Antriebsmotαr

Die Erfindung betrifft einen Aπtriebsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Antriebsmotor ist aus der deutschen OS 19

47 721 bekannt. Auf der Motorwelle eines Drehstrom-Kurzschlußläufermotors ist ein über

Kohlebörsten mit Gleichstrom gespeister, von einem axial gerichteten Magnetfeld eines zweiten Ständers beaufschlagter Ankerscheibenläufer drehfest angebracht.

Durch den Ankerscheibeπläufer erfolgt die Positionierung, wenn beim Abbremsen die Mo ^' torwelle eine einstellbare Grenzdrehzahl unterschreitet.

Bei derartigen Antriebsmotoren erweist es sich als nachteilig, daß für die verschiedenen Betriebszustände, wie Dauerbetrieb oder Positionierbetrieb unterschiedliche Ständer erforderlich sind, was den Antriebsmotor aufwendiger macht und verteuert. Der zusätzliche Ständer erhöht zudem das Gewicht.

' Aus dem Fachbuch "Elektrotechnik für Maschinenbauer" von H. Linse (Teubner-Verlag, Stuttgart, 6. überarbeitete Auflage) ist auf den Seiten 303 und 304 Aufbau und Wirkungsweise eines selbstgeführten Umrichters beschrieben, der nach Fig. 303.1 als Steuerungsteil eines asynchronen

Drehstrom-Kurzschlußläufermotors dargestellt ist. Über einen Gleichrichter, der an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, wird ein Gleichspaππuπgs-Zwischenkreis mit konstanter Spannung

gespeist. An diesen Zwischeπkreis ist ein dreiphasiger Pulswechselrichter angeschlossen.

Die Bildung der benötigten Wechselspaππuπg beliebiger Frequenz durch den Pulswechselrichter kann beispielsweise nach dem Unterschwiπgungsverfahrεn erfolgen. Die aufgenommene Gleichspannung wird hierbei in Form von unterschiedlich gepolten Rechteckimpulseπ verschiedener Impulsdauer an die Ständerwicklung gelegt, so daß eine sinusförmige Schwingung der gewünschten Frequenz und Amplitude als Unterschwiπgung entsteht.

Mit Hilfe eines derartigen Umrichters ist.es möglich, die Drehzahl eines Drehstrom-Kurzschlußläufermotors in einem relativ großen Bereich zu verändern.

In der DE-OS 25 42 395 ist ein Schrittmotor dargestellt, dessen Ständer Pole in jeweils gleichen Winkelabständeπ aufweist, von denen jeder mit einer Spule umwickelt ist. Die Spulen sind so geschaltet, daß jeweils zwei benachbarte auf einen Läufer einwirken, dessen magnetische Achse durch einen Permanentmagneten oder durch einen Läuferkörper veränderlichen magnetischen Widerstandes festgelegt ist. Der Läufer wird dadurch in einer Feststellung positioniert, die durch die resultierende Wirkung der beiden Spulenfelder vorgegeben ist. Wenn in der vorgegebenen Solldrehrichtung des Läufers nacheinander weitere Spulen angesteuert werden, dann wird der Läufer stets um einen durch den Spulenabstaπd vorgegebenen Winkel weitergedreht.

Derartige Schrittmotoren sind zwar hervorragend zum Positionieren geeignet, jedoch wirken sich Beschleunigungs- und Bremsvαrgänge zwischen je zwei Feststellungen für Dauerbetrieb nachteilig aus. Zudem

sind Schrittmotoren aufgrund ihrer komplizierten

Bauweise relativ aufwendig und teuer und oberhalb einer bestimmten Leistungsgrenze unwirtschaftlich.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die

Aufgabe zugrunde, einen Aπtriebsmotor so auszubilden und anzusteuern, daß dieser bei einfachem Aufbau und geringem Gewicht für eine Mehrzahl von Betriebszustäπden vorgesehen, seine Drehzahl bis zum Stillstand regelbar und seine Motorwelle in einer vorbestimmbaren Stellung positioπierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Aufnahme des Zusätzläufers in den Wirkungsbereich des den Hauptläufer antreibenden Ständers sind beide Läufer durch nur einen Ständer antreibbar. Da die beiden Läufer aufgrund ihres unterschiedlichen Aufbaues auf verschiedene Weise betätigbar sind, werden die einzelnen Stränge der Ständerwickluπg dem jeweils anzutreibenden Läufer entsprechend angesteuert.

