WO2007134558A1 - Elektrische antriebseinheit - Google Patents

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WO2007134558A1
WO2007134558A1 PCT/DE2006/000890 DE2006000890W WO2007134558A1 WO 2007134558 A1 WO2007134558 A1 WO 2007134558A1 DE 2006000890 W DE2006000890 W DE 2006000890W WO 2007134558 A1 WO2007134558 A1 WO 2007134558A1
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WO
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drive unit
electric drive
wedge brake
electric motor
braking torque
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PCT/DE2006/000890
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fritz Breimesser
Jörg HASSEL
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/06—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter
    • H02P3/18—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor
    • H02P3/26—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters for stopping or slowing an individual dynamo-electric motor or dynamo-electric converter for stopping or slowing an ac motor by combined electrical and mechanical braking
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    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/02—Details of stopping control
    • H02P3/04—Means for stopping or slowing by a separate brake, e.g. friction brake or eddy-current brake
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/106—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with dynamo-electric brakes

Definitions

  • the invention relates to an electric drive unit with an electric motor and a brake for generating a mechanical braking torque.
  • an electric motor can in principle be decelerated in a purely electrical manner by generating a regenerative braking torque
  • the combination of electric drives with mechanically acting brakes is widespread both in the industrial environment and in traffic engineering.
  • the maximum possible braking torque is limited by the design of the electric motor.
  • the braking effect decreases in the lower speed range of the electric motor.
  • a holding torque can not be achieved in a regenerative manner at a standstill and in the event of a sudden power failure, the regenerative braking effect finally fails completely.
  • the mentioned disadvantages can be reduced.
  • Such electromagnetically actuated brakes are generally designed as spring-applied brakes and are used in simple applications. Their mechanically generated braking or holding torque is constant and defined by the spring force. The excitation needed during operation of the electric motor The brake solenoid required to hold the brake consumes additional energy.
  • hydraulically controlled brakes are generally used.
  • a mechanical braking torque can be controlled or regulated via a hydraulic or pneumatic circuit.
  • an electromechanical brake for braking a motor vehicle in which a self-reinforcing and controllable braking effect can be achieved by the use of at least one wedge.
  • a brake is also called a wedge brake.
  • the invention has for its object to allow a controlled mechanical braking of an electric motor as low as possible arm.
  • the invention is based on the finding that the electronically controlled wedge brake, which is nowadays used in particular from vehicle technology for the controlled braking of a motor vehicle (also known as brake by wire), can be combined with an electric motor in a very advantageous manner in order to achieve this to be able to decelerate with a controllable mechanical braking torque.
  • the use of the electronically controlled wedge brake for generating a mechanical braking torque for the electric motor has the advantage over conventional mechanically deceleratable drive units that excellent controllability of the braking torque purely electrical ways can be achieved without additional hydraulic or pneumatic circuits must be provided.
  • To set the desired Bremsm ⁇ mentes one or more wedges of one or more servomotors are moved into a position by which a certain frictional force and thus the desired desired braking torque is set within the brake system.
  • the power consumption of such a wedge brake is minimal, since energy is consumed only during the adjusting operations by the servomotors. Due to the self-reinforcing effect of the wedge brake a required braking force can be achieved with only about 10% of the energy of a comparable, usually hydraulically actuated disc brake. Even compared to known from the prior art electromagnetically actuated spring-applied brakes, the electronically controlled wedge brake is characterized by a significantly lower energy consumption. In the case of an electromagnetically actuated spring-loaded brake, the excitation of a coil actuating the spring-pressure brake must be continuously maintained during operation of the electric motor, which leads to continuous energy consumption at the desired braking torque zero. This is not the case with the electronically controlled wedge brake, since energy is only consumed during the setting processes. Above all, however, the electromagnetically actuated spring pressure brake known from the prior art is not suitable for controlled braking of the electric motor due to its two-point action.
  • a particularly compact design of the electric drive unit is achieved in that the electronically controlled wedge brake for is provided directly braking the rotor shaft of the electric motor, wherein the electronically controlled wedge brake and the electric motor are integrated in particular in a common housing.
  • the braking force of the wedge brake is thus exerted directly on the shaft of the electric motor and not on a z. B. via a transmission and / or a propeller shaft coupled element.
  • electric motors are controlled by power-electronic modules, for example, to be able to set different speeds or to be able to control a controlled run-up of the electric motor.
  • this has a power electronic module driving the electric motor as well as a control unit for generating first control signals for the power electronic module and second control signals for the wedge brake.
  • a targeted and coordinated operating behavior of the electric motor and the wedge brake can be adjusted by the control unit which is the parent of the electric motor and the wedge brake.
  • the power electronic assembly is designed as a converter, in particular as a frequency converter.
  • a converter for a three-phase electrical machine in the form of a three-phase inverter with DC intermediate circuit can be performed.
  • This makes it possible to provide different input voltages for the electric motor over a wide frequency range and thus set different speeds of the electric motor.
  • both a motor and a generator operation of the electric motor can be realized in a very simple manner. For example, by recuperative braking of the electric motor, even energy which is generated as a generator when the engine is decelerating can be fed back into a feeding network.
