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Elektrischer Asynchronmotor
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Beschreibung: Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Asynchronmotor
nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 bis 4. Insbesondere bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf einen asynchronen Drehstrommotor, der als Positionierantrieb
einsetzbar ist.
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Für Positioniereinri-chtungen und andere technische Anwendungen, bei
denen es darauf ankommt, mit hoher Geschwindigkeit, hohen Arbeitskräften und großer
Genauigkeit zwei Teile zueinander zu verschieben, werden häufig Gleichstrommotore
verwendet. Gleichstrommotore sind zwar für solche Aufgaben gut geeignet, da sie
über eine gute Regelfähigkeit verfügen, haben jedoch den Nachteil, daß sie relativ
teuer sind, einen aufwendigen Regelkreis benötigen und eine kurze Lebensdauer haben.
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Gleichfalls wird häufig ein Drehstrommotor mit Käfigläufer bzw. mit
Kurzschlußrotor für Antriebszwecke eingesetzt. Ein solcher Drehstrommotor arbeitet
als Asynchronmotor und wird daher vor allem auf solchen Gebieten eingesetzt, wo
es lediglich von Bedeutung ist, eine einfache Leistungsquelle zu haben, jedoch unerheblich
ist, mit welcher Drehzahl der Rotor arbeitet. Will man einen derartigen, mit Schlupf
behafteten Drehstrommotor als Antrieb für eine Positioniereinrichtung verwenden,
so ist es nötig, dem Motor mit einer variablen Speisestromfrequenz zu betreiben.
Für die Erzeugung eines frequenzveränderlichen Speisestroms ist ein äußerst aufwendiger,
teuerer
und in der Regel leistungsstarker Frequenzumformer nötig.
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Brauchbare Eigenschaften als Positionierantrieb hat ein mit einem
Asynchronläufer ausgerüsteter Drehstrom motor nur dann, wenn er eine mechanische
Bremse aufweist, die den Läufer des Asynchronmotors bei Erreichen einer gewünschten
Winkellage des Asynchronläufers anhält. Ohne eine derartige Bremse genügen bereits
geringe, auf die Welle des Drehstrommotors einwirkende Drehmomente, um den Positionierantrieb
wieder aus der gewünscht-en Lage zu bringen. Soll ein derartiger Asynchronmotor
in seiner Drehrichtung umgeschaltet werden, so muß die Drehrichtung des Statorfeldes
umgeschaltet werden. Eine derartige Feldumschaltung ist, wie dem Fachmann bekannt
ist, unerwünscht, da sie nur mit hohen Schaltleistungen zu bewerkstelligen ist.
Darüberhinaus verfügt ein als Asynchronmotor ausgeführter Drehstrommotor nur über
mangelhafte Langsamlaufeigenschaften, so daß eine exakte Einstellung eines Positionierantriebs
mit einem Asynchronmotor nur über ein Getriebe möglich ist. Die Kombination einer
elektrischen Steuerung mit einem mechanisch zu steuernden Getriebe ist jedoch für
viele Anwendungsfälle zu aufwendig.
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Gute Einstellergebnisse in Positionierantrieben werden regelmäßig
mit Schrittmotoren erreicht. Jedoch haben Schrittmotore einerseits einen sehr hohen
Preis, der ihren Einsatz häufig verhindert, und andererseits eine bei industriellen
Anwendungen begrenzte Leistung von etwa einem 1/2 KW. Darüberhinaus haben industrielle
Schrittmotoren den Nachteil, bei hohen Drehzahlen nur unsicher zu positionieren.
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Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen asynchronen Drehstrommotor so weiterzubilden, daß er
als Positionierantrieb einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei den Motoren nach den Oberbegriffen der Ansprüche
1 bis 4 jeweils durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils dieser Ansprüche gelöst.
