DE2908936A1

DE2908936A1 - Elektrische antriebseinrichtung

Info

Publication number: DE2908936A1
Application number: DE19792908936
Authority: DE
Inventors: John Eldred Holdsworth
Original assignee: HOLDSWORTH JOHN ELDRED
Current assignee: Brammer Transmissions Ltd
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1979-03-07
Publication date: 1979-09-20
Also published as: CA1167516A; JPS54164208A; GB1603976A

Description

Elektrische Antriebseinrichtung

Elektromotoren werden für den Antrieb der verschiedenartigsten Maschinen herangezogen. Dabei unterscheidet man zwischen Wechselstrommotoren, Drehstrommotoren und Gleichstrommotoren für kontinuierlichen Betrieb in nur einer Drehrichtung oder für Betrieb in verschiedenen Drehrichtungen und zuweilen auch für Betrieb mit verschiedenen Geschwindigkeiten in nur einer oder in verschiedenen Drehrichtungen. Zur Beeinflussung dieser Motoren sind äußere Schalter, Thyristorsteuerungen für verschiedene Geschwindigkeiten oder Invertersteuerungen üblich. Die bekannte Technik erlaubt es, Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren in weiten Drehzahlbereichen und gegebenenfalls in beiden Drehrichtungen zu regeln. Normalerweise wird dazu der Motor über Leitungen mit elektronischen Steuersystemen oder mit Schalttafeln verbunden.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, einen Elektromotor mit einem Steuerkreis zu einer einzigen baulichen Einheit zusammenzufassen. Beispiele hierfür finden sich in der US-PS 32 25 232, der US-PS 33 56 873, der FR-PS 20 50 029 und der FR-PS 21 53 307. Die bekannten Einrichtungen weisen jedoch nur geringe, oder gar keine Selbststeuerungseigenschaften auf und können keine vorbestimmte Programmfolge unterschiedlicher Betriebsbedingungen des Motors ohne äußere Steuerung ablaufen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebseinrichtung anzugeben, die mit einer ihr innewohnenden, vorherbestimmten Folge von Motorbetriebsbedingungen versehen werden kann, um den Motor nach vorbestimmten Programmen ohne äußere Steuerung betreiben zu können, und die praktisch fertig, d.h. "von der Stange", handelbar ist.

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Eine solche Antriebseinrichtung ist beispielsweise besonders nützlich für einen industriellen Antrieb, der eine fortlaufende Ά iederholung einer vorbestimmten Arbeitsablauffolge des Antriebsinotors verlangt.

Diese Aurgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sine Gegenstand der Unteransprüche.

Der Verbraucher kann mit einer Serie solcher Antriebseinrichtungen als jeweils geschlossene Einheiten versorgt werden. So kann eine solche Antriebseinrichtung beispiels weise einen Wechselstrommotor mit einem elektronischen Inverterkreis, der in das Motorgehäuse integriert ist, aufweisen und der Verbraucher kann vom Lager eine Antriebseinrichtung auswählen, die einen Steuerkreis aufweist, der es ermöglicht, die Antriebseinrichtung mit variabler Geschwindigkeit in verschiedenen Drehrichtungen zu betreiben. Es ist für den Verbraucher lediglich notwendig, die Antriebseinrichtung mit dem elektrischen Drei-Phasen-Lichtnetz zu verbinden und einen äußeren Schalter zu schließen. In dem Steuerkreis als Bestandteil der Antriebseinrichtung ist eine Programmeinheit eingeschlossen, die es einem Nur-Lesespeicher erlaubt, den Elektromotor der Antriebseinrichtung so zu steuern, daß dieser mit einer bestimmten Drehzahl in einer bestimmten Richtung eine vorgegebene Anzahl von Umdrehungen ausführt, woraufhin eine weitere Serie von Drehzahlen und Drehrichtungen folgt, bis das Programm abgelaufen ist. Es ist vorausgesetzt, daß das einfache Schließen eines äußeren Schalters ausreicht, um eine Ahlauffolge auszulösen, die vom Käufer schon beim Kauf angegeben wird. Das Programm \iird dann durch den Hersteller in die Nur-Lese-Speicher eingegeben und kann

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durch einfaches Austauschen eines kleinen Steckmoduls geändert werden.

