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Antriebs system mit Elektromotor
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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Elektromotor,
der mit einem drehbar gelagerten Rotor und einem Stator ausgestattet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem mit einem
Elektromotor anzugeben, bei dem ein Teil der dem Elektromotor zugeführten Energie
gespeichert werden kann.
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Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Stator des Elektromotors relativ
zum Rotor drehbar gelagert und mit einer Schwungmasse zur Speicherung von Rotationsenergie
gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Schwungmasse am Stator festgemacht oder bildet
einen integralen Teil des Stators. Das Antriebssystem kann erfindungsgemäß mit einer
Feststellbremse für den Stator ausgerüstet sein.
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Beim Anlegen eines Drehfeldes an die Wicklungen von Stator und Rotor
wird ein Moment erzeugt, das den Rotor antreibt und sich gegen den Stator und die
damit gekoppelte Schwungmasse abstützt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem ohne Feststellbremse wird
in der Anlaufphase durch das Stützmoment der ;-;tatr und die mit den Stator gekoppelte
Schwungmasse entgegen der Drehrtchtun es Rotors beschleunigt. Der Energieinhalt
des Stators und der damit gekoppelten Schwungmasse wird weiter erhöht, indem in
der Bremsphase dem zu bremsenden Rotor Energie entzogen, die sodann in den umlaufenden
Stator und die Schwungmasse überführt und dort als kinetische Energie gespeichert
wird. Der EnerCieinhalt des Stators und der damit gekoppelten Schwungmasse steht
sodann als NutLleistung für eine der Bremsphase sich anschließenden Beschleunigungsphase
zur Verfügung.
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Um die in dem Stator und der Scnwungrwasse gespeicherte Rotationsenergie
wieder zu entnehmen, muß die Drehfeldfrequenz des Stators und der Schwungmasse oder
des Antriebsrotors umgekehrt werden.
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Bei einem erfindungszemäßen Antriebssystem mit einer Feststellbremse,
wird die Feststellbremse dazu verwendet, den Stator und die damit gekoppelte Schwungmasse
bis
zur Bremsphase festzuhalten, in welcher der Rotor verzögert
wird. Wie bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem ohne Feststellbremse, wird
auch bei dem Antriebssystem mit Feststellbremse in der Bremsphase dem Rotor Energie
entzogen, die dann in den Stator und die Schwungmasse überführt und dort gespeichert
wird. Der Energieinhalt des Stators und der Schwungmasse kann dann in einer nachfolgenden
Beschleunigungsphase wieder verwendet werden. Da nur Bremsenergie dem Stator und
der Schwungmasse zugeführt und wieder entnommen wird, haben der Stator und die Schwungmasse
nur eine Drehrichtung. Als Feststellbremse kann daher erfindungsgemäß eine Freilaufbremse
verwendet werden, die nur einen geringen Kosten- und Bauaufwand erforderlich macht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung
zur Steuerung bzw. Regelung des Antriebssystems vorgesehen. Wegen der im Betriebsablauf
infolge der Beschleunigungsvorgänge sich ändernden Drehzahldifferenz zwischen Rotor
und Stator sollten beim gebremsten wie beim ungebremsten System die Drehzahl-Frequenzen
von Stator und Rotorwicklung stetig den sich ändernden Betriebsgrdßen angepaßt werden,
um den gewünschten Drehmoment- und Drehzahlverlauf am Abtrieb zu erreichen.
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Die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung erfaßt als Betriebsgrößen
Drehzahl und Drehmoment des Abtriebs, sowie die Drehzahl des Stators und verarbeitet
sie, so daß die gewünschte Drehzahl- Drehmoment- Charakteristik für alle Systemzustände
gewährleistet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Antriebssystem
als Antrieb für Transportmittel verwendet, die häufig im Betrieb abwechselnd beschleunigt
und abgebremst werden. Beispiele derartiger Transportmittel sind Aufzüge, schienengebundene
Fahrzeuge insbesondere Straßenbahnen, U-Bahnen und Schnellbahnen, elektrisch betriebene
Busse für den Personenverkehr, insbesondere Oberleitungsbusse und Regalförderzeuge
mit Fremdstromversorgung.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem bietet den Vorteil der direkten
Energieübertragung vom und zum Bedarfsort, wobei der Übertragungswirkungsgrad durch
die Frequenzsteuerung sehr hoch gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, daß die Kosten für den mechanischen 2eil des Systems nur geringfügig höher
sind als die Kosten für einen konventionellen Elektromotor, der für den gleichen
Einsatzzweck wie das erfindungsgemäße Antriebssystem ausgelegt ist, -s-ind-. Wenn
die Frequenzsteuerung mit hohen Frequenzen arbeitet, kann die Schwungmasse klein
gehalten werden, so daß eventuell die reine Masse des Stators einschließlich Wicklung
als Schwungmasse genügt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben, Es zeigen
Fig.
