DE19722453C1 - Elektrisches Antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige elektrische Antriebssysteme befinden sich beispielsweise auf großen Arbeitsmaschinen mit einer Viel­ zahl von Asynchron-Antriebsmotoren für Förderbänder, welche zum Vermeiden des Staus von Fördergut in bestimmter Reihen­ folge ein- und auszuschalten sind.

Enthält ein elektrisches Antriebssystem aber eine Mehr­ zahl ortsverschieden angeordneter Motoren, die zur Erfül­ lung ihrer Antriebsaufgabe jeweils einzeln einer Drehzahl­ steuerung oder Drehzahlregelung bedürfen, so verwendet man in der Regel durch Steuerung der Klemmenspannung drehzahl­ steuerbare Gleichstrommotoren oder Allstrommotoren, welche aufgrund der für die Stromzufuhr zum Läufer notwendigen Schleifringe oder Kommutatoren verhältnismäßig teuer sind und zudem den Nachteil haben, daß an den Schleifringen oder an den Kommutatoren Funken auftreten, die Störungen in ei­ nem sehr breiten Frequenzband verursachen und somit den An­ forderungen einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) widersprechen. Eine Abschirmung der durch Schleifringfeuer oder Kommutatorfeuer verursachten Störungen bereitet große Schwierigkeiten, da diese Störungen auch in das gesamte Leitungsnetz einziehen, wobei das Leitungssystem als Stör­ signalantenne wirksam wird.

Bei bekannten elektrischen Antriebssystemen der ein­ gangs definierten Art, welche verschiedenartige Wechsel­ strommotoren als Antriebsmotoren haben und bei denen die Antriebsmotoren stark verschiedenartige Antriebsaufgaben erfüllen, ist es ferner erforderlich, daß das Steuersystem jeweils entsprechend vielgestaltig ausgebildete, den ein­ zelnen Wechselstrommotoren zugeordnete Steuereinheiten ent­ hält, wobei, wenn diese Steuereinheiten zentral beeinflußt werden sollen, ein sehr kompliziertes System von Steuerlei­ tungen zwischen der Zentralstation und den einzelnen Steu­ ereinheiten etwa parallel zu dem Leitungsnetz zum Zuführen der elektrischen Energie verlegt werden muß.

Dieses System von Steuerleitungen für ein elektrisches Antriebssystem mit einer großen Anzahl elektrischer Stell­ triebe wird, soweit diese Stelltriebe in vergleichsweise geringem gegenseitigen Abstand an einem Gestell oder einem Traggerüst angeordnet sind, in herkömmlicher Weise als Ka­ belbaum gefertigt, welcher als ein bei der Montage zu hand­ habendes Teil an das Gehäuse oder Traggerüst angefügt wird und bei seiner Herstellung, seiner Montage und seiner elek­ trischen Verbindung mit einer Zentralstation einerseits und den einzelnen Steuereinheiten für die Stelltriebe oder An­ triebe andererseits einen hohen Arbeits- und Kostenaufwand verursacht.

Steuerleitungssysteme dieser bekannten Art sind über­ dies störungsanfällig, neigen zu Brüchen einzelner Lei­ tungsadern unter Vibration und können bei leitungsfehler­ bedingten Fehlfunktionen der zu steuernden Motoren zu schwerwiegenden Fehlfunktionen des gesamten Antriebssystems führen.

Aus der US-PS 5 087 867 ist ein elektrisches Antriebs­ system mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 bekannt. Ein in einer Zentralstation befindlicher Mikropro­ zessor des bekannten Systems erzeugt Auswahlsignale, welche über das Leitungsnetz den einzelnen Motoren zugeordnete, auf ein jeweils bestimmtes der Auswahlsignale ansprechende Filter erreichen und die Einschaltung eines der Motoren durch einen Filterausgang bewirken. Der ausgewählte und an das Leitungsnetz angeschaltete Motor wird dann durch An­ steuerung von für sämtliche Motoren gemeinsam vorgesehene elektrische Schaltelemente in der Zentralstation gesteuert, wozu die Schaltelemente in der Phasenlage verschobene Ströme vorgegebener Dauer in den Wicklungen des eingeschal­ teten Motors fließen lassen.

Ein gleichzeitiger gesteuerter Betrieb einer Mehrzahl von Wechselstrommotoren des Antriebssystems ist bei diesem bekannten System nicht vorgesehen.

