DE2008768A1

DE2008768A1 - Steuersystem für elektrische Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE2008768A1
Application number: DE19702008768
Authority: DE
Inventors: David Gateshead Durham; Battye Edwin Armitage Lymm Cheshire; Wright James Winwick Lancashire; Gurwicz (Großbritannien)
Original assignee: Conveyancer Fork Trucks Ltd., Warrington, Lancashire; Sevcon Engineering Ltd., Gateshead, Durham; (Großbritannien)
Priority date: 1969-02-25
Filing date: 1970-02-25
Publication date: 1970-09-10
Also published as: GB1244259A; US3760246A; FR2035710A5

Description

Rudolf Busselmeier Augsburg, den 20. Februar 1970

Patentanwalt Priorität: Großbritannien

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Patentanmeldung

CONVEYANCER FORK TRUCKS LIMITED, Liverpool Road, Warrington, Lancashire, England

SEVCON ENGINEERING LIMITED, Queensway, Team Valley, Gateshead 11, County Durham, England

Steuersystem für elektrische Gleichstrommotoren

Die Erfindung betrifft die Steuerung zweier oder mehrerer elektrischer Gleichstrommotoren, bei denen mindestens die Anker in Serie geschaltet sind und welche von einer gemeinsamen Stromquelle angetrieben werden. Die Erfindung betrifft ferner insbesondere die Steuerung zweier solcher Motoren, welche zum Antreiben der Antriebsräder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs ausgebildet sind.

Ein Doppelmotorantrieb für ein solches Fahrzeug kann dadurch vorgesehen werden, daß man zwei Motoren parallel zur Stromquelle schaltet« Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß-dann, wenn der eine Motor schneller als der andere dreht, 'die resultierenden, nicht ausgeglichenen Ströme in den Motoren unter bestimmten Bedingungen sehr groß sein können und dies kann die Zerstörung der Motoren oder

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ihrer Steuerkreise zur Folge haben.

Durch eine Reihenschaltung zweier solcher Motore kann ein Differentialsystem geschaffen werden, daß schädliche Folgen auf die Motoren aus den vorerwähnten Bedingungen verhütet. Diese Anordnung jedoch leidet, ähnlich wie mechanisch äquivalente Differentialsysteme, unter dem Nachteil, daß dann,wenn ein Rad die Haftung auf dem Boden verloren hat, die gesamte Kraft diesem Rad zugeführt wird. Dieses Rad dreht sich deshalb frei und das Fahrzeug hat keinen Antrieb mehr.

Es ist auch bereits ein System vorgeschlagen worden, dessen Motoren zum Start in Serie geschaltet sind und die für den Normalbetrieb parallelgeschaltet werden. Dieses System kann jedoch sehr kompliziert sein und bietet keine besonderen Vorteile gegenüber dem neuerdings üblichen Gebrauch von Halbleitern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Steuersystem für zwei oder mehrere elektrische Gleichstrommotor e mit mindestens hintereinandergeschalteten Ankern zu schaffen, welches die vorerwähnten Nachteile vermeidet oder zumindest weitgehend reduziert.

Erfindungsgemäß wird bei einem Steuersystem der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, daß eine Fühleranordnung zum Auffinden einer einen bestimmten Wert überschreitenden Geschwindigkeits-Differenz zwischen den Motoren vorgesehen ist, und zum Reduzieren der rückwirkenden EMK (gegenelektromotorischen Kraft, Bewegungsspannung, Gegenspannung) eines der Motoren bis das sehr große Geschwindigkeitsdifferential eliminiert ist, ferner Mittel zum entsprechenden Reduzieren der dem anderen Motor zugeführten Vlrkspannung auf einen bestimmten Sicherheitswert·

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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Schaltung beschrieben.

Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Steuerung eines elektrischen zweimotorigen Fahrzeugs, bei dem jedes Antriebsrad von einem getrennten Motor angetrieben wird. Es soll aber hervorgehoben werden, daß das System auch zur Steuerung von zwei oder mehr Elektromotoren verwendet werden kann, welche anderen Zwecken dienen.

