Elektrische Maschinen lassen sich sehr gut in ihrer Drehzahl steuern. Durch die heute vorliegenden Möglichkeiten der Elektronik können derartige Maschinen über Umrichter an Wechsel- bzw. Drehstromnetzen betrieben werden. Um die an sich schon gute Steuerbarkeit insbesondere beim Abbremsen zu verbessern, wie dies für viele Anwendungsfälle derartiger Maschinen gefordert wird, ist es bekannt, die Maschine als Generator zu betreiben und die beim Abbremsen erzeugte Energie über einen (Last-)Widerstand in Wärme zu verwandeln. Ein solcher zusätzlicher Lastwiderstand erfordert einen gewissen Kosten- und Konstruktionsaufwand, wobei darüber hinaus die erzeugte Wärme über entsprechende zusätzliche Einrichtungen abgeführt werden mu .

Weiterhin ist es bei derartigen, vorwiegend als Elektromotoren betriebenen Maschinen bekannt, mechanische Bremsen vorzusehen, die über eine Elektromagnet-Anordnung gelöst bzw. gelüftet werden können. Man bestromt also die Erregerspule der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse zusammen mit dem Elektromotor, so dap der Motor im unbestromten Zustand festgehalten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dap der Ab- bremsvorgang mit einfachen Mitteln verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 bzw. einen Elektromotor nach Patentanspruch 8 gelöst.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dap die im generatorischen Betrieb während des Bremsvorgangs erzeugte elektrische Energie in der Erregerspule der elektromagnetisch lösbaren mechanischen Bremse in Wärme umgesetzt wird. Diese Idee ist insofern besonders überraschend, als während eines mechanischen Bremsens, wie es bei derartigen Elektromotoren bisher bekannt ist, der Erregerspule eben keine Energie zugeführt wird. Durch die erfindungsgemä e Idee gelingt es aber, ohne einen Bremswiderstand auszukommen und noch dazu die Speicherfunktion der Spuleninduktivität, also ihre besondere dynamische Wirkung auszunützen, welche diese Spule gegenüber einem zusätzlichen, üblicherweise verwendeten Ohmschen Widerstand aufweist.

Vorzugsweise wird bei einem starken Abbremsen im generato- rischen Betrieb der Erregerspule ein Strom zugeführt, der wesentlich grö er ist als der zum Lüften oder Halten der Bremse zugeführte Strom. Dies bedeutet, dap elektrische Eigenschaften der Spule ausgenützt werden, die im normalen Betrieb, beim üblichen Lüften der Bremse nicht ausgenützt werden. Der Erregerspule kann jedoch für eine gewisse Zeitdauer ein erheb- lich grö erer Strom zugeführt werden, als dieser zum Lüften oder gar zum Halten der Bremse im normalen Betrieb zugeführt wird.

Vorzugsweise stellt man die thermische Belastung der Erreger- spule fest und begrenzt den ihr zugeführten Strom auf einen vorbestimmten Betrag, wenn die thermische Belastung einen vor- bestimmten (Temperatur-)Wert überschreitet. Dadurch kann

sichergestellt werden, dap keine Schäden durch Überhitzung auftreten. Vorzugsweise wird bei Gefahr einer thermischen Überlastung der Strom auf den Haltestrom der Erregerspule begrenzt, also auf den Strom, der im Dauerbetrieb des Elektromotors flie t und auf den die Erregerspule "zugeschnitten" ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Feststellung der thermischen Belastung die Temperatur der Erregerspule gemessen. Bei dieser Art der Belastungsmessung kann mit besonders genauen Ergebnissen gerechnet werden. Bei einer alternativen, ggf. aber auch zusätzlich anzuwendenden Ausführungsform der Erfindung werden Strom- und/oder Spannung der Erregerspule überwacht und derart mit Parametern, die für die Erregerspule spezifisch sind, insbesondere mit der ther- mischen Zeitkonstante der Erregerspule zur Feststellung der thermischen Belastung verrechnet, dap nicht nur die jeweils momentane thermische Belastung feststellbar ist, sondern vielmehr auch jederzeit "hochgerechnet" werden kann, wie lange die Erregerspule noch mit der momentan anliegenden Brems- leistung beaufschlagt werden kann, bevor der Erregerstrom verringert werden mu . Dadurch kann ein optimales Brems- verhalten eingestellt werden.