  • An alternative embodiment of the invention is characterized in that the electronic module is designed as a soft starter.
  • Such a soft starter is carried out depending on the power class of the electric motor either with triacs or with thyristors, is used for smooth startup of the electric motor.
  • the soft starter also makes it possible, in addition to a defined startup of the motor, to operate the electric motor as an engine brake when switching off.
  • an embodiment of the electric drive unit is advantageous in which the first control signals for generating a genera toric braking torque during braking of the electric motor are provided. In this way, the electric drive unit can be braked both regeneratively and mechanically via the wedge brake.
  • the control unit is provided for coordinated control of the regenerative braking torque and the mechanical braking torque generated by the wedge brake during the braking process.
  • the higher-level control unit can determine the optimum distribution of the required braking torque with respect to regenerative and mechanical braking as a function of the current operating case and the specified setpoint value for the braking torque. For example, initially at a very high speed of the electric motor, the control unit would provide a regenerative generation of the braking torque, while the wedge brake would participate more and more in the deceleration process with decreasing speed of the engine due to the decreasing effect of the generatori Effective braking torque.
  • the braking process as gentle as possible and - especially when a recuperative braking is provided - are carried out energy-saving.
  • this has at least one servomotor.
  • the power electronic assembly is provided for power supply at least one servo motor of the wedge brake, which is provided for adjusting the mechanical braking torque of the wedge brake.
  • an embodiment of the electric drive unit is advantageous, in which the electric drive unit has a monitoring unit for detecting a power failure and specifying an emergency braking torque for the wedge brake in the event of a power failure the emergency braking torque, in particular the maximum braking torque of the wedge brake corresponds.
  • a further embodiment of the invention is advantageous in which the wedge brake is provided for applying a holding torque for the electric motor.
  • an embodiment of the electrical drive unit is advantageous in which the electric drive unit has means for manual specification of the mechanical braking torque.
  • the means for manual specification of the mechanical braking torque for canceling the mechanical Bremsmo- mentes are provided for the purpose of ventilating the wedge brake.
  • FIG. 1 shows an integrated embodiment of the electric drive unit according to the invention with a wedge brake
  • FIG. 2 shows an embodiment of a mechanically braked electric drive unit known from the prior art
  • FIG. 3 shows a further integrated embodiment of the electric drive unit according to the invention with a wedge brake and a monitoring unit
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of the monitoring unit.
  • the electric drive unit 1 shows an integrated embodiment of the electric drive unit according to the invention with a wedge brake 2.
  • the said wedge brake 2 is integrated together with an electric motor 1 in a common housing.
  • the electric drive unit further comprises a control unit 4, the first control signals 5 for a power electronic
  • the power electronic module 3 is designed, for example, as a three-phase frequency converter, which generates a three-phase three-phase system of variable frequency for the electric motor 1.
  • the frequency of the three-phase system to be generated and thus the rotational speed of the electric motor 1 and / or the torque to be generated by the electric motor 1 can be predetermined via the first control signals 5.
  • the power electronic module 3 embodied as a frequency converter comprises a subordinate control, not shown here, which derives 5 switching signals for the drivers of the components of the frequency converter from the first control signals.
  • About the first control signals 5 can be determined directly or indirectly, whether the electric motor 1 should operate in motor operation or in generator operation. In generator operation, the electric motor 1 is electrically braked.
  • the electrical energy obtained in this case can either be converted into heat in a braking resistor or fed back into a supplying network.
  • a recuperative brakes Such recuperative braking is characterized by the energy return feed as particularly economical and is also low in wear, since no mechanical abrasion takes place. However, the effect of the generatori Operating braking process decreases with decreasing engine speed continuously. Finally, a holding torque for the electric motor 1 can not be generated by generative braking.
  • the electric drive unit comprises the mechanically acting wedge brake 2, which is also controlled by the higher-level control unit 4.
  • the control unit 4 for example, speed-dependent on the first and second control signals 5.6 to each operating point before an individual division between generatori Service and electric braking torque.
  • the advantage of the illustrated electric drive unit lies in particular in the electrical controllability of the mechanically acting wedge brake 2.
  • the second control signals 6 can be converted by a servo motor of the wedge brake 2 directly into a corresponding position for the braking wedge or the braking wedges of the wedge brake 2.
  • electrical energy is consumed exclusively during the control process of the servomotors.
  • mechanical brakes for controlled braking of an electric drive pneumatic or hydraulic hauler auxiliary circuits that go to the detriment of the compactness of such a drive unit and cause additional costs and increased maintenance.
  • the matching of the electrical and the mechanical brake torque is in the illustrated drive unit particularly simple because no detour over a complex hydraulic or pneumatic is necessary to generate the mechanical braking torque and the second control signals can be used in particular directly for controlling the servomotors NEN ,
  • the drive unit 2 shows a known from the prior art embodiment of a mechanically braked drive unit with an electric motor 1, which is fed by a power electronic module 3 variable speed.
  • the drive unit has a mechanical brake unit designed, for example, as a hydraulic disc brake 8.
  • the drive unit is controlled via a control unit 4 which, in the form of first and second control signals 5, 6 during a deceleration process, determines the division between regenerative and mechanical braking torque.
