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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung umfassend ein Überlagerungsgetriebe, eine Hauptantriebsmaschine, die mit einer Eingangswelle des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, einen oder mehrere Hilfsantriebe und eine Ausgangswelle des Überlagerungsgetriebes, die mit einer Arbeitsmaschine verbunden werden kann; wobei das Überlagerungsgetriebe ein Planetengetriebe aufweist mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, einem Planetenträger und mehreren Planetenrädern, wobei die Eingangswelle mit dem Hohlrad, die Ausgangswelle mit dem Sonnenrad und der oder die Hilfsantriebe über zumindest je eine Getriebestufe mit konstanter Übersetzung mit dem Planetenträger verbunden sind.
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Bei einem Überlagerungsgetriebe werden allgemein zwei Wellen des Planetengetriebes durch voneinander unabhängige Antriebe so angetrieben, dass die Drehzahlen an der dritten Welle, der Ausgangswelle, addiert oder subtrahiert werden. Ist einer der Antriebe regelbar, dann kann so eine stufenlose Drehzahlregelung für die Ausgangswelle erreicht werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Antriebsvorrichtungen mit einem Überlagerungsgetriebe bekannt, bei dem eine Hauptantriebsmaschine über die Eingangswelle das Hohlrad eines Planetengetriebes und ein regelbarer Hilfsantrieb über eine Getriebestufe den Planetenträger antreibt, während die Arbeitsmaschine über die Ausgangswelle mit der Sonne verbunden ist. Durch eine solche Antriebsvorrichtung kann die Drehzahl an der Ausgangswelle in einem recht großen Drehzahlbereich stufenlos eingestellt werden und das bei konstant laufender Hauptantriebsmaschine.
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Des Weiteren ist es möglich, den Hauptantrieb lastfrei anzuschleppen, indem der Hilfsantrieb beim Hochlaufen jeweils die Drehzahl der Hauptantriebsmaschine einprägt. Erst wenn der Hauptantrieb in der Nähe der Nenndrehzahl ist und damit ein hohes Drehmoment aufbringen kann, wird die Last langsam beschleunigt, indem die Kompensation der Drehzahl durch den Hilfsantrieb reduziert wird.
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Genutzt werden solche Antriebsvorrichtungen insbesondere zum Antreiben von Pumpen, Verdichtern oder Kompressoren mit großer Leistung, wie sie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie oder in thermischen Kraftwerken verwendet werden.
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Eine solche Antriebsvorrichtung, zusätzlich mit einer Bremsvorrichtung ausgerüstet, die mit einem Hilfsantrieb verbunden ist, ist beispielsweise in
DE 102014210868 A1 gezeigt. Als mögliche Ausführung für die Bremsvorrichtung ist allgemein neben anderen Varianten auch eine Wirbelstrombremse erwähnt. Wobei die Bremsvorrichtung darin ausschließlich zum Abbremsen oder Stillsetzen der Ausgangswelle vorgesehen ist. Weitere Hinweise wie eine Wirbelstrombremse in dieser Vorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden kann, sind dort nicht zu finden.
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Nicht zufriedenstellend gelöst ist dabei das Problem, dass der Hilfsantrieb und das Getriebe beschädigt werden können, wenn der Hilfsantrieb im Betrieb ausfällt oder vom Netz getrennt werden muss. Ein solcher Ausfall kann auftreten, wenn ein sogenannter Blackout - ein kompletter Netzausfall - eintritt oder wenn Fehler an einem der Antriebe oder an einer der Schaltanlagen eine Abschaltung verursachen. Da in den oben genannten Anwendungsfällen meist die Massenträgheit der Hauptantriebsmaschine viel größer ist als die der angetriebenen Arbeitsmaschine, wird selbst bei Ausfall oder Abschaltung des Antriebsmomentes an der Hauptantriebsmaschine die Drehzahl der Arbeitsmaschine schnell gegen Null gehen. Aufgrund des Drehzahlgleichgewichtes am Planetengetriebe wird in dieser Getriebevariante der Planetenträger und der Hilfsantrieb stark beschleunigt. Dabei können unzulässige Drehzahlen am Planetenträger und an weiteren Systemkomponenten auftreten. Und noch kritischer ist es, wenn der Hauptantrieb in Betrieb bleibt, während der Hilfsantrieb ausfällt. Dann erfolgt eine noch schnellere Beschleunigung des Hilfsantriebes. Die im Stand der Technik beschriebene Bremseinrichtung am Hilfsantrieb ist nicht geeignet, dieses kritische Beschleunigen der Hilfsantriebe und des Planetenträgers bei einem Ausfall der Energieversorgung zuverlässig zu verhindern. Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine verbesserte Lösung für das obengenannte Problem zu finden. Wobei die Lösung kostengünstig umsetzbar sein soll.
