DE3641189C2 - - 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 nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Antriebseinrichtungen dieser Art sind bekannt (DE-AS 10 72 312). Solche Antriebseinheiten sind wegen ihres einfachen Aufbaus als Asynchronmotoren aufgebaut. Sie weisen, da sie neben der Antriebswicklung auch eine Bremswicklung in den Nuten des Stators vorsehen, die Vorteile auf, daß sie einen kompakten Aufbau aufweisen und daß mit ihnen jeder Betriebspunkt der Antriebsmomentenkennlinie und der Bremsmomentenkennlinie und alle zwischen den Momentenhüllkurven liegende Betriebspunkte angefahren werden können. Notwendig ist dazu lediglich ein gezieltes Ansteuern einer oder beider Wicklungen, so daß sich das Antriebsmoment und das Bremsmoment zu dem gewünschten resultierenden Moment überlagern. Antriebseinheiten dieser Art eignen sich, da ein fließender Übergang zwischen Antriebsmoment und Bremsmoment erzeugbar ist, bevorzugt zum Einsatz in der papierverarbeitenden Industrie, wo eine innige Anpassung des Motors bei einem Arbeitsvorgang mit sich stetig ändernder Geschwindigkeit zum Beispiel bei Papierhaspeln, Kalandern u. dgl. verlangt wird, die mit gleichbleibendem oder sich kontinuierlich änderndem Drehmoment anzutreiben sind, um ein Falten oder Reißen der Papierbahn zu verhindern. Ähnliche Anforderungen an den Antrieb werden auch bei Spinnmaschinen verlangt, ebenso bei manchen Aufzügen oder ähnlich gestalteten Arbeitsmaschinen.

Antriebseinheiten der eingangs genannten Art neigen aber wegen der Reluktanzmomente insbesondere bei geringen Drehzahlen zum Rattern.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden, also Antriebseinheiten der bekannten Art frei von Reluktanzmomenten zu machen und dadurch auch bei geringer Drehzahl einen gleichmäßigen Lauf zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einer Antriebseinheit der eingangs genannten Art die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung treten kaum Reluktanzmomente auf. Die neue Antriebseinheit kann daher bis auf geringe Drehzahlen heruntergeregelt werden, ohne daß Nachteile bezüglich der Laufruhe zu befürchten sind. Dabei bringt die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch den Vorteil mit sich, daß wegen der vorgesehenen breiten Öffnung der Statornut am Luftspalt zwischen Stator und Rotor der durch die Bremswicklung erzeugte magnetische Fluß möglichst vollständig in das Rotorblechpaket geleitet und nicht über einen zu engen Nutsteg kurzgeschlossen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Um zu vermeiden, daß bei gleichzeitigem Betrieb der Antriebswicklung und der Bremswicklung eine störende Spannung in der Antriebswicklung induziert wird, ist nach den Merkmalen des Anspruches 3 die Bremswicklung derart ausgestaltet, daß innerhalb der Spulenweite der Antriebswicklung die Anzahl der durch die Bremswicklung erzeugten Nord- und Südpole gleich ist. Nach den Merkmalen des Anspruches 4 wird ein bestimmtes Verhältnis der Kupferverteilung auf Brems- und Antriebswicklung vorgesehen, das zwischen 2 : 1 und 10 : 1, vorzugsweise bei 5 : 1 liegen kann. Über die Kupferverteilung der Wicklungen in der Statornut können unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Einschaltdauern der Systeme die geforderten Drehmomente optimiert werden.

Nach den Merkmalen des Anspruches 5 können im Motorbetrieb zu große Wirbelstromverluste vermieden werden und es kann der Wirbelstromeffekt der Bremse unterstützt werden. Die Blechdicke des Statorblechpaketes beträgt üblicherweise 0,5 mm, um die Eisenverluste des Antriebs im Stator klein zu halten.

Gemäß dem im Anspruch 6 gekennzeichneten 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. Infolgedessen ergibt sich über dem Drehzahlbereich ein höheres Drehmoment des Motors. Der Wirbelstromeffekt der Bremse wird durch die Nutform verstärkt.

Um zusätzliche aufgrund von Oberwellen entstehende asynchrone Drehmomente klein zu halten, ist nach den Merkmalen des Anspruches 7 vorteilhaft vorgesehen, daß die Aluminiumstäbe geschrägt schraubenförmig an der Luftspaltoberfläche des Rotors angeordnet sind, wobei die Schrägung einer Nutteilung entspricht. Schließlich kann nach den Merkmalen des Anspruches 8 ein die Spannungen der Antriebs- und Bremswicklung minimierender Regler vorgesehen sein, durch den bei kleinen Drehmomenten an der Welle möglichst kleine Verluste innerhalb der Systeme entstehen. Mit dem Regler kann auch erreicht werden, daß die Antriebsspannung möglichst gering ist, so daß auch die Bremse mit relativ kleiner Erregerspannung betrieben werden kann.

In der Zeichnung ist ein Anwendungs- und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, die im folgenden erläutert werden. Es zeigt

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 zwei Antriebseinheiten (1, 1′) koaxial mit Papierwalzen (2, 15) einer Papier­ abwickelvorrichtung (3) für eine Rotationsdruckmaschine (6) verbunden ist. Die Papierbahn (4) wird in Richtung des Pfeiles (5) 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 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Antriebseinheit (1, 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) geschrägt an der Spaltoberfläche des Rotors (24) angeordnet, 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 (8)

1. Antriebseinheit mit einem Stator mit einer in achsparallelen Nuten des Stators vorgesehenen Antriebswicklung und einem mit einem Käfig versehenen Rotor, wobei in den Nuten (23) des Stators (20) neben der Antriebswicklung (22) eine Bremswicklung (21) vorgesehen ist, die Antriebswicklung (22) als Drehstrom- und die Bremswicklung (21) als Gleichstromwicklung ausgebildet sind und die Bremswicklung (21) am Grund der Statornut (23) und die Antriebswicklung (22) über der Bremswicklung (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzahl des Stators (18) geradzahlig und die Nutzahl des Rotors (24) eine Primzahl ist, wobei sich die Nutzahl des Rotors (24) je Pol und Phase von der Nutzahl des Stators (18) je Pol und Phase angenähert um ±2/3 unterscheidet, und daß die Statornuten (23) am Luftspalt (29) zwischen Stator (18) und Rotor (24) mit einer breiten Öffnung (30) ausgebildet sind.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremswicklung (21) derart ausgestaltet ist, daß die Anzahl der Nord- und Südpole im Stator (20) gleich ist.

3. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Spulenweite der Antriebswicklung (22) die Anzahl der durch die Bremswicklung (21) erzeugten Nord- und Südpole gleich ist.

4. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferverteilung von Brems- (21) zu Antriebswicklung (22) in der Statornut (23) ein Verhältnis von 2 : 1 bis 10 : 1 aufweist.

5. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 aufweist, die größer als die des Blechpaketes (20) des Stators (18) ist.

6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (26) Aluminiumstäbe (32) mit Querschnitten aufweist, die einem Teil eines Kreises entsprechen.

7. Antriebseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumstäbe (32) geschrägt an der Spaltoberfläche des Rotors (24) angeordnet sind, wobei die Schrägung einer Nutteilung (t) entspricht.

8. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Spannungen für die Antriebs- (22) und Bremswicklung (21) Regler vorgesehen ist.