DE3901893C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beton-Innenrüttler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Beton-Innerüttler ist aus dem DE-GM 73 16 210 bekannt.

Bei dem Betonrüttler nach dem erwähnten DE-GM 73 16 210 wird dem beim Eintauchen des Rüttlers in den Frischbeton auftretenden Drehzahlabfall durch entsprechende mechanische Mittel begegnet. Eine solche mechanische Regelung ist jedoch vergleichsweise träge, so daß der Abfall der Drehgeschwindigkeit der Unwucht zwar vermindert, nicht aber vermieden werden kann.

Ferner ist es aus dem DE-GM 69 03 011 bekannt, die Unwucht eines Beton-Innenrüttlers mit einem Gleichstrommotor anzutreiben und die Rüttelfrequenz elektrisch zu steuern. Dieser Beton-Innenrüttler ist jedoch konstruktiv aufwendig und damit teuer und außerdem infolge seines hohen Gewichts schwer handhabbar.

Weiterhin sind aus der USA-Zeitschrift "IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS", 1985, Heft 4, Seiten 595 bis 601, ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Spannungsauskopplung für Drehzahl und Kommutierung sowie aus der DE 30 12 833 A1 ein bürstenloser Gleichstrommotor mit Halbleitersteller bekannt. Diese Motoren haben den Vorteil, daß sie besonders klein und leicht sind. Interne Versuche der Patentinhaberin jedoch, solche Motoren für den Antrieb von Beton-Innenrüttlern einzusetzen, haben jedoch nicht zum Erfolg geführt, weil die dabei zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors verwendeten Bauelemente, etwa Dekodierer oder Induktivitäten, durch die Vibrationen des Rüttlers und durch die vom Motor abgegebene Hitze nach kurzer Betriebszeit beschädigt oder gar zerstört wurden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Beton-Innenrüttler der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß bei guter Handhabbarkeit und vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten die Drehzahl der mechanischen Unwucht auf elektrischem Wege schnell und exakt nachgestellt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Auf der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schemaskizze des Aufbaus eines Betonrüttlers,

Fig. 2A eine perspektivische Explosionsdarstellung des Rüt­ telkörpers nach einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2B einen Teilschnitt durch den Gesamtaufbau,

Fig. 3 ein elektrisches Schaltungsdiagramm und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung eines anderen Kommutations- Steuersystems.

Um die Unterschiede zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik klar herauszustellen, werden zunächst Beispiele bekannter Vorrichtungen erläutert.

Ein Betonrüttler für die Verwendung beim Betonieren weist beispielsweise, wie dies in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, einen Rüttlerkörper A aus einem Vibrationsteil I mit eingebauter Anregungseinrichtung und einen Antriebsmotor- Teil II sowie einen Antriebskreis-Schaltkasten B auf, der einen Startschalter und dergleichen beinhaltet, wobei der Kasten B mit dem Rüttlerkörper über ein Kabel a oder ein Rohr b verbunden ist. Der Betonrüttler dient zum ausreichenden Entlüften von Beton mittels vom Rüttelkörper A ausgehenden Vibrationen, wobei der Körper A gegen den Beton gepreßt wird; der Rüttler verleiht dem Beton eine hohe Dichte und ist unerläßlich beim Bau hochfester Betongebäude.

Diese Beispiele von Betonrüttlern nach dem Stand der Technik haben die vorab beschriebenen Nachteile.

Nachfolgend wird nun die Erfindung im einzelnen erläutert.

Fig. 2A zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung und

Fig. 2B den Schnitt durch einen Rüttelkörper gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Schalt­ schema, darstellend den Motor und einen Motorsteuerkreis.

In Fig. 2A ist mit I ein Rüttelabschnitt, mit 1 ein Umlauf­ exzenter, mit 1a dessen Welle, mit 1b eine Kupplung, mit 1c ein Sprengring und mit 1d ein Lager bezeichnet, das größer sein muß als der Außendurchmesser des Umlauf-Exzenters 1 und eine lange Lebensdauer besitzen soll. Das Bezugszeichen II bezeichnet einen Motorabschnitt, 2 einen Statorkern, 2a eine Statorwicklung, 2b einen Permanentmagnetrotor, 2c dessen Rotationsachse und 2d eine Kupplung für den Eingriff mit der Kupplung 1b des Umlaufexzenters 1. Das Bezugszeichen 2e bezeich­ net einen Sprengring, 2f und 2f′ Lager zum Lagern der Dreh­ welle 2c und III einen Abschlußkörper zum Verbinden der Stator­ wicklung 2a über ein Kabel mit einem Antriebsabschnitt, wie später noch erläutert werden wird.

