DE3641189A1 - Antriebseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einem Stator mit einer in achsparallelen Nuten des Stators vorgesehenen Antriebswicklung und einem mit einem Käfig versehenen Rotor.

Als Antriebe werden wegen ihres einfachen Aufbaus hauptsächlich Asynchronmotoren, bevorzugt mit Kurzschluß- bzw. Käfigläufer (-rotor) verwendet. Diese Asynchronmotoren finden in zwei Ausführungsformen Anwendung, wobei bei der einen der Rotor im Stator angeordnet ist und bei der anderen der Rotor um den Stator läuft, wobei zwischen Stator und Rotor ein Luftspalt vorgesehen ist. Es weisen sowohl der Rotor als auch der Stator am Luftspalt gleichmäßig über den Umfang verteilt achsparallel angeordnete Nuten auf. In den Nuten des Stators liegt die aus drei Strängen bestehende Antriebswicklung, und in den Nuten des Rotors die Aluminiumstäbe des Käfigs, die oftmals eingegossen sind.

Der Einsatz derartiger Antriebe, zum Beispiel für Krane, in Spinnmaschinen, Aufzüge, Schälmaschinen zur Herstellung von Furnieren, in der papierverarbeitenden Industrie usw. erfordert zur Anpassung des Triebwerkes an den unsteten Arbeitsablauf eine Bremseinrichtung, die entweder über eine geeignete Schaltung des Asynchronmotors erfolgt oder einen zusätzlichen Bremsmotor (Veröffentlichung AEG, Wirbelstrom­ bremse für Hebezeuge) bzw. eine zusätzliche mechanische Bremse erfordert. Die elektrische Bremsung hat gegenüber der mechanischen den Vorzug, daß kein Verschleiß eintritt, jedoch ist der Einsatz eines zusätzlichen Bremsmotors kostenintensiv und oftmals infolge Platzmangels bzw. zu großen Bauaufwands nicht möglich.

Es sind auch geeignete Schaltungen bekannt, mit denen sich der Asynchronmotor sowohl als Antrieb als auch als Bremse betreiben läßt. Eine einfache Schaltung zum Bremsen ist die Reihen­ schaltung zweier Wicklungsstränge, die aber den Nachteil auf­ weist, daß das Umschalten von Antrieb zur Bremse nicht konti­ nuierlich, sondern sprunghaft erfolgt, wobei für eine kurze Zeitspanne der Motor stromlos ist. Die Überbrückung dieser Zeitspanne ist durch eine aufwendige elektronische Regelung (Zeitschrift technica 1968, Nr. 3, S. 136 ff.) oder durch den Anbau einer separaten Bremse an den Asynchronmotor möglich, was aber einen zusätzlichen Bauaufwand bedingt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache, preisgünstige und kompakte Antriebseinheit bereitzustellen, die gleichzeitig als Antrieb und als Bremse betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Nuten des Stators neben der Antriebswicklung eine Bremswicklung vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ist entsprechend eines Asynchronmotors aufgebaut, wobei in den Nuten des Stators eine Antriebswicklung und eine Bremswicklung liegen. Beide Wick­ lungen wirken auf den Rotor, wobei die Antriebswicklung das Antriebsmoment und die Bremswicklung das Bremsmoment erzeugt. Die erfindungsgemäße Antrieb/Bremsseinheit hat den Vorteil, daß sie als kompakte, kleinbauende Baueinheit entsprechend der Größe eines herkömmlichen Asynchronmotors einsetzbar ist. Die Motorleistung der Einheit entspricht natürlich nicht der des Asynchronmotors. Antriebs- und Bremsleistung gemeinsam sind aber damit vergleichbar. Es ist gegenüber einem Asynchronmotor der Nutquerschnitt im Statorblechpaket so zu gestalten, daß neben der Antriebswicklung die Bremswicklung einzulegen ist. Die Magnetkreisauslegung muß beide Systeme berücksichtigen. Die Anschlüsse der Bremswicklung werden mit der der Antriebswicklung nach außen geführt.