  • the second control signals 6, which determine the mechanical part of the braking process are supplied to a hydraulic control 9, which controls a hydraulic auxiliary circuit in accordance with the second control signals 6.
  • FIG. 3 shows a further integrated embodiment of the electric drive unit according to the invention with a wedge brake 2 and a monitoring unit 7.
  • the illustrated integrated embodiment of the electric drive unit essentially corresponds to that already shown in FIG.
  • a monitoring unit 7 was added, which is provided to secure the phase-out phase of a braking operation and to set a holding torque in case of power failure.
  • the monitoring unit 7 enables manually controlled release of the wedge brake 2.
  • the wedge brake 2 is supplied with the power required for adjusting the servomotors of the wedge brake 2 by the power electronic module 3, which is designed in particular as a soft starter. Since the monitoring unit 7 is also provided for detecting a power failure, the power supply line 10 is initially guided by the soft starter 3 to the monitoring unit 7 and only then to the wedge brake 2. In this way, the monitoring unit 7 can detect a power failure and, for example via a
  • Emergency power supply specify the holding torque for the wedge brake 2.
  • An output signal 11 of the monitoring unit 7 would, in such a case, determine the holding torque for the wedge brake 2 instead of the second control signal 6 predetermined by the control unit 4.
  • the monitoring unit 7 is connected on the input side to the second control signals 6 and the power supply line 10.
  • the second control signals 6 predetermined by the control unit are looped through to the output of the monitoring unit 7.
  • an emergency command value 13 is output at the output of the monitoring unit 7 instead of the second control signal 6.
  • the monitoring unit 7 has means for manually releasing the wedge brake. With their help, a user can specify a desired air value 14, which takes the place of the second control signal 6 specified by the control unit.
  • the setpoints for these two special cases described can either be defined in advance or parameterized depending on the application via the higher-level control unit 4.
  • the monitoring unit 7 has a super-capacitor 15 serving as an energy store, which is charged in normal operation and, in the event of a power failure, makes available the energy required for setting the emergency setpoint 13.
  • a super-capacitor 15 also called super cap
  • the supercapacitor 15 can of course also be used a battery.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of the monitoring unit 7 as an example of a hardware implementation.
  • the monitoring unit 7 is supplied with the second control signal 6 and the power supply line 10 on the input side.
  • the monitoring unit 7 provides the operating voltage U B for the wedge brake.
  • the monitoring unit 7 comprises a voltage monitoring circuit 16 which is intended to monitor a failure of the mains voltage. Even in case of power failure, the operating voltage U 5 can be provided by the monitoring unit 7, since the monitoring unit 7 for this purpose has a supercapacitor 15 which is charged to the value of the operating voltage U B.
  • a series resistor Rvz / an optocoupler OK and via a zener diode D whose breakdown voltage U 2 of the operating voltage U B corresponds to a current so that on the receiver side of the optocoupler the operating voltage U B via a pull up resistor is applied to the illustrated NAND gate.
  • the LED of the optocoupler OK goes out.
  • the signal changes from high (H) to low (L) when mains failure is detected.
  • the two switching functions for the setpoints are symbolized in this example with the second control signal 6, which is specified by the higher-level control unit 4, with a NAND or AND gate.
  • this setpoint controls the wedge brake to a maximum braking torque, which then remains at standstill as a holding torque.
  • the functions of the monitoring unit can also be implemented by software technology using a digital signal processor.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Braking Arrangements (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor (1) und einer Bremse zur Erzeugung eines mechanischen Bremsmomentes. Um ein geregeltes mechanisches Abbremsen des Elektromotors (1) möglichst aufwandsarm zu ermöglichen, wird eine elektronisch geregelten Keilbremse (2) zum Abbremsen des Elektromotors (1) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Elektrische Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einer Bremse zur Erzeugung eines mechanischen Bremsmomentes .
Obwohl ein Elektromotor prinzipiell auf rein elektrischem We- ge durch Erzeugung eines generatorisehen Bremsmomentes abgebremst werden kann, ist sowohl im industriellen Umfeld als auch in der Verkehrstechnik die Kombination elektrischer Antriebe mit mechanisch wirkenden Bremsen weit verbreitet. Bei einem generatorischen Bremsvorgang ist das maximal mögliche Bremsmoment durch die Bauform des Elektromotors begrenzt.
Weiterhin lässt die Bremswirkung im unteren Drehzahlbereich des Elektromotors nach. Ein Haltemoment kann auf generatorischem Weg im Stillstand nicht erreicht werden und bei plötzlichem Netzausfall fällt die generatorisehe Bremswirkung schließlich vollständig aus. Durch die Kombination einer zusätzlichen mechanisch wirkenden Bremse mit dem Elektromotor können die genannten Nachteile gemindert werden.
Beispielsweise aus der DE 197 34 405 Al sind Elektromotoren bekannt, die elektromagnetisch lüftbare mechanische Bremsen aufweisen. Derartige mechanische Bremsen verfügen über eine Erregerspule, die zusammen mit dem Elektromotor bestromt wird, um diese bei Betrieb des Elektromotors gelüftet zu halten. Im unbestromten Zustand ist die Bremse hingegen angezo- gen. Die mechanische Bremse fungiert daher als Haltebremse bei Stillstand des Elektromotors und sichert darüber hinaus ein Abbremsen des Elektromotors bei einem Netzausfall .