Das Bezugszeichen IV bezeichnet ein Rüttelrohr, das aus einem Material hoher Abriebfestigkeit besteht. Das Bezugszeichen V bezeichnet ein Motorgehäuse, das Bezugszeichen 6 ein Abschluß­ gehäuse. Das Rüttelrohr 4 und das Motorgehäuse 5 sind über einen wasserabdichtenden O-Ring 7 und eine Verbindungshülse 4a miteinander verschraubt. Das Motorgehäuse 5 und das Ab­ schlußgehäuse 6 sind über einen wasserabdichtenden O-Ring 8 miteinander verschraubt. Der Rüttelabschnitt 1 und der Mo­ torabschnitt II sind im Rüttelrohr und im Motorgehäuse unter­ gebracht, welche den Rüttelkörper A darstellen (Fig. 2B).

In Fig. 2B bezeichnet das Bezugszeichen 9 einen Antriebs-Schalt­ kasten, in welchem ein Schaltkreis B₁ für die Überwachung der Drehstellung, ein Inverter B₄ und weitere Bauelemente, wie etwa ein Halbleiter-Chip, untergebracht sind. Das Bezugs­ zeichen 10 bezeichnet einen Stecker zum Anschluß der Energie­ versorgung und 11 einen Start-Stop-Knopfschalter, der nahe dem Rüttelkörper A an einem Kabel 12 angeordnet ist.

In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszeichen I und II den Rüttelab­ schnitt bzw. den Motorabschnitt, wobei diese beiden Abschnitte den Rüttlerkörper A bilden. Im Motorabschnitt II bezeichnet das Bezugszeichen IIb einen Permanentmagnetrotor, IIc dessen Drehwelle und IIa eine dreiphasige Statorwicklung in Stern­ schaltung. Das Bezugszeichen B bezeichnet einen Antriebskreis, das Bezugszeichen B₁ einen Drehstellungs-Steuerkreis des Per­ manentmagnetrotors, wobei dieser Schaltkreis aus einem Stern­ schaltungswiderstand 13, der parallel zu der dreiphasigen Statorwicklung 2a liegt, und einem Differentialverstärker 14, der mit der Spannung v₀₁ des neutralen Punkts der Wider­ stände und einer Spannung v₀₂ des neutralen Punkts der drei­ phasigen Sternschaltungs-Statorwicklung 2a versorgt wird. Das Bezugszeichen B₂ bezeichnet einen Geschwindigkeits­ steuerkreis, der einen Signalkreis 15 zur Eingabe der Geschwindigkeit aufweist und ein Ausgangssignal abgibt, welches den Vergleich zwischen einem in den Signalkreis 15 eingegebenen Signal und einem Signal repräsentiert, wel­ ches vom Differentialverstärker 14 ermittelt worden ist. Das Bezugszeichen B₃ bezeichnet einen Kommutator-Steuer­ kreis zur Erzeugung eines impulsmodulierten Ausgangssig­ nals; B₄ bezeichnet einen Vollwellen-Halbleiterinverter, der in der Kommutationsstellung durch den Kommutatorsteuer­ kreis B₃ gesteuert wird; 16 bezeichnet einen Gleichrichter­ kreis und 17 schließlich einen Glättungskondensator. Der aus den obigen Schaltkreiselementen zusammengesetzte Antriebs­ kreis ist in dem Antriebs-Schaltkasten 9 untergebracht, wie dies aus Fig. 2B hervorgeht, wobei ein Steuerknopf 15a des Signalkreises 15 für die Signaleingabe des Geschwindigkeits­ steuerkreises B₂ an der Außenseite des Kastens 9 angebracht ist. Der Antriebskreis ist über das Kabel 12 und den Stecker 10 mit einem üblichen Stromnetz verbindbar. Der Start-Stop- Schaltknopf 11 ist beispielsweise so gestaltet, daß eine Ein­ schaltung erfolgt, wenn der Knopf eingedrückt wird, eine Abschaltung, wenn er zum zweiten Mal niedergedrückt wird. Dieser Schaltknopf ist beispielsweise mit einem Basissignal­ kreis geringen Stromwerts des Inverters B₄ verbunden, der den Schalter mit einem sehr geringen Strom betätigt und so klein gemacht werden kann, daß er im Kabel 12 nahe dem Rütt­ lerkörper A unterbringbar ist, wie dies in Fig. 2B angedeu­ tet ist.

