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Elektromotorischer Antrieb für Werkzeugmaschinen, der über Entladungsstrecken
an eine Stromquelle konstanter Spannung angeschlossen ist Für den Antrieb von Werkzeugmaschinen
spielt die Forderung eine große Rolle, daß die Drehzahl der Arbeitswellen übler
einen großen Berc'ch und insbesondere bis herunter zu sek niedrigen Drehzahlen einstellbar
sein mul.i, und zwar möglichst stufenlos, und daß außerdem bei jeder reingestellten
Drehzahl möglichst geringe Abweichungen der Drehzahl von dem einmal eingestellten
Wert bei .allen auftretenden Belastungen eintreten sollen. Dies ist der Grund dafür,
daß bei Werkzeugmaschinen, auch bei solchen modernster Konstruktion, die Stufengetriebe
mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis eine sehr wichtige Rolle spielen. Auf
die Konstruktion und zweckmäßige Ausbildung dieser Stufengetriebe ist außerordentlich
große Sorgfalt und viel Erfindertätigkeit verwendet worden.
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Der Grund dafür liegt ursprünglich in der allgemein üblichen Antriebsanordnung,
bei der eine größere Zahl von Werkzeugmaschinen an den gleichen Antriebsmotor angeschlossen
war. Die verschiedenen Drehzahlen der Arbeitswellen mußten daher durch ein Getriebe
an der Werkzeugmaschine @eingestellt werden. Diese Verhältnisse sind auch nicht
wesentlich besser geworden, nachdem heute Werkzeugmaschinen nicht mehr gruppenweise,
sondern fast allgemein im Einzelantrieb angetrieben werden. Dter Vorteil, den man
erreichen konnte, war die Vermeidung von Getrieben, durch welche mehrere an der
gleichen Werkzeugmaschine biebeiligte Arbeitswellen miteinander gekuppelt sind;
denn man kann für jede dieser Arbeitswellen je einen besonderen Antriebsmotor vorsehen.
Zwischen den einzelnen Antriebsmotoren und den Arbeitswellen sind aber .auch heute
noch stets Umschaltgetriebe ,angeordnet, welche den Preis der Werkzeugmaschinen
sehr ungünstig beeinflussen, keine stete Regelbarkeit zulassen ,und außerdem .auch
für die konstruktive Gesamtanordnung durchaus unerwünscht sind. Man hat auch versucht,
eine stufenlose Drehzahlregelung durch Flüssigkeitsgetriebe zu erzielen. Die notwendigen
großen Drücke sind jedoch schwer zu beherrschen und verteuern den Antrieb.
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Der Grund dafür, daß beim unmittelbaren Einzelantrieb einer Arbeitswelle
durch einen Elektromotor, welcher für die besonderen
Anforderungen
nur dieser Welle ausgelegt werden kann, auch heute noch Umschaltgetriebe ,notwendig
sind, liegt darin, daß es praktisch keinen einfachen Elektromotor gibt; der beim
Anschluß an Beine konstante Netzspannung in der Drehzahl in beliebigen Grenzen bis
herunter zu sehr kleinen Drehzahlen einwandfrei geregelt werden kann. Im allgemeinen
stehen Drehstromnetze zur Verfügung. Die normalen Drehstrommoüoren sind bekanntlich
nur sehr begrenzt regelbar. Die Drehstromkommutatormoboren können zwar geregelt
werden, sind jedoch verhältnismäßig teuer, und ihr Regelbereich ist beschränkt.
Aber auch der Gleichstromrebenschlußmotor, welcher an sich- für den Betrieb einer
Werkzeugmaschine günstige Eigenschaften besitzt, kann die an ihn gestellten Anforderungen
nur bedingt erfüllen.
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Durch Feldregelung lassen sich bekanntlich nur Drehzahlbereich e von
i : 3 bzw. t : 5 :erreichen, wobei das Motormodell schon sehr groß wird. Etwas weiter
läßt sich der Regelbereich bei Verwendung der Leonardschaltung treiben. Abgesehen
vorn hohen Preis des Umformers hat aber auch diese Anordnung bei großem Drehzahlbereich
(i : io und mehr) Nachteile. Solange der Motor mit frohen Drehzahlen betrieben wird,
bleibt die Nebenschlußcharakteristik aufrechterhalten, und der bei steigender Belastung
auftretende Drehzahlabfall ist vernachlässigbar gering. Will man jedoch die Drehzahl
des Motors auf geringe Werte herunterregeln,* so wird der Einfluß der Belastung
auf den Drehzahlabfall derart groß, daß die Nebenschlußcharakteristik praktisch
in eine Häuptschlußcharakteristik verwandelt wird, und eine Hauptschlußcharakteristik
ist bekanntlich für den Betrieb vieler Werkzeugmaschinen und auch für den Betrieb
der meisten anderen Arbeitsmaschinen nicht zu gebrauchen.
