DE3740697A1 - Antriebsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Antriebsmotor ist aus der deutschen OS 19 47 721 bekannt. Auf der Motorwelle eines Drehstrom-Kurzschlußläufermotors ist ein über Kohlebürsten mit Gleichstrom gespeister, von einem axial gerichteten Magnetfeld eines zweiten Ständers beaufschlagter Ankerscheibenläufer drehfest angebracht. Durch den Ankerscheibenläufer erfolgt die Positionierung, wenn beim Abbremsen die Motorwelle eine einstellbare Grenzdrehzahl unterschreitet.

Bei derartigen Antriebsmotoren erweist es sich als nachteilig, daß für die verschiedenen Betriebszustände, wie Dauerbetrieb oder Positionierbetrieb unterschiedliche Ständer erforderlich sind, was den Antriebsmotor aufwendiger macht und verteuert. Der zusätzliche Ständer erhöht zudem das Gewicht.

Aus dem Fachbuch "Elektrotechnik für Maschinenbauer" von H. Linse (Teubner-Verlag, Stuttgart, 6. überarbeitete Auflage) ist auf den Seiten 303 und 304 Aufbau und Wirkungsweise eines selbstgeführten Umrichters beschrieben, der nach Fig. 303.1 als Steuerungsteil eines asynchronen Drehstrom-Kurzschlußläufermotors dargestellt ist. Über einen Gleichrichter, der an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, wird ein Gleichspannungs-Zwischenkreis mit konstanter Spannung gespeist. An diesen Zwischenkreis ist ein dreiphasiger Pulswechselrichter angeschlossen.

Die Bildung der benötigten Wechselspannung beliebiger Frequenz durch den Pulswechselrichter kann beispielsweise nach dem Unterschwingungsverfahren erfolgen. Die aufgenommene Gleichspannung wird hierbei in Form von unterschiedlich gepolten Rechteckimpulsen verschiedener Impulsdauer an die Ständerwicklung gelegt, so daß eine sinusförmige Schwingung der gewünschten Frequenz und Amplitude als Unterschwingung entsteht.

Mit Hilfe eines derartigen Umrichters ist es möglich, die Drehzahl eines Drehstrom-Kurzschlußläufermotors in einem relativ großen Bereich zu verändern.

In der DE-OS 25 42 395 ist ein Schrittmotor dargestellt, dessen Ständer Pole in jeweils gleichen Winkelabständen aufweist, von denen jeder mit einer Spule umwickelt ist. Die Spulen sind so geschaltet, daß jeweils zwei benachbarte auf einen Läufer einwirken, dessen magnetische Achse durch einen Permanentmagneten oder durch einen Läuferkörper veränderlichen magnetischen Widerstandes festgelegt ist. Der Läufer wird dadurch in einer Raststellung positioniert, die durch die resultierende Wirkung der beiden Spulenfelder vorgegeben ist. Wenn in der vorgegebenen Solldrehrichtung des Läufers nacheinander weitere Spulen angesteuert werden, dann wird der Läufer stets um einen durch den Spulenabstand vorgegebenen Winkel weitergedreht.

Derartige Schrittmotoren sind zwar hervorragend zum Positionieren geeignet, jedoch wirken sich Beschleunigungs- und Bremsvorgänge zwischen je zwei Raststellungen für Dauerbetrieb nachteilig aus. Zudem sind Schrittmotoren aufgrund ihrer komplizierten Bauweise relativ aufwendig und teuer und oberhalb einer bestimmten Leistungsgrenze unwirtschaftlich.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsmotor so auszubilden und anzusteuern, daß dieser bei einfachem Aufbau und geringem Gewicht für eine Mehrzahl von Betriebszuständen vorgesehen, seine Drehzahl bis zum Stillstand regelbar und seine Motorwelle in einer vorbestimmbaren Stellung positionierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Aufnahme des Zusatzläufers in den Wirkungsbereich des den Hauptläufer antreibenden Ständers sind beide Läufer durch nur einen Ständer antreibbar. Da die beiden Läufer aufgrund ihres unterschiedlichen Aufbaues auf verschiedene Weise betätigbar sind, werden die einzelnen Stränge der Ständerwicklung dem jeweils anzutreibenden Läufer entsprechend angesteuert.