Derartige elektromagnetisch betätigte Bremsen sind in der Re- gel als Federdruckbremsen ausgeführt und kommen bei einfachen Anwendungen zum Einsatz. Ihr mechanisch erzeugtes Brems- bzw. Haltemoment ist konstant und durch die Federkraft definiert. Die während des Betriebs des Elektromotors benötigte Erregung des Elektromagneten der Bremse, die zum Halten der Bremse benötigt wird, verbraucht zusätzliche Energie.
Bei komplexeren Anwendungen, bei denen ein derartiges Zwei- punktverhalten, wie es für die zuvor beschriebene elektromagnetisch betätigte Federdruckbremse charakteristisch ist, nicht ausreicht, werden im Allgemeinen hydraulisch geregelte Bremsen eingesetzt. Über einen hydraulisch oder pneumatisch ausgeführten Kreis kann ein mechanisches Bremsmoment gesteu- ert bzw. geregelt werden.
Aus der DE 198 19 564 C2 ist eine elektromechanische Bremse zum Abbremsen eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei der durch die Verwendung wenigstens eines Keils eine selbstverstärkende und regelbare Bremswirkung erzielt werden kann. Eine derartige Bremse wird auch als Keilbremse bezeichnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geregeltes mechanisches Abbremsen eines Elektromotors möglichst aufwands- arm zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einer elektronisch geregelten Keilbremse zum Abbremsen des Elektromotors gelöst. Vorteilhafte Ausführungs- formen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die elektronisch geregelte Keilbremse, die heutzutage insbesonde- re aus der Fahrzeugtechnik zum geregelten Abbremsen eines Kraftfahrzeuges (auch als Brake by Wire bekannt) verwendet wird, in sehr vorteilhafter Weise mit einem Elektromotor kombinieren lässt, um diesen mit einem steuerbaren mechanischen Bremsmoment abbremsen zu können. Die Verwendung der elektro- nisch geregelten Keilbremse zum Erzeugen eines mechanischen Bremsmomentes für den Elektromotor hat gegenüber herkömmlichen mechanisch abbremsbaren Antriebseinheiten den Vorteil, dass eine hervorragende Regelbarkeit des Bremsmomentes auf rein elektrischem Wege erzielt werden kann, ohne dass zusätzliche Hydraulik- oder Pneumatikkreise vorgesehen werden müssen. Zur Einstellung des gewünschten Bremsmσmentes werden ein oder mehrere Keile von ein oder mehreren Stellmotoren in eine Position verschoben, durch die eine bestimmte Reibkraft und somit das gewünschte Sollbremsmoment innerhalb der Bremsanlage eingestellt wird.
Der Stromverbrauch einer derartigen Keilbremse ist minimal, da nur während der Stellvorgänge durch die Stellmotoren Energie verbraucht wird. Durch die selbstverstärkende Wirkung der Keilbremse kann eine benötigte Bremskraft mit nur ca. 10% der Energie einer vergleichbaren, üblicherweise hydraulisch betätigten Scheibenbremse erzielt werden. Auch gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetisch betätigten Federdruckbremsen zeichnet sich die elektronisch geregelte Keilbremse durch einen deutlich geringeren Energieverbrauch aus . Bei einer elektromagnetisch betätigten Federdruckbremse muss während des Betriebes des Elektromotors die Erregung ei- ner die Federdruckbremse ansteuernden Spule kontinuierlich aufrechterhalten werden, was zu einem kontinuierlichen Energieverbrauch beim Sollbremsmoment Null führt. Dies ist bei der elektronisch geregelten Keilbremse nicht der Fall, da Energie nur während der Stellvorgänge verbraucht wird. Vor allem aber ist die aus dem Stand der Technik bekannte elektromagnetisch betätigte Federdruckbremse aufgrund ihrer Zweipunktwirkung nicht zum geregelten Abbremsen des Elektromotors geeignet .
Die Kombination einer elektronisch geregelten Keilbremse mit einem Elektromotor innerhalb einer elektrischen Antriebseinheit ermöglicht somit erstmals die rein elektrische Steuerung und Regelung eines mechanischen Bremsmomentes für einen Elektromotor .
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders kompakte Bauform der elektrischen Antriebseinheit dadurch erzielt, dass die elektronisch geregelte Keilbremse zum unmittelbaren Abbremsen der Rotorwelle des Elektromotors vorgesehen ist, wobei die elektronisch geregelte Keilbremse und der Elektromotor insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Die Bremskraft der Keilbremse wird damit di- rekt auf die Welle des Elektromotors ausgeübt und nicht auf ein z. B. über ein Getriebe und/oder eine Kardanwelle angekoppeltes Element.