Für Dauerbetrieb ist beispielsweise ein umlaufendes, den Hauptläufer weitertreibendes Ständerfeld notwendig, während sich für Positionierbetrieb ein den Zusatzläufer ausrichtendes Ständerfeld als erforderlich erweist. Dementsprechend werden für Dauerbetrieb die einzelnen Stränge nacheinander in der gewünschten Drehrichtung des Ständerfeldes eingeschaltet, während für Positionierbetrieb nur ein oder maximal zwei nebeneinander liegende Stränge anzusteuern sind.

Die einzelnen Stränge werden von der Steuereinrichtung aktiviert, indem jeder zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine vαrgebbare Dauer mit Strom zum Aufbau des Stäπderfeldes versorgt wird. Die Frequenz, in der für Dauerbetrieb die Stränge nacheinander versorgt werden, bestimmt die Drehzahl des Stäπderfeldes und damit des Läufers, der Betrag des in den Strängen fließenden Stromes das auf den Läufer wirkende Drehmoment. Der Läufer ist zudem in Abhängigkeit von der Folge, in der die Stränge angesteuert werden, in beiden Drehrichtungen antreibbar.

Die Maßnahme nach Anspruch 2 erweist sich -als vorteilhaft, um den Ständer des Aπtriebsmotors wahlweise an eine Gleich-, Wechsel- oder Drehstromquelle anschließen zu können, indem die jeweils erforderliche Anzahl von Spulen durch die Steuereinrichtung aktiviert wird. Dadurch ist der Ständer zum Antrieb beliebiger, in seinem Wirkungsbereich aufgenommener Läufer geeignet.

Der in Anspruch 3 angegebenen Weiterbildung der Erfindung liegt bei einem Antriebsmotor mit einem Hauptläufer und einem mit diesem auf der Motorwelle angeordenteπ Zusatzläufer die zusätzliche Aufgabe zugrunde, die den Hauptläufer bei Dauerbetrieb antreibenden Stränge der

Ständεrwicklung für Positiαnierbetrieb derart mit Strom zu versorgen und den Zusatzläufer so auszubilden, daß dieser bei Positioπierbetrieb in einer vαrbestimmbaren Stellung aπhaltbar ist.

Diese zusätzliche Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßeπ Vorrichuπg durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 gelöst.

Durch die Maßnahme, die Stränge der Ständerwicklung an

die Steuereinrichtung anzuschließen, sind diese in vorbestimmbarer Folge an eine Stromquelle aπschaltbar. Für einen anderen Betriebszustand der Stäπderwickluπg wird lediglich die Einstellung der Steuereinrichtung geändert, so daß die Stränge in einer der neuen Einstellung zugeordneten Folge anschaltbar sind.

Durch Anschalten von nur einem Strang über einen längeren Zeitraum wird bewirkt, daß sich der Zusatzläufer auf diesen und bei zwei eingeschalteten

Strängen auf die Mitte zwischen diesen ausrichtet und in der Stellung gehalten wird. Da jeweils nur einer der Stränge oder ein Strangpaar, dessen Kombination sich von denen anderer Strangpaare unterscheidet, eingeschaltet wird und der Zusatzläufer maximal zwei

Ringsegmente aufweist, ergeben sich bei einer mehr als zwei Stränge aufweisenden Ständerwicklung eine Mehrzahl von vorherbestimmbaren Stellungen, in denen der Zusatzläufer positionierbar ist.