Aus der DE-OS 28 46 801 ist es ferner bekannt, in einem Steuerungssystem für Modellfahrzeuge zur Steuerung des An­ triebs gleichzeitig auf der Gleisanlage betriebener Modell­ bahnzüge Steuerinformationen der Betriebsspannung aufzumo­ dulieren, wobei die Steuerinformationen einen Adress-Teil und einen Daten-Teil enthalten. Am Orte eines Triebfahrzeu­ ges bewirkt eine Adress-Erkennungsschaltung, daß der Daten- Teil der Steuerinformation eine befohlene Steuerung eines Betriebsszustandes des Antriebs vornimmt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Oberbe­ griffes von Anspruch 1 so auszugestalten, daß bei ver­ gleichsweise einfachem Aufbau des Steuerleitungsnetzes ein Steuersystem geschaffen wird, das mit seinen Steuereinhei­ ten gleichzeitig eine Anzahl unterschiedliche Antriebsauf­ gaben erfüllender Wechselstrommotoren steuert, wobei die elektromagnetische Verträglichkeit gesichert ist und Be­ triebsstörungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des in Patentanspruch 1 definierten elektrischen Antriebssystems bilden Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Patent­ ansprüche.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke besteht im wesentlichen darin, über ein Leitungsnetz, welches das Energieverteilungsnetz selbst ist, von einer Zentralstation aus Steuersignale zu den Wechselstrommotoren zu führen, wo­ bei diese Steuersignale nicht etwa lediglich die üblichen Ein- und Ausschaltsignale zur Betätigung von Motorschaltern oder dergleichen sind, sondern unmittelbar die Erzeugung des magnetischen Drehfelds der Statorwicklungen der Wech­ selstrommotoren beeinflussen. Unabhängig davon, ob das elektrische Leitungsnetz des hier angegebenen elektrischen Antriebssystems mit Gleichstrom oder Wechselstrom gespeist wird, können die einzelnen Wechselstrommotoren jeweils Uni­ versal-Steuereinheiten zugeordnet werden, welche trotz je­ weils gleichen Aufbaus Wechselstrommotoren unterschiedli­ cher Leistung, unterschiedlichen Arbeitsdrehzahlbereiches, und unterschiedlicher Statorwicklungskonstruktion zu steu­ ern vermögen. Ein die einzelnen Wechselstrommotoren und die zugehörigen Steuereinheiten mit der Zentralstation verbin­ dender Kabelbaum braucht nicht verlegt zu werden.

Allgemein sei hier darauf hingewiesen, daß zwar in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in er­ ster Linie die Verwendung von Synchronmotoren als schleif­ ring- und kommutatorlosen Wechselstrommotoren aufgezeigt ist, daß aber die Erfindung auch die Verwendung von Asyn­ chronmotoren mit Kurzschlußläufer sowie von an sich bekann­ ten Sonder-Bauformen, etwa Spaltpolmaschinen, umfaßt. We­ sentlich ist, daß die hier für den Antrieb vorgeschlagenen Motoren schleifring- und kommutatorlos sind und einen Sta­ tor aufweisen, dessen Statorwicklung ein magnetisches Dreh­ feld zu erzeugen vermag. Stimmt die Drehzahl des Drehfel­ des, wie dies bei Verwendung von Asynchronmotoren der Fall ist, nicht mit der Rotordrehzahl überein, so ist bei dem hier vorgeschlagenen System zusätzlich zu der von der Zen­ tralstation aus vorgenommenen Steuerung der Drehzahl des magnetischen Drehfeldes für manche Antriebsaufgaben eine Rotordrehzahlregelung obligatorisch, um insbesondere ein gewünschtes Anlaufverhalten zu verwirklichen. Eine derar­ tige Drehzahlregelung bereitet aber keine wesentlichen Schwierigkeiten, da der Betrieb der verwendeten schleif­ ring- und kommutatorlosen Wechselstrommotoren vorliegend ohnedies nicht von einer Frequenz der Stromquelle abhängig ist, die bei dem hier angegebenen System beliebig eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle internatio­ nal gebräuchlicher Wechselstromfrequenzen sein kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und besondere Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Systems und seiner Teile anhand der Zeichnung beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein elektrisches Antriebssystem in vereinfachter Form und in schematischer Darstellungsweise,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 weitergebildete Ausfüh­ rungsform in schematischer Darstellung,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer in dem System gemäß Fig. 2 verwendbaren Impulsgeneratoreinheit,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Abbildung ei­ nes als Antrieb in einem System der hier angegebenen Art verwendbaren Synchronmotors mit in Richtung der Antriebs­ welle auseinandergezogen dargestellten Motorteilen,

Fig. 4a eine gegenüber Fig. 4 abgewandelte Ausführungs­ form eines Synchronmotors in ähnlicher Darstellung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines in Verbindung mit Statorteilen gemäß Fig. 4 verwendbaren Kurzschlußläu­ fers zur Bildung eines Asynchronmotors,

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Synchronmotorläu­ fers von Fig. 4 unter Andeutung der Statorpole und

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Synchronmotors, dessen Statorwicklung entsprechend dem Betrieb eines Schrittmotors ansteuerbar ist.

In den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile der gezeigten Ausführungsformen jeweils mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Das elektrische Antriebssystem gemäß Fig. 1 enthält ein Leitungsnetz 1 und Antriebsaggregate 2, 3 usw., welche je­ weils einen schleifring- und kommutatorlosen elektrischen Wechselstrommotor 4 enthalten. An das Leitungsnetz 1 ist eine elektrische Stromquelle 5 angeschlossen, welche bei der Ausführungsform von Fig. 1 eine Gleichstromquelle ist. Außerdem ist mit dem Leitungsnetz 1 eine Zentralstation 6 gekoppelt. Diese Zentralstation dient zur Lieferung von Steuersignalen für die Antriebsaggregate 2, 3 usw., und für weitere, mit dem Leitungsnetz verbundene Verbraucher, wie Beleuchtungen, Signalgeber und dergleichen. Sperrkreise zum Fernhalten der Spannung der Stromquelle 5 von der Zentral­ station 6 sowie zum Fernhalten der Signale der Zentralsta­ tion 6 von der Stromquelle 5 sind in der Zeichnung zur Dar­ stellungsvereinfachung weggelassen. Weiter sei hier ange­ merkt, daß die Stromquelle 5 und die Zentralstation 6 auch in einer Geräteeinheit zusammengefaßt sein können, derart, daß an das Leitungsnetz 1 über eine einzige Zuleitung eine Speisespannung gelegt wird, der Steuersignale aufmoduliert sind, doch ist vorliegend aus Übersichtlichkeitsgründen ei­ ne getrennte Darstellung gewählt.