Mit dieser Antriebseinheit kann jeder Betriebspunkt der Antriebsmomentenkennlinie und der Bremsmomentenkennlinie und zudem alle zwischen den Momentenhüllkurven liegende Betriebspunkte angefahren werden, d.h. es ist jede Lastkennlinie über die Drehzahl innerhalb der Hüllkurven einstellbar. Dies ist durch gezieltes Ansteuern einer oder beider Wicklungen erreichbar, so daß sich das Antriebsmoment und das Bremsmoment zu dem gewünschten resultierenden Moment überlagern.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß ein fließender Übergang zwischen Antriebsmoment und Bremsmoment erzeugbar ist, und eine abrupte Momentenänderung vermieden wird. Diese erfindungsgemäße Antriebseinheit eignet sich deshalb bevorzugt zum Einsatz in der papierverarbeitenden Industrie, wo eine innige Anpassung des Motors bei einem Arbeitsvorgang mit sich stetig ändernder Geschwindigkeit, z.B. bei Papierhaspeln, Kalander und dgl. verlangt wird, die mit gleichbleibendem oder sich kontinuier­ lich änderndem Drehmoment anzutreiben sind, um ein Falten oder Reißen der Papierbahn zu verhindern. Ähnliche Anforderungen an den Antrieb werden bei Spinnmaschinen verlangt, ebenso bei manchen Aufzügen oder ähnlich gestalteten Arbeitsmaschinen.

Die Antriebswicklung ist als Drehstrom- und die Bremswicklung als Gleichstromwicklung ausgebildet. Die Antriebswicklung ist, wie bei einem herkömmlichen Asynchronmotor, als Drehstromwick­ lung ausgebildet, und weist demnach dessen Vorteile auf. Mit der Bremswicklung als Gleichstromwicklung ist auf einfache Weise eine verschleißfreie Bremsung gemäß einer Wirbelstrom­ bremse möglich. Die Bremsung wird durch ruckfreies Zuschalten des durch die Bremswicklung erzeugten Bremsmoments bewirkt, das kontinuierlich steuerbar ist. Dadurch wird der Nachteil der schwierigeren Drehzahlsteuerung der Drehstrom-Antriebswicklung behoben, da die Drehzahleinstellung nunmehr durch überlagerte Bremsung bewirkt ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Bremswick­ lung im Grund der Statornut und die Antriebswicklung über der Bremswicklung angeordnet ist. Dadurch, daß die Antriebswicklung im radial äußeren Nutbereich vorgesehen ist, wird der Nutstreuleitwert der Antriebswicklung möglichst klein gehalten, wodurch ein hohes Anzugsmoment zur Verfügung steht.

Vorteilhaft ist die Bremswicklung derart ausgestaltet, daß die Polzahl der Nord- und Südpole im Statorblechpaket gleich ist.

Um zu vermeiden, daß bei gleichzeitigem Betrieb der Antriebs­ wicklung und der Bremswicklung eine störende Spannung in der Antriebswicklung induziert wird, ist die Bremswicklung derart ausgestaltet, daß innerhalb der Spulenweite der Antriebs­ wicklung die Anzahl der durch die Bremswicklung erzeugten Nord­ und Südpole gleich ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Cu-Ver­ teilung von Brems- und Antriebswicklung in der Statornut ein Verhältnis von 2:1 bis 10:1, vorzugsweise 5:1, auf. Über die Cu-Verteilung der beiden Wicklungen in der Statornut kann unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Einschaltdauern der Systeme die geforderten Drehmomente optimiert werden.

Um den durch die Bremswicklung erzeugten magnetischen Fluß möglichst vollständig in das Rotorblechpaket zu leiten und nicht über einen zu engen Nutsteg kurzzuschließen, ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Statornut am Luftspalt zwischen Stator und Rotor mit einer breiten Öffnung ausgebildet ist.

Zur Vermeidung zu großer Wirbelstromverluste bei Motorbetrieb sind der Rotor und der Stator jeweils aus einem Blechpaket aufgebaut. Zur Unterstützung des Wirbelstromeffektes der Bremse kann das Blechpaket des Rotors eine größere Blechdicke als das des Stators aufweisen. Die Blechdicke des Statorblechpaketes beträgt üblicherweise 0,5 mm, um die Eisenverluste des Antriebs im Stator klein zu halten.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weisen die Aluminiumstäbe des Käfigs einen Querschnitt auf, der einem Teil eines Kreises entspricht. Hierdurch wird der Nutstreuleitwert der Käfigstäbe verringert und der magnetische Widerstand im Rotor kleiner als in der herkömmlichen Ausführung. Infolge­ dessen ergibt sich über den Drehzahlbereich ein höheres Dreh­ moment des Motors. Der Wirbelstromeffekt der Bremse wird durch die Nutform verstärkt.