Nunmehr soll die Betriebsweise des Rüttlers obigen Aufbaus erläutert werden.

Die Wechselspannung des Netzes wird durch den Gleichrichter 16 in eine Gleichspannung umgewandelt, die dann vom Inverter B₄ in eine Wechselspannung geeignet vorgegebener Frequenz umgewandelt wird. Es ist allgemein bekannt, daß Spannungen, die in der dreiphasigen Sternschaltungs-Statorwicklung 2a induziert werden, welche mit solchen Spannungen versorgt wird, sich aus Grundwellen und harmonischen Oberwellen zusammen­ setzen, und zwar in Abhängigkeit von Magnetflußstörungen im Spalt, hauptsächlich dritte harmonische Oberwellen. Die Grund­ wellen sind nacheinander um eine Winkelentfernung von 120 Grad versetzt und treten somit am Nullpunkt der dreiphasigen Sta­ torwicklung 2a nicht auf, jedoch erscheint dort eine Spannung, die mit der Grundwelle in Phase ist und eine Frequenz auf­ weist, die dreimal größer ist als diejenige der Grundwelle, so daß sich also die dritte Harmonische der Spannungswelle v₀₂ ergibt, deren Periode sich synchron mit der Drehgeschwin­ digkeit des Motors ändert, wobei diese Spannungswelle, wie gesagt, am neutralen Punkt der Sternschaltung auftritt. Wenn somit die Spannungen der entsprechenden Phasen im Gleichge­ wicht sind, dann ergibt sich keine Grundwellen-Spannungskom­ ponente am neutralen Punkt. Wenn die zugeführte Spannung im wesentlichen nur aus den Grundkomponenten besteht, dann wird das Potential am neutralen Punkt stets Null sein. Wird das Potential v₀₁ am neutralen Punkt der sterngeschalteten Drei­ phasenwiderstände 13 als Bezugspegel verwendet und die Dif­ ferenz zwischen dem Bezugspegel und dem tatsächlichen Poten­ tial v₀₂ am neutralen Punkt der dreiphasigen Statorwicklung 2a ermittelt, dann können daraus die dritten harmonischen Spannungskomponenten ermittelt werden, die mit der Drehung des Permanentmagnetrotors synchron sind und deren Zyklus­ dauer sich proportional der Drehgeschwindigkeit des Motors ändert. Es ist somit möglich, elektrisch die Position der Drehung des Permanentmagnetrotors in einer Entfernung vom Rüttlerkörper A festzustellen, ohne die Notwendigkeit der Verwendung des eingangs erwähnten Hall-Elements oder der­ gleichen, das nur eine niedrige Widerstandsfähigkeit be­ sitzt, d.h., leicht durch Vibrationen sowie durch die vom Motor erzeugte Wärme beschädigt oder gar zerstört wird.

In anderen Worten, alle Bezugsimpulse der Geschwindigkeits­ einstellung des Geschwindigkeitseinstellkreises 15 und die der Zyklusdauer der dritten harmonischen Spannungskomponen­ ten entsprechenden Impulse des Drehstellungsfühlers B₁ wer­ den miteinander durch den Geschwindigkeitssteuerkreis B₂ verglichen und der Inverter B₄ wird durch einen Feedback eines impulsbreitenmodulierten Ausgangssignals über den Kommutationssteuerkreis B₃ gesteuert, um so wiederum die Stromzuführung zur Statorwicklung 2a derart zu steuern, daß das vom Geschwindigkeitssteuerkreis B₂ ermittelte periodische Fehlersignal stets auf Null erniedrigt wird. Auf diese Weise wird die Drehgeschwindigkeit des Motors stets derart gesteuert, daß sie dem eingestellten Wert folgt. Weil das Einstellen der Drehgeschwindigkeit variierbar ist, können die gewünsch­ te Geschwindigkeit und die gewünschte Rüttelfrequenz stets gemäß den jeweiligen Anforderungen gewählt und erreicht wer­ den.