Die Zentralstation 6 enthält einen Kodierer 7, welcher die Steuersignale für die an das Leitungsnetz 1 angeschlos­ senen Steuersignalempfänger derart kodiert, daß am Orte der Steuersignalempfänger vorgesehene Dekodierer 8 die für den betreffenden Steuersignalempfänger bestimmten Steuersignale auszusondern vermag. Diesbezügliche Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt und bedürfen hier keiner näheren Beschrei­ bung.

Die Antriebsaggregate 2, 3 nehmen die an dem Leitungs­ netz 1 anstehende Gleichspannung der Spannungsquelle 5 und auch die Steuersignale der Zentralstation 6 ab, so daß die Gleichspannung und die Steuersignale auf den Leitungen 11 und 12 zur Verfügung stehen.

Über ein Auskoppelnetzwerk, das in der Regel aus Wider­ ständen oder Kondensatoren besteht, ist an die Leitungen 11 und 12 der Dekodierer 8 angeschlossen, welcher die z. B. für das Antriebsaggregat 2 bestimmten Steuersignale aussondert und an eine Impulsgeneratoreinheit 13 liefert, deren Aus­ gangsleitungen in der schematisch angedeuteten Weise Recht­ eckwellen-Schaltimpulsfolgen liefern, die in ihrer Phase relativ zueinander um 120°, bezogen auf die volle Impulspe­ riode verschoben sind. Die Impulsfrequenz der Ausgangsim­ pulsfolgen der Impulsgeneratoreinheit 13 ist von den durch die Zentralstation 6 erzeugten, vom Kodierer 7 kodierten und schließlich vom Dekodierer ausgesonderten und dekodier­ ten Steuersignalen abhängig.

Die von der Impulsgeneratoreinheit 13 erzeugten Schalt­ impulsfolgen gelangen zu einem Wechselrichter 14, der an die die Gleichspannung der Stromquelle 5 führenden Leitun­ gen 11 und 12 angeschlossen ist und diese Gleichspannung mittels dreier steuerbarer elektrischer Ventile in eine dreiphasige Wechselspannung umformt, die auf den Leitungen 15, 16, 17 abgegeben wird. Die Spannungen auf den Leitungen 15, 16 und 17 haben jeweils etwa die Gestalt einer Recht­ eckwelle, soweit die Verhältnisse im Leerlauf betrachtet werden.

An die Leitungen 15, 16 und 17 sind die drei Phasen ei­ ner dreiphasigen Statorwicklung des Motors 4 angeschlossen, wobei diese drei Phasen im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Sternschaltung liegen. Der dem Stator zugeordnete Rotor 18 hat die Gestalt eines Synchronmaschinen-Polrades, dessen Welle mit einer anzutreibenden Einrichtung 19 gekuppelt ist. Die Impulsfrequenz der Ausgangsimpulsfolgen der Im­ pulsgeneratoreinheit 13 bestimmt die Drehzahl des vom Sta­ tor des Synchronmotors 4 erzeugten Drehfeldes und damit die Drehzahl des Rotors 18 in eindeutiger Zuordnung.

Bei der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Aus­ führungsform werden die einzelnen Phasen der Statorwicklung im wesentlichen durch rechteckwellenförmige Ströme erregt, weshalb das durch den Stator des Elektromotors 4 erzeugte Drehfeld verhältnismäßig ungleichförmig ist. Diese Un­ gleichförmigkeit kann durch Ansteuerung der einzelnen Pha­ sen der Statorwicklung des Motors 4 jeweils durch eine Mehrzahl von in ihrer Impulsbreite modulierten Impulsen be­ seitigt werden, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.

Es kann aber auch wünschenswert sein, die Amplitude der über die Leitungen 15, 16 und 17 fließenden Stromwellen ab­ hängig von der Drehzahl des zu erzeugenden Drehfeldes zu verändern, beispielsweise um ein bestimmtes Anlaufverhalten des Synchronmotors 4 zuverlässig auch bei einem erhöhten Anfahrwiderstand der antreibenden Einheit 19 zu verwirkli­ chen. In diesem Falle können, wenn die elektrischen Ventile des Wechselrichters 14 nicht im Sättigungsbereich arbeiten, erhöhte Amplituden der Stromwellen auf den Leitungen 15, 16 und 17 durch entsprechend größere Schaltimpulse am Ausgang der Impulsgeneratoreinheit 13 erreicht werden, die hierzu durch eine zusätzliche Steuerinformation von der Zentral­ station 6 veranlaßt wird.

In der Darstellung einer gegenüber Fig. 1 weitergebil­ deten Ausführungsform nach Fig. 2 sind Einzelheiten der Zentralstation 6 angedeutet. Diese enthält eine Steuerkon­ sole 20 mit einer Tastatur 21 zur manuellen Eingabe be­ stimmter Steuerbefehle sowie eine Anzeigeeinrichtung 22 zur Wiedergabe von Rückmeldungen von an das Leitungsnetz 1 an­ geschlossenen Verbrauchern, wobei Details der Signalpfade zur Rückleitung der Quittungssignale oder Rückmeldungsin­ formationen in der vorliegenden Beschreibung und den Zeich­ nungen zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen sind.