Eine Weiterbildung dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung besteht in einer Vielfach-Verbindungsleitung zwischen der vorbeschriebenen Antriebseinrichtung und weiteren gleichartigen Antriebseinrichtungen, so daß Spezialmaschinen, beispielsweise Verpackungsmaschinen, die viele Antriebe an den verschiedensten Maschinenteilen aufweisen, aufeinander abgestimmt werden können. Auf diese Weise wird durch ein äußeres Signal eine erste Antriebseinrichtung in Betrieb gesetzt, sie führt dann einen Teil der programmierten Arbeitsablauffolge aus und liefert dann ein Signal zur Vielfach-Verbindungsleitung, das von den anderen Antriebseinrichtungen erkannt wird, wo dann Teile von deren Betriebsprogramm durchgeführt werden, bis dann von diesen weitere Signale entweder zur ersten Antriebseinrichtung zurückgemeldet oder zu nachfolgenden Antriebseinrichtungen weitergemeldet werden, so daß auf diese Weise komplexe Arbeitsablauffolgen mit variablen Drehzahlen und -richtungen durch einfache Software-Verfahren, d.h. durch einfaches Eingeben von Programmkarten beim Kauf der Antriebseinrichtungen ausgeführt werden können.

Diese Antriebseinrichtungen können mit Gleichstrommotoren ausgerüstet sein, jedoch sind insbesondere Wechselstrommotoren mit niedrigem Trägheitsmoment in verschiedenen Größen besonders günstig.

In einem Gesamtsystem kann eine einzelne Antriebseinrichtung auch unabhängig von anderen Antriebseinrichtungen betrieben werden. Weiterhin sind mehr kompliziertere Systeme, beispielsweise fernbeeinflußbare Systeme, möglich. Es ist auch

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möglich^ RAM-Speicher in größere Einheiten einzusetzen, die es ermöglichen^ Programmänderungen, gegebenenfalls auch ferngesteuert, durchzuführen.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nälier erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung;

Fig. 2 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsfoim der Erfindung;

Pig, 5 einen Schnitt längs der I-I in Fig. 2, und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises in der Antriebseinrichtung nach den Fig. 2 und 3.

Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer von einem Wechselstrommotor betriebenen Antriebseinrichtung 101. Am Rahmen 101a der Antriebseinrichtung sind Schaltkarten 102, 103 und 104 befestigt, die programmierte elektronische Invertersteuerkreise aufv/eisen, die ein vorbestimmtes Betriebsprogramm für den Motor festlegen. Die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung des Motors ist durch einen einzigen Knopf (nicht gezeigt) wählbar und veränderbar. Ein Anschlußkasten 105 ist am Rahmen 101a befestigt, wo die vom Lichtnetz herrührenden Leitungen befestigt werden können.

Weiterhin erkennt man einen abgenommenen Deckel 106, der die Inverterschaltkreise abdeckt. Dieser Deckel kann zugleich als Wärmesenke für die Inverterschaltkreise dienen, speziell Thyristoren oder VMOS-Transistoren 107 am Deckel 106 befestigt sind.

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Es kann vorteilhaft sein, daß man am einen Ende der Rotorwelle des Motors einen Lüfterflügel vorsieht, der Kühlluft über die Inverterkreise zieht. In diesem Falle kann es günstig sein, wenn die Motorwelle hohl ist, damit die Kühlluft durch sie streichen kann.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in größerem Detail eine von einem Drehstrommotor betriebene Antriebseinrichtung. Man erkennt einen zylindrischen Motorrahmen 19 und einen Kurzschlußläufer 1· Letzterer weist eine Wicklung niedrigen Innenwiderstandes auf und braucht keine guten Netz-Anlauf-Eigenschaften aufzuweisen, weil der Steuerkreis der Antriebseinrichtung so auf den Rotor angepaßt ist, daß die Antriebseinrichtung insgesamt gute Anlaufeigenschaften aufweise. Das Trägheitsmoment des Rotors 1 ist so klein wie möglich, damit er schnell auf Änderungen in den Betriebsbedingungen ansprechen kann. Das Trägheitsmoment wird durch die Gesamtgeometrie und auch durch axial verlaufende Löcher 20 und 21 in den Flächen des Rotors 1 niedrig gehalten, wodurch überflüssiges Eisen im Rotor vermieden wird. Diese durchgehenden Löcher 20 und 21 bilden zugleich Kanäle für Kühlluft. Im vorliegenden Falle sind zwei aus einer Vielzahl von um die Achse des Rotors 1 angeordneten Bohrungen erkennbar.