Das Steuersystem, daß zur Steuerung zweier in Serie geschalteter elektrischer Gleichstrommotoren ausgebildet ist, erhält eine Speisespannung von £ Volt. '

Da die Motoren hintereinander geschaltet sind, ist der Arbeitsstrom in den Motoren stets gleich, beispielsweise I Ampere. Unter der Voraussetzung, daß die beiden Motoren in ihren elektrischen Eigen-· schäften identisch sind, beträgt die jedem Motor zugeführte Spannung E/2 Volt, wenn sich das Fahrzeug geradeaus bewegt und wenn sich beide Antriebsräder mit derselben Geschwindigkeit drehen. Auch die Gegenspannung (entgegenwirkende EMK, Bewegungsspannung) E, in jedem Motor ist gleich der angelegten Spannung E/2 abzüglich dem Ohm'sehen Spannungsabfall in dem Motor der gleich ist dem Stromwert multipliziert mit dem Motorwiderstand. Es gilt:

I - ^Eb ⁺ ^τ ^{X R}m I = Arbeitsstrom

R = Motorwiderstand m

Wenn die Steuerräder des Fahrzeugs eingeschlagen sind, nimmt jedes Antriebsrad seine eigene Spur und

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auf diese Weise wird das eine Rad langsamer drehen als das änderet Da die Gegenspannung (Dewegungsspannung eines Gleichstrommotors proportional seiner Geschwindigkeit ist, wird die Gegenspannung des langsameren Motors zurückgehen, so daß der Strom anzuwachsen versucht. Da jedah das Drehmoment nahezu unverändert bleibt, wird der aus der Quelle entnommene Strom I nicht anwachsen.

Während der gesamten Zeit muß die Spannungssumme über die Motoren gleich der angelegten Spannung £ sein. Wie es aus der vorstehend genannten Gleichung ersichtlich ist, muß dann, wenn infolge einer Geschwindikeitsreduzierung die Gegenspannung eines Motors reduziert wird, auch die Spannung am Motor reduziert werden. Infolgedessen wird die am anderen Motor anliegende Spannung anwachsen, so daß der letztere mit einer größeren Geschwindigkeit angetrieben wird. Hierdurch wird die oben erwähnte Differentialwirkung erhalten.

Wenn infolge einer unebenen Oberfläche ein Rad vom Boden abhebt und die Belastung hierdurch vom Motor entfernt wird, wird der Arbeitsstrom reduziert. Die Geschwindigkeit ist dem Arbeitsstrom umgekehrt proportional und so wird unter diesen Bedingungen die Geschwindigkeit des Motors mit der Gegenspannung anwachsen. Mit einem Anwachsen der Gegenspannung wird die am Motor angelegte Spannung anwachsen und so die am anderen Motor angelegte Spannung reduziert werden. Hierdurch verliert das andere Rad seinen Antrieb und der Motor wirkt lediglich als Widerstand im Kreis mit dem Antriebsmotor. Deshalb wird ein reduzierter Strom fließen und ein zum Antreiben des Fahrzeugs nicht ausreichendes Drehmoment auftreten. Es existiert also ein blockierter Fahrzeugzustand.

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Damit diese Schwierigkeit vermieden wird, wird erfindungsgemäß das in der Zeichnung dargestellte Steuersystem vorgesehen. Die Schaltung stellt zwei in Reihe geschaltete Hauptschlußmotoren A und B dar. Wenn das durch den Motor A angetriebene Rad vom Boden abhebt, dann versucht dieser Motor schneller zu laufen und dies führt zu einer Blockierung des Motors B. Deshalb ist ein nicht dargestellter Geschwindigkeit sfühler vorgesehen, der mit beiden Motoren A und B verbunden u und so ausgebildet ist, daß er zu jeder Zeit das Geschwindigkeitsdifferential zwischen den beiden Motoren registriert. Wenn also die Geschwindigkeit des Motors A gegenüber der des Motors B, welcher blockieren will, anwächst, dann veranlaßt das Ausgangssignal des Meßfühlers die Kontakte 2a des Relais 2 zum Schließen. Hierdurch wird das Schaltschütz Y unter Strom gesetzt, welches den Schalter 10 zum Umspringen veranlaßt. Der Strom fließt deshalb am Motor A über den Leiter 11 vorbei.