In der Regel werden heutzutage Elektromotoren über leistungs- elektronische Baugruppen angesteuert, um beispielsweise verschiedene Drehzahlen einstellen zu können oder einen geregelten Hochlauf des Elektromotors steuern zu können. In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit weist diese eine den Elektromotor ansteuernde leistungselektronische Baugruppe sowie eine Steuerungseinheit zur Erzeugung erster Steuersignale für die leistungselektronische Baugruppe und zweiter Steuersignale für die Keilbremse auf . Auf diese Art und Weise kann durch die dem Elektromotor und der Keilbremse übergeordnete Steuerungseinheit ein ge- zieltes und aufeinander abgestimmtes Betriebsverhalten von Elektromotor und Keilbremse eingestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung dieser genannten Ausführungsform ist die leistungselektronische Baugruppe als Um- richter, insbesondere als Frequenzumrichter, ausgeführt. Beispielsweise kann ein derartiger Umrichter für eine dreiphasige elektrische Maschine in Form eines dreiphasigen Wechselrichters mit Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt werden. Hiermit lassen sich über einen weiten Frequenzbereich ver- schiedene EingangsSpannungen für den Elektromotor zur Verfügung stellen und somit verschiedene Drehzahlen des Elektromotors einstellen. Weiterhin kann mit einem derartigen Umrichter sowohl ein motorischer als auch ein generatorischer Betrieb des Elektromotors auf sehr einfache Weise realisiert werden. Beispielsweise kann durch ein rekuperatives Bremsen des Elektromotors sogar Energie, die generatorisch beim Abbremsen des Motors erzeugt wird, in ein speisendes Netz zurückgespeist werden. Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Baugruppe als Sanftstarter ausgeführt ist. Ein derartiger Sanftstarter der je nach Leistungsklasse des Elektromotors entweder mit Triacs oder mit Thyristoren ausgeführt wird, wird zum sanften Hochlauf des Elektromotors verwendet. Auch der Sanftstarter ermöglicht es, neben einem definierten Hochfahren des Motors den Elektromotor beim Abschalten als Motorbremse zu betreiben.
Unabhängig davon, ob die leistungselektronische Baugruppe als Umrichter oder als Sanftstarter ausgeführt ist, ist eine Ausführungsform der elektrischen Antriebseinheit vorteilhaft, bei der die ersten Steuersignale zur Erzeugung eines genera- torischen Bremsmomentes während des Abbremsens des Elektromotors vorgesehen sind. Auf diese Art und Weise kann die elektrische Antriebseinheit sowohl generatorisch als auch mechanisch über die Keilbremse abgebremst werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung letztgenannter Aus- führungsform ist die Steuerungseinheit zur aufeinander abgestimmten Regelung des generatorischen Bremsmomentes und des von der Keilbremse erzeugten mechanischen Bremsmomentes während des Abbremsvorganges vorgesehen. Bei dieser Ausführungs- form kann die übergeordnete Steuerungseinheit abhängig vom aktuellen Betriebsfall und vom vorgegebenen Sollwert für das Bremsmoment die optimale Aufteilung des geforderten Bremsmomentes bezüglich generatorischem und mechanischem Bremsen bestimmen. Beispielsweise würde zunächst bei einer sehr hohen Drehzahl des Elektromotors die Steuerungseinheit eine generatorische Erzeugung des Bremsmomentes vorsehen, während sie bei abnehmender Drehzahl des Motors aufgrund der nachlassenden Wirkung des generatorisehen Bremsmomentes die Keilbremse mehr und mehr an dem Abbremsvorgang beteiligen würde. Auf diese Art und Weise kann der Bremsvorgang möglichst materialschonend und - insbesondere wenn ein rekuperatives Bremsen vorgesehen ist - energiesparend durchgeführt werden. Zur Einstellung des mechanischen Bremsmomentes der Keilbremse verfügt diese über mindestens einen Stellmotor. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine sehr einfache Realisierung der elektrischen Antriebseinheit dadurch erzielt werden, dass die leistungselektronische Baugruppe zur Stromversorgung mindestens eines Stellmotors der Keilbremse vorgesehen ist, der zur Einstellung des mechanischen Bremsmomentes der Keilbremse vorgesehen ist.
Um auch bei einem Netzausfall ein sicheres Abbremsens des E- lektromotors zu gewährleisten, ist eine Ausführungsform der elektrischen Antriebseinheit von Vorteil, bei der die elektrische Antriebseinheit eine Überwachungseinheit zur Detektion eines Netzausfalles und zur Vorgabe eines Notbremsmomentes für die Keilbremse im Falle des Netzausfalles aufweist, wobei das Notbremsmoment, insbesondere dem maximalen Bremsmoment der Keilbremse, entspricht.
Da ein Haltemoment für den Elektromotor nicht auf rein gene- ratorischem Weg erzielt werden kann, ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der die Keilbremse zur Aufbringung eines Haltemomentes für den Elektromotor vorgesehen ist.