Die Steuerkonsole 20 ist über eine Reihe von Signallei­ tungen mit Steuersignalerzeugungseinrichtungen 23 verbun­ den, die Impulsgeneratoren, Analog-/Digitalumsetzer sowie Multiplexer-Einrichtungen und den zuvor erwähnten Kodierer 7 enthalten.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 hat die Stromquelle 5 die Gestalt einer Wechselstromquelle, welche von der Steuerkonsole 20 aus ein- und ausschaltbar, sowie in ihrer Amplitude steuerbar ist.

In den Antriebsaggregaten 2 und 3, welche genau so wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 an das Leitungsnetz 1 angeschlossen sind, befindet sich jeweils eine Gleichrich­ terschaltung 24, die die Wechselspannung der Wechselstrom­ quelle 5 in eine auf Ausgangsleitungen 11a und 12a der Gleichrichterschaltung 24 dargebotene Gleichspannung umfor­ men. Diese Gleichspannung wird in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 einem Wechselrichter 14 zu­ geführt, der ausgangsseitig auf Leitungen 15, 16 und 17 re­ lativ zueinander um 120° phasenverschobene Wechselspannun­ gen liefert, die in den drei Phasen der Statorwicklung des elektrischen Synchronmotors 4 entsprechend phasenverscho­ bene Magnetfelder erregen, die in einem auf das Polrad 18 des Synchronmotors 4 wirkenden Drehfeld resultieren.

Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 ist je­ doch die Impulsgeneratoreinheit 13 der Ausführungsform nach Fig. 2 so ausgebildet, daß sie dem Wechselrichter 14 nicht lediglich um 120 elektrische Grade relativ zueinander pha­ senverschobene Rechteckwellen-Schaltsignale zuführt, son­ dern über drei Schaltimpulsleitungen dem Wechselrichter 14, nämlich den darin befindlichen, steuerbaren elektrischen Ventilen innerhalb einer Periode der zu erzeugenden Wech­ selspannung nach Art des Betriebs eines Schaltreglers eine Mehrzahl von Impulsen unterschiedlicher Impulsdauer zulei­ tet. Die Folge und Dauer der jeweils zugeführten Schaltim­ pulse ist so gewählt, daß die elektrischen Ventile des Wechselrichters 14 innerhalb der Periode eines zu erzeugen­ den Wechselstroms so aufgesteuert werden, daß das zeitliche Integral über die Impulsfolge, bezogen auf das Niveau des jeweiligen Gleichstrommittelwertes eine Sinusschwingung an­ nähert.

Man erreicht so bei Erregung der dreiphasigen Stator­ wicklung des Synchronmotors 4 ein vergleichsweise ebenmäßi­ ges magnetisches Drehfeld.

Die Periode der Folge von Ausgangsimpulsen der Impuls­ generatoreinheit mit jeweils zur Annäherung einer Sinus­ schwingung der Ströme auf den Leitungen 15, 16 und 17 ver­ änderlich gewählter Impulsdauer wird durch ein von der De­ kodierungseinrichtung 8 für die Impulsgeneratoreinheit aus­ gesondertes Steuerbefehlssignal der Zentralstation 6 einge­ stellt. Dieses Steuerbefehlssignal bestimmt also in einer vergleichsweise einfachen Form die Gestalt und gegenseitige Zuordnung einer Vielzahl von Steuerimpulsen am Ausgang der Impulsgeneratoreinheit 13, ohne daß auf dem Weg von der Zentralstation 6 zu dem Antriebsaggregat 2 bzw. 3, usw., eine Vielzahl von Steuersignalübertragungskanälen vorgese­ hen zu sein braucht.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Form eines Teils der Impuls­ generatoreinheit 13 für die Ausführungsform nach Fig. 2 auf.

Der Dekodierer 8 liefert an einen Impulsgenerator 25 Steuersignale, welche die Impulswiederholungsfrequenz der Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 25 bestimmen. Der Im­ pulsgenerator 25 liefert an seinem Ausgang eine Impulsfolge mit einer Impulswiederholungsfrequenz entsprechend der Drehfrequenz des durch den Stator des Synchronmotors 4 zu erzeugenden magnetischen Drehfeldes. Diese Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 25 setzen ein Schieberegister 26 in Lauf, dessen Takteingang zur Fortschaltung des Eingangssi­ gnales durch die Stufen des Registers vom Ausgang des Im­ pulsgenerators 25 über einen Impulsvervielfacher 27 zuge­ führt wird. Die Impulswiederholungsfrequenz des Impulsver­ vielfachers 27 ist bei dem gewählten, lediglich zur quali­ tativen Erläuterung dienenden Beispiel das Achtfache der Impulswiederholungsfrequenz des Ausganges des Impulsgenera­ tors 25. Mit dem Fortschritt des Auslöseimpulses des Schie­ beregisters 26 durch dessen Stufen geben die Registerstufen jeweils Ausgangssignale ab, die in der aus Fig. 3 ersicht­ lichen Weise zu Flip-Flops 28 gelangen und diese Flip-Flops bei ihrem Eintreffen jeweils in den Einschaltzustand stel­ len.

Rückstellsignale für die Flip-Flops 28 werden von einem zum Schieberegister 26 parallel betriebenen Schieberegister 29 bezogen. Dieses Schieberegister wird im wesentlichen gleichzeitig mit dem Schieberegister 26 durch den Ausgang des Impulsgenerators 25 erregt, jedoch mit einem Takt wei­ tergeschaltet, welcher bedeutend höherfrequent ist als der Weiterschaltungstakt für das Schieberegister 26.