Unter diesen Bedingungen wird die volle Speisespannung E an den Motor B mit einer unerwünschten Wirkung angelegt. Deshalb wird ein nicht dargestelltes elektronisches System mit Halbleitern eingebaut, derart, daß in dem Augenblick, wenn die Kontakte 2a des Relais 2 schließen, die Impulsrate zum Motor B automatisch reduziert wird, so daß die am letzteren anliegende Wirkspannung auf etwa E/2 reduziert wird. Der Motor B kann deshalb das Fahrzeug auch über das , Hindernis hinaus antreiben,welches den Motor A zum Durchdrehen veranlaßte. Während dies geschieht, wird der Motor A langsamer, weil er von der Energiezufuhr abgeschnitten worden ist und dementsprechend fällt die Differentialgeschwindigkeit zwischen den Motoren ab, so daß das Signal vom Meßfühler aufhört und den' Kontakten 2a des Relais 2 zu öffnen erlaubt. Hierdurch kehrt das System wieder in seinen Normalzustand zurück.

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Wenn dies zu schnell geschieht, d.h. bevor das durch den Motor A getriebene Rad wieder haftet, wird der Motor A erneut durchdrehen und der Vorgang wiederholt sich. Dies kann zu einer unerwünschten Häufigkeit des Vorgangs und dementsprechend zu einen entsprechenden Verschleiß der Kontakte 2a führen. Es ist deshalb wünschenswert, daß der Meßfühler ein weites Differential oder einen großen Differentialbereich hat« welcher einstellbar ist und/oder eine Zeitverzögerung sollte dem Offnen der Kontakte nach ihrem Schließen in Abhängigkeit von einem, von dem Meßfühler erhaltenen Signal mitgeteilt werden. Eine solche Verzögerung kann beispielsweise durch einen Zeitgeber erzeugt werden, der bei Auffinden eines ein bestimmtes Maß überschreitenden Geschwindigkeitsdifferentials oder einer solchen Geschwindigkeitsdifferenz in Aktion tritt. Alternativ hierzu könnte der Zeitgeber oder die Verzögerungseinheit auch dann in Aktion treten, wenn das Geschwindigkeitsdifferential bzw. die Geschwindigkeitsdifferenz auf Null fällt oder sich umkehrt. Die Dpuer der Verzögerung ist so zu wählen, daß sichergestellt ist, daß keine unerwünschte Betriebshäufigkeit des Kontaktes 2a auftritt.

Der Schaltkreis für beide Motoren ist identisch und der umgekehrte Ablauf tritt ein, wenn das durch den Motor B angetriebene Rad den Boden verläßt: Die Kontakte la des Relais 1 schließen sich und speisen das Schütz X zum Betätigen des Schalters 12. Auf diese Weise fließt der Strom über den Leiter 13 am Motor B vorbei.

Das Geschwindigkeitsmeßgerät kann aus einem Tachogenerator ,der an jeden Anker angesetzt ist, oder einem von der Ankerspannung abhängigen Relais bestehen oder aus irgendeiner anderen Vorrichtung, die dazu geeignet

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ist, eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Motoren zu ermitteln.

Es muß berücksichtigt werden, daß dann, wenn das Fahrzeug einen erigen Bogen fährt, das innere Antriebsrad mit einer Geschwindigkeit gedreht wird, welche gegenüber der Geschwindigkeit des Außenrades sehr viel geringer ist, wenn nicht sogar das Innenrad vollständig steht. Deshalb würde die Fühleranordnung normalerweise eine große Geschwindigkeitsdifferenz finden und so in Aktion treten, daß der schneller drehende Motor abgeschciltet würde, so daß das Fahrzeug zum Blockieren tendiert. Deshalb ist ein Begrenzer entweder an den gesteuerten Rädern, am Steuerrad oder an der Steuersäule vorgesehen, der die Fühlanordnung während eines engen Bogens abschaltet, so daß der Antrieb des äußeren Hades nicht ausfällt. Der Begrenzer kann auch so ausgebildet sein, daß er die Wirkung der Fühlanordnung umkehrt. Hierbei veranlaßt die Fühlanordnung, daß der das innere Rad antreibende Motor getrennt oder kurzgeschlossen wird. Der Begrenzer kann auch so ausgebildet sein, daß er den das innere Rad treibenden Motor dazu veranlaßt, entgegengesetzt zu drehen. Hierdurch wird das Fahren des Fahrzeugs in einem engen Bogen unterstützt. Darüberhinaus kann diese Wirkung in zwei Stufen vorgesehen sein, derart, daß das innere Kad für einen ziemlich engen Bogen gebremst und bei einem vollen Einschlagen oder bei vollständigem Blockieren umgekehrt angetrieben wird.