Für Dauerbetrieb ist beispielsweise ein umlaufendes, den Hauptläufer weitertreibendes Ständerfeld notwendig während sich für Positionierbetrieb ein den Zusatzläufer ausrichtendes Ständerfeld als erforderlich erweist. Dementsprechend werden für Dauerbetrieb die einzelnen Stränge nacheinander in der gewünschten Drehrichtung des Ständerfeldes eingeschaltet, während für Positionierbetrieb nur ein oder maximal zwei nebeneinander liegende Stränge anzusteuern sind.

Die einzelnen Stränge werden von der Steuereinrichtung aktiviert, indem jeder zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine vorgebbare Dauer mit Strom zum Aufbau des Ständerfeldes versorgt wird. Die Frequenz, in der für Dauerbetrieb die Stränge nacheinander versorgt werden, bestimmt die Drehzahl des Ständerfeldes und damit des Läufers, der Betrag des in den Strängen fließenden Stromes das auf den Läufer wirkende Drehmoment. Der Läufer ist zudem in Abhängigkeit von der Folge, in der die Stränge angesteuert werden, in beiden Drehrichtungen antreibbar.

Die Maßnahme nach Anspruch 2 erweist sich als vorteilhaft, um den Ständer des Antriebsmotors wahlweise an eine Gleich-, Wechsel- oder Drehstromquelle anschließen zu können, indem die jeweils erforderliche Anzahl von Spulen durch die Steuereinrichtung aktiviert wird. Dadurch ist der Ständer zum Antrieb beliebiger, in seinem Wirkungsbereich aufgenommener Läufer geeignet.

Die Ausbildung des Hauptläufers gemäß Anspruch 3 ermöglicht es, auf eine aufwendige und empfindliche, an eine Stromquelle anzuschließende Läuferwicklung zu verzichten.

Die Zusatzläufer nach den Ansprüchen 4 und 5 ermöglichen bei einfachem konstruktivem Aufbau eine relativ präzise Positionierung, da die Lage eines Zusatzläufers gemäß Anspruch 4 durch die Läuferform und gemäß Anspruch 5 durch die Anordnung der Magnete auf dem Läuferkörper bestimmt wird.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigt:

Fig 1 einen Antriebsmotor teilweise in Schnittdarstellung;

Fig. 2 den Ständer der Fig. 1 in Schnittdarstellung;

Fig. 3 den Läufer der Fig. 1 in Schnittdarstellung;

Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan für den Antriebsmotor;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem Schaltplan der Fig. 4 nach der strichpunktierten Linie;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Zusatzläufers.

In Fig. 1 ist ein Antriebsmotor (1) dargestellt, in dessen Gehäuse ein Ständer (2) aufgenommen ist. Der Ständer (2) besteht zur Unterdrückung von Wirbelströmen aus einer Mehrzahl von Elektroblechen und weist entlang seines Innendurchmessers Nuten (3) auf, in denen Spulen (4) von Strängen (W 1, W 2 und W 3) (Fig. 2) einer Ständerwicklung (5) eingebettet sind. Die Spulen (4) jedes Stranges (W 1 bis W 3) sind in Reihe geschaltet.

Der Ständer (2) umgibt einen Hauptläufer (6), der als Käfigläufer (7) (Fig. 3) ausgebildet ist. Der Kern (8) des Käfigläufers (7) besteht aus Elektroblechen, der Käfig (9) wird durch Stäbe (10), die über Ringe (11) verbunden sind, gebildet. Die Stäbe (10) sind in axialen Nuten (12) auf dem Umfang des Kernes (8) und die Ringe (11) an dessen Stirnseiten angeordnet.

Auf der Motorwelle (13) des Antriebsmotors (1) ist, ebenfalls von dem Ständer (2) umschlossen, ein Zusatzläufer (14) drehfest aufgenommen. Dieser ist als Reluktanzläufer (15) ausgebildet, der die Form einer Scheibe (16) mit zwei an deren Außendurchmesser angeformten, um 180° versetzten Ringsegmenten (17) und (18) aufweist. Der Außendurchmesser des Reluktanzläufers (15) ist im Bereich der Ringsegmente (17, 18) dem Außendurchmesser des Kerns (8) angepaßt. Zum Unterdrücken von Wirbelströmen ist auch der Reluktanzläufer (15) aus Elektroblechen zusammengesetzt.