Das Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen - Dauerbetrieb und Positioπierbetrieb - wird gemäß Anspruch 4 durch die Aπschalthäufigkeit der Stränge an die Stromquelle geregelt. Das Umschalten auf Positionierbetrieb erfolgt vorteilhafterweise dann, wenn die Anschalthäufigkeit der Stränge gegen Null geht, also kurz vor Stillstand des 'Drehfeldes und damit der Läufer, so daß die verbleibende Rotationsenergie der Läufer ausreicht, diese aπtriebslos bis zur Anhaltestellung weiterzudrehen, in der sie unter der

Wirkung der angeschalteten Stränge festgehalten werden.

In Anspruch 5 ist eine vorteilhafte Schaltung angegeben, durch welche die Stränge der Ständerwickluπg bei geringem technischen Aufwand in der jeweils benötigten

Folge ansteuerbar sind.

Durch die Ständerwickluπg sind unterschiedliche Zusatzläufer aπtreibbar. So ist der Zusatzläufer nach Anspruch 6 als Reluktaπzläufer und nach Anspruch 7 als Dauermagπetläufer ausgebildet. Derartige Zusatzläufer ermöglichen bei einfachem konstruktivem Aufbau eine präzise Positionierung, wobei die Ausrichtstellung des Zusatzläufers nach Anspruch 6 durch die Läuferform und nach Anspruch 7 durch die Anordnung der Magnete auf dem Läuferkörper bestimmt wird.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Antriebsmotor, teilweise in Schπittdarstellung;

Fig. 2 -den Ständer der Fig. 1 in Schπittdarstellung;

Fig. 3 den Läufer der Fig. 1 in Schnittdarstellung;

Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan für den Aπtriebs otor;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem Schaltplan der Fig. 4 nach der strichpunktierten Linie;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Zusatzläufers

In Fig. 1 ist ein Antriebsmotor (1) dargestellt, in dessen Gehäuse ein Ständer (2) aufgenommen ist. Der

1 Ständer (2) besteht zur Unterdrückung von Wirbelströmeπ aus einer Mehrzahl von Elektroblecheπ und weist entlang seines Innendurchmessers Nuten (3) auf, in denen Spulen (4) von Strängen (Wl, W2 und W3) (Fig. 2) einer

5 Stäπderwickluπg (5) eingebettet sind. Die Spulen (4) jedes Stranges (Wl bis W3) sind in Reihe geschaltet.

Der Ständer (2) umgibt einen Hauptläufer (6) , der als Käfigläufer (7) (Fig. 3) ausgebildet ist. Der Kern (8) 10 des Käfigläufers (7) besteht aus Elektroblechen, der Käfig (9) wird durch Stäbe (10) , die über Ringe (11) verbunden sind, gebildet. Die Stäbe (10) sind in axialen Nuten (12) auf dem Umfang des Kernes (8) und die Ringe (11) an dessen Stirnseiten angeordnet.

15

Auf der Motorwelle (13) des Aπtriebsmotors (1) ist, ebenfalls von dem Ständer (2) umschlossen, ein Zusatzläufer (14) drehfest aufgenommen. Dieser ist als Reluktanzläufer (15) ausgebildet, der die Form einer

20 Scheibe (16) mit zwei an deren Außendurchmessεr angeformten, um 180 versetzten Ringsegmenten (17) und (18) aufweist. Der Außendurchmesser des Reluktanzläufers (15) ist im Bereich der Ringsegmente (17, 18) dem Außendurchmesser des Kerns (8) angepaßt.

25 Zum Unterdrücken von Wirbelströmen ist auch der

Reluktaπzläufer (15) aus Elektroblechen zusammengesetzt.

Zur eindeutigen Positionierung wircl der Reluktaπzläufer (15) durch eine optoelektronische

30. Überwachungseinrichtung (19) , die eine Fotozelle (20) mit einem Lichtsender (21) und einem Lichtempf πger (22) aufweist, abgetastet. Aus diesem Grund ist der Reluktanzläufer (15) auf einer Hälfte (23) bis zur Mittellinie zwischen den beiden Ringsεgementen (17, 18) 5 mattiert, auf der anderen Hälfte (24) dagegεn

rεflektierend ausgebildet.