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Für die Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung weiter verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wirbelstrombremse und zumindest eine Batterie als Energiespeicher vorgesehen sind, wobei die Wirbelstrombremse in der Triebverbindung zwischen dem Hilfsantrieb und dem Planetenträger angeordnet ist, und wobei die Wirbelstrombremse mit der Batterie zur Stromversorgung derart verbunden ist, dass bei Ausfall der Energieversorgung eines der Antriebe oder bei Störung eines der Antriebe die Wirbelstrombremse aktiviert und der oder die Hilfsantriebe abgebremst werden können. Insbesondere kann die Aktivierung der Wirbelstrombremse auch schon erfolgen, wenn ein Störfall oder Ausfall der Energieversorgung im System vorhergesehen wird.
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Der Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Lösung ist, dass damit zuverlässig eine Überdrehzahl am Planetenträger, dem schwächsten Glied in der Antriebsvorrichtung, vermieden werden kann. Somit sind besonders die Planetenbolzen vor einer Beschädigung durch zu hohe Fliehkräfte geschützt. Tritt nun ein oben beschriebener Störfall oder ein kompletter Ausfall der externen Energieversorgung ein, wird die Wirbelstrombremse aktiviert, indem die Batterie die Stromversorgung für die Wirbelstrombremse bereitstellt, so dass die Antriebsvorrichtung sicher abgebremst werden kann. Unter Batterie wird hier jede Form von elektrochemischem Energiespeicher verstanden und insbesondere auch aufladbare Akkumulatoren, wie beispielsweise Säure-Blei-Akkumulatoren.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wirbelstrombremse aufgrund ihrer Funktion bei hoher Differenzdrehzahl ein höheres Bremsmoment erzeugt, welches dann abnimmt, je mehr der Hilfsantrieb gebremst wird. Dadurch wird der Hilfsantrieb nicht unnötig stark abgebremst, sondern nur soweit bis die Gefahr der Überdrehzahl nicht mehr gegeben ist. Die Bremse ist außerdem verschleißfrei und damit sehr wartungsfreundlich. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Wirbelstrombremse gut im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden kann. Explosionsschutz-Vorgaben sind vor allem im Marktbereich Öl und Gas vorhanden. Eine solche Anlage kann mit der entwickelten Lösung selbst dann zuverlässig heruntergebremst werden, wenn der Antrieb mit seiner Wicklungstemperatur den zulässigen Temperaturschwellwert überschritten hat und keine Abbremsung über den Frequenzumformer mehr möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass sie relativ kostengünstig ist und mit wenigen zusätzlichen Komponenten realisiert werden kann. Zudem verursacht sie nur wenig Wartungsaufwand, was die Zuverlässigkeit weiter erhöht.
