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Antriebsvorrichtung mit zwei Motoren
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Antriebsvorrichtung mit zwei Motoren Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung
mit zwei Motoren, die gleichsinnige oder gegensinnige Drehrichtungen zueinander
aufweisen.
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Es ist bekannt, daß Elektromotoren aus dem Stillstand nicht kontinuierlich
heraus anlaufen können, da während des Anlaufens das innere elektrische Drehmoment
fehlt.
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Beim Gleichstrommotor, betrieben als Reihenschlußmotor, sind Anker-
und Erregerwicklung in Reihe geschaltet, während sie beim Nebenschlußmotor parallel
geschaltet sind.
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In beiden Fällen werden Anker- und Erregerwicklung von der gleichen
Stromquelle betrieben. Diese beiden Motorenarten zeigen ein grundsätzlich verschiedenes
Verhalten der Drehzahl in Abhängigkeit von der Belastung. Während die Drehzahl des
Reihenschlußmotors bei abnehmender Belastung steil ansteigt und bei zunehmender
Belastung stark abnimmt, wie der hyperbolische Verlauf der Drehzahlkennlinie, die
die Abhängigkeit der Drehzahl vom Belastungsdrehmoment bzw. vom Drehzahlmoment wiedergibt,
zeigt. Beim Nebenschlußmotor ändert sich die Drehzahl indessen zwischen Vollast
und Leerlauf nur um etwa 5 bis 10%. Reihenschlußmotoren dürfen daher niemals völlig
entlastet werden, da sie dann durchgehen, wobei die Ankerwicklung infolge der zu
hohen Fliehkraftbeanspruchung beschädigt wird. Die gleiche Erscheinung tritt bei
Reihenschluß- und Nebenschlußmotoren auf, wenn die Felderregerwicklung unterbrochen
wird. Da der Widerstand der Ankerwicklung sehr klein ist, dürfen die Anker der
Gleichstrommotoren
beim Anfahren nicht direkt an die volle Spannung gelegt werden. Die Ankerspannung
wird durch den Anlasser, der ein Vorwiderstand ist, zunächst soweit herabgesetzt,
daß kein zu hoher Strom fließen kann. Danach läuft der Motor an und erzeugt durch
Rotation im Magnetfeld eine Gegenspannung, die der Drehzahl und dem Magnetfeld proportional
ist. Infolge dieser Gegenspannung wird der Ankerstrom geringer und der Anlaßwiderstand
kann stufenweise verringert werden, bis sich zuletzt ein Gleichgewichtszustand einstellt,
in welchem an der Welle des Gleichstrommotors das gewünschte Drehmoment aufrechterhalten
werden kann.
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Beim Nebenschlußmotor kann durch Änderung des Erregerstromes und damit
des Hauptfeldes eine einfache Drehzahlregelung erreicht werden.
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Die Drehzahlkennlinie sowohl vom Reihenschlußmotor als auch vom Nebenschlußmotor
zeigt, daß erst ab einer bestimmten Größe der Drehzahl ein Drehmoment an der Welle
des Motors auftritt.
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Mit Hilfe von elektronischen Schaltungen ist es möglich, ein kontinuierliches
Drehzahlstellverhältnis, das gegeben ist durch die maximale Drehzahl zu der minimalen
Drehzahl von ca. 1:1 bis 1:60 zu erhalten, wenn die Gleichstrommotoren über einen
Drehzahlregelkreis angesteuert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebsvort chtung mit Motoren
zu schaffen, die ein kontinuierliches Anlau-
fen aus dem Stillstand
mit dem Nenndrehmoment einer vorgewählten Drehzahl ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit zwei Motoren,
die gleichsinnige oder gegensinnige Drehrichtungen zueinander aufweisen, dadurch
gelöst, daß die Motoren über eine Kupplung kraftschlüssig miteinander gekoppelt
und in Reihe in einem Rahmen angeordnet sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Motor mittels eines Festlagers
im Rahmen gehalten und ist seine Abtriebswelle mit der Kupplung verbunden, die mit
dem zweiten Motor im Eingriff steht. Dabei ist zweckmäßigerweise der zweite Motor
durch ein drehbares Lager, insbesondere ein Kugellager, im Rahmen gehalten.
