Elektrische Antriebsmaschine, insbesondere als Antrieb für eine Galette

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine mit einem Stator und einem Läufer, die ein Antriebssystem bilden, bei dem ein Energieübertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, wobei die Wicklungen des Antriebssystems und des Energieübertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil untergebracht sind, und wobei die Antriebs- und die Energiefunktion weitgehend voneinander unabhängig sind.

Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise nach dem Prinzip einer Synchronmaschine aufgebaut. Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Läufer. Bei manchen Anwendungen ist es nötig, elektrische Energie auf den Läufer, z.B. in Form einer Welle oder einer Spindel, zu übertragen. Die elektrische Energie kann u.a. der Versorgung von Heizungen, Sicherheitseinrichtung, Sensoren, Datenübertragungssystemen oder Aktuatoren dienen.

So finden beispielsweise bei Textilmaschinen sog. Galetten eine weite Verbreitung. Bei einer Galette handelt es sich um einen rotierenden Zylinder, welcher eine hohe Oberflächengüte aufweist und der von einer elektrischen Antriebsmaschine angetriebenen wird. Die Galetten dienen z.B. dem Umlenken und Strecken von Kunstfaserfäden. In Textilmaschinen ist eine Vielzahl derartiger Galetten vorgesehen. Hierbei ist es notwendig, dass die Galetten mit aufeinander abgestimmten Drehzahlen angetrieben werden. Als Antriebe werden deshalb üblicherweise Synchronmaschinen verwendet.

Um bestimmte Kunstfaserqualitäten durch „Ausschmelzung" zu erreichen, müssen zumindest manche der Galetten beheizt werden. Es ist deshalb notwendig, Energie für die Heizung in die rotierende Galette zu übertragen. Die zum Heizen benötigte

Energie wird entweder galvanisch unter Verwendung von Schleifringen oder induktiv mittels eines übertragers auf das rotierende Gehäuse der Galette übertragen. Die Beheizung erfolgt mittels eines Widerstands.

Die Antriebsmaschine ist über eine Kupplung mit der Galette verbunden. Die Kupplung zwischen Galette und der diese antreibenden Antriebsmaschine ist starr. Im Läufer der Antriebsmaschine ist zusätzlich zu Permanentmagneten ein An- laufkäfig vorgesehen, da die Antriebsmaschine entsprechend einer Vorgabe, ohne einen Drehgeber auskommen soll. Hierdurch kann die Antriebsmaschine asynchron hoch laufen, wobei sie sich selbstständig in den Synchronismus zieht. Fällt die Antriebsmaschine außer Tritt, so fängt sie sich aufgrund des Anlaufkäfigs selbst wieder.

Die Galette ist in der Regel selbst gelagert. Zur Realisierung bekannter Galetten wird damit Bauraum für die Antriebsmaschine, die Galette und das übertragungsmittel zum Bereit- stellen der elektrischen Energie benötigt. Werden Schleifringe zum übertragen der elektrischen Energie auf die Galette eingesetzt, so entsteht ein nicht unerheblicher Wartungsaufwand. Ferner ist der Betrieb einer derartigen Galette mit einer Geräuschentwicklung verbunden. Ein Nachteil der galva- nischen übertragung von Energie ist ferner, dass durch Abrieb von Bürsten ein Einsatz in manchen Umgebungen nicht möglich ist .

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elek- trische Antriebsmaschine anzugeben, welche bei einfachem konstruktivem Aufbau den Verzicht auf eine galvanische übertragung von Energie ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen .

Erfindungsgemäß umfasst das Antriebssystem im Läufer neben Permanentmagneten für einen Betrieb als Synchronmaschine eine Dämpferwicklung, die als Anlaufkäfig wirkt.

Im Gegensatz zu einem Anlaufkäfig weist die Dämpferwicklung eine Polpaarzahl auf, weshalb diese selektiv auf die Motorfunktion, jedoch nicht auf die Energiefunktion anspricht. Der Ersatz eines für Asynchronmaschinen typischen Käfigläufers durch eine Dämpferwicklung, die während der Phase des Anlau- fens der Antriebsmaschine die Funktion des Anlaufkäfigs übernimmt, stellt das selektive Ansprechen ausschließlich auf die Motorfunktion sicher. Hierdurch können Antriebs- und Energiefunktion weitgehend voneinander unabhängig betrieben werden.

