DE889787C - Gleichlaufantrieb mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren - Google Patents

Gleichlaufantrieb mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren

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DE889787C
DE889787C DEA4494D DEA0004494D DE889787C DE 889787 C DE889787 C DE 889787C DE A4494 D DEA4494 D DE A4494D DE A0004494 D DEA0004494 D DE A0004494D DE 889787 C DE889787 C DE 889787C
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DE
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synchronous
shaft
shaft motors
wave
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DEA4494D
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English (en)
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Heinz Dr-Ing Jordan
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AEG AG
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AEG AG
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Description

  • Gleichlaufantrieb mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren Die sogenannte elektrische Welle, d.'h. der Gleichlaufantrieb mit Elektromotoren, besitzt eine Reihe besonderer Eigenschaften, die mit denen der mnechanischen Welle übereinstimmen. Bei einer mechanischen Welle werden bekanntlich durch Verdrehung der Endquerschnitte elastische Kräfte hervorgerufen, vermittels denen das Drehmoment übertragen wird. Bei einer elektrischen Welle entsprechen nun die Läufer der Wellenmotoren den Endquerschnitten der mechanischen Welle, und bei Verdrehung der Läufer gegeneinander werden elektromagnetische Kräfte hervorgerufen, die diese Verdrehung wieder aufzuheben versuchen. Es ist damit ersichtlich, daß die elektrische Welle also hinsichtlich des zu übertragenden Momentes wie eine mechanische Welle, d. h. wie eine mechanische Torsionsfeder wirkt. Da nun aber die Läufer der Wellenmotoren auch Drehmassen besitzen, so, ist die elektrische Welle wie eine mechanische Welle ebenfalls zu Eigenschwingungen fähig. Eine dritte Eigenschaft der elektrischen Welle, -die analog auch bei der mechanischen Welle vorkommt, ist die, bei Überlastung aufzureißen, da die Wellenmotoren im Verband als. elektrische Welle nur ein bestimmtes Höchstmoment übertragen können.
  • leben diesen Analogien zur medhanischen Welle besitzt die elektrische Welle aber ferner noch drei weitere, unerwünschte Eigenschaften.
  • Das elastische Moment der elektrischen Welle, d. h. die Drehfed@erhärte hat zur Folge, daß das Drehmoment pro Bogeneinheit des Verdrehungswinkels nicht wie bei einer mechanischen Welle linear mit dem Verdrehungswinkel wächst, sondern ,weniger als linear. Es 'handelt sieh also bei einer elektrischen Welle um eine unterlineare Federung. Aus dieser Tatsache ergibt sich eine Reihe unerwünschter und nicht leicht übersehbarer Folgen, weil das Superpositionsgesetz, das für lineare Vorgänge Gültigkeit hat, hier nicht mehr erfüllt ist. Das bedeutet beispielsweise, daß der Verdrehungswinkel, der zu einer zusätzlichen Belastung, z. B. einer zusätzlichen Stoßbelastung gehört, in großem Maße von der statischen Vorbelastung der Welle abhängig ist. Ebenfalls ergeben sich die Ausgleichsvorgänge, also die Schwingungsvorgänge, viel komplizierter, als das bei einer mechanischen Welle der Fall ist, weil man bei der mechanischen Welle immer im linearen Gebiet arbeitet. Eine mechanische Welle zeigt zwar bei sehr starker Belastung auch nichtlineare Eigenschaften; aber man arbeitet nicht in diesem nicht mehr linearen Gebiet der Federkonstanten.
  • Eine weitere unerwünschte Eigenschaft der elektrischen Welle ist die, daß sie bei Belastung, d. h. wenn der Verdrehungswinkel von Null abweicht, asynchrone Momente entwickelt, die bestrebt sind, beide Wellenmotoren im Sinn ihres Drehfeldes zu beschleunigen. Diese asynchronen Momente machen sich z. B. in dem Augenblick bemerkbar, wo die Welle reißen würde. Sie treten aber auch im Stillstand auf, z. B. beim Synchronisieren. Bilden im Stillstand beide Motoren vor dem Einschalten der Welle einen Winkel miteinander, so zeigt sich nach dem Einschalten der Welle, daß die Motoren bestrebt sind, diesen Winkel auszugleichen, daß sich aber beide um einen bestimmten Winkel im Sinn des Drehfeldes vorgedreht haben, daß also die Synchronstellung im Sinn des Drehfeldes vorgeschoben worden ist.