Das Schieberegister 26 hat eine Anzahl von Stufen ent­ sprechend der Zahl von Impulsen, die zur Annäherung einer Periode eines sinusförmigen Stromes auf einer der Leitungen 15, 16 und 17 verwendet werden, im vorliegenden Beispiel also acht Stufen, weshalb der Weiterschaltungstakt des Im­ pulsvervielfachers 27 das Achtfache des Taktes am Ausgang des Impulsgenerators 25 beträgt.

Das Schieberegister 29 hat eine Anzahl von Stufengrup­ pen entsprechend der Stufenzahl des Schieberegisters 26, jedoch innerhalb jeder Stufengruppe eine Anzahl von einzel­ nen Stufen entsprechend derjenigen Zahl von Impulsen unter­ schiedlicher Impulslänge, welche zur Annäherung der Sinus- Stromschwingung auf einer der Leitungen 15, 16 und 17 in­ nerhalb einer Impulsfolge von acht Impulsen entsprechend einer Periode dieser Sinusschwingung wünschenswert oder er­ forderlich ist. Im vorliegenden Falle sind lediglich drei unterschiedliche zeitliche Impulslängen gewählt. Demgemäß besitzt das Schieberegister 29 insgesamt vierundzwanzig Stufen, geordnet in acht Registerstufengruppen. Die Weiter­ schaltungs-Taktfrequenz des Schieberegisters 29 beträgt das Vierundzwanzigfache der Ausgangs-Impulswiederholungsfre­ quenz des Impulsgenerators 25, wozu ein Impulsvervielfacher 27a die Impulswiederholungsfrequenz am Ausgang des Impuls­ vervielfachers 27 verdreifacht.

Man erkennt also, daß die vom Ausgang des Impulsgenera­ tors 25 abgeleiteten Anregungsimpulse für die Schieberegi­ ster 26 und 29 diese Register aufgrund der unterschiedli­ chen Taktfrequenzen trotz stark unterschiedlicher Stufen­ zahl in jeweils gleichen Zeiten durchlaufen.

Die Rückstellsignale für die Flip-Flop-Schaltungen 28 werden nun von (bestimmten Registerstufen des Registers 26 entsprechenden) Registerstufengruppen des Registers 29 ab­ geleitet, so daß man an den Ausgängen der Flip-Flop-Schal­ tungen 28 auf einer Ausgangsleitung der Impulsgeneratorein­ heit 13 zusammenführbare Schaltimpulse modulierter zeitli­ cher Impulsbreite erhält. Andere Gruppen von Einschaltsi­ gnalen und Rückstellsignalen für andere Gruppen von Flip- Flop-Schaltungen ergeben Schaltimpulsfolgen beispielsweise mit 120° relativer Phasenverschiebung zu der zuvor behan­ delten Folge von Impulsen unterschiedlicher zeitlicher Länge, derart, daß die um 120 elektrische Grade phasenver­ schoben gespeisten Statorwicklungen des Synchronmotors 4 ein magnetisches Drehfeld guter Gleichförmigkeit zu erzeu­ gen vermögen.

Es sei bemerkt, daß die gegenseitigen Phasenverschie­ bungen der Schaltimpulsfolgen für die den einzelnen Strän­ gen der Statorwicklung zugeordneten Eingänge des Wechsel­ richters 14 bei einer Änderung der Impulswiederholungsfre­ quenz des Impulsgenerators 25 bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ohne zusätzliche Steuereingriffe ohne weiteres auf­ recht erhalten werden. Der Abgriff des Rückstellsignals für die Flip-Flop-Schaltungen 28 von einzelnen Registerstufen des Schieberegisters 29 am Gruppenbeginn, in der Gruppen­ mitte oder am Gruppenende bestimmt unabhängig von der Aus­ gangsfrequenz des Impulsgenerators 25 die relative zeitli­ che Impulslänge.

Die Darstellung von Fig. 4 zeigt in axialer Richtung auseinandergezogen einen Synchronmotor 4 mit einem in Axialrichtung zweigeteilten Stator, der Statorteile 30a und 30b aufweist. Die Statorteile 30a und 30b enthalten jeweils ein ringförmiges Joch und von diesem aus in Axialrichtung vorstehende, einander gegenüberstehende und in einem Ra­ dialschnitt kreisringsektorförmige Polstücke, die jeweils, wie in Fig. 4 allerdings nicht dargestellt ist, durch auf­ gesteckte, flache Spulen mit im Radialschnitt kreisringsek­ torförmiger Spulenöffnung umgeben sind.

Zwischen den Statorteilen 30a und 30b befindet sich das auf der Motorwelle 31 sitzende Polrad 18 des Synchronmotors 4 mit einem das Polrad durchsetzenden, in geeigneter Weise magnetisierten Permanentmagneten 32, der aus Ferritmaterial bestehen kann.