Um einem Benutzer die Möglichkeit zu geben, unabhängig von der Steuerungseinheit ein mechanisches Bremsmoment für die Keilbremse vorgeben zu können, ist eine Ausgestaltung der e- lektrischen Antriebseinheit vorteilhaft, bei der die elektrische Antriebseinheit Mittel zur manuellen Vorgabe des mecha- nischen Bremsmomentes aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung letztgenannter Ausführungsform sind die Mittel zur manuellen Vorgabe des mechanischen Bremsmomentes zum Aufheben des mechanischen Bremsmo- mentes zwecks Lüftens der Keilbremse vorgesehen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen:
FIG 1 eine integrierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer Keilbremse, FIG 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform einer mechanisch gebremsten elektrischen Antriebseinheit ,
FIG 3 eine weitere integrierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer Keilbremse und einer Überwachungseinheit,
FIG 4 eine schematische Darstellung der Überwachungseinheit und
FIG 5 einen Schaltplan der Überwachungseinheit.
FIG 1 zeigt eine integrierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer Keilbremse 2. Die besagte Keilbremse 2 ist zusammen mit einem Elektromotor 1 in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Die elektrische Antriebseinheit umfasst darüber hinaus eine Steuerungseinheit 4, die erste Steuersignale 5 für eine leistungselektronische
Baugruppe 3 und zweite Steuersignale 6 für die Keilbremse 2 erzeugt. Die leistungselektronische Baugruppe 3 ist beispielsweise als dreiphasiger Frequenzumrichter ausgeführt, der ein dreiphasiges Drehstromsystem variabler Frequenz für den Elektromotor 1 erzeugt. Beispielsweise können über die ersten Steuersignale 5 Frequenz des zu erzeugenden Drehstromsystems und somit die Drehzahl des Elektromotors 1 und/oder das vom Elektromotor 1 zu erzeugende Drehmoment vorgegeben werden. Die als Frequenzumrichter ausgeführte leistungselekt- ronische Baugruppe 3 umfasst eine hier nicht dargestellte untergeordnete Steuerung, die aus den ersten Steuerungssignalen 5 Schaltsignale für die Treiber der Bauelemente des Frequenzumrichters ableitet. Über die ersten Steuersignale 5 kann direkt oder indirekt bestimmt werden, ob der Elektromotor 1 im motorischen Betrieb oder im generatorischen Betrieb arbeiten soll. Im generatorischen Betrieb wird der Elektromotor 1 elektrisch gebremst. Die hierbei gewonnene elektrische Energie kann entweder in einem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt werden oder aber in ein versorgendes Netz zurückgespeist werden. In diesem Fall spricht man von einem rekuperativen Bremsen. Ein derartiges rekuperatives Bremsen zeichnet sich durch die Energierück- Speisung als besonders wirtschaftlich aus und ist darüber hinaus wenig verschleißbehaftet, da kein mechanischer Abrieb stattfindet. Jedoch nimmt die Wirkung des generatorisehen Bremsvorganges mit abnehmender Motordrehzahl kontinuierlich ab. Ein Haltemoment für den Elektromotor 1 kann durch genera- torisches Bremsen schließlich nicht erzeugt werden.
Um im gesamten Betriebsbereich des Elektromotors 1 ein effektives Abbremsen des Elektromotors 1 zu gewährleisten, umfasst die elektrische Antriebseinheit die mechanisch wirkende Keil- bremse 2, die ebenfalls von der übergeordneten Steuerungseinheit 4 angesteuert wird. Um während eines Abbremsvorganges die optimale Aufteilung zwischen generatorischem und mechanischem Bremsmoment zu bewirken, gibt die Steuerungseinheit 4 beispielsweise drehzahlabhängig über die ersten und zweiten Steuerungssignale 5,6 zu jedem Betriebspunkt eine individuelle Aufteilung zwischen generatorisehen und elektrischem Bremsmoment vor .
Der Vorteil der dargestellten elektrischen Antriebseinheit liegt insbesondere in der elektrischen Ansteuerbarkeit der mechanisch wirkenden Keilbremse 2. Die zweiten Steuersignale 6 können von einem Stellmotor der Keilbremse 2 direkt in eine entsprechende Position für den bremsenden Keil bzw. die bremsenden Keile der Keilbremse 2 umgesetzt werden. Hierfür wird ausschließlich während des Steuerungsvorganges der Stellmotoren elektrische Energie verbraucht. Weiterhin ist nur ein Bruchteil der Energie, die bei dem mechanischen Bremsvorgang umgesetzt wird, für den Antrieb der Stellmotoren notwendig. Dies ist auf die selbstverstärkende Wirkung der Keilbremse 2 zurückzuführen. Im Gegensatz hierzu benötigen aus dem Stand der Technik bekannte mechanische Bremsen zum geregelten Abbremsen eines elektrischen Antriebes pneumatische oder hyd- raulische Hilfskreise, die zu Lasten der Kompaktheit einer derartigen Antriebseinheit gehen und zusätzliche Kosten sowie einen erhöhten Wartungsaufwand verursachen.
Das aufeinander Abstimmen des elektrischen und des mechani- sehen Bremsmomentes ist bei der dargestellten Antriebseinheit besonders einfach, da zur Erzeugung des mechanischen Bremsmomentes kein Umweg über eine komplexe Hydraulik oder Pneumatik notwendig ist und die zweiten Steuersignale insbesondere direkt zur Ansteuerung der Stellmotoren verwendet werden kön- nen.