  • Als dritte unerwünschte Eigenschaft machen sich die sogenannten selbsterregten Pendelungen der elektrischen Welle bemerkbar. Damit ist die folgende Erscheinung gemeint. Wird 'eine elektrische Welle plötzlich entlastet, so müßte der Verdrehungswinkel beider Motoren nach ihren Pendelungen allmählich verschwinden. Die der elektrischen Welle eigentümlichen Dämpfungen bewirken aber,. daß diese Winkelschwingungen unter Umständen erhalten bleiben und auch sogar in besonders ungünstigen Fällen sich zu großen Amplituden aufschaukeln können, wodurch unter Umständen ein Reißen der Welle und ein unruhiger Betrieb entsteht.
  • Diese genannten Eigentümlichkeiten machen eine elektrische Welle in der normalen Schaltung nur dann brauchbar, -wenn von Hause aus große Reibungen und mechanische Dämpfungen vorhanden sind, wie das z. B. bei Hebezeugen und Werkzeugmaschinen der Fall ist, wo man die selbsterregten Pendelungen und auch die asynchronen Momente auf jeden Fall vermeiden muß, um Stellungsfehler auszugleichen. Es ist nun eine Reihe von Anordnungen bekannt, mit denen man im gewissen Umfang eine elektrische Welle brauchbar machen, z. B. die asynchronen Momente unterdrücken kann. Das sind die sogenannten unsymmetrischen Ständerschaltungen. Die selbsterregten Pendelungen hat man z. B. durch Anordnung Ohmscher Dämpferwiderstände im Läufer- oder auch im Ständerkreis zu bekämpfen versucht. Es ergibt sich dadurch jedoch eine starke Absenkung des synchronen Kippmomentes, so daß größere Maschinentypen erforderlich sind. Wesentlich besser ist hier die bereits vorgeschlagene Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen und Drosselspulen, wodurch das Kippmoment praktisch unbeeinflußt bleibt. Es kommt nämlich bei all diesen Dämpfereinrichtungen nur darauf an, daß die Drehmomentkennlinie eines Wellenmotors bei der betreffenden Betriebsdrehzahl mit wachsender Drehzahl einen abfallenden Charakter zeigt. Es handelt sich aber bei diesen Vorschlägen um rein elektrische Dämpfungen, die bei größeren Maschinen, also bei Maschinen in -der Größenordnung von etwa 15 kW aufwärts, mit Sicherheit zum Ziel führen. Sie erfüllen ihren Zweck aber nicht, wenn es. sich bei den Wellenmotoren um kleinere Maschinen handelt.
  • Bei kleinen Maschinen sind bekanntlich die Kupferverluste relativ höher als bei großen Maschinen. Aus diesem Grunde wird bei Einschalten von Dämpfungswiderständen oder Widerstandskombinationen aus parallel geschalteten Ohmschen und induktiven Widerständen das synchron,- Kippmoment außerordentlich stark herabgesetzt, so daß man bei kleinen Wellenmotoren im wesentlichen auf rein mechanischeDämpfungen angewiesen i.st.Diese mechanischen Dämpfungen bringen aber eine große Unsicherheit in den Antrieb und stören dadurch den Gleichlauf.
  • Man hat nun in der' Patentliteratur schon angegeben, daß die selbsterregten Pendelungen einer elektrischen Welle durch Überlagerung von Gleichstrom in einer Ständer- oder Läuferphase sich beseitigen lassen sollen. Genauere Untersuchungen solcher Schaltungen haben. jedoch gezeigt, daß zwar eine gewisse Dämpfung der selbsterregten Pendelungen eintritt, eine restlose Dämpfung aber nicht erzielt werden kann. Diese geringfügige Abd'ämpfung genügt bereits für große Antriebe, z. B. wenn es sich darum handelt, den Support einer Drehbank oder Fräsmaschine im Gleichlauf mit der Hauptwelle zu halten, d. h. wo es lediglich darauf ankommt, die gleiche Drehzahl einzuhalten, und kein Wert darauf gelegt wird, daß der Verdrehungswinkel bestimmte vorgegebene Grenzen unterschreitet.
  • Es bestehen aber nun eine große Reihe von Antrieben, bei denen gefordert wird, daß der Verdrehungswinkel der beiden Wellenmotoren sowohl bei Belastung als auch: bei Belastungsänderungen bestimmte vorgegebene Werte nicht überschreitet. Diese Aufgabe liegt beispielsweise bei einer Zahnflankenschleifmaschine vor, die nach dem bekannten Abwälzverfahren arbeitet. Hierbei wird das Zahnrad an der als Schnecke ausgebildeten Schleifscheibe abgewälzt, und es .leuchtet ein, daß nicht nur die Drehzahl bzw. da-, Drebzahlverhälfnis des zu schleifenden Zahnrades und der Schleifscheibe genau gleich sein, sondern daß auch die relative Winkelstellung genau eingehalten werden muß. Dies gilt unabhängig davon, ob geschliffen wird oder nicht, weil sonst der Anstellwinkel zwischen dem zu schleifenden Zahnrad und der Schleifscheibe sich ändert, so daß Fehler in der Zahnflanke entstehen. Die gleiche Aufgabenstellung liegt z. B. auch vor bei der elektrischen Übertragung von kleinen Meßwert-en, wie sie z. B. bei Lehrenbohrwerken üblich sind, aber auch beim Gewindeschleifen oder bei der Anwendung der sogenannten Fü'hlersteuerung, wenn das Werkzeug getrennt vom Fühler angeordnet ist.
