DE102005009866B4

DE102005009866B4 - Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger

Info

Publication number: DE102005009866B4
Application number: DE102005009866A
Authority: DE
Inventors: Udo Dannenmaier; Bruno Itschner
Original assignee: Dannenmaier Udo Dipl-Ing; Itschner Bruno Prof Dr
Current assignee: Dannenmaier Udo Dipl-Ing; Itschner Bruno Prof Dr
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-03-05
Also published as: DE102005009866A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung hoher elektrischer Leistung auf drehbare oder linear bewegliche Geräteträger mit integrierter berührungsloser bidirektionaler Kommunikationsverbindung ohne die Verwendung einer mechanisch-elektrischen Verbindung zur Energieübertragung. Es wird dabei eine Anordnung von Asynchronmaschinen beschrieben, bei der kein unerwünschtes Drehmoment zur Wirkung kommt. DOLLAR A Die rotationssymmetrische Anordnung und die Verwendung von Hohlwellen erlaubt ferner die einfache Einbringung für zusätzliche berührungslose Übertrager für eine störsichere Breitbandübertragung für Informationsströme in beide Richtungen, wodurch empfindliche Elektronik auf den beweglichen Geräteträgern reduziert werden kann. DOLLAR A Die Vorrichtung ist einsetzbar bei Rundtaktmaschinen, bei mehrspindligen Drehmaschinen, bei Lineartransfermaschinen, im allgemeinen Maschinenbau und im allgemeinen Fahrzeugbau.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, die drehbar über einer festen Plattform angeordnet sind, oder linearen oder kurvenförmigen Bewegungen folgen.
Bei vielen Verfahren zur Materialbearbeitung werden elektrisch betriebene Bearbeitungsmaschinen und Elektronik auf drehbaren oder anderweitig beweglichen Geräteträgern verwendet. Die dort benötigte elektrische Energie wird üblicherweise über geführte Kabel (sog. Energieketten) oder über andere elektromechanische Kontakte (Schleifringe etc.) zu den Geräteträgern gebracht. Nachteil all dieser Verfahren ist der Verschleiß; bei den drehbaren Geräteträgern ist es zusätzlich der endliche Drehwinkel und die dadurch notwendigen ständigen Rückwärtsbewegungen.

Es sind zwar bereits Vorrichtungen zur berührungslosen induktiven Übertragung von elektrischer Leistung und Daten bekannt geworden, so beispielsweise aus der DE 44 46 779 C2 oder der DE 103 44 055 A1 , auch für Werkzeugmaschinen wurde derartige Vorrichtungen bereits vorgeschlagen ( DE 100 12 981 A1 ).

Nachteilig an diesen Lösungen sind jedoch die Kräfte, die im Zusammenhang dieser Übertragung auf die daran beteiligten Baugruppen wirken.

Darüber hinaus ist durch die DE 233 387 C ein Anordnung mit zwei mechanisch und elektrisch gekuppelten Asynchronmaschinen bekannt, die jedoch nicht zur Energieübertragung von einem feststehenden auf einen beweglichen Teil dient sondern zur Drehzahlregelung der angetriebenen Welle.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, bei der elektrische Leistung in Geräteträger eingespeist werden kann, ohne dass es bei einer drehbaren Anordnung zu einem Drehmoment oder bei linearen oder kurvenförmigen Bewegungen zu einer Kraft in Vorschubsrichtung kommt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Vorrichtungen gelöst.

Ferner wird über zusätzliche speziell angeordnete berührungslose Übertrager eine störsichere Breitbandübertragung für Informationsströme in beide Richtungen ermöglicht.

Zum Verständnis des Hochenergieteils (Leistungsübertragung) wird zunächst ein Asynchronmotor betrachtet, der sowohl Wicklungen für Drehstrom im Ständer (Stator) besitzt als auch im Läufer (Rotor). Ein Vertreter dieses Typs wäre beispielsweise ein herkömmlicher Asynchronmotor mit Ständer- und Läufer- Wicklungen und Schleifringen am Läufer.

Da bei dem nachfolgend beschriebenen Prinzip die Energieflussrichtung umkehrbar ist, das heißt, dass sie vom Läufer in den Stator genauso übertragen werden kann wie vom Stator auf den Läufer, wird im weiteren nur von Feldwicklungen 1 und von Feldwicklungen 2 gesprochen.

Die Läuferwicklungen werden elektrisch über Drehstromkabel angeschlossen, das durch eine Hohlwelle verlegt wird. Bei den außen liegenden Ständerwicklungen wird der übliche Drehstromanschluss verwendet.