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Die Anordnung ist gut geeignet für hohe Drehzahlen am Abtrieb, wie sie beispielsweise bei schnelllaufenden Kompressoren oder bei großen Ventilatoren gefordert sind, weil dadurch der Bauraum und das Gewicht der Antriebsvorrichtung relativ gering gehalten werden können. Besonders vorteilhaft ist die erfinderische Ausführung, wenn die Hauptantriebsmaschine nur drehzahlkonstant betreibbar ist und der oder die Hilfsantriebe drehzahlgeregelt betreibbar sind und insbesondere der oder die Hilfsantriebe als Niederspannungsmotoren ausgeführt sind. Ein Großteil der Antriebsleistung kann von der konstant betriebenen Hauptantriebsmaschine aufgebracht werden. Diese benötigt keinen Frequenzumformer, was Investitionskosten spart. Bevorzugt wird die Hauptantriebsmaschine als Mittelspannungsmotor ausgeführt, also mit einer Spannung von mehr als 1 kV. Die Drehzahlregelung erfolgt über die Hilfsantriebe mit Frequenzumformer, die eine geringere Leistung benötigen und die bevorzugt als Niederspannungsmotoren mit einer Spannung von weniger als 1 kV ausgeführt sind. Somit fallen die dafür benötigten Frequenzumformer kleiner und kostengünstiger aus.
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Unter einer Getriebestufe wird eine Triebverbindung verstanden, die mit konstanter Übersetzung also festem Drehzahlverhältnis Leistung und Drehmoment überträgt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass auch ein eventuell auftretender Rückwärtslauf über längere Zeit abgebremst werden kann, da die Wirbelstrombremse in beide Rotationsrichtungen gleichartig wirkt. So ein Rückwärtslauf kann zum Beispiel bei Pumpen oder Kompressoren auftreten, wenn diese abgestellt sind oder heruntergefahren werden. Dabei ist es nötig den Rückwärtslauf bei stehender Hauptantriebsmaschine abzubremsen, da auch hierbei sonst eine unzulässige Überdrehzahl an bestimmten Komponenten auftreten kann.
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Bevorzugt werden zwei oder mehrere Wirbelstrombremsen vorgesehen, die bei Ausfall der Energieversorgung eines der Antriebe oder bei Störung eines der Antriebe aktiviert werden und den oder die Hilfsantriebe abbremsen können. Insbesondere ist jedem Hilfsantrieb zumindest eine Wirbelstrombremse zugeordnet. Die Anordnung der Wirbelstrombremsen kann allerdings auch so erfolgen, dass zwei Wirbelstrombremsen auf eine Welle einwirken.
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Durch die Verwendung mehrerer Wirbelstrombremsen kann eine größere Bremsleistung erzielt werden oder es können mehrere kleinere Wirbelstrombremsen eingesetzt werden, so dass nur ein geringerer Bauraum an der jeweiligen Einsatzstelle notwendig ist. Zudem kann die Wärmeentwicklung beim Bremsen auf mehrere Stellen verteilt werden, so dass die auftretende lokale Temperaturerhöhung geringer ausfällt.
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Bevorzugt ist die Wirbelstrombremse so angeordnet dass sie die gleiche Drehzahl wie der Hilfsantrieb hat. Der Hilfsantrieb weist meist eine höhere Drehzahl wie der Planetenträger auf und die Wirbelstrombremse hat bei höherer Drehzahl eine bessere Bremswirkung. Dadurch ist ein stärkeres Abbremsen möglich oder es kann ein kleinere Fläche der Wirbelstrombremse ausreichen, was eine kompaktere Ausführung ermöglicht.
