende Bemessung der Spannungen
des Tachometerdynamos und des Potentiometers gegenüber dem negativen Gitterspannungsbereich
der Steuerröhre kann man es erreichen, daß sich die Drehzahl der Arbeitsmaschine
der am Potentiometer eingestellten Drehzahl bis auf eine kleine Differenz nähert.
Etwa auftretende, durch die Massenkräfte der Arbeitsmaschine verursachten Pendelungen
können in bekannter Weise durch Rückführungsschaltungen beseitigt werden.
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Zur Verzögerung der Arbeitsmaschine wird die Potentiometerspannung
vermindert. Dadurch wird die Gitterspannung der Steuerröhre ins Negative verschoben,
wodurch eine Sperrung der Röhre des Stromtores und eine Lösung der Magnetkupplung
bewirkt wird. Die Arbeitsmaschine wird durch ihre Eigenwiderstände so lange verzögert,
bis die Spannung des Tachometerdynamos etwas unter die eingestellte Potentiometerspannung
gesunken ist. Dadurch wird entsprechend den obenstehendenAusführungen die Kupplung
so weit erregt, daß sie ein der eingestellten Drehzahl entsprechendes Drehmoment
auf die Arbeitsmaschine überträgt.
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In manchen Fällen wird es erwünscht sein, eine raschere Verzögerung
der Arbeitsmaschine durch ein zusätzliches Bremsmoment zu erreichen. Erfindungsgemäß
kann die dazu notwendige Bremse mit der Kupplung zu einem Aggregat vereinigt werden
(s. Abb. 4). In dieser ist 1 die Arbeitsmaschine, 2 das Riemenvorgelege, 17 die
Tachometerdynamo und 4 der Antriebsmotor.
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Der Antriebsmotor 4 ist mit der Magnetkupplungsscheibe 3, mit der
Wicklung 5 und den Schleifringen 6 und 7 (mit Bürsten 8 und 9) fest verbunden. Mit
der Arbeitsmaschine 1 ist über die Welle 20 die Scheibe 21 verbunden, welche durch
die Feder 22 an die feststehende Bremsscheibe angedrückt wird. Der Anschluß des
Stromtores, des Steuerverstärkers und des Potentiometers ist derselbe wie in Abb.
2. Sobald die Wicklung 5 über die Röhre 11 Strom erhält, wird die Scheibe 21 gegen
die Wirkung der Feder 22 von der feststehenden Bremsscheibe 23 abgezogen und an
die Kupplungsscheibe 3 angepreßt. Der Anlauf der Arbeitsmaschine 1 vollzieht sich
nun wie vorher beschrieben. Bei der Verzögerung der Arbeitsmaschine entsteht ein
zusätzliches Bremsmoment, indem die von der Kupplungsscheibe 3 freigegebene Scheibe
21 durch die Feder 22 an die Bremsscheibe 23 angedrückt wird. Für viele Zwecke ist
diese Anordnung ausreichend. Für feinere Regulierungen hat sie indessen den Nachteil,
daß bei der Einstellung kleiner Kupplungskräfte zur Erzielung niedriger Drehzahlen
nur der Überschußdes Erregerstromes über den vergleichsweise g ro ßen zur Überwindung
t' der Federkraft erforderlichen Betrag wirksam ist, wodurch natürlich die Feinfühligkeit
bei der Einstellung niedriger Drehzahlen vermindert wird. Erfindungsgemäß kann dieser
Nachteil dadurch vermieden werden, daß an der Arbeitsmaschine eine von der Magnetkupplung
getrennte Magnetbremse vorgesehen wird, deren Erregerstrom durch eine eigene Stromtorröhre
gesteuert wird. Für das Kupplungs- und das Bremsstromtor wird dabei ein gemeinsamer
mit zwei Steuerröhren versehener Steuerverstärker vorgesehen, der bei positiven
Eingangsspannungen das Kupplungsstromtor und bei negativen das Bremsstromtor öffnet.
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Bei den Schaltungen nach Abb,. 2 und 4 ist eine einphasige Gleichrichtung
durch eine Stromtorröhre zugrunde gelegt, um das Prinzip der Erfindung
in
möglichst einfacher Weise darzustellen. Selbstvert. -(flich können auch mehr hasige
Schaltungen vers 'ii p l# wendet werden. Ebenso ist die Speisung des Potentiometers
durch eine Akkumulatorenbatterie nur bei-:;l>ielsweise gewählt worden. Es können
dafür alle bekannten Gleichrichterschaltungen (gegebenenfalls in Verbindung mit
stabilisierenden Glimmstrecken) verendet werden.