Der Motor weist einen Stator 2 üblicher Konstruktion aus Blechen auf, die Schlitze zur Aufnahme einer Statorwicklung enthalten.

In der gezeigten Ausführungsform trägt die Welle 4 des Rotors 1 einen Impulsgenerator, der die Überwachung der Motordrehzahl und/oder Phasenlage erlaubt. Er besteht aus einer kodierten optischen Scheibe 5, die elektronische Signale an Fototransistoren 6 erzeugt, die Licht von einer Infrarotlichtquelle 7 erhalten, das von einem Spiegel 22 reflektiert wird. Diese Signale werden im Steuerkreis des Motors für die

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Bestimmung der Ist-Werte von Phasenlage oder Drehzahl des Motors verwendet. Die Scheibe 5 kann Muster tragen, um inkrementell oder absolute kodierte Ausgangssignale zu

Der Strom für die Statorwicklung 3 des Motors wird vom Steuerkreis beeinflußt, der Thyristoren oder VMOS-Transistoren 8 aufweist, die auf Wärniesenken 9 montiert sind, die sämtlich aus extrudiertem Aluminium bestehen und um die Achse des Motors angeordnet sind. Der Extrusionsquerschnitt und die Anordnung der Wärmesenken 9 läßt sich aus Fig. 3 entnehmen. Jede Wärmesenke weist eine Grundplatte und drei davon wegstehende Fahnen auf.

Die Wärmesenken 9 werden durch Klammern 23 (hier nur für eine Wärmesenke dargestellt) in entsprechenden radialen Sektoren einer Plastikspinne 10 festgehalten. Die sechs radialen Arme 24 der Spinne 10 sind mit ihren äußeren Enden an sechs axial verlaufenden stangenförmigen Abschnitten 25 des Motorrahmens 19 befestigt. Die Zwischenräume zwischen den stangenförmigen Abschnitten 25 gestatten den Zugang zu den Thyristoren oder Transistoren 8 von außerhalb des Rahmens 19 und bieten in manchen Fällen Raum zur Aufnahme weiterer Teile des Steuerkreises, wie später noch im Detail beschrieben wird.

Ein Lüfterflügel 11 ist drehbar am Rahmen 19 gelagert und erzeugt einen Kühlluftstrom aus Löchern 26 in einer Stirnplatte 15 des Rahmens 19. Diese Luft streicht um die Wärmesenken 9 und kühlt sie, streicht weiter,durch Löcher 12 in einer Tragplatte 2 7 des Rahmens 19, durch die Löcher 20 und 21 im Rotor 1 und auch durch den Luftspalt zwischen Läufer und Stator, um den Motor zu kühlen,und schließlich durch Entlüftungslöcher 28 am in Fig. 2 rechts gelegenen

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Ende des Motorrahmens 19. Ein weiterer Luftstrom wird durch den Flügel 11 durch die zentrale Bohrung 29 der Spinne 10 erzeugt, der durch einen an der Spinne 10 befestigten Trichter 30 auf die Scheibe 5 gelangt, um diese zu kühlen. Diese Luftströmung verläßt den Rahmen 19 durch Löcher 31.

Der Lüfterflügel 11 ist unabhängig von der Drehzahl des Rotors 1 von einem relativ kleinen Drei-Phasen-Motor 13 angetrieben, der eine doppelte Wicklung trägt, um als Drei-Phasen-Transformator zu arbeiten, der eine Drei-Phasen-Niederspannung abgibt, die den die Thyristoren oder Transistoren 8 beeinflussenden Steuerkreis mit Strom versorgt. Weiterhin ist ein Luftfilter 14 vorgesehen, das leicht ausgewechselt werden kann, wenn man die Stirnplatte 15 abnimmt.

Ein nicht dargestellter Sensor mißt die Spannung über dem Rahmen des Lüftermotors 13. Änderungen dieser Spannung zeigen den Zustand des Filters an. Wenn das Filter verstopft ist, dann steigt die Drehzahl des Lüfterflügels 11 an und die Schlupffrequenz des Motors 13 fällt. Dies kann zur Außerbetriebsetzung des Hauptmotors herangezogen werden.

Der unabhängige Antrieb des Lüfterflügels 11 ist besonders günstig, weil er einen ausreichenden Kühlluftstrom auch dann hervorruft, wenn der Hauptmotor mit hohem Drehmoment und bei niedrigen Drehzahlen läuft.