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Die Wirbelstrombremse ist so aufgebaut, dass sie mehrere Erregerspulen-Paare mit unterschiedlicher Magnetfeldausrichtung an einer metallischen oder zumindest leitfähigen Bremsscheibe aufweist. Die Erregerspulen sind fest mit dem Getriebegehäuse verbunden. Fließt nun Strom durch die Erregerspulen baut sich ein Magnetfeld auf, das die Bremsscheibe durchflutet. Rotiert die Bremsscheibe senkrecht zu den Feldlinien des inhomogenen Magnetfeldes, so werden in der Bremsscheibe Wirbelströme induziert die eine bremsende Gegenkraft erzeugen. Die Bremskraft ist proportional zur Magnetfeldstärke, zur durchfluteten Fläche und zur Geschwindigkeit mit der die entsprechende Fläche durch das Magnetfeld bewegt wird. Um eine möglichst große Bremskraft zu erzeugen, können nun mehrere Spulenpaare angeordnet werden, so dass die Fläche vergrößert wird. Zudem ist es von Vorteil die Spulen auf einem möglichst großen Durchmesser der Bremsscheibe anzuordnen, damit die Umfangsgeschwindigkeit im Bereich der Durchflutung möglichst groß ist. Die Bremsenergie wird in der Bremsscheibe in Wärme umgewandelt und muss abgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Wirbelstrombremse eine Bremsscheibe, die mit einer der rotierenden Wellen des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, und mehrere Erregerspulen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe angeordnet sind. Durch die gegenüberliegende Anordnung ist eine kompakte Ausführung bei hoher Magnetflussdichte möglich.
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Alternativ kann die Wirbelstrombremse eine Bremsscheibe, die mit einer der rotierenden Wellen verbunden ist, und mehrere Erregerspulen aufweisen, die nur auf einer Seite der Bremsscheibe angeordnet sind. Das ist von Vorteil, wenn nur auf einer Seite der Bremsscheibe genug Einbauraum vorhanden ist oder wenn die Stromversorgung der Erregerspulen nur auf einer Seite möglich ist. In diesem Fall müssen jeweils zwei benachbarte Erregerspulen mit unterschiedlicher MagnetfeldAusrichtung über ein Joch für den magnetischen Rückfluss verbunden werden.
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In einer besonders platzsparenden Ausführung ist die Wirbelstrombremse so ausgeführt, dass eines oder mehrere der Zahnräder des Überlagerungsgetriebes als Bremsscheibe für die Wirbelstrombremse dienen. Die Erregerspulen-Paare sind dann am Zahnrad angeordnet. Das kann seitlich am scheibenförmigen Grundkörper des Zahnrades erfolgen, wobei sowohl eine beidseitige Anordnung mit gegenüberliegen Spulen, als auch eine einseitige Anordnung vorgesehen sein kann. Alternativ oder zusätzlich können die Erregerspulen auch auf die Stirnflächen des Zahnrades also auf die Außenumfangsfläche mit den Zähnen gerichtet sein. Hierbei ist nur eine einseitige Anordnung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Zahnrad, das als Bremsscheibe dient, ein Großrad ist, welches mit dem Planetenträger drehfest verbunden ist. Da das Großrad eine hohe Umfangsgeschwindigkeit aufweist, ist eine höhere Bremsleistung möglich. Oder es können Bereiche zwischen den Spulenpaaren ausgespart bleiben, so dass eine thermische Erholung zwischen den Bremsbereichen ermöglicht wird und dadurch eine geringere Temperaturerhöhung auftritt.
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Für eine zuverlässige Funktion im Störfall ist es von Vorteil, wenn eine Ansteuerung, insbesondere ein Relais zur Aktivierung der Wirbelstrombremse vorhanden ist, welche so ausgeführt ist, dass die Wirbelstrombremse aktiviert wird, wenn die Energieversorgung für die Ansteuerung unterbrochen wird. Das kann zum Beispiel über ein Rückstellfeder in der Schaltung erfolgen oder über ein Relais das im stromlosen Zustand in die Stellung zurückfällt, die die Stromversorgung über die Batterie aktiviert.
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Eine besonders kompakte Ausführung ergibt sich, wenn die eine oder die mehreren Wirbelstrombremsen innerhalb des Getriebegehäuses des Überlagerungsgetriebes angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt ist eine Schmierölpumpe vorhanden, die derart mit einer der Wellen der Antriebsvorrichtung mechanisch gekoppelt ist, insbesondere mit einer der Wellen des Planetengetriebes, dass sie auch bei Ausfall oder Unterbrechung der Energieversorgung für die Antriebsvorrichtung weiter angetrieben wird, solange sich die Welle dreht, und dadurch die Ölversorgung zur Schmierung und zur Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
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Um eine Überhitzung des Überlagerungsgetriebes zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Wirbelstrombremse außerhalb des Getriebegehäuses des Überlagerungsgetriebes angeordnet ist.
