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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Antriebssystem
für Kabelaufroller
mit einer vorzugsweisen Anwendung für Aufrollsysteme von Speisekabeln
für Portalkräne. Ein
Antriebssystem für
Kabelaufroller bestehend aus einem Synchronmotor mit Permanentmagneten,
ausgestattet mit einem Resolver, einem Untersetzungsgetriebe sowie
einem Steuerschrank ist im Rahmen des Dokumentes
DE 246 12 360 U veröffentlicht
worden.
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Im
Laufe der zurückliegenden
Jahre hat es eine einschlägige
technologische Entwicklung bei den Portalkränen für Container gegeben. Bei dieser Evolution
sind zusammenfassend drei hauptsächliche
Faktoren hervorzuheben, und zwar folgende:
- – die Portalkräne für Container
arbeiten zunehmend schneller,
- – sie
erlauben eine größere Lastkapazität und
- – die
Fahrstrecken werden zunehmend größer.
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In
der Folge daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer zunehmend aufwändigeren
Technologie für
das Aufrollsystem der Speisekabel dieser Portalkräne.
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Die
aktuell auf dem Markt angebotenen Antriebssysteme für solche
Kräne erfüllen nicht
die an diese gestellten Anforderungen. Die wichtigsten herkömmlichen
Antriebssysteme dieser Art arbeiten mit
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- – Motoren
mit konstantem Drehmoment,
- – einer
Reibkupplung und
- – einer
magnetischen Kupplung oder einem Asynchronmotor.
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Die
hier angesprochenen Systeme beinhalten vordringlich drei Nachteile,
und zwar die folgenden:
- – sie bringen nicht die von
den sich aktuell im Einsatz befindlichen Kränen benötigte Leistung,
- – ihre
Installation und Steuerung ist kompliziert und überaus aufwendig,
- – sie
sind von einer großen
Anzahl von Elementen abhängig,
welche die Zuverlässigkeit
des gesamten Aufrollsysteme und damit des Krans als Solchem beeinträchtigen.
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Die
mit dem hier angesprochenen und Gegenstand der Erfindung darstellenden
Antriebssystem eingeführten
Verbesserungen ermöglichen
das Erbringen von Leistungen, wie sie für sich heute im Einsatz befindliche
Portalkräne
für Container
benötigt
und gefordert werden und bieten darüber hinaus folgende Vorteile:
- – eine
geringe Zahl von passiven Konstruktionselementen,
- – der
Motor braucht weniger Platz bei gleicher Leistung,
- – eine
bemerkenswerte Ersparnis beim Energieverbrauch,
- – es
vereinfacht den Wartungsaufwand, da es im Störungsfall mit leicht austauschbaren
handelsüblichen
Komponenten instand zu setzen ist.
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Um
die vorhandene Notwendigkeit der hier beschriebenen Erfindung verstehen
zu können,
sind die Wichtigkeit der Kabelaufrollsystems vor Augen zu halten
und in gebührendem
Maße die
Nachteile abzuwägen,
die ein schlecht funktionierendes System im Einsatzfall mit sich
bringt: In dem Moment, in dem das Wickelsystem für das Kabel ausfällt, wird
der gesamte Kran außer
Betrieb gesetzt.
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Zielsetzung
der hier beschriebenen Erfindung ist die Entwicklung eines neuen
Antriebssystems für
Wickelsysteme für
Speisekabel von Portalkränen
mit einem elektronischen Steuersystem und einer Schnittstelle zwischen
dem Ab- und Aufroller und dem Kran selbst.
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Das
aus diesem Entwicklungsaufwand entstandene Produkt ist in jeder
Hinsicht innovativ, garantiert und erprobt und verbessert in bemerkenswerter
Weise die aktuell vorhandenen Systeme. Gekennzeichnet wird es durch:
- a) mindestens einen Synchronmotor aus Permanentmagneten,
ausgestattet mit einem Resolver, welcher als Bestandteil des Motors
unmittelbare Information über
die Drehgeschwindigkeit und/oder die jeweilige Position des Aufrollers
vermittelt;
- b) mindestens einen Abwärtswandler,
der gleichzeitig als mit der das Kabel aufrollenden Trommel zusammen
geschaltetes Untersetzungsgetriebe arbeitet und in der Lage und
fähig ist
bei hohen Geschwindigkeiten große
Lasten sowohl radial als auch axial aufzunehmen;
- c) mindestens einen an der Trommel sitzenden Sensor, der sowohl
mit Hilfe von digitalen als auch analogen Signalen Information zu
dem auf der Trommel aufgerollten Kabel vermittelt;
- d) einen Steuerschrank, der von extern gespeist wird und in
seinem Inneren über
die unterschiedlichen Steuerelemente, Informationsempfänger und/oder
einen bzw. mehrere Speiseausgänge sowie
ein programmierbares logisches Steuermodul verfügt.