Um zusätzliche, aufgrund von Oberwellen entstehende asynchrone Drehmomente klein zu halten, ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Aluminiumstäbe schraubenförmig an der Luftspaltoberfläche des Rotors vorgesehen sind, wobei die Schrägung etwa einer Nut­ teilung entspricht. Bevorzugt wird die Nutenzahl von Stator und Rotor so gewählt, daß die Nutzahl des Stators geradzahlig und die Nutzahl des Rotors eine Primzahl ist. Derart ausgebildete Antriebe weisen kaum Reluktanzmomente (Rattermomente) auf und ermöglichen einen gleichmäßigen Lauf auch bei geringer Drehzahl.

Um bei kleinen Drehmomenten an der Welle möglichst kleine Ver­ luste innerhalb der Systeme zu erzeugen, ist ein die Spannungen der Antriebs- und Bremswicklung minimierender Regler vorge­ sehen. Mit diesem Regler wird erreicht, daß die Antriebs­ spannung möglichst gering ist, so daß auch die Bremse mit relativ kleiner Erregerspannung betrieben werden kann.

Weiterhin soll für die Antriebseinheit möglichst die ideale Beziehung gelten, daß sich die Läuferlochzahl (Läufernutzahl je Pol und Phase) von der Statorlochzahl (Statornutzahl je Pol und Phase) um plus oder minus 2/3 unterscheidet. Ergeben sich mehrere Kombinations-Möglichkeiten für eine geradzahlige Statornutzahl und eine Rotornutzahl als Primzahl, ist die zu wählen, die dieser Beziehung am nächsten kommt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der ein Anwendungsbeispiel sowie ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Papierabwickel­ vorrichtung mit der Antriebseinheit;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Antriebseinheit;

Fig. 3 eine Stirnansicht der Antriebseinheit, teilweise aufgebrochen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Stabanordnung des Rotorkäfigs und

Fig. 5 ein Diagramm mit Antriebs- und Bremsmomentenkenn­ linien.

Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebseinheit (1, 1′) ist in Fig. 1 dargestellt, bei dem die Antriebseinheit (1, 1′) koaxial mit einer Papierwalze (2, 15) einer Papier­ abwickelvorrichtung (3) verbunden ist. Die Papierbahn (4) wird in Richtung des Pfeiles (5) von einer Rotationsdruckmaschine (6) von der Papierwalze (2) abgezogen und durchläuft dabei eine Regeleinrichtung (7) mit einer Tänzerwalze (8), mit der kleine Unterschiede in der Laufgeschwindigkeit und Zugungleichheiten ausgeglichen werden. Die Tänzerwalze (8) belastet mit einem vorgegebenen Gewicht die Papierbahn (4) in einer Schleife (9) und führt eine Ausgleichsbewegung in Richtung des Doppelpfeils (10) aus.

Bei einer vollen bzw. nahezu vollen Papierwalze (2) übt die Zugkraft der Papierbahn (4) infolge des großen Hebelarms (Radius der Papierwalze 2) ein großes Drehmoment auf die Papierwalze (2) aus. Um bei Zugungleichheiten ein Nachlaufen der Papierbahn (2) und somit ein Knicken der Papierbahn (4) zu vermeiden, wird die Papierwalze (2) über eine Bandbremse (11) gebremst. Die Bandbremse (11) hat außerdem die Funktion, daß die Papierbahn (4) eine vorbestimmte Zugspannung aufweist. Die Bandbremse (11) besteht aus wenigstens drei im Winkel zuein­ ander angeordneten, zur Papierwalze (2) achsparallel ausgerich­ teten Walzen (12), über die ein Bremsband (13) geführt ist, das mit einem zwischen zwei Walzen (12) sich befindenden Abschnitt auf die Oberfläche der Papierwalze (2) aufdrückt. Vorteilhaft ist eine der Walzen (12) mit einem Bremsmotor (14), z. B. einem Gleichstrommotor o.dgl. versehen.