Die Stromversorgung der Antriebseinrichtung erfolgt über einen Anschlußkasten 16. Es kann es dabei um Gleichstrom oder Wechselstrom handelt, je nach Art des Steuerkreises.

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Die Steueriogik 52 für die Thyristoren oder Transistoren 8 ist auf einer gedruckten Schaltkarte 32a angeordnet, die sich in einem Kasten 17 befindet, der am Rahmen 19 befestigt ist. Auf diese Weise ist der Schaltkreis mit dem Rahmen 19 fest verbunden. In ähnlicher Weise sind Impulstransformatoren 35 auf einer Schaltkarte angeordnet, die in einem Kasten 34 angeordnet ist, der am Rahmen 19 befestigt ist. Die Kästen 17 und 34 bestehen aus gebogenen extrudierten Abschnitten. Der ganze Steuerkreis für den Hauptmotor ist auf diese Weise montiert, einschließlich der KommutierungsInduktoren 33a.

Fig. 3 zeigt nur zwei Kastensätze, die im Umfang um den Rahmen 19 angeordnet sind. Es können jedoch je nach Größe des Schaltkreises, der unterzubringen ist, auch weitere Kästen hinzukommen.

Die Steiiexlogik 32 enthält Mittel, mit denen der Hauptmotor mit variabler Drehzahl und Drehrichtung betrieben werden kann. Diese eine Steuerart kann durch einen einzigen Steuerknopf 35 vorgenommen werden, der auf dem Kasten 17 angeordnet ist. Auch könnte ein elektrischer Anschluß 35a vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die Motordrehzahl fernsteuerbar ist.

Die Steuerlogik enthält !weiterhin einen Nur-Lese-Speicher 36, der ein vorbestimmtes Arbeitsprogramm für den Motor enthält. Dieser Speicher ist zweckmäßigerweise als einsteckbares, austauschbares Modul ausgebildet. Der Speicher 36 wirkt mit einem Mikroprozessor 36a zusammen.

Der Speicher könnte auch umprogrammierbar sein, um Programmänderungen vornehmen zu können.

Als Alternative zur Unterbringung der Schaltkarten in Kästen 17 und 34 um den Motorrahmen 19 herum könnten die Schaltkarten auch um die Thyristoren oder Transistoren 8 herum

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angeordnet sein, siehe beispielsweise die Schaltkarte 37 in Fig. 3. Diese ist über ein Scharnier 3 8 mit einer der Stangenabschnitte 25 verbunden und ist mittels einer Klammer 37 an einem benachbarten Stangenabschnitt 25 gesichert. Wenn alle Kästen 17 und 34 entfernt wären und Deckel 6 wie in Fig. 1 für alle Zwischenräume zwischen den Stangenabschnitten 25 vorgesehen wären, dann könnte man eine Vielzahl von Schaltkarten, wie beispielsweise 37, montieren und die Bauelemente darauf würden dann so in Erscheinung treten, wie es in Fig. mit abgenommenen Deckel gezeigt ist. Die Schaltkarten 3 7 könnte man dann nach außen schwenken, damit die Rückseiten und die Thyristoren oder Transistoren 8 zugänglich werden.

Anstelle einer radial innerhalb der Schaltkarten 3 7 getroffenen Anordnung der Thyristoren oder Transistoren 8 könnten diese auch radial außerhalb der Schaltkarten, beispielsweise auf den Deckeln 6, wie in Fig. 1 dargestellt, angeordnet sein.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der Verbindungen innerhalb des Motorsteuerkreises bei der Antriebseinrichtung nach den Fig. 2 und 3.

Ein Gleichrichter 37, der einige der Thyristoren oder VMOS-Transistoren 8 in konventioneller Drei-Phasen-Gleichrichterschaltung enthält, ist an das Drei-Phasen-Lichtnetz angeschlossen und liefert Gleichstrom an einen in üblicher Weise steuerbaren Inverter 38. Dieser wandelt die ankommende Gleichspannung in eine Drei-Phasen-Wechselspannung variabler Frequenz und Amplitude um, die der Statorwicklung 3 des Hauptmotors zugeführt wird.