Zur eindeutigen Positionierung wird der Reluktanzläufer (15) durch eine optoelektronische Überwachungseinrichtung (19), die eine Fotozelle (20) mit einem Lichtsender (21) und einem Lichtempfänger (22) aufweist, abgetastet. Aus diesem Grund ist der Reluktanzläufer (15) auf einer Hälfte (23) bis zur Mittellinie zwischen den beiden Ringsegementen (17, 18) mattiert, auf der anderen Hälfte (24) dagegen reflektierend ausgebildet.

Fig. 4 zeigt in einem vereinfachten Schaltplan die zur Funktion des Antriebsmotors (1) erforderlichen Bauteile einer Schaltung (25), wobei der Antriebsmotor (1) über einen zur Drehzahlregelung des Käfigläufers (7) dienenden Umrichter (26) an eine Drehstromquelle (27) angeschlossen ist.

Der Umrichter (26) ist mit einem Gleichrichter (28) versehen, der über Leitungen (U 1) und (U 2) eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (29) mit einem Wechselrichter (30) verbunden ist. Parallel zu dem Gleichrichter (28) und dem Wechselrichter (30) ist ein zum Glätten der Gleichspannung dienender Kondensator (31) am Zwischenkreis (29) angeschlossen. Der Wechselrichter (30) ist durch Steuerleitungen (S 1 bis S 6) mit einer Steuereinrichtung (32) verbunden, die über Leitungen (D, F und P) an einem Steuerpult (33) angeschlossen ist.

In Fig. 5 ist der strichpunktiert gezeichnete Teil der Steuerschaltung (25) vergrößert herausgezeichnet. An die in den Wechselrichter (30) geführten Leitungen (U 1) und (U 2) sind Transistoren (T 1 bis T 6) und Freilaufdioden (D 1 bis D 6) angeschlossen, wobei je zwei Transistoren (T 1 bis T 6) und parallel dazu zwei Freilaufdioden (D 1 bis D 6) in Reihe geschaltet sind und einen Einzelschaltkreis (K 1 bis K 3) bilden. Die Einzelschaltkreise (K 1 bis K 3) sind parallel zueinander an die Leitungen (U 1) und (U 2) angeschlossen.

Die Basen (B 1 bis B 6) der Transistoren (T 1 bis T 6) sind über die Steuerleitungen (S 1 bis S 6) mit der Steuereinrichtung (32) verbunden. Durch Schaltvorgänge der Transistoren (T 1 bis T 6) entstehende Spannungsspitzen in der Ständerwicklung (5) werden durch die Freilaufdioden (D 1 bis D 6) verhindert.

Die Steuereinrichtung (32) ist mit einem Mikroprozessor (34) versehen, der einen RAM-Speicher (35) und einen ROM-Speicher (36) aufweist. Der Mikroprozessor (34) nimmt über ein Negationsglied (37) und ein NOR-Glied (38) Signale von der Leitung (F) an einem Eingang (E 1) und Signale von der Leitung (D) an einem Eingang (E 2) auf.

Mit dem NOR-Glied (38) ist als zweiter Anschluß eine Abzweigung der Leitung (P) verbunden, die zusammen mit einem Ausgang (A) des Mikroprozessors (34) an einem UND-Glied (39) angeschlossen ist. Die Ausgangsleitung (B) des UND-Gliedes (39) ist mit dem Setzeingang (CLR) und dem Eingang (J) eines J-K-Flip-Flop-Speichers (40) verbunden, dessen zweiter Setzeingang (PR) und dessen zweiter Eingang (K) an eine ein Rücksetzsignal übertragende Leitung (X) angeschlossen sind. Die Leitung (Z) der Fotozelle (20) ist mit dem Takteingang (CL) des Speichers (40) verbunden, an dessen Ausgang (Q) die Leitung (V) angeschlossen ist.

Während eine Abzweigung der Leitung (V) mit einem Eingang (E 3) des Mikroprozessors (34) verbunden ist, ist deren Hauptstrang zusammen mit Ausgängen (A 1) und (A 2) des Mikroprozessors (34) an ODER-Gliedern (41) und (42) und über ein zwischengeschaltetes Negationsglied (43) mit Ausgängen (A 3) bis (A 6) des Mikroprozessors (34) an UND-Glieder (44 bis 47) angeschlossen. Die Ausgänge der ODER-Glieder (41), (42) und der UND-Glieder (44 bis 47) sind mit den Steuerleitungen (S 1 bis S 6) verbunden.