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Es wird dann an der Abtriebswelle des zweiten Motors eine liclntivcireizahl
auftreten, die gleich der Summe oder Differenz aus den Drehzahlen nl und n2 der
beiden Motoren ist. Ferner ergibt sich, daß an der Abtriebswelle des zweiten Motors,
unabhängig von dessen Relativdrehzahl, stets das Nenndrehmoment entsprechend der
Drehzahl n2 des zweiten Motors auftritt. Das Drehzahlstellverhältnis aus maximaler
zu minimaler Drehzahl der Antriebsvorrichtung liegt im Bereich von 1 bis 0.
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Es ist von Vorteil, gleiche Motoren mechanisch zu kuppeln, jedoch
stellt dies keine zwingende Notwendigkeit dar. Mit der Erfindung wird unter anderem
der Vorteil erzielt, daß das Anlaufen bzw. Hochlaufen der Antriebsvor-
richtung
wesentlich schneller als bei bekannten Antriebsaggregaten erfolgen kann. Von Vorteil
ist auch, daß die Drehzahlverstellung der Antriebsvorrichtung auch bei sehr kleinen
Relativdrehzahlen, die sich beispielsweise bei geringen Differenzen in den Drehzahlen
nl und n2 der gegensinnig drehenden Motoren ergeben, wesentlich feinfühliger als
bei anderen Systemen vorgenommen werden kann.
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Dadurch ist diese Antriebsvorrichtung insbesondere für die präzise
Positionierung von Nachführsystemen, wie sie beispielsweise bei der Laserabtastung,
bei Richtantennen oder Fernrohrkonstruktionen für die Astrophysik und Astronomie
gefordert werden, geeignet.
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Von Vorteil ist auch, daß durch die Vorgabe der beiden Drehzahlen
nl und n2 das Drehmoment stufenlos vorbestimmt werden kann, mit dem die Antriebsvorrichtung
arbeiten soll. Es ergibt sich somit die Möglichkeit, mittels weniger Getriebestufen
einen großen Drehzahlbereich abzudecken. Dadurch bleibt der relativ hohe Wirkungsgrad,
der durch die Motoren gegeben ist, weitgehend erhalten. Sehr vorteilhaft ist auch
bei dieser Antriebsvorrichtung, daß sie im Reservierbetrieb genauso effektiv arbeitet
wie im Vorlaufbetrieb und dadurch herkömmlichen Antriebsaggregaten bei weitem überlegen
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Zwei Motoren 1 und 2 sind in einem Rahmen 5 anceordnet, der zugleich
das Gehäuse der Antriebsvorrichtung 10 bil-
det. Die Motoren 1 und
2 liegen so in Reihe in dem Rahmen 5, daß ihre Drehwellenachsen miteinander fluchten.
Uber eine Kupplung 3 sind die Motoren 1 und 2 kraftschlüssig miteinander gekoppelt,
wobei der Motor 1 den Motor 2 antreibt. Hierzu ist der Motor 1 mittels eines Festlagers
7 im Rahmen 5 ortsfest gehalten. Die Abtriebswelle 8 des Motors 1 ist starr mit
der Kupplung 3 verbunden, die mit dem Motor 2 so im Eingriff steht, daß sie dessen
Motorgehäuse umfaßt. Der Motor 2 ist durch ein drehbares Lager 4 im Rahmen 5 gehalten.
Dieses drehbare Lager 4 ist beispielsweise ein Kugellager. In Fig. 1 ist nicht dargestellt,
daß die Motoren 1 und 2 über Schleifringe mit Strom versorgt werden müssen und daß
elektronische Schaltungen zu Bestimmung der Drehzahlen nl und n2 der Motoren 1 und
2 vorhanden sind.
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An einer Abtriebswelle 9 des zweiten Motors 2 tritt jeweils die gewünschte
Relativdrehzahl der Antriebsvorrichtung 10 auf, die gleich der Summe aus den Drehzahlen
n1 und n2 der beiden Motoren 1 und 2 ist. Die jeweilige Drehrichtung des einzelnen
Motors wird durch das Vorzeichnen seiner Drehzahl berücksichtigt.