Fig. 4 zeigt in einem vereinfachten Schaltpläπ die zur Funktion des Aπtriebsmotαrs (1) erforderlichen Bauteile einer Schaltung (25) , wobei der Aπtriebsmσtor (1) über eiπεπ zur Drehzahlregeluπg des Käfigläufers (7) dienenden Umrichter (26) an eiπε Drεhstromquεlle (27) angeschlossεπ ist.

Der Umrichter (26) ist mit einem Gleichrichter (28) versehen, der über Leitungen (Ul) und (U2) eines Gleichspaπnungs-Zwischeπkreises (29) mit einem Wechselrichter (30) verbunden ist. Parallel zu dem Gleichrichtεr (28) und dem Wechselrichtεr (30) ist ein zum Glätten der Gleichspannung dienender Kondensator (31) am Zwischenkreis (29) angeschlossen. Der Wechselrichter (30) ist durch Steuεrleit ^' uπgeπ (SI bis S6) mit einer Steuereinrichtung (32) verbundεn, diε über Leitungen (D, F und P) an einem Steuerpult (33) angeschlossen ist.

In Fig. 5 ist der strichpunktiert gezeichnete Teil der Steuεrschaltuπg (25) vεrgrößεrt herausgezeichnet. An die in den Wechselrichter (30) geführten Leitungen (Ul) und (U2) sind Transistoren (Tl bis T6) und

Freilaufdiodeπ (Dl bis D6) angeschlossεn, wobei je zwei Transistoren (Tl bis T6) und parallel dazu zwei Frεilaufdioden (Dl bis D6) in Reihε gεschaltet sind und einen Einzelschaltkreis (Kl bis K3) bilden. Die Einzelschaltkrεise (Kl bis K3) sind parallel zueiπandεr an die Leitungen (Ul) und (U2) aπgeschlossεn.

Die Basen (Bl bis B6) der Traπsistorεn (Tl bis T6) sind übεr diε Steuerleitungeπ (SI bis S6) mit der Steuereinrichtung (32) verbundεn. Durch Schaltvorgängε

der Transistoren (Tl bis T6) entstehende Spanπungsspitzen in der Ständerwicklung (5) werden durch die Freilaufdioden (Dl bis D6) verhindert.

Die Steuerεiπrichtung (32) ist mit εiπem Mikroprozessor (34) versεhεn, dεr εineπ RAM-Speicher (35) und eiπεn ROM-Spεicher (36) aufweist. Der Mikroprozessor (34) nimmt über ein Negatioπsglied (37) und εiπ NOR-Gliεd (38) Signale von der Leitung (F) an einem Eingang (El) und Signale von der Leitung (D) an einεm Eingang (E2) auf.

Mit dem NOR-Glied (38) ist als zweiter Anschluß einε Abzwεigung dεr Leitung (P) verbundεπ, die zusammen mit einem Ausgang (A) des Mikroprozessors (34) an einem UND-Glied (39) angeschlossen ist. Die Ausgangsleitung (B) dεs UND-Gliedes (39) ist mit dem Setzeingang (CLR) und dem Eingang (J) einεs J-K-Flip-Flop-Spεichεrs (40) vεrbunden, dessen zweiter Setzeiπgang (PR) und dεssεn zweiter Eingang (K) an eine ein Rücksεtzsignal übertragende Leitung (X) angeschlossεπ sind. Die Leitung (Z) der Fotozelle (20) ist mit dem Takteingang (CL) des Speichers (40) verbunden, an dessen Ausgang (Q) die Leitung (V) angeschlossen ist.

Während eine Abzweigung der Leitung (V) mit einεm Eingang (E3) dεs Mikroprozεssors (34) vεrbunden ist, ist deren Hauptstrang zusammen mit Ausgängen (AI) und (A2) des Mikroprozessors (34) an ODER-Gliedern (41) und

(42) und über εin zwischεngεschaltetes Nεgationsgliεd

(43) mit Ausgäπgεn (A3) bis (A6) des Mikroprozessors (34) an UND-Gliedεr (44 bis 47) angεschlossεn. Diε Ausgangs dεr ODER-Gliεdεr (41), (42) und dεr UND-Gliεdεr (44 bis 47) sind mit dεn Steuerlεitungεn (SI bis S6) vεrbunden.