Bei kleiner werdendem Durchmesser der Papierwalze (2) nimmt aufgrund des kürzer werdenden Hebelarms das vom Papierzug erzeugte Drehmoment ab, so daß die durch die Lagerung der Papierwalze (2) hervorgerufenen Reibungskräfte, Adhäsionskräfte der abzuziehenden Papierbahn (4) usw. stärker ins Gewicht fallen und schließlich überwiegen. Um diesen Kräften entgegen­ zuwirken, ist die Papierwalze (2) mit der Antriebseinheit (1) versehen, die das allmählich größer werdende Reibmoment und das die Geschwindigkeit der Papierbahn (4) regulierende Bremsmoment der Bandbremse (11) ausgleicht. Die Regelung der Bremse der Antriebseinheit (1) kann z. B. über die Bewegung der Tänzer­ walze (8) erfolgen.

Ist die Papierbahn (4) nahezu vollständig von der Papierwalze (2) abgewickelt, hebt das Bremsband (13) von der Walzenober­ fläche ab und die Antriebseinheit (1) stellt das erforderliche Bremsmoment zur Verfügung. Gleichzeitig wird die neue Papier­ walze (15) über die Antriebseinheit (1′) beschleunigt und über ein Karussell bzw. einen Drehstern (16) durch Drehung in Rich­ tung des Pfeils (17) an die Stelle der Walze (2) eingesetzt, und der Anfang der neuen Papierbahn an das Ende der alten angeklebt, und schließlich die Papierbahn (4) von der Walze (2) abgeschnitten. Bevor die neue Papierwalze (15) eingesetzt und die Papierbahn angeklebt ist, läuft sie, unterstützt durch den Antrieb der Antriebseinheit (1′) mit der erforderlichen Dreh­ zahl, so daß kein Verzug in der Papierzuführung der Druck­ maschine (6) entsteht. Ist die der geforderten Geschwindigkeit der Papierbahn entsprechende Drehzahl der Papierwalze (15) erreicht und die neue Papierbahn angeklebt, wird der Antrieb der Antriebseinheit (1′) abgeschaltet und die Bandbremse (11) auf die Oberfläche der neuen Papierwalze (15) angelegt. Die leere Papierwalze (2) wird mittels der Bremse der Antriebs­ einheit (1) abgebremst und gegen eine neue Papierwalze ersetzt.

Wird bei abnehmendem Walzendurchmesser ein Antrieb der Walze (15) erforderlich, so wird die Antriebseinheit (1′) zuge­ schaltet, wobei durch geeignete Regelung das Antriebsmoment gleich dem Bremsmoment gesetzt wird, so daß das Zuschalten der Antriebseinheit (1) ruckfrei erfolgt. Durch geeignete Regelung des Bremsstroms wird das Antriebsmoment dem Bedarf entsprechend vergrößert.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Antriebseinheit (1 bzw. 1′) mit einem in einem (nicht dargestellten) Maschinenständer gelagerten Stator (18), bestehend aus Statornabe (19), Blechpaket (20) und Wicklungen (21, 22). Die Wicklungen (21, 22) sind in Nuten (23) (Fig. 3) vorgesehen, die regelmäßig verteilt über den Umfang des Statorblechpakets (20) angeordnet sind. Weiterhin weist die Antriebseinheit (1) einen Rotor (24) auf, der aus einem Blechpaket (25) mit einem Aluminiumkäfig (26) aufgebaut ist. Der Rotor (24) ist mit seiner Antriebs- und Bremswelle (27) über Lager (28) in der Statornabe (19) drehbar festgelegt. Über die Welle (27) kann das Antriebsmoment abgegriffen und das Bremsmoment aufgegeben werden. Zwischen Stator (18) und Rotor (24) befindet sich der vom magnetischen Fluß zu überwindende Luftspalt (29). Die in den Nuten (23) des Blechpakets (20) des Stators (18) vorgesehenen Wicklungen sind als Bremswicklung (21) und An­ triebswicklung (22) ausgebildet. Die Bremswicklung (21) ist als Gleichstromwicklung ausgeführt und die Antriebswicklung (22) als Drehstromwicklung, wobei diese über der im Nutengrund liegenden Bremswicklung (21) angeordnet ist. Die Antriebs­ wicklung (22) ist dabei so ausgelegt, daß innerhalb deren Spulenweite die Anzahl der durch die Bremswicklung (21) erzeugten Nord- und Südpole gleich ist.