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Es ist offensichtlich, daß unabhängig von der Größe der Drehzahlen
nl und n2 der Motoren 1 und 2 die Abtriebswelle 9 in bezug auf den Rahmen 5 bzw.
das Gehäuse der Antriebsvorrichtung 10 stillsteht, wenn die beiden Motoren 1 und
2 mit gleichgroßen Drehzahlen nl und n2 gegenläufig zueinander umlaufen. Dadurch
wird erreicht, daß an der Abtriebswelle 9 des Motors 2, unabhängig von der Re
lativdrehzahl
der Antriebsvorrichtung 10, stets das Nenndrehmoment entsprechend der Drehzahl n2
des zweiten Motors 2 auftritt.
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In der praktischen Ausführung der Antriebsvorrichtung 10 wird der
Rahmen 5 beispielsweise mit einem Kunstharz 6 ausgegossen, so daß von der gesamten
Antriebsvorrichtung nur die Abtriebswelle 9 und die in Fig. 1 nicht gezeigten Zuführungen
zu den Schleifringen der Motoren 1 und 2 sowie zu den elektronischen Schaltungen
für die Regelung der Drehzahlen nl und n2 frei zugänglich sind.
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In Fig. 2 sind schematisch die sogenannten Drehzahlstellverhältnisse
in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebsvorrichtung dargestellt. Die Kennlinie
zeigt einen ähnlichen Verlauf wie die Kennlinie eines Reihenschluß-Gleichstrommotors.
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Das Drehzahlstellverhältnis einer Antriebsvorrichtung ist im allgemeinen
gegeben durch das Verhältnis zweier Drehzahlen n1 : n2 für n1 = nmax und n2 = "min
und liegt für herkömmliche Antriebsaggregate im Bereich von 1 bis 60, da nmin in
etwa nmax beträgt. Hierbei sind nmax und nmin 60 diejenigen Drehzahlen, bei denen
an der Abtriebswelle noch ein verwertbares Drehmoment erhalten wird.
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Bei der Antriebsvorrichtung 10 nach der Erfindung ist das Drehzahlstellverhältnis
gegeben durch die Drehzahl nl zur
Summe oder zur Differenz der
Drehzahlen nl und n2 der Motoren 1 und 2. Dabei gilt die Summe für die gleichsinnige
Drehrichtungen und die Differenz für die gegensinnige Drehrichtung der Motoren 1
und 2. Als Abszisse ist in Fig. 2 jeweils der Absolutwert der Relativdrehzahl n
abs aufgetragen und als Ordinate das Drehzahlstellverhältnis
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, geht das Drehzahlstellverhältnis asymptotisch gegen
unendlich für den Stillstand der beiden Motoren 1 und 2, dies bedeutet mit anderen
Worten, daß aus dem Stillstand der Antriebsvorrichtung 10 heraus mit dem Drehmoment
angefahren werden kann. Für sehr hohe Drehzahlen nl und n2 nähert sich das Drehzahlstellverhältnis
dem Wert 1/2. Für gegensinnige Drehrichtungen der beiden Motoren 1 und 2 ist der
Kennlinie zu entnehmen, daß für nl = n2 das Drehzahlstellzahlverhältnis asymptotisch
gegen unendlich geht, während es für eine konstante Drehzahl nl und eine anwachsende
Drehzahl n2 gegen 0 konvergiert. Für konstante Drehzahl n1 = n2 ergibt sich bei
gegensinnigen Drehrichtungen der beiden Motoren 1 und 2 ein Drehzahlstellverhältnis
unendlich. Es ist ohne Schwierigkeiten aus den Kennlinien der Fig. 2 ersichtlich,
daß durch die Wahl der absoluten Drehzahlen nl und n2 aus dem Stillstand der Antriebsvorrichtung
heraus angefahren werden kann und daß die Relativdrehzahl bei gegensinnigen Drehrichtungen
der
Motoren 1 und 2 beliebig klein gehalten werden kann, auch wenn
die Drehzahlen der Motoren sehr hoch sind, so daß bei niedrigen Relativdrehzahlen
der Antriebsvorrichtung 10 entsprechend große Drehmomente erhalten werden können.
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Durch die Möglichkeit der Umschaltung von der Subtraktion der Drehzahlen
auf deren Addition ist es ein leichtes, einen großen Relativdrehzahlbereich abzudecken
und in diesem Bereich durch die Wahl der absoluten Drehzahlen n1 und n2 das gewünschte
Drehmoment kontinuierlich vorzugeben.