Die Antriebs- bzw. Motorfunktion der elektrischen Antriebsmaschinen ist als Synchronmaschine ausgebildet, welche im Moment des Anlaufens als Asynchronmaschine arbeitet und sich in den Synchronismus zieht. Die als Anlaufkäfig wirkende Dämpferwicklung koppelt beim Anlaufen des Läufers mit der Stän- derwicklung der Antriebsfunktion. Nachdem sich die Antriebsmaschine in der Nähe der synchronen Drehzahl in den Synchronismus gezogen hat, erfolgt eine Kopplung zwischen den Permanentmagneten in dem Läufer und der Ständerwicklung der Antriebsfunktion .

Aus diesem Grund weist eine erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine den Vorteil auf, dass kein Rotorlagegeber sowie Drehzahlistwertgeber erforderlich ist. Die übertragung der elektrischen Energie auf den Läufer erfolgt kontaktlos, so dass auf Schleifringe verzichtet werden kann. Hierdurch lassen sich Kosten- und Wartungsaufwand der elektrischen Antriebsmaschine verringern. Ferner lässt sich die Antriebsmaschine in explosionsgefährdeten Umgebungen einsetzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Betrieb lärmredu- ziert möglich ist. Der Verzicht auf Schleifringe hat ferner die Vermeidung von Abrieb zur Folge, wodurch auch der Einsatz in empfindlichen Umgebungen möglich ist. Schließlich lässt sich eine erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine bau-

raumoptimiert ausbilden. Dies resultiert daraus, dass kein berührungsloser Drehübertrager notwendig ist. Ferner ist der übertrager der elektrischen Energie in den Antrieb integriert .

Gemäß einer Ausbildung ist die Dämpferwicklung kurzgeschlossen .

Gemäß einer weiteren Ausbildung weisen die Wicklungen des An- triebssystems des Stators und des Läufers sowie die in dem

Läufer integrierten Permanentmagnete die gleiche Polpaarzahl auf. Die Wicklungen des Antriebssystems und des Energieübertragungssystems können sich in dem Stator jede Nut teilen.

Vorzugsweise sind die Permanentmagneten in dem Läufer integriert .

Zur (im Wesentlichen vollständigen) Entkopplung der Wicklungssysteme des Antriebssystems und des Energieübertragungs- Systems sind die Polpaarzahlen des Antriebssystems und des EnergieübertragungsSystems unterschiedlich .

Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass die Verlustleistung der Antriebsmaschine auf die Motorfunktion und die Energie- funktion aufgeteilt ist. Durch die erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine lässt sich eine Kopplung von Motor- und Energiefunktion hinsichtlich der thermischen und magnetischen Ausnutzung der Teile nicht vermeiden. Das Problem der thermischen Kopplung lässt sich jedoch dadurch umgehen bzw. verrin- gern, dass die maximal zulässige, d.h. abführbare, Verlustleistung der Antriebsmaschine auf die Motor- und Energiefunktion gezielt aufgeteilt wird. Jede der beiden Funktionen ist dann in ihrer maximalen Leistung und damit auch in ihrer Verlustleistung beschränkt.

Die übertragung der elektrischen Energie erfolgt zweckmäßigerweise induktiv. Der entkoppelte Betrieb der Teilfunktionen ist durch eine geeignete Wahl der Wicklungsparameter der

Wicklungen von Motorsystem einerseits und Energieübertragungssystem andererseits erreicht. Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise in der DE 10 2005 024 203 Al der Anmelderin beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist zur Bereitstellung einer konstanten Versorgungsspannung für die Last ein Regelkreis für einen Umrichter des Energieübertragungssystems vor- gesehen, wobei der Regelkreis eine Drehzahl des Läufers als Eingangsgröße verwendet. Diesem Aspekt liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Energieübertragungssystem der elektrischen Antriebsmaschine als Anordnung einer asynchronen Maschine in Schleifringläufertechnik realisierbar ist, so dass die ent- sprechenden Gleichungen zur Beschreibung des Betriebsverhaltens entsprechend verwendet werden können. Bei einer entsprechenden Analyse der Gleichungen ergibt sich, dass durch die messtechnische Erfassung der Drehzahl des Läufers und die Bestimmung einer neuen Frequenz der Speisespannung die der Last zur Verfügung gestellte Spannung konstant gehalten werden kann, wobei der Wert der Spannung frei gewählt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Regelkreis eine Vorrichtung zur, insbesondere drahtlosen, Erfassung der Drehzahl des Läufers. Die Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl des Läufers kann beispielsweise als Tachogenerator oder Resolver ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Regelkreis eine Verarbeitungseinheit, z.B. in Form eines Mikrocontrol- lers, einem d-Space-System oder einem DSP (Digital Signal Processor) -Board, die mit der Vorrichtung zur Erfassung der Drehzahl gekoppelt ist, wobei der Verarbeitungseinheit von der Vorrichtung ein der Drehzahl entsprechendes Signal zur Ermittlung der Speisefrequenz zuführbar ist. Dem Umrichter des Energieübertragungssystems ist damit die von der Verarbeitungseinheit ermittelte Frequenz als Sollfrequenz zuführbar. Der neue Sollwert der Speisefrequenz kann einem handeis-

üblichen Umrichter zugeführt werden, welcher sicherstellt, dass der Fluss immer konstant gehalten wird.