Wird nun bei dieser Anordnung in die Wicklungen 1 ein elektrisches Drehfeld eingespeist, so kann man an den Wicklungen 2 ein elektrisches Drehfeld abgreifen und somit berührungslos elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad von den Wicklungen 1 auf die Wicklungen 2 übertragen. Bei dieser Anordnung wird angenommen, dass die Wicklungen 1 fest mit dem Fundament verbunden sind, während die Wicklungen 2 über Lager frei drehbar angeordnet sind. Die Wicklungen 2 würden also zur Versorgung der Geräte auf dem drehbaren Geräte- und Maschinenträger verwendet.

Leider ergibt sich bei dieser Anordnung ein mechanisches Drehmoment in Richtung des Drehfeldes, wie es sich eben für einen Asynchronmotor mit Schleifringläufer gehört. Um diesen störenden Effekt zu beseitigen, wird die gleiche Anordnung wie bereits oben beschrieben, mechanisch parallel geschaltet: das heißt, auf der gleichen Antriebswelle (die als Hohlwelle ausgeprägt ist) sitzen zwei Rotoren mit jeweils einer vollständigen Drehfeld-Läuferwicklung (mindesten also dreipolig), ebenso wie im "verlängerten" Stator (Ständer) zwei gleichartige Drehfeldwicklungen sitzen.

In der weiteren Beschreibung werden nun alle Wicklungen zur Einspeisung Wicklungen 1a und Wicklungen 1b genannt. Die Wicklungen für den Energieabgriff heißen Wicklungen 2a und Wicklungen 2b.

Speist man nun in die Wicklungen 1a ein rechts drehendes Drehfeld ein und in die Wicklungen 1b ein links drehendes Drehfeld gleicher Stärke ein, so wirken bei gleicher Stromentnahme an den Wicklungen 2a und 2b die beiden Drehfelder als gleich große Drehmomente aber in entgegen gesetzter Richtung, so dass sich das resultierende Drehmoment zu Null ergibt. Um mit den Wicklungen 2a und den Wicklungen 2b praktisch immer die gleich große Leistung zu entnehmen, was zur Erfüllung des Wunsches "Drehmoment = Null" notwendig ist, ist es noch erforderlich, die Wicklungen 2a und 2b phasenmäßig geeignet parallel oder in Reihe zu schalten. Dies geschieht sinnvollerweise auch für die Wicklungen 1a und 1b. (Parallel oder in Reihe: Beides ist im Einspeisepfad und im Abgriffpfad möglich – man hat dadurch zusammen zusätzlich vier interessante nutzbare Freiheitsgrade).

Durch gezieltes unsymmetrisches Auskoppeln der elektrischen Leistung oder gar der Gleichschaltung der Drehfelder kann dieser Energieübertrager zusätzlich als Antrieb für den drehbaren Geräteträger verwendet werden.

Zur berührungslosen Übertragung großer elektrischer Leistungen wird also ein Prinzip verwendet, wie man es aus der Asynchronmotor-Technik mit Schleifringläufern kennt. Mehrere Ständer und Läufer werden mechanisch so in Reihe geschaltet, dass sich bei geeigneter Stromeinspeisung auf der Primärseite und bei geeigneter Stromentnahme auf der Sekundärseite jeweils das Gesamtdrehmoment zu Null ergibt.

Das oben an zwei derart zusammen geschalteten Asynchronmotoren erläuterte Prinzip lässt sich in einer Neuentwicklung zu einer Einheit in nur einer Ebene sowie auf eine ganze Reihe solcher mechanischer Reihenschaltungen von Asynchronmotoren übertragen. Das hat den Vorteil, dass man ganz verschieden geometrische Anforderungen erfüllen kann. Ebenso spielt die Polzahl bei dem Prinzip keine Rolle, aber auch sie kann konstruktiv zu speziellen Ausprägungen variiert werden. Es muss nur jeweils darauf geachtet werden, dass die Wicklungsverhältnisse, die u_k– Werte (u_k: = bezogene Kurzschlussspannung), die Verpolung etc. zusammen passen.

Um die Streufelder und Verluste klein zu halten ist es vorteilhaft, die Ständerwicklung bei einem Geräteträger, der eine lineare oder kurvenförmige Bewegung ausführt, abschnittsweise nur in dem Bereich einzuschalten, in dem sich der Läufer jeweils befindet. Bei einem großen zu bedienenden Bewegungsbereich bzw. bei langen Führungsschienen wären von der einspeisenden Schiene her nur die Teile zur Energie- Übertragung wirksam, die unmittelbar unter dem beschriebenen "asynchronen Abgriff liegen. Auf dem Rest der Schienen würden unnötig Streufelder erzeugt. Um dies zu verhindern, wird die Energie-Einspeisung nur unter dem Abschnitt eingeschaltet, über dem sich die Geräteträger aktuell befindet. Dazu wird das Vorhandensein der Geräteträger berührungslos erfasst und, davon abhängig, geeignete Relais bzw. Halbleiter ein oder abgeschaltet.