Die Anordnung der gegen das Polrad 18 vorstehenden Pole der Statorteile 30a und 30b sowie des Polrades 18 selbst ist aus der Stirnansicht gemäß Fig. 6 erkennbar. Abweichend von der üblichen Orientierung der Polmittelachsen von drei­ phasigen Stator-Polanordnungen von Synchronmaschinen ist bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 6 eine Sta­ torpolanordnung gewählt, bei der die einzelnen Pole mit Be­ zug auf die Achse der Motorwelle 31 eine geometrische Ori­ entierung bei 0°, 60°, 180° und 240° haben. Übliche, für ei­ ne Statorwicklung mit einer Polpaarzahl von 2 vorgesehene weitere Polstücke in den geometrischen Stellungen von 120° und 300° sind bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 6 weggelassen. Die die Polstücke in den Stellungen von 0°, 60°, 180° und 240° umgebenden Wicklungen werden durch entsprechende Ansteuerung des Wechselrichters 14, der in diesem Fall vier Ausgangsleitungen oder vier Ausgangslei­ tungspaare aufweist, derart erregt, daß die Statoranordnung aus den Statorteilen 30a und 30b in dem Raum zwischen den einander axial gegenüberstehenden Polstücken ein intensives und vergleichsweise ebenmäßiges magnetisches Drehfeld er­ zeugen. Durch die Weglassung weiterer Polstücke in den geo­ metrischen Stellungen entsprechend 120° und 300° wird bei der Ausführungsform eines Synchronmotors nach den Fig. 4 und 6 erreicht, daß der Motor in dem durch den Abstand A zwischen den Strich-Doppelpunkt-Strich-Markierungslinien vergleichsweise geringe Abmessungen hat, also lang und schmal ist, was für den Einbau in manchen Antriebsaggrega­ ten, etwa Automobilen, sehr zweckmäßig ist.

Fig. 4a zeigt eine gegenüber Fig. 4 abgewandelte Aus­ führungsform eines Synchronmotors mit einem in Axialrich­ tung zweigeteilten Stator, wobei die Statorteile wiederum mit 30a und 30b bezeichnet sind. Aufgrund der in Axialrich­ tung auseinandergezogenen Darstellung haben die Statorteile 30a und 30b großen Abstand von dem Synchronmaschinen-Polrad 18, stehen diesem jedoch mit ihren in einem Radialschnitt ringsektorförmigen Polstücken mit geringem Abstand gegen­ über, wenn die Anordnung, wie durch Pfeile angedeutet, zu­ sammengeschoben ist.

Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 4 besitzen die Statorteile 30a und 30b jeweils nur ein Paar einander gegenüberstehender, im Radialschnitt kreisringsektorförmi­ ger Polstücke. Die Statorteile sind gleich ausgebildet, je­ doch um die Achse 31 gegeneinander um 60° versetzt mon­ tiert. Die den Polstücken bzw. den Polpaaren der Stator­ teile 30a und 30b von Fig. 4a zugeordneten Statorwicklungen werden so erregt, daß sich ein mit dem Synchronmaschinen- Polrad 18 in Wechselwirkung tretendes Drehfeld ergibt, wo­ bei sich ähnliche Verhältnisse einstellen, wie im Zusammen­ hang mit der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 6 be­ schrieben wurde. Auch die Ausführungsform nach Fig. 4a zeichnet sich durch raumsparende Bauweise (Fig. 6, Abmes­ sung A) aus und hat den Vorteil der einfachen und kosten­ günstigen Fertigung aufgrund der gleichen Ausbildung der Statorteile.

Anstelle des Synchron-Polrades 18 kann zwischen den Statorteilen 30a und 30b auch ein Asynchronmotor-Kurzs­ chlußläufer in einer der Form des Polrades 18 äußerlich entsprechenden, flach scheibenförmigen Gestalt vorgesehen sein, wobei die Kurzschlußringe des hier mit 33 bezeichne­ ten Kurzschlußläufers relativ zur Motorwelle 31 zum einen durch eine Nabe und zum anderen durch einen äußeren Rad­ kranz gebildet sind und die dazwischen liegenden radial verlaufenden Speichen die Rotorstäbe des Kurzschlußläufers bilden.

Werden in elektrischen Antriebssystemen der vorliegend angegebenen Art Asynchronmotoren verwendet, deren Stator­ wicklungen von einer Impulsgeneratoreinheit 13 angesteuert werden, so ist es aufgrund der Drehzahl- /Drehmomentkennlinie von Asynchronmaschinen für manche An­ triebsaggregate erforderlich, eine Drehzahlregelung vorzu­ nehmen, während bei der Verwendung von Synchronmotoren als Antriebsmotoren eine reine Drehzahlsteuerung durch Steue­ rung der Drehzahl des magnetischen Drehfeldes des Stators vorgenommen werden kann, nachdem die Drehzahl des Polrades stets synchron mit der Drehung des Drehfeldes zu erfolgen hat.

Bei der Drehzahlregelung der zu verwendenden Asynchron­ motoren ist, wie in Fig. 5 rein schematisch angedeutet, ein Drehzahl-Istwertgeber 34, beispielsweise ein elektro-opti­ scher Drehmelder, ein induktiver Drehmelder oder ein kapa­ zitiver Drehmelder vorgesehen, dessen Istwertsignale der Drehzahl zur Vervollständigung eines Regelkreises dem Im­ pulsgeber 25 rückübertragen werden. Auch können in nicht­ impuls-beaufschlagten Statorwicklungsteilen induzierte Spannungen als Drehzahl-Istwertsignale ausgestaltet und zum Impulsgeber 25 zwecks Drehzahlregelung rückgemeldet werden. Die Drehzahlregelung, insbesondere zur Verwirklichung eines bestimmten Anlaufverhaltens, geschieht in der Weise, daß je nach gewünschter oder zu erreichender Drehzahl durch Be­ stimmung einer bestimmten Drehfrequenz des im Stator er­ zeugten magnetischen Drehfeldes bestimmte Drehzahl- /Drehmomentkennlinien des mit unterschiedlicher Frequenz beaufschlagten Asynchronmotors ausgewählt werden, derart, daß beispielsweise vom Stillstandsmoment aus jeweils dieje­ nige Kennlinie zur Wirkung gebracht wird, welche eine be­ stimmte Fahrgeschwindigkeit größer werden bzw. kleiner wer­ den bzw. gerade gleichbleiben läßt.