Der Antriebsmotor (1) arbeitet wie folgt:

Für Laufbetrieb wird ein binäres Signal mit dem Potential H, nachfolgend als Signal H bezeichnet, vom Steuerpult (33) an die Leitung (F) abgegeben. Nach Durchgang durch das Negationsglied (37) liegen an den beiden Eingängen des NOR-Gliedes (38) Signale mit Potential L, im folgenden Signale L genannt und am Eingang (E 1) des Mikroprozessors (34) ein Signal H an. Dadurch ist der Mikroprozessor (34) aufnahmebereit für ein am Eingang (E 2) anliegendes Signal, das einer am Steuerpult (33) eingestellten Drehzahl entspricht. Dieses Signal bewirkt, daß der Mikroprozessor (34) ein dem Signal zugeordnetes Steuerprogramm aus seinem RAM-Speicher (35) abruft. Durch das Steuerprogramm ist festgelegt, in welchem zeitlichen Abstand an drei verschiedenen, aufeinanderfolgend angesteuerten Zweiergruppen der Ausgänge (A 1 bis A 6) Signale H ausgegeben werden. Die Zusammensetzung der einzelnen Zweiergruppen sowie deren Folge nacheinander wird ebenfalls durch das Steuerprogramm bestimmt.

Da an der Ausgangsleitung (V) des J-K-Flip-Flop-Speichers (40) vor dem Negationsglied (43) ein Signal L und hinter diesem ein Signal H anliegt, werden an den ODER-Gliedern (41 und 42) sowie an den UND-Gliedern (44 bis 47) Signale H mit der Folge wie an den Ausgängen (A 1 bis A 6) abgegeben. Diese Signale werden über die Steuerleitungen (S 1 bis S 6) zu den Basen (B 1 bis B 6) der Transistoren übertragen.

Sobald beispielsweise derartige Signale an den Basen (B 1 und B 2) anliegen, werden die ansonsten gesperrten Transistoren (T 1 und T 2) kurzzeitig auf Durchlaß gestellt, so daß der Strom von der den Pluspol bildenden Leitung (U 1) über den Transistor (T 1), die Stränge (W 1 und W 2) sowie über den Transistor (T 2) auf die den Minuspol bildende Leitung (U 2) fließt. Anschließend werden die Basen (B 3 und B 4) und danach die Basen (B 5 und B 6) angesteuert. Für eine andere Drehrichtung des Käfigläufers (7) sind dagegen die Transistoren (T 1 bis T 6) und somit die Stränge (W 1 bis W 3) in entgegensetzter Reihenfolge anzusteuern.

Für Positionierbetrieb wird ein Signal H in die Leitung (P) eingegeben, so daß am Eingang (E 1) des Mikroprozessors (34) ein Signal L anliegt. Der Mikroprozessor (34) stoppt daraufhin den Abruf der den Laufbetrieb bestimmenden Steuerprogramme aus dem RAM-Speicher (35) und startet ein im ROM-Speicher (36) abgelegtes Programm, durch das die Folge der an den Ausgängen (A 1 bis A 6) ausgegebenen Signale entsprechend einer durch das Programm fest vorgegebenen Frequenzrampe bis zum Ausbleiben der Signale reduziert wird.

Wenn die Folge der die Ausgänge (A 1 bis A 6) verlassenden Signale eine im Mikroprozessor (34) gespeicherte Grenzfrequenz unterschritten hat, gibt der Mikroprozessor (34) an seinem Ausgang (A) ein Signal H an das UND-Glied (39) ab. Da an dem zweiten Eingang des UND-Gliedes (39) bereits ein Signal H anliegt, wird dieses an die Eingänge (CLR und J) des Speichers (40) weitergeleitet.

Der Speicher (40) weist einen dynamischen Eingang (CL) auf, so daß das Ausgangssignal des UND-Gliedes (39) nur dann aufgenommen und am Ausgang (Q) an die Leitung (V) abgegeben wird, wenn sich das am Eingang (CL) anliegende Signal von L auf H ändert. Dieser Wechsel liegt vor, wenn die reflektierende Hälfte (24) des Reluktanzläufers (15) in den Überwachungsbereich der Fotozelle (29) schwenkt.