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Eine weitere sehr kompakte Ausführung ist möglich, wenn die Wirbelstrombremse im Hilfsantrieb integriert ist. Dazu wird der Hilfsantrieb so ausgeführt ist, dass er bei Versorgung mit Gleichstrom als Wirbelstrombremse arbeitet. So werden noch weniger zusätzliche Komponenten benötigt.
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Die Bremswirkung wird dadurch erzeugt, dass die 3-phasige Wicklung des Elektromotors des Hilfsantriebs mit Gleichstrom aus der Batterie beaufschlagt wird. Der Rotor dient als Bremsscheibe. Die normale Stromversorgung des Hilfsantriebs über den Frequenzumformer ist im Störfall unterbrochen.
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Eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit ist möglich, wenn die Antriebsvorrichtung so ausgeführt ist, dass von den drei Drehzahlen: die der Hauptantriebsmaschine, die der Ausgangswelle und die des Hilfsantriebes zumindest zwei Drehzahlen erfasst oder gemessen werden können, insbesondere mit Hilfe von Impulsgeber am Antrieb und/oder Drehzahlsensoren. Dadurch kann auch die dritte der Drehzahlen bestimmt werden, selbst wenn sie nicht gemessen wird. Somit lassen sich Fehler frühzeitig erkennen, und auf Störfälle kann schnell oder sogar vorausschauend reagiert werden.
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Nachfolgend wird beschrieben, wie im Störfall mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung eine unerwünschte Überdrehzahl am Hilfsantrieb, am Planetenträger oder an weiteren Systemkomponenten vermieden werden kann.
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Zunächst muss ein Ausfall oder eine Schnellabschaltung der Hauptantriebsmaschine oder eines Hilfsantriebes erkannt werden, insbesondere anhand eines Störungssignals. Das Erkennen eines Ausfalls oder einer Schnellabschaltung, wobei hiervon auch ein bevorstehender Ausfall oder eine bevorstehende Schnellabschaltung mit umfasst ist, kann beispielsweise über die Antriebssteuerung und/oder über Signale aus der Stromversorgung, insbesondere bei Ausfall des Versorgungsnetzes oder Auslösen von Sicherungseinrichtungen oder Not-Aus-Einrichtungen, erfolgen. Ebenso können Fehler- oder Störmeldungen verwendet werden.
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Zur Erkennung eines Ausfalls beziehungsweise einer unzulässig hohen Drehzahl wird bevorzugt eine Drehzahlmessung am Planetenträger oder an einem oder mehreren Hilfsantrieben vorgesehen. Die Messung kann über Drehzahlsensoren an geeigneter Stelle oder über Impulsgeber an den Antrieben erfolgen. Die Auslösung des Abbremsvorgangs erfolgt, wenn eine bestimmte Drehzahlgrenze erreicht oder überschritten wird. Diese Drehzahlgrenze ist von der zulässigen maximalen mechanischen Grenzdrehzahl vorgegeben.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn ein bevorstehender Ausfall der Hilfsantriebe bereits vor Eintritt erkannt werden kann. Dazu können beispielsweise Temperaturobergrenzen für die Wicklungstemperatur und/oder für die Lagertemperatur eines oder mehrerer Antriebe durch einen oder mehrere Temperatursensoren überwacht werden.
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Weiterhin können zur Erkennung eines Ausfalls oder bevorstehenden Ausfalls zusätzlich aktuelle Beschleunigungswerte aus den gemessenen oder ermittelten Drehzahlen verwendet werden. So kann beim Auftreten besonderer Gradienten in der Drehzahl ein Ausfall erkannt werden.