Schließlich besteht gemäß Fig. 7 die Möglichkeit, einen zum Antrieb dienenden Synchronmotor 4 mit einem Stator 35 zu versehen, an welchem Leiterstäbe 36, sich in Axialrich­ tung erstreckend am Innenumfang verteilt angeordnet sind, wozu im Blechpaket des Stators entsprechende Nuten vorgese­ hen sind. Die einzelnen Leiterstäbe 36 sind auf der hinter der Zeichenebene von Fig. 7 gelegenen Seite des Stators 35 an eine gemeinsame Rückleitung angeschlossen und auf der dem Betrachter zugekehrten Seite des Stators 35 in der aus Fig. 7 ersichtlichen Weise jeweils mit elektronischen Um­ schaltern 37 verbunden, welche den Anschluß einzelner Lei­ terstäbe 36 entweder an die ein positives Potential führen­ de Leitung 11 oder die ein negatives Potential führende Leitung 12 vornehmen. Die Schalterstellungen der elektroni­ schen Umschalter 37 sind durch Schaltsignale von den ein­ zelnen Stufen eines Registers 38 von dem augenblicklich in­ negehabten Schaltzustand in den jeweils anderen Schaltzu­ stand umstellbar, wobei im Stator 35 einander diametral ge­ genüberliegende Leiterstäbe 36 in der aus Fig. 7 angedeute­ ten Weise gleichzeitig eine Umstellung erfahren.

Durch Regelung der Taktfrequenz zur Weiterschaltung des Registers 38 vermittels des Taktimpulsgenerators 39 wird ein von den Leiterstäben 36 insgesamt aufgrund der Richtung des jeweiligen Stromdurchflusses angeregtes magnetisches Drehfeld bestimmter Drehzahl erzeugt, wobei dieses Drehfeld mit dem Polrad 18 in Wechselwirkung tritt. Der Antrieb nach Fig. 7 verwirklicht also einen verhältnismäßig einfach auf­ gebauten Dreh-Schrittmotor, innerhalb des Antriebssystems der hier angegebenen Art.

Wesentliche Vorteile des hier vorgeschlagenen Antriebs­ systems werden deutlich, wenn die Wechselstrommotoren zu­ mindest in der Überzahl Stellmotoren verhältnismäßig gerin­ ger Leistung sind und zeitweise zur Durchführung von Stell­ bewegungen anzutreibender Einrichtungen verwendet werden, wobei es auf hohen Antriebswirkungsgrad nicht wesentlich ankommt. Der Leistungsbedarf der anzutreibenden Einrichtun­ gen kann stark unterschiedlich sein, ebenso wie der erfor­ derliche Drehzahlbereich von anzutreibender Einheit zu an­ zutreibender Einheit. Solche Verhältnisse herrschen auf Fahrzeugen, etwa Kraftfahrzeugen, bei denen die anzutrei­ benden Einrichtungen Fensterheber, motorbetriebene Anten­ nen, Lüfter für die Klimaanlagen, Scheibenwischer, Sitzver­ stelleinrichtungen und dergleichen sein können. Auch bei Luftfahrzeugen ist eine Vielzahl von Stelltrieben vorgese­ hen, die etwa zur Leitwerksverstellung oder für bestimmte Ventilantriebe vorgesehen sind.

Das hier angegebene elektrische Antriebssystem gestat­ tet es, das gesamte Leitungsnetz zur Zuführung der elektri­ schen Energie zu den Wechselstrommotoren in einfacher Weise mit wenigen Leitungsadern auszustatten und dieses Leitungs­ netz zugleich zur Zuleitung der Steuerimpulse zu verwenden, wobei am Orte jedes Wechselstrommotors gleiche, universell verwendbare Steuersignalempfänger vorgesehen sind, was die Lagerhaltung, die Montage und insbesondere einen in hohem Maße fehlersicheren Aufbau ermöglicht.

Das gesamte Leitungsnetz kann mit einer elektromagneti­ schen Abschirmung versehen sein, derart, daß weder elektro­ magnetische Störungen von dem Leitungssystem zu anderen Einrichtungen dringen, noch von außen Störungen den Betrieb des hier angegebenen elektrischen Antriebssystems beeinflu­ ßen.

Nachdem Kabelbäume zur Zuleitung von Steuersignalen zu den einzelnen anzutreibenden Einrichtungen bzw. den sie an­ treibenden Wechselstrommotoren nicht notwendig sind, kann die erzielte Einsparung zur Verlegung von Mehrfachleitungen genutzt werden, welche einen redundanten Betrieb beispiels­ weise auf allen Fahrzeugen, die eine erhöhte Sicherheit voraussetzen, verlegt werden können.

Schließlich sei noch erwähnt, daß innerhalb des hier angegebenen elektrischen Antriebssystems Wechselstrommoto­ ren unterschiedlichen Typs in ein und demselben System ein­ gesetzt werden können, ohne daß der grundsätzliche Aufbau der Steuerkreise verändert zu werden braucht. In diesem Zu­ sammenhang sei erwähnt, daß etwa eine Impulsgeneratorein­ heit der zuvor beschriebenen Art für die Steuerung von Wechselstrommotoren mit unterschiedlichen Polzahlen der Statorwicklung eingesetzt werden kann.