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Unterschiedliche
konstruktive Varianten verändern
nicht den Gegenstand der Erfindung als Solchem und beschränken sich
auf eine Personalisierung des Grundsystems und dessen Anpassung
an konkrete Erfordernisse, dabei insbesondere und optional die folgenden
Varianten:
- a) Der oben bereits genannte Sensor
ist in einem Gehäuse
des Kollektors untergebracht.
- b) Die oben bereits genannte Auf- und Abrolltrommel kann breiter
oder aber auch einspiralig ausgeführt sein.
- c) Das auf der Trommel aufgerollte Kabel wird von einer Kabelführung mit
einer Wippe überwacht,
an der Sensoren angebracht sind, welche unmittelbar und sowohl auf
digitalem aus auch analogen Wege Signalen mit Information über die
aktuell auf das Kabel wirkende Spannung übermitteln.
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Die
Innovation bei den Antriebssystemen mit Synchronmotor und elektronischer
Regelung ist durchgehend. Bis zum heutigen Datum ist kein Hersteller
von Kabelwickelsystemen bekannt geworden, der die hier beschriebene
Technologie im Zusammenhang mit elektrischen Maschinen zur Anwendung
bringt.
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Die
Vorteile des Antriebssystems mit Synchronmotor und elektronischer
Steuerung nach der vorliegenden Erfindung gegenüber den herkömmlichen
und derzeit auf dem Markt angebotenen sind vordringlich folgende:
- – ein
breiteres Leistungsspektrum der Maschinen hinsichtlich Geschwindigkeit
und Hubkapazität,
- – im
Vergleich zu Motoren mit einem konstanten Drehmoment ist die gesamte
Steuerung einfacher und feinfühliger
und sorgt damit dafür,
dass die Kabel weder übermäßigen Zug
aushalten müssen noch
zu locker gewickelt werden.
- – Da
von vorn herein eine große
Menge externe Signale wegfallen, gestalten sich die Installation und
Inbetriebnahme wesentlich weniger aufwendig.
- – Eine
höhere
Zuverlässigkeit
und leichter Zugriff auf Ersatzteile, da es sich um handelsübliche Elemente
handelt.
- – Ein
geringerer Energie- und Platzbedarf, da es sich um Synchronmotoren
handelt.
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Zum
besseren Verständnis
des Gegenstands der hier besprochenen Erfindung werden Zeichnungen
einer vorzugsweisen Ausführung
für eine
praktische Realisierung vorgelegt, die zwar für Änderungen offen steht, welche
aber nicht die Grundlagen der Erfindung an sich schmälern können.
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Die 1 zeigt
eine allgemeine schematische Darstellung des Antriebssystems für Kabelwickelsysteme
nach der vorliegenden Erfindung am Beispiel einer praktischen Ausführung (Translation) mit
einer einspiraligen Trommel (6) und einer Kabelführung (7)
mit Wippe und Sensor (8).
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung des Antriebssystems für Kabelwickelsysteme nach
der vorliegenden Erfindung am Beispiel einer alternativen praktischen
Ausführung
(Hub) mit breiter Trommel (6).
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Im
Nachfolgenden wird beispielhaft eine praktische Ausführung beschrieben,
die für
die vorliegende Erfindung aber in keiner Weise beschränkend sein
soll.
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Kabelwickelsysteme
sind Vorrichtungen für das
Auf- und Abrollen von Kabeln je nach Erfordernis der gespeisten
Maschine (im Falle von elektrischen Kabeln) bzw. der Notwendigkeit,
wie sie bei beliebigen sonstigen Einsatzfällen gegeben sein mögen. Überall da,
wo es um lange Kabelstrecken geht, benötigt das Antriebssystem solcher
Vorrichtungen einen Motor, der in der Lage und fähig ist die für das Aufwickeln
des Kabels zum Einsatz kommenden Trommel zu drehen, da alle sonstigen
Systeme unzureichend sind.