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Zum Stand der Technik wird der Vollständigkeit halber auf nachfolgend
aufgeführte Druckschriften hingewiesen, in denen bereits Motoren beschrieben sind,
die zwei Stator-Rotor-Sätze haben: GB-PS 20 43 359, US-PS 35 71 693, US-PS 35 39
891, AT-PS 46 682, US-PS 30 17 553, GB-PS 1 270 247, GB-PS 975 102, EP-A- 084717,
DE-PS 515 130, EP-A- 049 106, US-PS 42 27 187, DE-OS 25 56 272, DE-OS 30 20 660,
EP-A- 037 307.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundkonzeption, durch zwei
voneinander unabhängige Wicklungssätze, die sowohl statorseitig als auch läufer-
bzw. rotor-seitig angeordnet sein können, gegenläufige Felder zu erzeugen, und durch
steuerbaren Kurzschluß in den jeweils diesen Wicklungssätzen gegenüberliegenden
Wicklungssätzen, die wiederum sowohl Rotor- bzw. Läufer- oder Statorwicklungssätze
sein können, bzw. durch Steuerung der Belastung der letztgenannten Wicklungssätze,
die Drehrichtung bzw.
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Verschiebungsrichtung und das Drehmoment bzw. die Zugkraft der Motoren
zu steuern.
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Der in Anspruch 1 näher beschriebene elektrische Asynchronmotor verfügt
über zwei Statoren, die jeweils eine Mehr-.
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zahl von Statorwicklungen aufweisen, die elektromagnetische Drehfelder
erzeugen. üblicherweise wird sowohl der erste Stator wie auch der zweite Stator
mit je drei Statorwicklungen ausgerüstet sein. Jedem Stator ist jeweils ein Rotor
zugeordnet, der mindestens eine Rotorwicklung hat.
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Die beiden Rotoren sind mechanisch miteinander gekoppelt.
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Wenn diese Kopplung derart ausgeführt ist, daß sich die Rotoren gleichsinnig
drehen, so werden die Statorwicklungen derart verschaltet, daß sich die von ihnen
erzeugten Drehfelder entgegengesetzt drehen. Wenn die mechanische
Kopplung
des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor derart ist, daß sich die Rotoren entgegengesetzt
zueinander drehen, so sind die Statorwicklungen des ersten und zweiten Stators derart
verschaltet, daß die von ihnen erzeugten Drehfelder eine gleiche Drehrichtung haben.
An die erste Rotorwicklung und an die zweite Rotorwicklung ist jeweils eine steuerbare
Last angeschlossen. Hierunter muß nicht unbedingt eine rein Ohm t sche Last verstanden
werden, denn es kann, wie nachfolgend näher erläutert wird, als Last ein elektronischer
Schalter verwendet werden, der die Rotorwicklungen mit einem veränderlichen Tastverhältnis
kurzschließt. Unter Tastverhältnis sei hier das Verhältnis der Kurzschlußzeit zur
Leerlaufzeit einer Rotorwicklung verstanden. Der Asynchronmotor mit den Merkmalen
des Anspruches 1 kann durch Variation der auf die mindestens eine erste Rotorwicklung
wirkenden ersten Last gegenüber der auf die mindestens eine zweite Rotorwicklung
wirkenden zweiten Last in seiner Drehrichtung sowie in seinem Drehmoment gesteuert
werden. Wird beispielsweise nur die erste Rotorwicklung kurzgeschlossen, während
die zweite Rotorwicklung unbelastet bleibt, so läuft der Asynchronmotor in der Drehrichtung,
die durch das vom ersten Stator erzeugte Drehfeld vorgegeben ist. Entsprechend kann
der Motor aus der durch die Drehrichtung des ersten Drehfeldes gegebenen Drehrichtung
abgebremst werden, in dem die erste Rotorwicklung von der ersten Last abgekoppelt
wird und die zweite Rotorwicklung belastet wird. Damit wirkt auf das Rotorpaar ein
durch das zweite Drehfeld erzeugte Drehmoment ein.