Der Antriebsmotor (1) arbeitet wie folgt:

Für Laufbetrieb wird ein binäres Signal mit dem Potential H, nachfolgend als Signal H bezeichnet, vom Steuerpult (33) an die Leitung (F) abgegeben. Nach

Durchgang durch das Negatiαnsglied (37) liεgeπ an dεπ beiden Eingängen des NOR-Gliedεs (38) Signale mit Potεπtial L, im folgenden Signale L genannt und am Eingang (El) des Mikroprozessors (34) ein Signal H an. Dadurch ist dεr Mikroprozessor (34) aufnahmebεreit für ein am Eingang (E2) anliegendes Signal, das einer am Steuerpult (33) eiπgεstellten Drehzahl entspricht. Diesεs Signal bewirkt, daß der Mikroprozεssor (34) ein dem Signal zugeordnεtεs Stεuεrprogramm aus seinem RAM-Speichεr' (35) abruft. Durch das Stεuerprogramm ist festgεlεgt, in welchem zeitlichen Abstand an drei verschiεdεπεn, aufεinaπdεrfolgεrid aπgesteuεrtεn Zweiergruppen der Ausgänge (AI bis A6) Signale H ausgegebεn wεrdεn. Diε Zusammεπsetzung der einzelnen Zweiergruppen sowie dsren Folge πacheiπaπdεr wird ebenfalls durch das Steuerprogramm bestimmt.

Da an der Ausgangslεitung (V) des J-K-Flip-Flop-Speichers (40) vor dem Negatioπsglied (43) ein Signal L und hinter diesem ein Signal H anliegt, werden an den ODER-Gliedern (41 und 42) sowie an den UND-Gliedern (44 bis 47) Signale H mit der Folge wie an den Ausgängen (AI bis A6) abgegebεn. Diεsε Signalε wεrden über die Steuerlεituπgεn (SI bis S6) zu dεn Basεn (Bl bis^Bε) der Transistoren übertragεn.

Sobald beispielswεisε dεrartige Signale an den Basen (Bl und B2) anliegen, werdεn diε aπsoπstεπ gεspεrrtεn Transistoren (Tl und T2) kurzzeitig auf Durchlaß

gestellt, so daß der Strom von der den Pluspol bildendεπ Lεituπg (Ul) über den Traπs-i-stor (Tl) , die Stränge (Wl und W2) sowie über den Transistor (T2) auf die den Minuspol bildeπdε Leitung (U2) fließt. Anschließend werdεn diε Basen (B3 und B4) und danach die Basen (B5 und B6) angesteuεrt. Für εinε aπdεre Drehrichtung des Käfigläufers (7) sind dagegen die Transistoren (Tl bis T6) und somit die Stränge (Wl bis W3) in entgegensetzter Reihenfolge anzusteuern.

Für Positioπierbεtrieb wird ein Signal H in die Leitung (P) eingegeben, so daß am Eingang (El) des Mikroprozessors (34) ein Signal L anliegt. Der Mikrαprozεssor (34) stoppt daraufhin den Abruf der den Laufbetrieb bestimmεndεn Stεuerprogramme aus dem RAM-Speichεr (35) und startεt εin im ROM-Spεichεr (36) ^' abgεlεgtεs Programm, durch das diε Folge dεr an dεπ Ausgängεn (AI bis A6) ausgegebεnεn Signale entsprechend einer durch das Programm fest vorgegebenen Frequεnzrampe bis zum Ausbleiben der Signale reduziert wird.

Wenn die Folge der die Ausgänge (AI bis A6) verlassendεn Signale eine im Mikroprozessor (34) gespeicherte Greπzfrεqueπz uπterschrittεn hat, gibt der Mikroprozessor (34) an seinεm Ausgang (A) ein Signal H an das UND-Glied (39) ab. Da an dem zweiten Eingang des UND-Gliedes (39) berεits ε"in Signal H anliegt, wird dieses an die Eingäπgε (CLR und J) dεs Spεichers (40) weitεrgeleitet.