Vorzugsweise wird zusätzlich zur Feststellung der thermischen Belastung der Erregerspule auch noch die Umgebungstemperatur festgestellt. Die Sicherheit vor Überlastung der Erregerspule wird dadurch erhöht. Gleiches gilt für eine Feststellung der Temperatur am Elektromotor durch einen entsprechenden, meist ohnehin schon vorhandenen Temperaturfühler. Nachdem die Bremse samt ihrer Erregerspule am Elektromotor befestigt ist und ein Wärmeflu stattfindet, gibt auch die Temperatur am Elektromotor einen Me wert dafür, welche Wärme der Erregerspule noch zuführbar ist.

Nachfolgend werden zur Erläuterung der Erfindung Ausführungs- beispiele anhand von Abbildungen beschrieben.

Hierbei zeigen Fig. 1 eine Grundschaltung zur Ausführung des erfindungsgemä en Verfahrens, Fig. 2 eine Prinzipschaltung der in Fig. 1 angedeuteten Leistungselektronik, Fig. 3 die Schaltung einer Ansteuereinheit, Fig. 4 die Schaltungseinzelheiten der Schaltung gemä Fig. 3, Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer An- steuereinheit, Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Ansteuer- einheit, und Fig. 7 und Fig. 8 zwei prinzipielle Darstellungen zur Erläuterung der Berechnung und/oder Messung der thermischen Belastung von Erregerspulen.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Prinzipschaltung ist mit der Bezugsziffer 1 das Wechsel- oder Drehstromnetz bezeichnet, das auf einen Gleichrichter 2 geführt ist, dessen gleichgerichtete Ausgangsspannung auf einen Gleichspannungszwischenkreis 3 geführt ist. Am Ausgang des Gleichspannungszwischenkreises 3 sind Eingangsklemmen einer Bremssteuereinheit 4 parallel zu Eingangsklemmen eines Umrichters 5 angekoppelt.

Ausgangsklemmen der Bremssteuereinheit 4 sind mit einer Erre- gerspule 62 einer elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse verbunden, die im bestromten Zustand einen Motor 61 frei laufen lä t und diesen im stromlosen Zustand abbremst.

Der Motor 61 wird in an sich bekannter Weise vom Umrichter 5 angesteuert.

Der Elektromotor 6 bildet zusammen mit dem Gleichrichter 2, der Bremssteuereinheit 4, der Erregerspule 62 und dem Umrichter 5 vorzugsweise eine gerätetechnische Einheit 8, insbesondere mit einem gemeinsamen Gehäuse.

Die Bremssteuereinheit 4 umfa t, wie in Fig. 2 gezeigt, bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein elektronisches Einwegeventil 41, das über eine Ansteuereinheit 42 ein- und ausschaltbar ist. Dieses Einwegeventil 41 bildet mit der Erregerspule 42 eine Reihenschaltung, welche an den Ausgangs- klemmen des Gleichspannungszwischenkreises 3 liegt. Die Klemmen der Erregerspule 62 sind über eine umgekehrt zum Einwegeventil gepolte Freilaufdiode 7 verbunden.

In Fig. 2 sind der durch die Erregerspule 62 flie ende Strom mit 1B und die über den Klemmen der Erregerspule 62 liegende Spannung mit Ug bezeichnet. Die Betriebsweise der Anordnung wird nachfolgend erläutert.

Der zum Lüften der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderliche Gleichstrom hat den Wert I1. Wenn dieser Strom flie t, so fällt über die Erregerspule 62 eine Spannung U1 ab.

Wenn der Strom I1 eingeschaltet wird, so vergeht eine Zeit- dauer t1 bis zum vollständigen Lüften der Bremse. Zum Halten der Bremse im gelüfteten Zustand ist nur ein Gleichstrom I2 notwendig, der im allgemeinen kleiner oder aber gleich I1 ist.