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Wird die erste bzw. zweite Last pulsförmig an die erste bzw. zweite
Rotorwicklung angeschaltet, so kann durch .Variation der Pulsbreite, der Pulsfrequenz
bei konstanter Pulsbreite, durch Wahl der Phase etc. eine beliebige, stufenlos einstellbare
Steuerung des Drehmomentes des Asynchronmotors vorgenommen werden. Ein-derartiger
Motor erlaubt Richtungsänderungen im Millisekundenbereich bei einfacher und genauer
Positionierung und guter Regelfähig-
keit, ohne daß ein Umschalten
der Drehstromversorgung der Statorwicklungen nötig wäre.
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Erfindungsgemäß kann der Asynchronmotor auch die in Anspruch 2 aufgeführten
Merkmale haben. Ein derartiger Asynchronmotor verfügt über einen ersten und zweiten
Stator mit jeweils wenigstens einer Statorwicklung sowie über einen ersten und zweiten
Rotor, die mechanisch-miteinander verbunden sind. Die Rotoren verfügen jeweils über
eine Mehrzahl von Rotorwicklungen. Die Drehrichtungen der Drehfelder sind entgegengesetzt,
wenn die Rotoren derart mechanisch gekoppelt sind, daß sie sich gleichsinnig drehen,
und gleichgerichtet, wenn die Rotoren aufgrund ihrer mechanischen Kopplung eine
entgegengesetzte Drehrichtung zueinander aufweisen. Mindestens eine erste Statorwicklung
ist an eine erste steuerbare Last und mindestens eine zweite Statorwicklung an eine
zweite steuerbare Last angeschlossen. Zwar ist es bei einem derartigen Motor erforderlich,
die Netzspannung zum Erregen der von den Rotorwicklungen erzeugten Drehfelder über
Schleifringe zuzuführen, doch hat ein derartiger Motor den enormen Vorteil, daß
die gesamte Steuerelektronik im Stator des Motors angeordnet werden kann.
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Die in den Ansprüchen 3 und 4 beschriebenen asynchronen Linearmotoren
stellen eine Übertragung des in Anspruch 1 und 2 beschriebenen -Motorprinzips auf
den Linearmotor dar.
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Auch derartige Linearmotoren ermöglichen eine gute Positionierung,
eine schnelle Richtungsänderung der Läuferbewegung ohne Umschalten der Drehstromversorgung,
erfordern nur eine billige Steuerungselektronik und haben eine lange Lebensdauer.
In Übereinstimmung mit den in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Rotations-Asynchronmotoren
können auch die Linearmotoren nach den Ansprüchen 3 und 4 durch Impulsfolgen schnell
gesteuert werden.
Vorteilhafterweise ist die Einrichtung zum mechanischen
Koppeln der Rotoren gemäß Anspruch 5 eine Welle.
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Die in Anspruch 6 beschriebene Weiterbildung der erfindungsgemäRen
Motoren hat gegenüber einer steuerbaren Ohmschen Last den. Vorteil; zu einem besonders
hohen Motorwirkungsgrad zu führen, da der elektronische Schalter lm Idealfall keinen
Durchlaßwiderstand hat und somit keine Verlustleistungen verursacht.
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Vorteilhafterweise werden die elektronischen Schalter gemäß Anspruch
7 von einer Steuerschaltung angesteuert.
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Die in Anspruch 8 beschriebene Weiterbildung des Motors gemäß Anspruch
1 hat den Vorteil, daß die erste und zweite Last außerhalb des Rotors angeordnet
sein kann.
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Bei der in Anspruch 9 beschriebenen Weiterbildung des Motors gemäß
Anspruch 1 entfallen die häufig relativ schnell verschleißenden Schleifringe zwischen
Rotorwicklung und der Steuerschaltung, da die Ubertragungsstrecke zwischen Stator
und Rotor als optische Strecke ausgeführt ist. Beispielsweise kann die Steuerschaltung
für jede-Last eine in ihrer Helligkeit gesteuerte Leuchtdiode aufweisen, mit der
ein sich mit dem Rotor drehender Fototransistor angesteuert wird, der entweder selbst
die erste oder zweite Last darstellt oder der ein für hohe Ströme ausgelegtes Halbleiterschaltelement
steuert.