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Bei Erkennen eines entsprechenden Störfalles wird die Wirbelstrombremse aktiviert. Die Aktivierung kann beispielsweise über eine Relaisschaltung oder eine speicherprogrammierbare Steuerung erfolgen, indem die Stromversorgung durch die Batterie zugeschaltet wird. Wird die Energiezufuhr und damit die Steuerspannung unterbrochen fällt das Relais selbsttätig in die gewünschte Schaltstellung, so dass die Wirbelstrombremse mit der Batterie verbunden wird.
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Das Abbremsen der Antriebsvorrichtung muss dabei nicht unbedingt bis zum Stillstand erfolgen. In gewissen Grenzen kann mit der Wirbelstrombremse auch ein Notbetrieb bei reduzierter Drehzahl ermöglicht werden. So kann beispielsweise bei Ausfall der Hilfsantriebe die Wirbelstrombremse das nötige Stützmoment aufbringen, um die noch in Betrieb befindliche Hauptantriebsmaschine so abzubremsen, dass ein niedrigerer Lastpunkt mit der Antriebsvorrichtung gehalten werden kann.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit außenliegenden Wirbelstrombremsen
- 2 weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit außenliegenden Wirbelstrombremsen
- 3 Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit innenliegenden Wirbelstrombremsen
- 4 Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit Wirbelstrombremsen an den Zahnrädern
- 5 Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit einseitig angeordneten Wirbelstrombremsen an den Zahnrädern
- 6 weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung mit einseitig angeordneten Wirbelstrombremsen an den Zahnrädern
- 7 Schema für beispielhafte Ansteuerung der Wirbelstrombremse
- 8 Schematische Darstellung für beidseitige Anordnung der Spulen
- 9 Schematische Darstellung für einseitige Anordnung der Spulen
- 10 Schematische Darstellung für stirnseitige Anordnung der Spulen
- 11 Schema für beispielhafte Ansteuerung der Hilfsantriebe als Wirbelstrombremse
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung gezeigt, die über die Ausgangswelle 15 an die Arbeitsmaschine 1 angebunden ist. An einer solchen Vorrichtung kann die Drehzahllimitierung vorteilhaft umgesetzt werden. Das Überlagerungsgetriebe 17 weist ein Gehäuse 9 auf und umfasst ein Planetengetriebe 18. Die Eingangswelle 14 verbindet die Hauptantriebsmaschine 2 mit dem Hohlrad 4 des Planetengetriebes und die Ausgangswelle 15 verbindet das Sonnenrad 7 mit der Arbeitsmaschine 1. Die dritte Welle des Überlagerungsgetriebes wird durch die Hilfsantriebswellen 16.1 und 16.2 gebildet. Diese verbinden über die Getriebestufe mit den Zahnrädern 6.1 und 6.2 die Hilfsantriebe 3.1 und 3.2 mit dem Planetenträger 10. Der Planetenträger 10 trägt zum einen die Planetenräder 5 über die Planetenbolzen und zum anderen ist er mit einer Außenverzahnung als Großrad ausgebildet, das mit den jeweiligen Zahnrädern 6.1, 6.2 kämmt und so die Getriebestufe bildet. Das Zahnrad auf dem Planetenträger 10 kann auch als Zahnkranz gefügt sein, es muss nicht unbedingt einteilig aus dem Planetenträger gebildet sein. Im dieser Figur ist die bevorzugte Variante für die Getriebestufe nämlich in Form einer Stirnradstufe dargestellt. Weiterhin ist diese Ausführung mit zwei Hilfsantrieben 3.1 und 3.2 ausgestattet; die Erfindung kann aber auch mit nur einem Hilfsantrieb oder mit mehreren, zum Beispiel drei Hilfsantrieben umgesetzt werden. Wichtig ist, dass die Hilfsantriebe über zumindest eine Getriebestufe 6.1, 6.2 mit konstanter Übersetzung mit dem Planetenträger 10 gekoppelt sind.