Die hierbei längs der Erregerspule 62 abfallende Spannung hat den Wert U2.

Aus der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist nun ersichtlich, dap das elektronisch ein- und ausschaltbare Einwegeventil 41 über die Ansteuereinheit 42 derart geschaltet werden kann, dap die gesamte Ausgangs spannung UZ des Gleichspannungszwischenkreises 3 an die Erregerspule 62 angelegt werden kann. Die dadurch mögliche Betriebsweise wird nachfolgend erläutert.

Betriebs zustand A: Dem Motor 61 wird vom Umrichter 5 kein Strom zugeführt. Die Erregerspule 62 ist ebenfalls stromlos. In diesem Betriebszustand steht der Motor festgebremst.

Betriebszustand B: Zu Beginn des Motobetriebs, also wenn der Umrichter 5 beginnt, dem Motor 61 Strom zuzuführen, führt die Bremssteuereinheit 4 der Erregerspule 62 für die Zeitdauer t1 einen Gleichstrom 1B = I1 zu, um die Bremse zu lüften.

Betriebszustand C: Während des motorischen (ungebremsten) Betriebs des Motors 61 führt die Bremssteuereinheit 4 den zum Halten der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderlichen Gleichstrom 1B = I2 durch die Erregerspule 62, wobei dieser Gleichstrom I2 kleiner sein kann als der Gleichstrom I1. Wenn der Haltestrom I2 gleich dem zum Lüften notwendigen Strom I1 ist, entfällt natürlich der zuvor beschriebene Betriebszustand B.

Betriebszustand D: Wenn der (laufende) Motor 61 gebremst werden soll, also in den generatorischen Betrieb überführt wird, so leitet die Bremssteuereinheit 4 den zum Halten der elektro- magnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderlichen Gleichstrom 1B = 12 durch die Erregerspule 62, sofern die vom Umrichter 5 in den Gleichspannungszwischenkreis 3 zurück- gespeiste Leistung nicht grö er ist als die zum Halten der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderliche Leistung.

Betriebszustand E: Übertrifft die vom Umrichter 5 in den

Gleichspannungszwischenkreis 3 zurückgespeiste Leistung aufgrund einer erhöhten Bremsleistung bzw. generatorischen Leistung die zum Halten der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderliche Leistung, so leitet die Bremssteuereinheit 4 die gesamte zurückgespeiste Leistung des Elektromotors 61 in die Erregerspule 62. Dieser Strom ist natürlich erheblich grö er als die vorgenannten Werte I1 und 12.

Betriebszustand F: Übersteigt die thermische Belastung durch den zugeführten Strom einen, für die Erregerspule 62 maximal zulässigen Wert, so reduziert die Bremssteuereinheit 4 den der Erregerspule 62 zugeführten Strom 1B auf den zum Halten der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderlichen Gleichstrom 1B = I2.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltung für eine Bremssteuereinheit 4 anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben.

Wie in Fig. 3 angedeutet, umfa t die Ansteuereinheit 42 einen Signalerzeuger 421, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Pulsweitenmodulators (PWM) 422 verbunden ist. Der Ausgang des PWM 422 ist auf den Eingang einer Übersteuereinheit 423 ge- führt, deren Ausgang auf den Steuereingang des elektronisch ein- und ausschaltbaren Einwegeventils 41 geführt ist. Die gesamte Anordnung wird von den Ausgangsklemmen des Gleich- spannungszwischenkreises 3 gespeist.

Die Ansteuerung durch die Übersteuereinheit 423 erfolgt nun derart, dap - bis auf den Betriebs zustand E - die Übersteuereinheit 423 das Ausgangssignal des PWM 422 an das elektronische ein- und ausschaltbare Einwegeventil 41 leitet.

<BR> <BR> <BR> Das relative Einschaltverhältnis bzw. Tastverhältnis h des PWM 422 bestimmt in diesem Fall direkt den Gleichspannungs- mittelwert UB an der Erregerspule 62. Es gilt: UB = k UZ, wobei UZ die Ausgangsklemmenspannung des Gleich-

spannungszwischenkreises 3 ist. Der Signalerzeuger 421 erzeugt den Vorgabewert für die Spannung UB.