Dieses abschnittsweise Zuschalten einer einspeisenden Schiene kann auch vorteilhaft zum Antrieb eines Linearmotors verwendet werden.

Bei schnellen Bewegungen hat der bisher angegebene gerätetechnische Aufbau den Nachteil, dass durch den Abgriff des asynchronen Mechanismus Kräfte auftreten, die mit oder gegen die antreibende gewünschte Antriebskraft wirken können. Um dies zu verhindern, wird sowohl die Drehfeld Einspeisung als auch der asynchrone Abgriff, wie oben beschrieben, quer zur Bewegungsrichtung angeordnet. Aus Gründen der gleichmäßigen Übertragung ist hier eine mehrspurige und konstruktiv aufwändigere Polanordnung erforderlich.

Zusätzlich zur Leistungsübertragung ist eine Breitband- Datenübertragung zu Zwecken der Prozessleittechnik und spezieller anderer Protokolle zwischen Elektronik auf der einspeisenden Seite zu den Geräten und Maschinen auf dem Geräteträger und umgekehrt, möglich

Vorteilhaft lässt sich eine sichere Breitbanddatenübertragung durch einen zentral im Zentrum der Hohlwelle angeordneter Optokoppler oder Lichtleiter ausführen

Um den Hohlwellencharakter für andere Anwendungen zu erhalten (z.B. zur Materialzuführung etc.) werden ringförmig ausgeprägte Optokoppler oder/und Lichtleiter in der Weise angeordnet, dass sie in der Innenseite der Hohlwelle oder geschützt in einer Ausfräsung eingelegt sind. Bei kleinflächigen Sender- und Empfängerflächen wird für eine entsprechende Überlappung gesorgt.

Claims

Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, die drehbar über einer festen Plattform angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ständerwicklungen mechanisch fest miteinander zu einem Gesamtständer verbunden sind und mit verschiedenen Drehrichtungen ihrer Drehfelder betrieben werden; dass darin mehrere Läufer, die mechanisch zu einem Gesamtläufer verbunden sind, mit jeweils eigenen Läufenwicklungen auf einer gemeinsamen Hohlwelle so angeordnet sind, dass auch sie mit verschiedenen Drehrichtungen ihrer Drehfelder betrieben werden; wobei mit dieser Anordnung elektrische Leistung von der gewählten Primärseite (wählbar ist entweder Läufer oder Ständer) auf die Sekundärseite übertragbar ist, derart, dass das resultierende mechanische Moment zwischen Ständer und Läufer Null oder ein anderes vorgebbares Drehmoment eingehalten wird.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, die linearen oder kurvenförmigen Bewegungen folgen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ständerwicklungen parallel zueinander, mechanisch fest miteinander zu einem Gesamtständer verbunden sind und mit verschiedenen Bewegungsrichtungen ihrer Wanderfelder betrieben werden; dass davon beabstandet mehrere Läufer, die parallel zueinander mechanisch zu einem Gesamtläufer verbunden sind, mit jeweils eigenen Läuferwicklungen auf einer gemeinsamen Bahn so angeordnet sind, dass auch sie mit verschiedenen Bewegungsrichtungen ihrer Wanderfelder betrieben werden; wobei mit dieser Anordnung elektrische Leistung von der gewählten Primärseite (wählbar ist entweder Läufer oder Ständer) auf die Sekundärseite übertragbar ist, derart, dass die resultierende mechanische Kraft zwischen Ständer und Läufer Null oder ein anderer vorgebbarer Vorschub eingehalten wird.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklungen jeweils nur in dem Bereich elektrisch geschaltet sind, in dem sich der Gesamtläufer befindet.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger, die linearen oder kurvenförmigen Bewegungen folgen, nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständer- und Läuferwicklungen derart angeordnet sind, dass sich die Wanderfelder quer zur Bewegungsrichtung des Geräteträgers ausbreiten.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur elektrischen Leistung Daten zu Zwecken der Prozessleittechnik und spezieller anderer Protokolle zwischen Elektronik auf der einspeisenden Seite zu den Geräten und Maschinen auf dem Geräteträger übertragbar sind und umgekehrt.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung über einen im Inneren der Hohlwelle angeordneten Optokoppler und/oder Lichtleiter erfolgt.
Vorrichtung zur Einspeisung elektrischer Leistung in Geräteträger nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optokoppler und/oder Lichtleiter ringförmig ausgebildet sind und an der Innenseite der Hohlwelle oder geschützt in einer Ausfräsung eingelegt sind.