Zur weiteren Bauraumoptimierung kann vorgesehen sein, die er- findungsgemäße Antriebsmaschine als Außenläufer mit integrierter Energieübertragung auszubilden.

Eine erfindungsgemäße Antriebsmaschine ist zweckmäßigerweise als Antrieb für eine Galette verwendbar.

Die Erfindung wird nachfolgend weiter anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine,

Fig. 2 einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine in einer anderen Dar- Stellung und

Fig. 3 eine Darstellung der Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine als Antrieb für eine Galette.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in jeweils unterschiedlichen schematischen Darstellungen den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine 1. Die Antriebsmaschine 1 ist als Synchronmotor aufgebaut. Ein Ständer 2 trägt in einer Anzahl an Nuten eine 2 p _M -polige Ständerwicklung 4 für den Antrieb und eine 2p _E -polige Ständerwicklung 7 für die Energieübertragung. Mit p ist die Polpaarzahl bezeichnet. Die Wicklungen teilen sich jede Nut. Ein Rotor oder Läufer 3 trägt neben Permanentmagneten 6, welche vorzugsweise im Ro- torblechschnitt des Läufers 3 integriert sind, ebenfalls zwei Läuferwicklungen in einer Anzahl an Nuten. Die Permanentmagnete 6 und eine erste Läuferwicklung, die sog. Dämpferwicklung 5, sind 2 p _M -polig ausgeführt, um mit der Ständerwick-

lung 4 der Antriebsfunktion zu koppeln. Die Verwendung eines Anlaufkäfigs, wie beispielsweise bei Asynchronmaschinen, ist nicht zweckmäßig, da dieser mit der Ständerwicklung 4 der Energiefunktion koppeln würde. Die zweite Läuferwicklung 8, welche der Energiefunktion zugeordnet ist, ist 2p _E -polig ausgeführt und koppelt mit der Ständerwicklung 7 für die Energiefunktion im Stator 2. Die Dämpferwicklung dient zum Anlaufen des Läufers als „Anlaufkäfig" . In der Nähe der synchronen Drehzahl zieht sich die Antriebsmaschine 1 in den Synchronis- mus . Die Dämpferwicklung 8 in dem Läufer 3 dient dann nur noch als Dämpferwicklung. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Antriebsmaschine 1 ohne Drehgeber betrieben werden kann .

Die Energiefunktion entspricht in ihrem Aufbau einem Schleifringläufer. Praktisch stellen die Ständerwicklung 7 und die Läuferwicklung 8 einen rotierenden Drehtransformator dar. Hierbei ist die Rotorspannung schlupfabhängig. Eine Möglichkeit zur Regelung der LeerlaufSpannung der an der Läuferwick- lung anliegenden Spannung besteht darin, einen Regelkreis für einen Umrichter des Energieübertragungssystems vorzusehen, wobei der Regelkreis die Drehzahl des Läufers als Eingangsgröße verwendet und aus dieser eine Soll-Speisefrequenz für den Umrichter ermittelt.

Um zu verhindern, dass sich Motor- und Energiefunktion hinsichtlich des Betriebsverhaltens nicht beeinflussen, ist eine Entkopplung der Wicklungssysteme der Motor- und Energiefunktion vorgesehen. Eine vollständige Entkopplung der beiden Wicklungssysteme liegt dann vor, wenn die auftretenden Polpaarzahlen unterschiedlich sind. Für die Polpaarzahlen der Energiefunktion gilt:

^V _E ⁼ P _E ⁺ 6p _E gι,' gι = 0,±l,±2,±3, ... Ständerwicklung = Ganzlochwicklung

M _E ^{= V} _E ⁺ 6p _E g ₂ ; g ₂ = 0,±l,±2,±3, ... Rotorwicklung = Ganzlochwicklung

Für die Polpaarzahlen der Motorfunktion gilt:

^V _M ⁼ P _M ⁺ &p _M g{, g _λ = 0,±l,±2,±3, ... Ständerwicklung = Ganzlochwicklung