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Anspruch 10 beschreibt eine einfache Verbindung der Rotorwicklungen
des Motors nach Anspruch 2 mit der Drehstromversorgung.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Rotationsmotoren ist in Anspruch
11 beschrieben. Aufgrund der von der Meßeinrichtung ermittelten Information über
die Winkellage können die erste und zweite Last derart angesteuert werden,
daß
eine Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Winkellage des Rotors kompensiert
wird.
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Anspruch 12 betrifft eine Abwandlung der in Anspruch 11 beschriebenen
Meßeinrichtung für den Fall eines Linearmotors.
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ZweckmäßigerweiSe ist die MeBeinrichtung gemäß Anspruch 13 ausgeführt,
da die digitale Erfassung der Lage des Läufers bzw. Rotors eine einfache Signalauswertung
ermöglicht.
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Eine automatische Nachführung der Lage des Läufers bzw.
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Rotors in die gewünschte Soll-Lage wird mit einer Schaltung gemäß
Anspruch 14 ermöglicht. Vorzugsweise wird man die Sehaltung so ausführen, daß bei
geringer Abweichung der Soll-Lage von der Ist-Lage des Läufers bzw. Rotors die Wicklung
des Motorteils, der die gewünschte Drehrichtung liefert, nur mit einer geringen
Last beaufschlagt wird, während bei starker Abweichung der Soll-Lage von der Ist-Lage
ein ständiger Kurzschluß an der entsprechenden Wicklung erzeugt wird, um ein schnelles,
jedoch im Grenzbereich weiches Nachführen des Asynchronmotores zu ermöglichen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen: Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines ersten Asynchronmotors, und Fig. 2 ein
Schaltungsdiagramm eines zweiten Asynchronmotors.
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Der in Fig. 1 gezeigte elektrische Asynchronmotor hat einen ersten
Stator 1 und einen zweiten Stator 5-. Der erste Stator 1 verfügt über drei erste
Statorwicklungen
2, 3, 4. Der zweite Stator hat drei zweite Statorwicklungen
6, 7 und 8. Dem ersten Stator 1 ist ein erster Rotor 9 zugeordnet, während dem zweiten
Stator 5 ein zweiter Rotor 13 zugeordnet ist. Der erste Rotor 9 verfügt über drei
erste Rotorwicklungen 10, 11, 12. Der zweite Rotor 13 v-erfügt über drei zweite
Rotorwicklungen 14, 15, 16.
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Die beiden Rotoren stehen über eine Welle 17 in Drehverbindung.
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Auf der Welle 17 sind drei Schleifringe 18 bis 20 angeordnet, die
eine elektrische Verbindung zu den feststehenden Bürsten 21 bis 23 herstellen. Jede
Rotorwicklunge 10 bis 12, 14 bis 16 des ersten und zweiten Rotors 9, 13 ist über
in gleicher Richtung gepolte Dioden 24, 26, 28, 30, 32 und 34 an den ersten Schleifring
angeschlossen.
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Im Vergleich zu diesen Dioden rückwärts gepolte Dioden verbinden die
Rotorwicklungen 10 bis 12 des ersten Rotors 9 mit dem zweiten Schleifring 19, während
in ähnlicher Weise durch gleichfalls rückwärts gepolte Dioden die Rctorwicklungen
14 bis 16 des zweiten Rotors 13 an den .dritten Schleifring 20 angeschlossen sind.