Übertrifft beim Bremsen im Betriebs zustand E die vom Umrichter 5 in den Gleichspannungszwischenkreis 3 zurückgespeiste Leistung die zum Halten der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse erforderliche Leistung, so beginnt die Zwischenkreisspannung Uz über den Wert der gleichgerichteten Netzspannung hinauszusteigen. Überschreitet Uz dabei einen Grenzwert U3, so wird das ein- und ausschaltbare Einwegeventil 41 von der Übersteuereinheit 423 in den leitenden Zustand versetzt, und zwar unabhängig von der Vorgabe des Pulsweitenmodulators 422.

Der Grenzwert U3 ist nun so bemessen, dap er einerseits (nennenswert) oberhalb der gleichgerichteten Netzspannung und andererseits (nennenswert) unterhalb der maximal zulässigen Spannungsbelastbarkeit des Gleichrichters 2, des Gleich- spannungszwischenkreises 3, der Bremssteuereinheit 4, des Umrichters 5, des Motors 61 sowie der Erregerspule 62 liegt.

Übersteigt während des Betriebszustands E ein durch einen Temperaturfühler erzeugtes Signal EB für die thermische Beanspruchung der Erregerspule 62 - wie dies weiter unten näher erläutert wird - den für diese maximal zulässigen Wert EBmax, so wird der Betriebszustand F eingeleitet. In diesem Fall leitet die Übersteuereinheit 423 das Ausgangssignal des PWM 422 wieder an das elektronische, ein- und aus schaltbare Einwegeventil 41 derart, dap der der Erregerspule 62 zugeführte Strom 1B = I2 wird, der Strom also auf den Wert gesenkt wird, den die Erregerspule 62 im Dauerbetrieb des Elektromotors 61 " aus hält " .

Der obige Sachverhalt ist in Fig. 4 in Form eines Regelkreises dargestellt. Hierbei umfa t die Übersteuereinheit 423 eine erste Vergleichseinrichtung, welche dann ein positives (digitales) Ausgangssignal abgibt, wenn die Spannung Uz an den Ausgangsklemmen des Gleichspannungszwischenkreises 3 eine

vorbestimmte Spannung U3 übersteigt. Dieser Grenzwert U3 wurde oben bereits definiert.

Eine zweite Vergleichereinrichtung ist vorgesehen, welche einen aktuellen TemperaturwertEB mit einem maximal zulässigen Temperaturwert Egmax vergleicht und dann ein positives (digitales) Ausgangssignal abgibt, wenn der aktuelle Wert den Maximalwert überschreitet.

Der Ausgangswert der ersten Vergleicherschaltung wird einem nicht-invertierenden Eingang eines UND-Gatters, der Aus- gangswert der zweiten Vergleicherschaltung einem invertierenden Eingang des selben UND-Gatters zugeführt. Der Ausgang des UND- Gatters ist auf einen Eingang eines ODER-Gatters geführt, dessen anderer Eingang auf dem Ausgang des PWM 422 liegt. Der Ausgang des ODER-Gatters ist auf den Steuereingang des elektronischen ein- und ausschaltbaren Einwegeventils 41 geführt. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, führt diese Schaltungsanordnung das soeben im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Verfahren aus.

In Fig.5 ist nun nochmals angedeutet, dap die zum Strom 1B durch die Erregerspule 62 gehörige Spannung aus dem Signal- erzeuger 421 dem PWM 422 zugeführt werden kann, wobei dieser Spannungswert UB, der zum Strom 1B gehört, den Wert Null während des Betriebszustandes A, den Wert U1 (gehörend zum Strom I1) während des Betriebszustandes B und den Wert U2 (gehörend zum Strom I2) während der Betriebszustände C, D, E und F hat.

Es ist auch möglich, die Anordnung über eine Stromvorgabe bzw.

Stromregelung zu betreiben, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist.