^ _M ⁼ P _M ⁺ 2p _M g _2> S _I = 0,1,2,3, ••• Permanenterregung im Rotorblechschnitt ε _M = v _M + 6p _M g ₂ ; g ₂ = 0,±l,±2,±3, ... Anlaufwicklung = Ganzlochwicklung

Ein Vergleich der Gleichungen ergibt, dass eine Entkopplung für den Fall

PM = gerade

vorliegt. Weiterhin müssen für die Ständer- und Rotornutzahlen gelten:

N ₁ = 6p _M q _M = 6p _E q _E und

N ₂ = 6p _M q _M * = 6p _E q _E *

Um ein Problem der thermischen Kopplung zwischen Motor- und Energieübertragungssystem zu vermeiden bzw. zu verringern, wird die maximal zulässige, d.h. abführbare Verlustleistung der Antriebsmaschine auf die Motor- und Energiefunktion gezielt aufgeteilt. Jede der beiden Funktionen ist dann in ihrer maximalen Leistung und damit auch in ihrer Verlustleistung beschränkt.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte elektrische Antriebsmaschine, wobei in die Figur jeweilige Parameter für eine Auslegung eingetragen sind. So weist der Stator in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt N ₁ = 36 Ständernuten auf. Die Ständerwicklung der Motorfunktion (in der Figur als Motorwicklung be- zeichnet) weist die Polpaarzahl p _M = 2 sowie eine Lochzahl q _M = 3 auf, wobei die Lochzahl die Anzahl der Nuten je Pol und Strang angibt. Die Ständerwicklung der Energiefunktion (in der Figur mit Energiewicklung bezeichnet) weist die Polpaarzahl p _E = 1 und die Lochzahl q _E = 6 auf. Der Rotor umfasst

insgesamt N2 = 24 Rotornuten. In den Läufer sind Permanentmagnete mit einem jeweiligen Nord- und Südpol integriert. Die integrierten Permanentmagnete weisen eine Polpaarzahl p _M = 2 auf. Die zusätzlich vorgesehene Dämpferwicklung für den An- lauf der Antriebsmaschine weist die Polpaarzahl p _M = 2 und die Lochzahl q _M = 2 auf. Die Läuferwicklung der Energiefunktion (in der Figur als Energiewicklung bezeichnet) hat die Polpaarzahl p _E = 1 und die Lochzahl q _E = 4.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine 1 in einer anderen Darstellung. Aus dieser geht insbesondere gut hervor, dass die Dämpferwicklung 5 der Motorfunktion kurzgeschlossen ist. Mit der Läuferwicklung 8 der Energiefunktion wird eine elektrische Last - im Fall einer durch die Antriebsmaschine angetriebenen Galette eine elektrische Heizung - verbunden. Durch das Vorsehen einer Läuferwicklung für die Motorfunktion in dem Läufer 3 wird ein selektives Ansprechen dieser Dämpferwicklung 5 auf das von der Ständerwicklung 4 der Motorfunktion erzeugte Feld sichergestellt. Ein Ansprechen auf das von der Ständerwicklung 7 der Energiefunktion erzeugte Feld findet hingegen nicht statt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem eine erfindungs- gemäße elektrische Antriebsmaschine eine Galette 16 antreibt. Die Antriebsmaschine 1 ist an einem Flansch 11 befestigt, welcher an einer Seite einer Wand 10 anliegt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Wand 10 ist eine Galette mit einer Lauffläche 17 an einem weiteren Flansch 12 angeordnet, wobei der Flansch 12 an der Wand 10 anliegt. Die Antriebsmaschine 1 und die Galette 10 sind über eine Hohlwelle 14, welche durch einen Durchbruch 13 in der Wand 10 hindurchgeführt ist, miteinander verbunden. Am Innenumfang der Lauffläche 17 der Galette 16 sind Heizwiderstände angeordnet, welche in der Figur nicht dargestellt sind. Zur übertragung von Heizenergie auf die Lauffläche 17 der Galette 16 ist in der Hohlwelle 14 ein elektrischer Leiter 15 geführt, der beispielsweise in Form eines Kabels ausgebildet sein kann. Der elektrische Leiter 15

ist einerseits mit der Läuferwicklung 8 des Energieübertragungssystems verbunden (vgl. Fig. 2) und im Bereich der Ga- lette 16 mit dem Heizwiderstand verbunden.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Antriebsmaschine mit integrierter Energieübertragung als Außenläufermotor ausgebildet sein. Der Außenläufer der Antriebsmaschine stellt dann die Galette 16 dar. Hierdurch kann weiterer Bauraum eingespart werden.