Bei obiger Ausführungsform wird also eine Impulsbreitenmodu­ lation zur Kommutationssteuerung des Inverters verwendet, es ist jedoch auch möglich, einen Inverter mit Unterbrecher­ steuerung zu verwenden, wie er beispielsweise in Fig. 4 dar­ gestellt ist. Solche Inverter sind allgemein bekannt, so daß sich eine Beschreibung erübrigt. Obwohl beim obigen Ausführungs­ beispiel ein Halbleiter-Motor zur Ermittlung der Drehstel­ lung des Permanentmagnetrotors verwendet wird, und zwar auf der in der Statorwicklung induzierten dritten harmonischen Spannungskomponente, ist es auch möglich, einen Halbleiter­ motor zu verwenden, der die Abtastung der Drehstellung des Permanentmagnetrotors auf der Grundlage der elektromotorischen Rückstellkraft der Frequenz ermittelt, die in jeder Stator­ wicklung induziert wird.

Wie erwähnt, wird bei der Erfindung die Vibration durch den Halbleitermotor erzeugt, der die Stellung der Drehung des Permanentmagnetrotors unter Verwendung der Spannung ermittelt, die in der Statorwicklung erzeugt wird. Damit aber werden alle eingangs erwähnten Nachteile der bisherigen Rüttler überwunden und es ergibt sich ein Rüttler, der im wesent­ lichen allen Anforderungen, die an ein solches Gerät gestellt werden, erfüllt. Im einzelnen ergibt sich dabei:

(1) Weil die Funktion der Bürste des Gleichstrommotors durch die in der Statorwicklung induzierte Spannung zwecks Ermittlung der Position des Permanentmagnetrotors verwendet wird, besteht keine Notwendigkeit der Verwendung eines Hall- Elements oder dergleichen, das leicht durch Vibrationen und durch die Wärmeausstrahlung des Motors beschädigt werden kann, also wenig widerstandsfähig ist.

(2) Weil die induzierte Spannung für die Ermittlung der Position herangezogen wird, können der Rüttelkörper und der Antriebsschaltkreiskasten mehr als erforderlich vonein­ ander entfernt werden, wobei beispielsweise ein Abstand von 20 m durchaus möglich ist. Hinzu kommt, daß die Leiter des den Schaltungskasten mit dem Rüttelkörper verbindenden Kabels in ihrer Zahl auf drei oder vier Leiter für die Statorwick­ lung begrenzt sind, so daß das Kabel nicht allzu dick sein muß, mit der Folge, daß der Rüttler nach der vorliegenden Erfindung frei von den Nachteilen der üblichen Rüttler mit Halbleitermotor und Fühler ist.

(3) Weil eine beliebig festgelegte Vibrationsfrequenz dadurch erhalten werden kann, daß die eingestellte Fre­ quenz der Bezugssignalperiode des Geschwindigkeitseinstell­ kreises geändert wird, ist es nicht nur möglich, die opti­ male Vibration dem Beton in Abhängigkeit von dessen Härte aufzuprägen, sondern auch die Drehgeschwindigkeit des Motors konstant zu halten, unabhängig von Schwankungen der Speise­ spannung. Der Betonrüttler nach der Erfindung kann somit an ein übliches Stromversorgungsnetz oder an einen Motor­ generator angeschlossen werden und ist deshalb nicht auf irgendwelche besonderen Energieversorger angewiesen. Weil die Drehgeschwindigkeit des Motors so gesteuert wird, daß sie konstant bleibt, besteht keine Möglichkeit der Erniedri­ gung der Vibrationsfrequenz durch Schlupf, wie dies bei den üblichen Induktionsmotoren der Fall ist, so daß auch kein Absinken der Leistung bei Belastung erfolgt. Weil nicht die Notwendigkeit der Verwendung eines Motors großer Kapazität besteht, der eine Verminderung der Vibrations­ frequenz bei Schlupf (Induktionsmotor) verhindert, kann der Rüttler klein und leicht gebaut werden, was einen be­ sonderen Vorteil für die den Rüttler betätigenden Personen darstellt.

(4) Weil keine besondere Hochfrequenz-Leistungsquelle, beispielsweise ein besonderer Motorgenerator, erforderlich ist, kann der Aufbau des erfindungsgemäßen Rüttlers einfach und vergleichsweise kostensparend sein.