FIG 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung einer mechanisch gebremsten Antriebseinheit mit einem Elektromotor 1, der von einer leistungselektronischen Bau- gruppe 3 drehzahlvariabel gespeist wird. Um den Elektromotor 1 nicht nur generatorisch sondern auch mechanisch Abbremsen zu können, weist die Antriebseinheit eine beispielsweise als hydraulische Scheibenbremse 8 ausgeführte mechanische Bremseinheit auf. Die Antriebseinheit wird über eine Steuerungs- einheit 4 angesteuert, die in Form erster und zweiter Steuerungssignale 5,6 während eines Abbremsvorganges die Aufteilung zwischen generatorischem und mechanischem Bremsmoment vorgibt. Die zweiten Steuersignale 6, die den mechanischen Anteil an dem Abbremsvorgang bestimmen, werden einer Hydrau- liksteuerung 9 zugeführt, die einen hydraulischen Hilfskreis entsprechend der zweiten Steuersignale 6 ansteuert.
Im Vergleich zu der in FIG 1 gezeigten integrierten Ausführungsform einer elektrischen Antriebseinheit ist diese aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform aufgrund des zusätzlichen Hydraulikkreises sehr viel aufwendiger und kostenintensiver zu realisieren. Während bei der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform die zweiten Steuersignale 6 direkt zur Ansteuerung der Stellmotoren der Keilbremse 2 genutzt werden können, muss bei der in FIG 2 gezeigten Ausführungsform ein Umweg über den hydraulischen Hilfskreis gegangen werden .
FIG 3 zeigt eine weitere integrierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit mit einer Keilbremse 2 und einer Überwachungseinheit 7. Die dargestellte integrierte Ausführungsform der elektrischen Antriebseinheit entspricht im Wesentlichen der bereits in FIG 1 gezeigten
Ausführungsform. Ergänzt wurde im Vergleich hierzu eine Überwachungseinheit 7, die zur Sicherung der Auslaufphase eines Bremsvorganges und zum Einstellen eines Haltemomentes bei Netzausfall vorgesehen ist. Die Überwachungseinheit 7 ermög- licht darüber hinaus ein manuell gesteuertes Lüften der Keilbremse 2. In dem dargestellten Beispiel wird die Keilbremse 2 von der insbesondere als Sanftstarter ausgeführten leistungselektronischen Baugruppe 3 über eine Stromversorgungsleitung 10 mit der zum Verstellen der Stellmotoren der Keilbremse 2 benötigten Energie versorgt. Da die Überwachungseinheit 7 auch zur Detektion eines Netzausfalles vorgesehen ist, wird die Stromversorgungsleitung 10 vom Sanftstarter 3 zunächst zur Überwachungseinheit 7 und erst dann zur Keilbremse 2 geführt. Auf diese Art und Weise kann die Überwachungseinheit 7 einen Netzausfall detektieren und beispielsweise über eine
NotStromversorgung das Haltemoment für die Keilbremse 2 vorgeben. Ein Ausgangssignal 11 der Überwachungseinheit 7 würde in einem solchen Fall anstelle des von der Steuerungseinheit 4 vorgegebenen zweiten Steuersignals 6 das Haltemoment für die Keilbremse 2 bestimmen.
FIG 4 zeigt eine schematische Darstellung der Überwachungseinheit 7. Die Überwachungseinheit 7 ist eingangsseitig mit dem zweiten Steuersignalen 6 und der Stromversorgungsleitung 10 verbunden. Im Normalbetrieb der elektrischen Antriebseinheit werden die von der Steuerungseinheit vorgegebenen zweiten Steuersignale 6 an den Ausgang der Überwachungseinheit 7 durchgeschleift. Wird hingegen von einer Überwachungskompo- nente 12 der Überwachungseinheit 7 ein Netzausfall festgestellt, so wird anstelle des zweiten Steuersignals 6 ein Notsollwert 13 am Ausgang der Überwachungseinheit 7 ausgegeben. Weiterhin verfügt die Überwachungseinheit 7 über Mittel zum manuellen Lüften der Keilbremse. Mit deren Hilfe kann ein Anwender einen Lüftsollwert 14 vorgeben, der an die Stelle des von der Steuerungseinheit vorgegebenen zweiten Steuerungssig- nals 6 tritt.
Die Sollwerte für diese beiden beschriebenen Sonderbetriebsfälle (Netzausfall bzw. manuelles Lüften) können entweder vorab festgelegt oder über die übergeordnete Steuerungseinheit 4 anwendungsabhängig parametriert werden.
Um bei einen Netzausfall noch den Notsollwert über die Überwachungseinheit 7 vorgeben zu können, verfügt die Überwachungseinheit 7 über einen als Energiespeicher dienenden Su- perkondensator 15, der im Normalbetrieb geladen wird und bei Netzausfall die zur Vorgabe des Notsollwertes 13 benötigte Energie zur Verfügung stellt. Anstelle des Superkondensators 15 (auch Super Cap genannt) kann selbstverständlich auch eine Batterie eingesetzt werden.