Der Mikroprozessor 36a beeinflußt den Inverter 3 8 nach einem vorbestimmten Programm, das in dem einsteckbaren Speicher 36 enthalten ist. Die Fototransistoren 6, die auf die

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Drehzahl der Motorwelle 4 ansprechen, liefern dem Mikroprozessor 36a Signale, die den augenblicklichen Betriebsbedingungen des Motors entsprechen, so daß der Mikro- prozessor 36a feststellen kann, ob die verschiedenen Stufen eines Betriebsprogramms und das Programm selbst beendet worden sind. Gewünschtenfalls kann der Mikroprozessor 3öa so programmiert sein, daß er das Betriebsprogramm kontinuierlich xöederholt. Der Motor befindet sich in einem geschlossenen Steuerkreis, in welchem Signale entsprechend gewünschter Betriebsbedingungen vom Speicher 3ö und Signale entsprechend der Ist-Bedingungen von den Fototransistoren 6 zur Verfügung gestellt werden.

Gewünschtenfalls kann der Mikroprozessor 36a auch durch den Knopf 35 anstelle durch den Speicher 36 beeinflußt x^erden. Auf diese ."eise kann man Drehzahl und Drehrichtung der Motorweile 4 ganz nach Wunsch durch entsprechende Einstellung as Knopf 35 wählen.

Die detaillierten Einzelheiten des Steuerkreises brauchen nicht dargestellt zu werden, da sie handelsüblich sind und nicht Bestandteil der Erfindung bilden.

Es ist möglich₃ Antriebseinrichtungen der vorgenannten Art zusammenzuschließen, um Geschwindigkeiten Drehwinkel, Arbeitsfolgen und Zusammenhänge mit anderen kleineren Maschinen, zu vermöglichen. Ein einfaches Beispiel hierfür ist beispielsweise ein Motor, der innerhalb von fünf Umdrehungen auf eine Drehzahl von 1000 U/min, hochläuft, wonach am Ende der fünften Umdrehung ein, zxveiter Motor so gesteuert wird, daß er auf 600 U/min, hochläuft, wobei er dann auf eine Drehzahl synchronisiert xiird, die der 0,6-fachen Drehzahl des ersten Motores entspricht.

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Leerseite

Claims

PATB NTAN W ALTE /y rr ΓΆ ny; 2908^36 M^r.C-^:; -2Z ■ .'.iOENWAYERSTRASSE 4Θ Ο-! BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE Johr. Lidred Holdsworth, berlin: 01PL.-1NQ. r. müluer-börner iiarrugaLe, ;Λο 4AP, England München: oipl-ing.hans-heinrich wey DIPL.-ING. EKKEHARO KÖRNER 30 471 Ansprüche

1. Elektrische Antriebseinrichtung mit einem Elektromotor und eineiii Steuerkreis für denselben, die zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis eine programmierbare Einrichtung (36) zum Festlegen eines vorgegebenen Betriebsprogramms für den Elektromotor aufweist.

2, Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Wechselstrommotor ist und der Steuerkreis einen Inverter (38) enthält.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Einrichtung (36j nmprogrammierbar ist.

4, Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Einrichtung (36) einen Speicher aufweist.

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SS 5585 BERLIN: TELEFON (030) 8312Ο88

.-JÜ4244 KABEL: PROPINDUS · TELEX 0184057

BAD ORIGINAL

5. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis Thyristoren oder Transistoren (8) aufweist, die auf Wärmesenken (9) rings um die Achse des Elektromotors angeordnet sind.

6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Steuerkreises auf Schaltkarten (32a) montiert ist, die rings um die Achse des Elektromotors angeordnet sind.

7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lüfterflügel (11) zur Kühlung wenigstens von Teilen des Steuerkreises vorgesehen ist, der von einem unabhängigen kleinen Elektromotor (13, 14) angetrieben ist.

8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit anderen gleichartigen Antriebseinrichtungen verbunden ist, um deren Betrieb zu beeinflussen.

9. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Einrichtung (36) austauschbar ist.

10. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor einen Rotor (1) geringen Trägheitsmoments aufweist.

11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10» dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) Löcher (20, 21) aufweist.

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12. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor einen Kurzschlußläufer mit niedrigem Innenwiderstand aufiveist.

13. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Elektromotor in einem geschlossenen Kreis befindet, in welchem gewünschte Betriebswerte von der programmierbaren Einrichtung (36) bereitgestellt werden und augenblickliche Betriebsx^erte von Sensoren (6) geliefert werden, die die Welle (4) des elektroHotors abfühlen.

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BAD ORlGINSAL