Die in Fig. 3 wiedergegebene Stirnansicht der Antriebseinheit (1) zeigt - in einem Ausschnitt - die Nuten (23) des Blech­ pakets (20) des Stators (18), in denen die Bremswicklung (21) und die Antriebswicklung (22) angeordnet ist. Vorteilhaft weist die Nut (23) eine breite Öffnung am Luftspalt (29) auf, um den durch die Bremswicklung (21) erzeugten magnetischen Fluß möglichst vollständig in das Rotorblechpaket (25) zu leiten. Ferner sind Nuten (31) des Blechpakets (25) des Rotors (24) erkennbar, in denen Aluminiumstäbe (32) des Rotorkäfigs (26) eingegossen sind. Diese Aluminiumstäbe (32) weisen einen teilkreisförmigen Querschnitt auf und schließen bündig mit der Luftspaltoberfläche des Rotors ab.

Weiterhin ist erkennbar, daß eine gerade Anzahl Nuten (23) in das Statorblechpaket (29) (hier 24) eingebracht sind, und daß die Anzahl der Aluminiumstäbe (32) im Rotorblechpaket (25) eine Primzahl (hier 31) ist.

Wie in Fig. 4 dargestellt, sind die Aluminiumstäbe (32) schraubenförmig an der Spaltoberfläche des Rotors (24) angebracht, wobei die Schrägung der Aluminiumstäbe (32) einer Nutteilung (t) entspricht.

Ein Diagramm mit Antriebsmomentenkennlinien und Bremsmomenten­ kennlinien ist in Fig. 5 dargestellt. Hier sind über der nach rechts weisenden Achse (33), die die Drehzahl (n) der Antriebs­ einheit (1 bzw. 1′) angibt, die Antriebsmomentenkennlinien +M (34) und Bremsmomentenkennlinien -M (35) aufgetragen. Innerhalb dieser Kennlinien (34, 35) ist jeder Betriebspunkt anfahrbar, bzw. jede Lastkennlinie über die Drehzahl einstellbar.

Claims (12)

1. Antriebseinheit mit einem Stator mit einer in achsparallelen Nuten des Stators vorgesehenen Antriebswicklung und einem mit einem Käfig versehenen Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß in den Nuten (23) des Stators (20) neben der Antriebswicklung (22) eine Bremswicklung (21) vorgesehen ist.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebswicklung (22) als Drehstrom- und die Bremswicklung (21) als Gleichstromwicklung ausgebildet sind.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremswicklung (21) im Grund der Statornut (23) und die Antriebswicklung (22) über der Bremswicklung (21) angeordnet ist.

4. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremswicklung (21) derart ausgestaltet ist, daß die Polzahl der Nord- und Südpole im Stator (20) gleich ist.

5. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Spulenweite der Antriebswicklung (22) die Anzahl der durch die Bremswicklung (21) erzeugten Nord- und Südpole gleich ist.

6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Cu-Verteilung von Brems­ (21) und Antriebswicklung (22) in der Statornut (23) ein ent­ sprechend den Anforderungen beliebiges Verhältnis.

7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statornut (23) am Luftspalt (29) zwischen Stator (18) und Rotor (24) mit einer breiten Öffnung (30) ausgebildet ist.

8. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (24) und der Stator (18) jeweils aus einem Blechpaket (25, 20) aufgebaut sind und daß das Blechpaket (25) des Rotors (24) eine Blechdicke größer/ gleich dem Blechpaket (20) des Stators (18) aufweist.

9. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (26) Aluminiumstäbe (32) mit Querschnitten aufweist, die einen Teil eines Kreises entsprechen.

10. Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aluminiumstäbe (32) schraubenförmig an der Spaltoberfläche des Rotors (24) vorgesehen sind, wobei die Schrägung einer Nutteilung (t) entspricht.

11. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzahl des Stators (18) geradzahlig und die Polzahl des Rotors (24) eine Primzahl ist.

12. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Spannungen der Antriebs­ (22) und Bremswicklung (21) minimierender Regler vorgesehen ist.