FIG 5 zeigt einen Schaltplan der Überwachungseinheit 7 als Beispiel einer hardwaretechnischen Realisierung. Wie bereits unter FIG 4 erläutert, werden der Überwachungseinheit 7 ein- gangsseitig das zweite Steuerungssignal 6 und die Stromversorgungsleitung 10 zugeführt. Ausgangsseitig wird von der Überwachungseinheit 7 die Betriebsspannung UB für die Keil- bremse zur Verfügung gestellt.
Die Überwachungseinheit 7 umfasst einen Spannungsüberwa- chungskreis 16, der einen Ausfall der Netzspannung überwachen soll. Auch bei Netzausfall kann von der Überwachungseinheit 7 die Betriebsspannung U5 zur Verfügung gestellt werden, da die Überwachungseinheit 7 zu diesem Zweck einen Superkondensator 15 aufweist, der auf den Wert der Betriebsspannung UB aufgeladen ist. Im Normalbetrieb, also bei anliegender Netzspan- nung, fließt über die Stromversorgungsleitung 10, einen Vorwiderstand Rvz/ einen Optokoppler OK und über eine Zenerdiode D, deren Durchbruchspannung U2 der Betriebsspannung UB entspricht ein Strom, so dass auf der Empfängerseite des Opto- kopplers die Betriebsspannung UB über einen Pull-up Widerstand auf das dargestellte NAND-Gatter aufgeschaltet wird. Sobald wegen eines Netzausfalls die EingangsSpannung unter die Zenerspannung UZ der Zenerdiode D sinkt, erlischt die LED des Optokopplers OK. Am Ausgang des Optokopplers OK wechselt das Signal bei detektiertem Netzausfall von High (H) nach Low (L) . Die beiden Umschaltfunktionen für die Sollwerte sind in diesem Beispiel mit dem zweiten Steuersignal 6, welches von der übergeordneten Steuerungseinheit 4 vorgegeben wird, mit einem NAND- bzw. AND-Gatter symbolisiert. Als Notsollwert wird hier der digitale Maximalwert (alle Bits = H) hardwaremäßig realisiert.
Bei Netzausfall steuert dieser Sollwert die Keilbremse auf maximales Bremsmoment, welches im Stillstand dann auch als Haltemoment weiterhin anliegt. Der Sollwert für das Lüften der Keilbremse wird beim manuellen Betätigen des Schalters S als digitaler Minimalwert (alle Bits = L) hardwaremäßig realisiert.
Alternativ zu der Realisierung der Überwachungseinheit 7 in Form einer zusätzlichen Komponente könnte diese auch in die Steuerungseinheit 4 integriert werden. Neben der hier dargestellten rein hardwaretechnischen Ausführung der Überwachungseinheit 7 können die Funktionen der Überwachungseinheit auch softwaretechnisch unter Benutzung eines digitalen Signalprozessors umgesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinheit mit einem Elektromotor (1) und einer elektronisch geregelten Keilbremse (2) zum Abbremsen des Elektromotors (1) .
2. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei die elektronisch geregelte Keilbremse (2) zum unmittelbaren Abbremsen der Rotorwelle des Elektromotors (1) vorgese- hen ist, wobei die elektronisch geregelte Keilbremse (2) und der Elektromotor (1) insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
3. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Antriebseinheit eine den Elektromotor (1) ansteuernde leistungselektronische Baugruppe (3) sowie eine Steuerungseinheit (4) zur Erzeugung erster Steuersignale (5) für die leistungselektronische Baugruppe (3) und zweiter Steuersignale (6) für die Keilbremse (2) aufweist.
4. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 3, wobei die leistungselektronische Baugruppe (3) als Umrichter, insbesondere als Frequenzumrichter, ausgeführt ist.
5. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 3, wobei die leistungselektronische Baugruppe (3) als Sanftstarter ausgeführt ist.
6. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die ersten Steuersignale (5) zur Erzeugung eines generatorischen Bremsmomentes während des Abbremsens des Elektromotors (1) vorgesehen sind.
7. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit (4) zur aufeinander abgestimmten Regelung des generatorisehen Bremsmomentes und des von der Keilbremse (2) erzeugten mechanischen Bremsmomentes während des Abbremsvorganges vorgesehen ist.
8. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die leistungselektronische Baugruppe zur Stromversorgung mindestens eines Stellmotors der Keilbremse (2) vorgesehen ist, der zur Einstellung des mechanischen Bremsmomentes der Keilbremse (2) vorgesehen ist.
9. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Antriebseinheit eine Überwachungseinheit (7) zur Detektion eines Netzausfalles und zur Vorgabe eines Notbremsmomentes für die Keilbremse (2) im Falle des
Netzausfalles aufweist, wobei das Notbremsmoment insbesondere dem maximalen Bremsmoment der Keilbremse (2) entspricht.
10. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keilbremse (2) zur Aufbringung eines Haltemomentes für den Elektromotor (1) vorgesehen ist.
11. Elektrische Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrische Antriebseinheit Mittel zur manuellen Vorgabe des mechanischen Bremsmomentes aufweist.
12. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 11, wobei die Mittel zur manuellen Vorgabe des mechanischen Bremsmomentes zum Aufheben des mechanischen Bremsmomentes zwecks Lüftens der Keilbremse (2) vorgesehen sind.
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