Zwischen den Bürsten 21, 22 des ersten und zweiten Schleifrings 18, 19 sowie zwischen
den Bürsten 21, 23 des ersten und dritten Schleifrings 18, 20 sind die Kollektor-Emitter-Strecken
von zwei Schalttransistoren geschaltet. Diese Transistoren dienen lediglich als
Sinnbilder für elektronische Schaltelemente, die einen Kurzschluß bzw. Leerlauf
zwischen den jeweiligen Bürstenpaaren 21, 22; 21, 23 erzeugen können.
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Selbstverständlich können derartige elektronische Schaltelemente als
Thyristoren oder als Triacs ausgeführt sein.
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Diese elektrischen Schaltelemente 36, 37 bilden die erste bzw. zweite
Last für die ersten Rotorwicklungen 10 bis 12 bzw. zweiten Rotorwicklungen 14 bis
16. Der Schaltzustand der Schaltelemente 36, 37 wird durch pulskettenförmige Signale
bestimmt, die diesen Schaltelementen von einer Steuerschaltung 39 zugeführt werden.
Auf der Welle 17 des Motors ist eine Winkelmeßeinrichtung 38 angeordnet.
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Üblicherweise ist eine derartige Winkelmeßeinrichtung 38 als optoelektronischer
Impulsgeber ausgeführt, der beispielsweise eine bestimmte digitale Signalkombination
erzeugt, die die Winkellage der Welle 17 darst.ellt. Das von der Winkelmeßeinrichtung
38 erzeugte, den Winkel darstellende Digitalsignal wird der Steuerschaltung 39 zugeführt,
die ihrerseits aufgrund dieses Digitalsignales und einer ihr zugeführten Information
über die Soll-Winkellage geeignete Steuersignale für die Schaltelemente 36, 37 erzeugt.
Ein derartiges Steuersignal kann beispielsweise eine Pulskette von Pulsen mit konstanter
Impulslänge sein, wobei bei ansteigender Abweichung der Soll-Winkellage von der
Ist-Winkel lage des Rotors eine ansteigende Pulsfrequenz gewählt wird, um somit
das Tastverhältnis des Steuersignals bei ansteigender Winkelabweichung zu erhöhen.
Dem Fachmann ist jedoch klar, daß ebenfalls eine Pulsbreitenmodulation zur Steuerung
der Schaltelemente verwendet werden kann.
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Ein abweichendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Der
in Fig. 2 gezeigte Asynchronmotor verfügt über einen ersten Stator 1 und einen zweiten
Stator 5. Der erste Stator 1 hat eine erste Statorwicklung 2. Der zweite Stator
5 hat eine zweite Statorwicklung 6. Dem ersten Stator ist ein erster Rotor 9 zugeordnet,
der über drei erste Rotorwicklungen 10, 11 und 12 verfügt. Dementsprechend hat der
zweite Stator 5 einen ihm zugeordneten Rotor 13, der ebenfalls über drei zweite
Rotorwicklungen 14, 15 und 16 verfügt. Die beiden Rotoren 9, 13 sind über eine Welle
17 miteinander verbunden. Auf der Welle 17 sind drei Schleifringe 18, 19 und 20
angeordnet, die mit Bürsten 21, 22 und 23 an eine dreiphasige Drehstromversorgung
angeschlossen sind. Die Wicklungen des ersten und zweiten Rotors 9, 13 sind derart
an die Schleifringe 18 bis 20 angeschlossen, daß die von den Rotoren erzeugten Drehfelder
eine entgegengesetzte Drehrichtung haben. In Ubereinstimmung mit dem in Bezug auf
Fig. 1 beschriebenen Ausfürungs-
beispiel ist an die Welle 17 eine
Winkelmeßeinrichtung 38 angeschlossen, die ein die Winkellage der Welle 17 darstellendes
Digitalsignal erzeugt, das einer Steuerschaltung 39 zugeführt wird. Die Steuerschaltung
39 steuert den Ein- bzw. Aus-Schaltzustand der Schaltelemente 36, 37, die an die
erste Statorwicklung 2 bzw. an die zweite Statorwicklung 6 angeschlossen sind.