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Theoretisch kann man zwar bei einem Gleichstrommotor mit Hilfe eines
besonders ausgebildeten Leonardumformers, an dessen Stelle bei seinem Drehstrommotor
rein ebenfalls besonders ausgebildeter Frequenzumformer tritt, erreichen, daß der
Motor auch bei kleinen Drehzahlen ,sein Nebienschlußverhalten beibehält. Wegen der
zusätzlichen rotierenden Maschinenabnormer Bauart wird dann jedoch die ganze Anlage
derart teuer, daß -es praktisch doch noch günstiger ist, die mechanischer Stufengetriebe
beizubehalten und normale ungeregelte Elektromotoren zu verwenden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche auf dem
Gebiet des Werkzeugmaschinenantriebs insofern einen wesentlichen Fortschritt bedeutet,
als normale Elektromotoren verwendet werden können, ohne daß übersetzungsgetriebe
notwendig sind und ohne daß kostspielige Regeleinrichtungen :erforderlich sind,
@um die für den betreffen-Antrieb, erforderliche bestimmte Charakteristik des Motors
bei allen Drehzahlstufen aufrechtzuerhalten. Die: Erfindung macht dabei von steuerbaren
Dampf- oder Gasentladungsstrecken Gebrauch, über die der Motor an Leine Stromquelle
konstanter Spannung angeschlossen ist und die zum Zwecke der Einstellung der einzelnen
Drehzahlstufen durch einen willkürlich einstellbaren Regler steuerbar sind. Die
Verwendung steuerbarer Gas-oder Dampfentladungsstrecken zur Regelung der Drehzahl
eines Motors in weiten Grenzen ist an sich bereits bekannt. So ist es beispielsweise
bereits vorgeschlagen worden, den Anker eines Gleichstrommotors, von dem eine Hauptstromcharakteristik
verlangt wird, über einen durch Gittersteuerung in seiner Gleichspannung geregelten
Quecksilberdampfgleichrichter aus einem Drehstromnetz zu speisen und der Erregerwicklung
des Motors über einen besonderen ungesbeuerten Gleichrichter einen Strom zuzuführen,
der dem von dem gesteuerten Gleichrichter entnommenen Wechselstrom proportional
ist. Auch bei analoger Anwendung dieser Schaltung auf einen Neb@enschlußmotor ließe
sich : die für den Werkveugmaschinenantricb gestellte Aufgabe nicht lösen; denn
durch Änderungen des Erregerstromes des Motors können, =wie schon oben erwähnt,
die außerordentlich großen verhältnismäßigen Drehzahländerungen, die mit wechselnder
Belastung bei niedrigen Drehzahlstufen eintreten, nicht mehr ausgeregelt werden.
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Erfindungsgemäß werden die Gitterkreise der Entladungsstrecken zusätzlich
durch von der Belastung des Motors, vorzugsweise von seiner Stromaufnahme, abhängige
Steuermittel selbsttätig derart beein$ußt, daß die Drehzahl des Motors auf jeder
reingestellten Drehzahlstufe einer bestimmten Drehzahldrehmomentcharakteristik folgt.
Die wichtigste Charakteristik ist, wie bereits wiederholt erwähnt, die Nebenschlußcharakteristik,
bei der die Drehzahl des Motors unabhängig von der Größe der Belastung von einem
bestimmten Sollwert nur wenig abweicht. Die zusätzlichen Anlagekosten, welche für
das den Motor speisende gittergesteuerte Entladungsgefäß aufzuwenden sind, sind
verhältnismäßig gering, auf jeden Fall wesentlich geringer als i die Kosten für
ein umschaltbares übersetzungsgetriebe. Das Entladungsgefäß kann dabei ohne weiteres
mit dem Motor zusammen in. dem Gehäuse der Arbeitsmaschine oder an einer anderen
Stelle in der Nähe der Arbeits- i maschine untergebracht werden. Die Regeleinrichtungen,
welche zur Einstellung der einzelnen
Drehzahlstufen und zur Aufrechterhaltung
der vorgeschriebenen Drehmomentdr:ehzahlcharakteristik dienen, sind einfache und
billige Apparate, denn die im Gitterkreis fließenden Ströme sind gering. Die Regelung
hat außerdem den großen Vorzug, daß sie sehr feinstufig, wenn notwendig vollkommen
stetig .ausgeführt- werden kann.