(5) Der Rotor ist ein Permanentmagnet und erzeugt somit keine Wärme und der wärmeerzeugende Stator befindet sich außerhalb des Rotors und kann somit leicht gekühlt werden.

(6) Der Halbleitermotor hat einen Wirkungsgrad von 10 bis 20% höher als ein Induktionsmotor; somit kann der Motor kleiner, leichter und leistungssparender ausgelegt werden.

(7) Der Start-Stop-Schalter kann in einen Schwachstrom­ kreis eingesetzt werden, beispielsweise in den Grundsignal­ kreis des Inverters B₄ (Fig. 3), was zu einer geringen Bau­ größe führt. In das Kabel kann nahe dem Rüttler ein Reed- Schalter oder ein Schnappschalter eingesetzt werden. Weil der Schalter wasserdicht ausgeführt werden kann, besteht nicht die Gefahr eines Überschlags oder eine Gefährdung der Bedienungsperson durch einen elektrischen Schlag. Weil der Schalter nahe dem Rüttler angeordnet sein kann, ist es möglich, daß der Rüttler durch eine einzige Person in den Beton eingeführt und eingeschaltet wird und darüberhinaus kann der Rüttler auch ferngesteuert werden, was den Freiheits­ grad bezüglich der Betätigung erhöht.

(8) Der Rüttler nach der Erfindung ist kleiner und leichter als die Induktionsmotoren verwendenden Rüttler und kann durch eine einzige Person transportiert werden und kann auch leich­ ter als die bisherigen Rüttler auf dem gleichen Stockwerk eines Gebäudes bewegt werden. Somit erfüllt der Rüttler nach der Erfindung in vielen Richtungen Forderungen, denen die bisherigen Rüttler nicht Rechnung tragen.

Claims (5)

1. Betonrüttler mit einem Motor und einer von dem Motor angetriebenen Unwucht, wobei ein Abfall der Drehgeschwindigkeit der Unwucht beim Eintauchen in die Frischbetonmasse vermindert ist und wobei dem Motor elektrische Energie über ein Kabel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (II) einen Permanentmagnetrotor (2b) und Dreiphasen- Statorwicklungen (2a) aufweist,
daß in dem den Motor (II) mit elektrischer Energie versorgenden Kabel (12) ein Antriebs-Schaltkasten (9) angeordnet ist,
daß der Motor (II) an einen Halbleiter-Inverter (B₄) eines Umrichters angeschlossen ist, der sich im Antriebs-Schaltkasten (9) befindet,
daß ein Differentialverstärker (14), ein Geschwindigkeitseinstellkreis (15) zur Erzeugung von Bezugsimpulsen, ein Geschwindigkeitssteuerkreis (B₂) und ein Kommunikationskreis (B₃) im Antriebs-Schaltkasten (9) zur Ansteuerung des Umrichters (B₄) mit impulsmodulierten Kommutierungssignalen vorgesehen sind, wobei einem Eingang des Differentialverstärkers (14) das Sternpunktpotential der Statorwicklungen (2a) und dem anderen Eingang das an einem künstlichen Sternpunkt am Statorwicklungseingang auftretende Sternpunktpotential zugeführt ist, so daß am Ausgang des Differentialverstärkers (14) Ausgangssignale auftreten, welche Komponenten der dritten Spannungsharmonischen der Statorwicklungen (2a) darstellen und wobei die Ausgangssignale des Differentialverstärkers (14) und die Bezugssignale in dem Geschwindigkeitssteuerkreis (B₂) verglichen werden und so ein dem Modulationsgrad der impulsmodulierten Kommutierungssignale beeinflussendes Fehlersignal im Kommutationssteuerkreis (B₃) erzeugt wird. (Fig. 2 und 3).

2. Betonrüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein-Aus-Schalter (11) für die vom Kommutationssteuerkreis (B₃) dem Umrichter (B₄) zugeführten impulsmodulierten Kommutierungssignale vorgesehen ist. (Fig. 2 und 3)

3. Betonrüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter im Zwischenkreis einen Halbleiter- Steller aufweist. (Fig. 4)

4. Betonrüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsmodulierten Kommutierungssignale durch Impulsbreitenmodulation gebildet sind.

5. Betonrüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsmodulierten Kommutierungssignale durch Impulshöhenmodulation gebildet sind.