Der Speicher (40) ist durch ein Signal H rücksetzbar, das in geeigneter Weise über die Leitung (X) den Eingängen (PR und K) zugeführt wird.

Die Ansteuerung des Speichers (40) über die Leitung (Z) ist erforderlich, um den Reluktanzläufer (15) in einer eindeutigen Stellung, nachstehend als Raststellung bezeichnet, anzuhalten. Das Vorhandensein zweier Raststellungen bei dem Reluktanzläufer (15) ist folgendermaßen erklärbar:

Das durch die Ständerwicklung (5) erzeugte Magnetfeld breitet sich über die Luftspalte zwischen den Spulen (4) der Ständerwicklung (5) und dem Reluktanzläufer (15) aus und schließt sich über den Läuferkörper. Da die magnetische Flußdichte an der Stelle des kleinsten Luftspaltes ein Maximum annimmt, richtet sich der Reluktanzläufer (15) stets so aus, daß die Ringsegmente (17 und 18) an den Nord- bzw. den Südpol des vom Ständer (2) erzeugten Magnetfeldes angrenzen. Da der Reluktanzläufer (15) selbst kein eigenes Magnetfeld erzeugt, sind aufgrund von dessen zwei Ringsegmenten (17 und 18) zwei um 180° versetzte Raststellungen möglich.

Der Wechsel des Signals am Ausgang (Q) des Speichers (40) von L auf H wird dem Mikroprozessor (34) über den Eingang (E 3) rückgemeldet, woraufhin dieser die Signalabgabe an den Ausgängen (A 3 bis A 6) beendet und an den Ausgängen (A 1) und (A 2) Dauersignale H abgibt. Diese werden von den ODER-Gliedern (41 und 42) den Basen (B 1 und B 2) zugeführt. Dadurch sind die Transistoren (T 1 und T 2) konstant auf Durchlaß geschaltet. Es werden somit nur die Stränge (W 1 und W 2) von Strom durchflossen, so daß diese die Magnetfelder zum Positionieren des Reluktanzläufers (15) erzeugen.

Der Zusatzläufer (14) kann auch als ein in Fig. 6 dargestellter Dauermagnetläufer (48) ausgebildet sein, dessen Formgebung der des Reluktanzläufers (15) entspricht, wobei jedoch die Ringsegmentstücke (17 und 18) durch Dauermagnete (49 und 50) ersetzt sind. Auch diese sind dem Außendurchmesser des Kernes (8) des Käfigläufers (7) angepaßt.

Wenn bei Positionierbetrieb ausschließlich die Transistoren (T 1) und (T 2) auf Durchgang geschaltet sind, richtet sich der Dauermagnetläufer (48) entsprechend dem durch die Windungen (W 1 und W 2) gebildeten resultierenden Magnetfeld aus, wobei sich in positionierter Stellung die jeweils entgegengesetzten Pole vom Magnetfeld des Ständers (2) und dem der Dauermagneten (49 und 50) gegenüberstehen.

Da der Dauermagnetläufer (48) in eindeutiger Stellung positionierbar ist, kann auf die Überwachungseinrichtung (19) und auf den Speicher (40) verzichtet werden. An den Ausgang des UND-Gliedes (39) ist dann die Leitung (V) angeschlossen.

Claims (5)

1. Antriebsmotor mit einem Ständer und einem durch diesen antreibbaren, für Dauerbetrieb ausgebildeten Hauptläufer, der gemeinsam mit einem für Positionierbetrieb vorgesehenen Zusatzläufer verdrehfest auf der Motorwelle aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzläufer (14) innerhalb des Feldes des Ständers (2) angeordnet und zusammen mit dem Hauptläufer (6) über die durch eine Steuereinrichtung (32) ansteuerbare Ständerwicklung (5) entsprechend der vorbestimmbaren Betriebsweise und Drehzahl des Antriebsmotors (1) antreibbar ist.

2. Antriebsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklung (5) mit Strängen (W 1 bis W 3) versehen ist, von denen jeder durch die Steuereinrichtung (32) einzeln zu- und abschaltbar ist und wenigstens eine Spule (4) aufweist.

3. Antriebsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptläufer (6) als Käfigläufer (7) ausgebildet ist.

4. Antriebsmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzläufer (14) als Reluktanzläufer (15) ausgebildet ist.

5. Antriebsmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzläufer (14) als Dauermagnetläufer (48) ausgebildet ist.