Der Speicher (40) weist eiπεn dynamischen Eingang (CL) auf, so daß das Ausgangssignal des UND-Gliedεs (39) nur dann aufgεnommεn und am Ausgang (Q) an die Leitung (V) abgegεben wird, wenn sich das am Eingang (CL) anliεgεπdε

Signal von L auf H ändert. Diessr Wεchsεl liegt vor, wenn die reflεktiereπde Hälfte (24) des Reluktanzläufers (15) in den Überwachungsberεich der Fotozelle (29) schwenkt.

Der Speicher (40) ist durch ein Signal H rücksetzbar, das in gεeigπetεr Weise über die Leitung (X) den Eingängen (PR und K) zugeführt wird.

Diε Ansteuerung des Speichers (40) über die Leitung (Z) ist erfordεrlich, um den Reluktaπzläufer (15) in einer eindεutigεn Stεllung, nachstehend als Raststelluπg bezeichnet, anzuhalten. Das Vorhandensεiπ . wεiεr Raststellungen bei dem Reluktanzläufεr (15) ist folgεπdεrmaßεn εrklärbar:

Das durch diε Ständεrwicklung (5) εrzεugtε Magnetfeld breitεt sich über die Luftspalte zwischen den Spulen (4) der Ständεrwicklung (5) und dεm Reluktanzläufer (15) aus und schließt sich übεr dεπ Laufεrkörpεr. Da diε magπεtischε Flußdichtε an dεr Stεllε dεs klεinstεn Luftspaltes ein Maximum annimmt, richtet sich der Rεluktanzläufer (15) stets so aus, daß die Ringsegmεnte (17 und 18) an dεn Nord- bzw. dεn Südpol dεs vom Ständer (2) erzεugteπ Magnetfeldes angrenzen. Da der Rεluktanzläufεr (15) selbst kein eigenes Magnetfeld erzeugt, sind aufgrund von dessεn zwei Ringsegmenteπ (17 und 18) zwei um 180 versε ztε Raststεlluπgεn möglich.

Dεr Wεchsel des Signals am Ausgang (Q) des Speichers (40) voή^L auf H wird dem Mikroprozessor (34) über den Eingang (E3) rückgemeldet, woraufhin dieser die Signalabgabe an den Ausgängen (A3 bis A6) beendεt und an dεn Ausgängen (AI) und (A2) Dauersignale H abgibt.

Diεse werdεn von dεπ ODER-Gliedern (41 und 42) den Basen (Bl und B2) zugeführt. Dadurch sind die Transistoren (Tl und T2) konstant auf Durchlaß geschaltst. Es wεrdεn somit nur die Stränge (Wl und W2) von Strom durchflössen, so daß diese die Magnetfelder zum Positionieren des Rεluktanzläufεrs (15) εrzεugεπ.

Dεr Zusatzläufer (14) kann auch als sin in Fig. 6 dargεstellter Dauermagnetläufer (48) ausgebildet sein, dessen Formgebung der des Reluktanzläufers (15) entspricht, wobei jεdoch diε Ringsεgmεπtstückε (17 und 18) durch Dauεrmagnεtε (49 und 50) ersetzt sind. Auch diese sind dem Außendurchmεssεr dεs Kεrnεs (8) dεs Käfigläufεrs (7) angepaßt.

Wenn bei Positionierbεtriεb ausschliεßlich diε Transistoren (Tl) und (T2) auf Durchgang geschaltεt sind, richtet sich der Dauermagnetläufer (48) eπtsprεchεπd dεm durch diε Windungεn (Wl und W2) gebildeten resultiεrεπden Magnetfεld aus, wobεi sich in positionierter Stellung die jeweils eπtgegεπgεsεtztεn Polε vom Magnεtfεld dεs Ständεrs (2) und dεm der Dauermagneten (49 und 50) gegenüberstehen.

Da der Dauεrmagnεtläufer (48) in eindεutigεr Stεllung positioniεrbar ist, kann auf diε Übεrwachungsεinrichtung (19) und auf dεn Spεichεr (40) vεrzichtεt wεrden. An den Ausgang des UND-Gliedes (39) ist dann die Leitung (V) angeschlossεn.