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Je nach den besonderen Betri,ebsbiedingungen der anzutreibenden Arbeitsmaschinen
und je nach der Art des vorhandenen Netzes können die verschiedenen bekannten Arten
von Elektromotoren und verschiedene Arten von gittergesteuerten Entladungsgefäßen,
also Umrichter, Wechselrichter .oder Gleichrichter, zu deren Speisung verwendet
werden. Auch für die belastungsabhängige Gittersteuerung bestehen an sich sehr viele
Möglichkeiten, welche von der Art der verwendeten Entladungsgefäße abhängen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
In Fig. i ist die pfinzipielle Schaltung für den Antrieb gezeichnet. i und 2 sind
die gittergesteuerten Entladungsgefäße, beispielsweise Gleichrichter, 3 ein Transformator,
4 der Antriebsmotor -und 5 ein Meßwiderstand, der vom Motorstrom durchfldssen wird.
Mit 6 sind die Apparate zur Gitterbeeinflussung bezeichnet, die in irgendeiner der
bekannten Formen- ausgeführt sein können. Als Beispiel seien' Kontaktapparate, Umschalter,
welche im Takt der Wechselstromfrequenz betätigt werden, Kombinationen von Drosselspulen,
Kapazitäten und Widerständen, welche die Phasenlage der Gitterspannung gegenüber
der Anodenspannung beeinflussen, genannt. Diese Steuerapparate werden in Abhängigkeit
von der Motorbelastung und vorzugsweise in Abhängigkeit von dem vom Moborstrom .abhängigen
Spannungsabfall des Meßwiderstandes 5 derart beeinflußt, daß die Drehzahl des Motors
die für die besonderen Betriebsbedingungen der anzutreibenden Arbeitsmaschine gewünschte
Drehmom@entdrehzahlcharakteristik erhält. Die wichtigste Charakteristik ist, wie
bereits erwähnt, didNebenschlußcharakteristik. Es kann aber .auch unter Umständen
eine Hauptstr omcharakteristik oder ein starker Drehzahlabfall von einer bestimmten
B-elastungsgrenze an erwünscht sein. Die letztgenannte Charakteristik hat besondere
Bedeutung für Schwungradantriebe. - , Fig.2 zeigt die Schaltung für eine bestimmte
Steuerungsart von gittergesteuerten Entladungsgefäßen. Ein Gleichstrommotor 8 ist
über zwei Entladungsgefäße 9 - und i o und einen Transformator i i an ein Wechselstromnetz
12 angeschlossen. Durch die Entladungsgefäße 9 und io' wird der Wechselstrom in
Gleichstrom umgeformt. Zur Beeinflussung des Stromdurchganges durch die beiden Entladungsgefäße
sind diese in bekannter Weise mit Gittern ausgerüstet. Die beiden Steuergitter sind
an einen Transformator 13 ,angeschlossen, welcher über einen regelbaren Widerstand
14 und eine Drosselspule 15 mit Anzapfungen des Transformators i i verbunden
ist. Auf dem Eisenkern der Drosselspule 15 ist noch eine Hilfswicklung 16
,angeordnet, welche an die Klemmen eines im Motorstromkreis liegenden Meßwiderstandes
17 ,angeschlossen ist. Die Phasenlage der den Steuergittern zugeführten Wechselspannung
gegenüber der Anodenspannung hängt einerseits von der Größe des regelbaren Widerstandes
14, andererseits von der Induktivität der Drosselspule 15, d. h. also von dem in
der Vormagnetisierungswicklung 16 fließenden Gleichstrom ab. Von der Phasenverschiebung
zwischen Gitter- und Anodenspannung hängt aber bekanntlich der Zündzeitpunkt der
Entladungsgefäße ab, so daß sich damit die dem Gleichstrommotor zugeführte Gleichspannung
regeln läßt. Mit Hilfe des Widerstandes 14 werden nun die ieinzelnen Drehzahlstufen
eingestellt, während die Drosselspule 15 die Phasenlage der Gitterspannung und damit
die dem Motor zugeführte Gleichspannung in Abhängigkeit von dem Motorstrom beeinfiußt.
Diese Abhängigkeit wird so gewählt, daß unabhängig von der am Widerstand 14 eingestellten
Drehzahlstufe stets ein und dieselbe Drehzahldrehmomentkennlinie des Motors erhalten
bleibt.
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Eine Abhängigkeit der Gittersteuerung der zum Speisen der Antriebsmotoren
dienenden Entladungsgefäße von dem Motorstrom bzw. der Motorbelastung kann in ähnlicher
Weise auch bei anderen Arten von Entladungsgefäßen bewirkt werden.
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In den Ausführungsbeispielen nach Fig. i und 2 ist zur Steuerung der
Gitterkreise der Entladungsgefäße ein vom Motorstrom durchflossener Meßwiderstand
gewählt, @es können aber auch andere Größen verwendet werden, welche sich mit der
Belastung ändern, z. B. der Ausschlag von Strom- und Leistungsmessern. Ferner das
Drehmoment, letzteres beispielsweise dadurch, daß der Druck druckabhängiger Widerstände
sich- in Abhängigkeit vom Drehmoment ändert oder daß druckabhängige Kondensatoren
in Abhängigkeit vom Drehmoment beeinfiußt werden.