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Gemäß der hier
besprochenen Erfindung und der vorgestellten praktischen Ausführung besteht
das System aus den nachstehend beschriebenen Komponenten:
- a) Der Synchronmotor (1) besteht aus
Permanentmagneten: Dies ist die große Neuheit bei der Erfindung,
da dieser Motor in der Lage ist beträchtliche Hochlaufgeschwindigkeiten
und einen hohen Präzisionsgrad
zu entwickeln (bis zum Dreifachen der herkömmlichen Standardmotoren).
Gleichermaßen
bestimmend sind die nahezu horizontal und flach verlaufende Kurve
des Drehmoments/Geschwindigkeit (von unermesslichem Wert für diese
Erfindung) und die große
Gleitfähigkeit
ohne Erwärmung.
Die Motoren können
mit einer Schutzklasse von bis zu IP 65 geliefert und in explosionsgefährdeten
Bereichen eingesetzt werden und sind obendrein von kompakter Ausführung.
- b) Der Resolver (2) ist Bestandteil des oben beschriebenen
Motors (1). Dank des Resolvers liefert der Motor (1)
Information über
seine aktuelle Drehgeschwindigkeit sowie die Position, in der er sich
zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet. Der Resolver ist einer der
Hauptgründe
für den
weichen und hoch präzisen
Lauf dieses Motors (1).
- c) Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden
Untersetzungsgetriebe (3) ist in der Lage große radiale
als auch axiale Lasten sowie hohe Geschwindigkeiten aufzunehmen.
Der Grund für
die Wahl dieses Getriebes (3) liegt in dem Umstand, dass
es gleichzeitig als Multiplizierer zum Einsatz kommt. Dank der angemessenen
und von den hohen, vom Motor (1) erreichten Geschwindigkeiten
unterstützten
Untersetzung können
Motoren mit kleinerer Leistung als vergleichbare Asynchronmotoren
eingesetzt werden. Die Verluste des Untersetzungsgetriebes (3)
werden bei der Berechnung des im Einzelfall zu wählenden Motors berücksichtigt.
- d) Der Sensor (5) der Trommel (6) besteht
aus unterschiedlichen Nocken und Potentiometern. Seine Funktion
ist die, Information über
das auf der Trommel (6) aufgewickelte Kabel sowohl über digitale
als auch analoge Signale zu liefern.
- e) Die Trommel selbst (6), auf der das Kabel aufgerollt
wird, kann als einspiralig (im Falle der Translation) oder auch
breit ausgeführt
sein (im Hubfall).
- f) Im Steuerschrank (9) des System ist gewissermaßen das
Herz des Antriebssystems untergebracht. Die gesamte Steuerung des
Wickelsystems erfolgt mit Hilfe der in diesem Schank (9)
sitzenden digitalen Moduln (10) bzw. (11).
- g) Das digitale Modul der programmierbaren Logik (10)
ist dabei das synchronisierende und steuernde Organ. Es kann sich
dabei sowohl um einen SPS als auch um eine vom Antragsteller selbst und
ausschließlich
für den
Einsatz im Zusammenhang mit Antriebssystemen für Kabelwickler nach der vorliegenden
Erfindung entwickelte/programmierte gedruckte Schaltungen handeln.
Auf diese Elektronik wird an dieser Stelle nicht weiter eingegangen,
da die Software nicht Gegenstand der hier besprochenen Erfindung
ist. Mit Hilfe des digitalen Moduls (10) der programmierbaren
Logik wird die von den Sensoren (2), (5) bzw.
(8) gelieferte Information verarbeitet und werden dem digitalen
Modul für
die Steuerung des Motors (1) die jeweils erforderlichen
Anweisungen gegeben.
- h) Das digitale Modul (11) für die Steuerung des Motors
(1) empfängt
die vom Modul der programmierbaren Logik (10) gegebenen
Anweisungen und steuert den Motor (1) nach Maßgabe dieser und
von dem vom Resolver (2) kommenden Signalen korrigierten
Anweisungen.
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Das
System, das Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung ist, sieht
außerdem
verschiedene Optionen wie die nachstehend beschriebenen vor:
- i) Eine Kabelführung (7) mit Wippe;
diese Option wird üblicherweise
bei Translationsbewegungen eingesetzt. Die Funktion dieser Vorrichtung
ist die Führung
und geordnete Wicklung des Kabels. Daran angebaut ist eine bewegliche
Wippe, in der das Kabel geführt
wird.