1 ein Antriebssystem ohne Feststellbremse und Fig. 2 ein Antriebssystem mit Feststellbremse.
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Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Antriebssystem besteht
aus einem Elektromotor der mit einem drehbaren Rotor 1 mit Wicklung und einem drehbaren
Stator 2 mit Wicklung ausgerüstet ist. Der Rotor 1 ist auf einer Abtriebswelle 4
angeordnet, die auf einem Gestell 3 zweifach gelagert ist. Die beiden Lager des
Rotors 1 sind mit 5 bezeichnet. Der Stator 2 ist auf der Abtriebswelle 4 zweifach
mittels den Lagern 6 drehbar gelagert. Am Umfang des Stators 2 ist eine Schwungmasse
7 angeordnet, die fest mit dem Stator 2 verbunden ist. Das Antriebssystem hat eine
Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Elektromotors, die jedoch nicht dargestellt
ist.
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Das in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Antriebs system unterscheidet
sich von dem in Fig. 1 dargestellten Antriebssystem nur darin, daß bei Ce>m Antriebssystem
gemäß Fig. 2 eine Feststellbremse 8 für den Stator vorgesehen ist. Alle anderen
Teile des Antriebssystems gemäß Fig. 2 sind mit den entsprechenden Teilen des Antriebssystems
gemäß Fig. 1 identisch und tragen dieselben Bezugsziffern wie die entsprechenden
Teile des Antriebssystems gemäß Fig. 1. Die Feststellbremse 8 ist eine konventionelle
Mehrscheibenbremse, die aus mehreren am Stator 2 befestigten Scheiben 9 und einem
am Gestell 5 befestigten Bremsgehäuse 10 besteht.
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Die Arbeitsweise der beiden erfindungsgemäßen Antriebssysteme, die
als Aufzugsantrieb verwendet werden, wird im folgenden durch die Beschreibung verschiedener
Systemzustände näher erläutert.
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1. System ohne Stator-Feststellbremse 1,1 Stator steht Im ArbeitszyKlus
nehmen der Stator 2 und die Schwungmasse 7 zunächst die gleiche Leistung auf wie
über die Welle 4 als Nutzleistung abgegeben wird. Die Energie des Stators 2 und
der Schwungmasse 7 kann in der zweiten Hälfte des Arbeitszyklus durch Frequenzumsteuerung
als Nutzarbeit wieder entnommen werden.
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Im Bremszyklus wird über die Frequenzsteuerung die gesamte anfallende
Energie der angetriebenen Anlage per Nutzbremsung in den Stator 2 und die damit
gekoppelte Schwungmasse 7 überführt.
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1.2 Stator rotierend Der Energieinhalt des Stators 2 und der Schningmasse
7 wird im Arbeitszyklus entnommen. Für weitere Energieentnahme über die Nulldrehzahl
des Stators ? hinaus,muß dieser in die Gegenrichtung beschleunigt werden. Im Bremszyklus
wird der Stator 2 unter Energieaufnahme beschleunigt.
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2. System mit Stator-Feststellbremse 2.1 Stator festzebremst In diesem
Fall wirkt das System wie ein konventioneller Elektromotor, wobei die einfache Nutzleistung
auf die Triebwelle 4 abgegeben wird. Zur Übertragung anfallender Bremsenergie in
den Stator 2, wird die Bremse 8 gelöst. Der Betrieb mit festgebremsten Stator 2
ist erforderlich zum Anfahren unter Last bei vorherigem Stillstand des Stators 2,
oder im Lastbetrieb, wenn der Stator 2 völlig entladen ist.
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Bei der Drehzahl Null des Stators 2 fällt dann die Feststellbremse
8 ein, und der weitere Betrieb erfolgt als Elektromotor.
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2.2 Stator rotierend und frei In diesem Fall arbeitet das System im
Arbeits- und Bremszyklus wie unter 1.2 beschrieben.
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Wenn die Drehzahl des Stators 2 infolge Energieentnahme zu Null wird,
muß der Stator 2 festgebremst werden. Der weitere Betrieb erfolgt dann nach 2.1.
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