Hierbei umfa t der Signalerzeuger 421 einen Profilgenerator 4211, dessen Ausgangssignal einem Vergleicher zugeführt wird, dessen Ausgang auf den Eingang einer Regeleinheit 4212 im Signalerzeuger 421 geführt ist. Dem Vergleicher wird ein zum Strom 1B durch die Erregerspule 62 proportionales Signal zuge-

führt, so dap das Ausgangssignal des Vergleichers dem Diffe- renzwert (Regelabweichung) zwischen dem Ausgangswert (Sollwert) aus dem Profilgenerator 4211 und dem Strom-proportionalen Wert (Istwert) aus dem in Fig. 6 angedeuteten Stromfühler ent- spricht.

Bei allen hier gezeigten Anordnungen ist es nun von gro em Vorteil, wenn der thermische Zustand bzw. die thermische Beanspruchung der Erregerspule 62 überwacht werden. Hierzu kann nun - wie in Fig. 7 angedeutet - aus einem Momentanwert PB der Verlustleistung in der Erregerspule 62 unter dessen Verrechnung mit einer thermischen Zeitkonstante TB der Erregerspule 62 das Signales durch Verrechnung (Addition) mit einer Grö e EUBmax (entsprechend der maximalen Umgebungstemperatur der Erreger- spule 62) gewonnen werden. Diese Grö e EB wird dann, wie in Fig. 4 gezeigt, weiter verrechnet, um die Erregerspule 62 vor Überhitzung zu schützen.

Der Momentanwert der Verlustleistung in der Erregerspule 62, die Grö e pg wird rechnerisch ermittelt, und zwar aus dem (gemessenen) Strom bzw. der (gemessenen) Spannung durch die bzw. an der Erregerspule 62 und deren Ohmschen Widerstand, oder aus dem Steuersignal eines elektronischen ein- und ausschalt- baren Einwegeventils 41, dem (Me -)Wert der Spannung an den Ausgangsklemmen des Gleichspannungszwischenkreises 3 und dem Me wert für den Strom durch die Erregerspule 62 bzw. deren Ohmschen Widerstand oder aber aus dem Me wert für die Spannung an der Erregerspule 62 und dem Me wert für den Strom durch die Erregerspule 62. Der sich ergebende Wert EB gemä Fig. 7 wird dann in der Schaltung gemä Fig. 4 weiterverwendet.

Die Anordnung nach Fig. 8 unterscheidet sich von der nach Fig.

7 dadurch, dap nicht die fest vorgegebene maximale Umgebungstemperatur EUBmax der Erregerspule 62, sondern vielmehr eine Temperatur EM mit in die Berechnung einflie t, welche einer am Motor 6 gemessenen Temperatur entspricht. Diese wiederum gibt ein Bild dafür ab, welche Temperatur die elektromagnetisch betätigte, mechanische Bremse bzw. die

Erregerspule 62 aufweist, da die Bremse am Motor 61 in wärmeleitender Verbindung befestigt ist. Diese Motortemperatur EM erlaubt noch eine bessere Ausnutzung der Erregerspule 62, da in der Regel die Umgebungstemperatur EUB der Erregerspule 62 betriebsmä ig unterhalb des oben angenommenen Maximalwertes EUBmax liegt. Der Faktor KE, mit welchem die Motortemperatur EM gemä Fig. 8 versehen wird, ist so bemessen, dap die Grö e Ke EM ungefähr der tatsächlichen Umgebungstemperatur EuBder Erregerspule 62 entspricht.

Bezugszeichenliste 1 Netz 2 Gleichrichter 3 Gleichspannungszwischenkreis 4 Bremssteuereinheit 5 Umrichter 6 Elektromotor mit elektromagnetisch betätigter, mechanischer Bremse 7 Freilaufdiode 8 gerätetechnische Einheit 41 elektronisches ein- und ausschaltbares Einwegeventil 42 Ansteuereinheit 421 Signalerzeuger 4211 Profilgenerator 4212 Regeleinheit für den Strom 422 Pulsweitenmodulator 423 Übersteuereinheit 61 Elektromotor 62 Erregerspule der elektromagnetisch betätigten, mechanischen Bremse