Claims (10)

1. Elektrisches Antriebssystem mit einer Mehrzahl orts­ verschieden angeordneter schleifring- und kommutatorloser Wechselstrommotoren (4), deren jeweiliger Stator mit Wick­ lungen ausgebildet ist, um ein magnetisches Drehfeld zu er­ zeugen, mit einem elektrischen Leistungsnetz (1) zum Zufüh­ ren elektrischer Energie von einer Stromquelle (5) zu den Wechselstrommotoren (4) und mit einem Steuersystem (6, 8, 13), das den Wechselstrommotoren jeweils zugeordnete Steu­ ereinheiten (8, 13) enthält, wobei das Steuersystem (6, 8, 13) eine mit dem elektrischen Leitungsnetz (1) gekoppelte Zentralstation (6) zur Erzeugung von den Wechselstrommoto­ ren zugeordneten Steuersignalen und am Orte der Wechsel­ strommotoren (4) befindliche Steuersignalempfänger (8, 13) enthält und der jeweilige Steuersignalempfänger (8, 13) bei Auftreten des ihm zugeordneten Steuersignals in der Phasen­ lage verschobene Ströme vorgegebener Dauer in den Wicklun­ gen des jeweiligen Wechselstrommotors (4) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Steuersignalempfänger (8, 13) eine Impulsgeneratoreinheit (13) aufweist, die die Ströme als Impulse erzeugt, wobei die Phasenlage und die Dauer mittels der der Impulsgeneratoreinheit (13) zugeführ­ ten und kodierten Steuersignale einstellbar sind, so daß die Drehzahl des Drehfeldes steuerbar ist.

2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zentralstation (6) abgege­ benen Steuersignale über einen Multiplexer und Kodierer (7) an das elektrische Leitungsnetz (1) angekoppelt sind und daß die Impulsgeneratoreinheit (13) von einem Demultiplexer und Dekodierer (8) gespeist ist.

3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (5) eine Wechselstromquelle ist und daß am Ort der Wechsel­ strommotoren jeweils eine Gleichrichtschaltung (24) zur Speisung eines von der Impulsgeneratoreinheit (13) gesteu­ erten, an die Statorwicklung des jeweiligen Wechselstrom­ motors (4) angeschlossenen Wechselrichters (14) vorgesehen ist.

4. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Gleichstromquelle (5) ist, deren Spannung jeweils einer von der Impulsgeneratoreinheit (13) gesteuerten Wechselrichter­ schaltung (14) am Ort des jeweiligen Wechselstrommotors zu­ geführt ist.

5. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Impulsgenerator­ einheit (13) in Abhängigkeit von die Drehzahl des magneti­ schen Drehfeldes der Statorwicklung des jeweiligen Wechsel­ strommotors (4) bestimmenden Steuersignalen einer bzw. der Wechselrichterschaltung (14) eine der Zahl der Phasen vier Statorwicklung entsprechende Zahl von Impulsfolgen zuführt, welche elektrisch entsprechend der geometrischen Lage der Phasenstränge der Statorwicklung relativ zueinander phasen­ verschoben sind, wobei die zeitlichen Impulslängen in den Impulsfolgen zur Annäherung des jeweiligen Phasenstromes entsprechend dem Zeitintegral über die Impulsfolge mit Be­ zug auf den jeweiligen Gleichstrommittelwert an einen si­ nusförmigen Stromverlauf im jeweiligen Phasenstrang modu­ liert sind.

6. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wechselstrommotoren ein Synchronmotor (4) ist.

7. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Wechselstrommotoren ein Asynchronmotor ist.

8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus zwei in Axial­ richtung beabstandeten Statorteilen (30a, 30b) gebildet ist, deren von Phasenwicklungen umschlungene, in Axialrich­ tung sich erstreckende und von jeweiligen Statorjochteilen ausgehende, einander gegenüberstehende oder gegeneinander in Umfangrichtung versetzte Pole einen verhältnismäßig fla­ chen zylindrischen Zwischenraum axial begrenzen, in welchem ein Synchronmaschinenpolrad (18) bzw. ein Asynchronmaschi­ nenkurzschlußläufer (33) an einer die Statorteile axial durchdringenden Motorwelle (31) drehbar gelagert ist.

9. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung des Wechselstrommo­ tors (4) am Umfang gleichmäßig verteilte, axial verlaufende Leiterstäbe (36) enthält, von denen eine auf einer Stator­ schaltung gelegene Gruppe ein Gleichpotential eines Vorzei­ chens und die gegenüberliegende Gruppe an ein Gleichpoten­ tial des entgegengesetzten Vorzeichens anschließbar (37) ist und einander diametral gegenüberliegende Leiterstäbe bezüglich ihres Anschlusses an unterschiedliches Potential in Umlaufrichtung fortschreitend vertauschbar sind, derart, daß ein dem Stator zugeordnetes Synchronmaschinenpolrad (18) durch das von dem stromdurchflossenen Leiterstäben (36) erzeugte, in Drehrichtung fortschreitende Magnetfeld synchron mitgezogen wird.

10. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es als von den Wechselstrommotoren (4) anzutreibende Einheiten (19) Ein­ richtungen eines Fahrzeugs enthält, wie Fensterheber, Mo­ torantennen, Lüfter, Scheibenwischer, Sitzverstelleinrich­ tungen, Leitwerksstelltriebe, Ventilstelltriebe und dergleichen.