- j) Die an der Führungswippe
(7) angebrachten Sensoren (8) mit verschiedenen
Nocken und Potis, deren Aufgabe die Übermittlung der vom Kabel ertragenen
Spannung mit Hilfe von sowohl digitalen als auch analogen Signalen
ist.
- k) Ein Kollektorengehäuse
(4), welches in Abhängigkeit
der Erfordernisse des jeweiligen konkreten Einsatzfalls den Sensor
(5) der Trommel (6) aufnimmt.
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Praktisches Ausführungsbeispiel
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Das
aufwendigste Einsatzgebiet für
Kabelwickelsysteme ist bei der Einspeisung von Portalkränen mit
veränderlichen
Fahrstrecken und dem Einspeisepunkt in der Mitte derselben (bezogen
selbstverständlich
auf Translationsbewegungen). Alle übrigen Einsatzfälle gestalten
sich wesentlich weniger aufwendig und werden daher vom Gegenstand
der Erfindung grundsätzlich
mit abgedeckt.
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Als
Beispiel soll ein Wickelsystem für
eine Fahrstrecke von 1.000 Metern herangezogen werden: Hier käme also
ein Wickelsystem zum Einsatz, das in der Lage sein muss 500 Meter
Kabel aufzuwickeln bzw. einzuholen. Kabel der hier angesprochenen
Art haben üblicherweise
ein Gewicht in der Größenordnung
von 7 kg/m, womit der oben genannte Wickler im voll aufgerollten
Zustand ein Gewicht von 3.5 Tonnen tragen muss. Für die beispielhafte
Darstellung soll von einer einspiraligen Kabeltrommel (6) ausgegangen
werden. Es kann gesehen werden, dass die Geschwindigkeit beim Aufwickeln
und Abwickeln des Kabels nicht konstant sondern von der Laufgeschwindigkeit
des Krans einerseits und der sich auf der Trommel (6) befindlichen
Kabelmenge andererseits abhängig
ist. Unter Berücksichtigung dieser
beiden Faktoren wäre
ein Steuersystem für
die Geschwindigkeit nur extrem aufwendig zu realisieren und im Übrigen wenig
zuverlässig.
Die Lösung
liegt folglich in der permanenten Steuerung des Moments des Motors
(1), das in jedem Moment das richtige zu sein hat, sowie
in einer sekundären
Steuerung der Geschwindigkeit.
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Für die Steuerung
des Motormoments werden verschiedene Daten benötigt:
- – Die sich
auf der Kabeltrommel (6) befindliche Kabelmenge oder die
Position des Krans: Diese Information wird von dem an der Trommel
(6) sitzenden Sensor (5) geliefert.
- – Ob
auf- oder abgewickelt wird: Diese Information erhält die Steuerung über eine
Kombination von Daten von den Steuerelementen des Krans und dem
an der Führungswippe
sitzenden Sensor (8).
- – Alarmsignale:
Diese Information wird von den bereits weiter oben genannten Sensoren
geliefert.
- – Zusätzliche
Information als Hilfestellung für
die Feinsteuerung: (Fahrgeschwindigkeit des Krans, genaue Erkennung
des Einspeisepunkts bzw. Messdaten der auf das Kabel wirkenden Zugkraft).
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Die
grundlegende Innovation bei dem hier beschriebenen System liegt,
wie bereits gesagt wurde, in dem Motor (1) und dessen Steuerungssystem. Synchronmotoren
mit Permanentmagneten sind bis dato für Kabelwickelsysteme noch nicht
im Einsatz gewesen.
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Bei
den hier besprochenen Einsatzbereichen ist das vom Hersteller hauptsächlich berücksichtigte Merkmal
die Moment/Geschwindigkeit-Kurve, wobei das Streben dahin geht,
diese so horizontal wie möglich
zu halten. Die hier beschriebenen Motore haben eine sehr horizontale
Moment/Geschwindigkeit-Kurve, die auch während einer sehr breiten Spanne
von Fahrgeschwindigkeiten horizontal bleibt.
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Die
Steuerung dieses Motors (1) erfolgt mit Hilfe eines digitalen
Steuermoduls (11). Dieses Modul (11) erzeugt keine Harmonischen
aufgrund der Tatsache, dass die Steuerung nicht über Frequenzänderungen
erfolgt. Folglich sind bei dem hier beschriebenen System die üblicherweise
eine Gefahr der Schädigung
von Systemkomponenten wie dem Motor (1) und das Untersetzungsgetriebe
(3) beinhaltenden Harmonischen kein Problem.