  • Die Einhaltung gleicher Drehzahlen bzw. Drehzahlverhältnisse bei Beachtung des vorgeschriebenen, größtzulässigen Verdrehungswinkels wird nun für eine elektrische Welle mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, daß die Federkonstante und die elektrische Dämpfung der Wellenmotoren einerseits sowie die Drehmassen der Werkstück- und Antriebsseite andererseits derart gegeneinander ab-estimmt sind, daß im jeweiligen Arbeitsbereich der Wellenmotoren die Stabilitätsbedingungen auch für kleine Verdrehungswinkel unterhalb das nichtlinearen Bereichs der Federkonstanten der Welle erfüllt sind. Eine solche Abstimmung führt im Gegensatz zur Anwendung einer rein elektrischen Dämpfung deshalb zum Ziel, weil die der elektrischen Welle eigentümlichen elastischen Eigenschaften und die Drehmassen von Antriebs- und Werkstückseite ein schwingungsfähiges Zweimassensystem bilden, dessen Stabilitätsverhältnisse allein von Bedeutung sind. Es muß daher auch die gegenseitige Abstimmung der Federkonstanten, der elektrischen Dämpfung und der Drehmassen gleichzeitig erfolgen.
  • Die Bewegungen eines schwingungsfähigen Zweimass°nsystems werden bekanntlich durch zwei Differentialgleichungen zweiter Ordnung beschrieben. Wird ein solches System durch einen Impuls aus der Gleichgelvichtslage gebracht, so kann sich unter Umständen ein neuer Gleichgewichtszustand des Systems herausbilden. Es kann aber auch nach einer gewissen Zeit der alte Gleichgewichtszustand wieder erreicht werden. In diesem Fall nennt man den Gleichgewichtszustand stabil. Die Bedingungen dafür, daß ein bestimmter Gleichgewichtszustand z. B. bei einer bestimmten zu übertragenden Leistung und einer bestimmten Arbeitsdrehzahl der `Velle stabil ist, sind die, daß die reellen Teile der Lösungen der charakteristischen Gleichung (vierter Ordnung) des Systems der Bewegungsdifferentialgleichungen kleiner als Null sind. Diese Forderung wird: durch vier sogenannte Stabilitätsbedingungen bestimmt, welche die Koeffizienten der charakteristischen Gleichung erfüllen müssen. Die Stabilitätsbedingungen für ein schwingungsfähiges Zweimassensystem sind niedergelegt in Tolle, Regelung der Kraftmaschinen, S. 763. Die Koeffizienten der charakteristischen Gleichung sind bei der elektrischen Welle Kombinationen der Federkonstanten, der Drehmassen und der elektrischen bzw. mechanischen Dämpfungen des Systems. Jede einzelne dieser vier Bedingungen ist eine notwendige Bedingung, alle zusammen bilden sie die allein hinreichende Bedingung, um einen stabilen Gleichgewichtszustand zu erzwingen.
  • Die notwendige elektrische Bedingung lautet, daß die elektrische Dämpfung der Wellenmotoren nicht kleiner als Null ist, d. h. keine negativen Werte annimmt. Diese Bedingung läßt sich z. B. dadurch erfüllen, daß man die Ständer der Wellenmotoren an Gleichstrom legt. Bei Gleichstromspeisung der Ständer der Wellenmotoren ist aber zu beachten, daß sich die Maschinen im Stillstand nicht synchronisieren. Man muß daher beim Anfahren die Ständer in irgendeiner unsymmetrischen oder symmetrischen Drehstrom- oder Einpbasenschaltung ans Netz legen und nach erfolgtem Hochlauf auf die Gleichstromspeisung übergehen. Man muß aber auch die mechanischen Stabilitätsbedingungen erfüllen, d. h. von Fall zu Fall die Massen auf der Werkstückseite und auf der Antriebsseite und die Federkonstante der Wellenmotoren, die durch die Gleichstromerregung festgelegt ist, so wählen, daß die mechanischen Bedingungen erfüllt sind.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Gleichlaufantrieb mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante und die elektrische Dämpfung der Wellenmotoren einerseits sowie die Drehmassen der Werkstück- und Antriebsseite andererseits derart gegeneinander abgestimmt sind, daß im jeweiligen Arbeitsbereich der Wellenmotoren die Stabilitätsbedingungen auch für kleine Verdrehungswinkel unterhalb des nichtlinearen Bereichs der Federkonstanten der Welle erfüllt sind.
DEA4494D 1941-11-20 1941-11-20 Gleichlaufantrieb mit synchronen oder asynchronen Wellenmotoren Expired DE889787C (de)

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DE889787C true DE889787C (de) 1953-09-14

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DE (1) DE889787C (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1079173B (de) * 1957-05-10 1960-04-07 Siemens Ag Gleichlauf-Antrieb, bei dem die im Gleichlauf zu haltenden Teile ueber eine elektrische Welle miteinander verbunden sind

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1079173B (de) * 1957-05-10 1960-04-07 Siemens Ag Gleichlauf-Antrieb, bei dem die im Gleichlauf zu haltenden Teile ueber eine elektrische Welle miteinander verbunden sind

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