Die Gegenspannung eines durchdrehenden Motors kann durch Kurzschließen des betreffenden Motors reduziert werden. Das gleiche Ergebnis kann jedoch, wie bei der dargestellten Schaltung,durch ein Offnen des Stromkreises des durchdrehenden Motors und durch Vorsehen eines Alternutiv-Weges für den anderen Motor erreicht

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werden, ferner auch durch ein Unterbrechen oder Kurzschließen des Ankers oder des Feldes des durchdrehenden Motors.

Auch das Schalten des Motors kann durch andere Mittel als die Kontnktgeber erfolgen, beispielsweise durch Verwendung eines elektronischen Festkörpersystems, welches Halbleiter für ein Umgehen des Ankers eines Motors aufweist.

Ein Steuern des Fahrzeugs kann durch ein gesteuertes Reduzieren der Antriebswirkung eines der Motoren erzielt werden, und zwar durch irgendeine der vorbeschriebenen Methoden, beispielsweise durch ein kurzzeitiges Kurzschließen oder Umgehen des Ankers für ein Reduzieren seiner Geschwindigkeit, während der andere Motor mit einer festen Geschwindigkeit dreht.

Obwohl die Erfindung vorstehend als System zum Steuern von in Reihe geschalteten Hauptschlußgleichstrommotoren beschrieben wurde, kann es ebenso gut bei Nebenschlußmotoren oder Kompoundmotoren, deren Anker in Serie geschaltet sind, verwendet werden.

- Patentansprüche - 9 -

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Claims

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Patentansprüche

(l.) Steuersystem für zwei elektrische Gleichstrommotore, wobei mindestens deren Anker in Reihe geschaltet sind, dadurch ge k e nnz.e i c hn e t, daß es eine Fühlanordnung zum Auffinden eines über einen bestimmten Wert hinausgehenden Geschwindigkeitsdifferentials bzw. einer solchen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Motoren aufweist, und die zum Reduzieren der Gegenspannung,bis die über den bestimmten Wert hinausgehende Geschwindigkeitsdifferenz eliminiert ist,geeignet ausgebildet ist, wobei ferner Mittel zum entsprechenden Reduzieren der dem anderen Motor zugeführten Wirkspannung auf einen sicheren Wert vorgesehen sind.

2· Steuersystem für zwei elektrische Gleichstrommotore, wobei zumindest deren Anker in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichne t, daß es eine Fühleranordnung aufweist, die zum Auffinden einer über einen bestimmten Wert hinausgehenden Geschwindigkeits<differenz zwischen den Motoren geeignet ausgebildet ist, und zum Reduzieren der so angewachsenen Gegenspannung des schneller laufenden Motors, wodurch die über einen bestimmten Wert hinausgehende Geschwindigkeitsdifferenz eliminiert wird, wobei ferner Mittel für ein entsprechendes Reduzieren der dem anderen Motor zugeführten Wirkspannung auf einen sicheren Wert vorgesehen sind.

3· Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche beim Auffinden der Geschwindigkeitsdifferenz den Anker des schneller laufenden Motors vom Stromkreis trennen und einen anderen Stromweg zu dem anderen Motor vorsehen, wodurch die Gegenspannung des schneller laufenden Motors reduziert wird·

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k. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche beim Auffinden der Geschwindigkeitsdifferenz den Anker des schneller laufenden Motors kurzschließen, wodurch seine Gegenspannung reduziert wird·

5· Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsvermindernden Mittel aus einem elektronischen Halbleitersystem bestehen.

6. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsvermindernden Mittel aus einem elektronischen Halbleitersystem bestehen.

7· Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine unerwünschte Arbeitshäufigkeit des Systems verhindern.

8. Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß dieses System bei seiner Anwendung zur Steuerung der Tätigkeit zweier elektrischer Gleichstrommotoren, die zum Antreiben der Antriebsräder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angeordnet sind, Begrenzer aufweist, die zum Abschalten des Steuersystems geeignet ausgebildet sind, wenn das Fahrzeug in einem relativ engen Bogen fährt, derart, daß eine bestimmte Geschwindigkeit sdiff erenz zwischen den Rädern zum Bogenfahren ermöglicht wird.

9· Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleranordnung einen auf jedem Anker angeordneten Tachogenerator aufweist.

10. Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t,

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daß es zur Steuerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angewendet wird, wobei das Fahrzeug mit Hilfe von zwei oder mehr durch das Steuersystem gesteuerten elektrischen Gleichstrommotoren angetrieben wird.

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