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Die Hilfsantriebe 3.1, 3.2 sind als regelbare Motoren mit kleinerer Leistung und die Hauptantriebsmaschine 2 als Motor mit höherer Leistung aber konstanter Drehzahl ausgeführt. Bevorzugt können die Hilfsantriebe als Niederspannungsmotoren ausgeführt werden, da sie oft nur ca. 10 bis 30% der gesamten Antriebsleistung haben. Somit fallen auch die notwendigen Frequenzumformer und die sonstigen Komponenten zur Regelung kleiner und günstiger aus. Die Hauptantriebsmaschine 2 ist bei vielen Anwendungen als Mittelspannungsmotor ausgeführt, um insgesamt die benötigte Leistung zu liefern, und kann ohne Regelung ausgeführt werden. Solche Antriebsvorrichtungen sind besonders interessant bei hohen Leistungen von mehreren MW, wie sie bei schnelllaufenden Pumpen, Kompressoren oder Ventilatoren in der Öl- und Gasindustrie oder in thermischen Kraftwerken vorkommen. Über die Drehzahl und Drehrichtung der Hilfsantriebe 3.1, 3.2 kann die Drehzahl an der Ausgangswelle 15 um einen gewissen Anteil erhöht oder erniedrigt werden. Die Grenzen dieses Bereiches bei maximaler Drehzahl der Hilfsantriebe 3.1, 3.2 einmal in positiver und einmal in negativer Drehrichtung geben den möglichen Regelbereich vor.
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Fällt nun einer der Antriebe 2, 3.1, 3.2 aufgrund einer Störung aus oder wird eine Schnellabschaltung, insbesondere des Hauptantriebes 2, eingeleitet, so fällt die Drehzahl an der Arbeitsmaschine schnell ab, da deren Massenträgheit in diesen Anwendungen sehr viel kleiner ist, als die der Antriebsmotoren 2, 3.1, 3.2. Da die Massenträgheit der Hilfsantriebe 3.1, 3.2 auch noch kleiner ist als die der Hauptantriebsmaschine 2, werden der Planetenträger 10 und die Hilfsantriebe 3.1, 3.2 im Störungsfall durch das schnelle Auslaufen der Arbeitsmaschine 1 und das langsame Auslaufen der Hauptantriebsmaschine 2 beschleunigt. Wird dabei eine unzulässig hohe Drehzahl erreicht, können die Hilfsantriebe 3.1, 3.2 und besonders die Planetenräder 5 und deren Bolzen beschädigt werden. Eine sichere Auslegung des Planetengetriebes 18 auf diesen besonderen Störfall würde die Antriebsvorrichtung unnötig groß und teuer machen.
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In der in 1 dargestellten Ausführung sind nun zwei Wirbelstrombremsen 53.1, 53.2 vorhanden, die außerhalb des Getriebegehäuses 9 jeweils auf den Hilfsantriebswellen 16.1, 16.2 angeordnet sind. Somit sind sie in der Triebverbindung zwischen Hilfsantrieb 3.1,3.2 und Planetenträger 10 angeordnet und zudem drehen sie mit der Drehzahl der Hilfsantriebe, was eine hohe Bremswirkung ermöglicht. Die Wirbelstrombremsen 53.1, 53.2 weisen je eine Bremsscheibe 10 und jeweils mehrere Erregerspulen 51 auf, die beidseitig gegenüberliegend an der Bremsscheibe 50 angeordnet sind.
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Durch das Vorsehen einer oder mehrerer Wirbelstrombremsen 53.1, 53.2 an der Antriebsvorrichtung mit einer Batterie als Energiespeicher kann das Problem gelöst werden. Die Wirbelstrombremse 53.1, 53.2 kann bei einem Störfall über die hier nicht dargestellte Batterie mit Strom versorgt und aktiviert werden, und kann somit die Hilfsantriebe 3.1,3.2 und den Planetenträger 10 im Störfall zuverlässig abbremsen. Eine unzulässige Überdrehzahl wird sicher verhindert.
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Dabei muss das Abbremsen nicht unbedingt bis zum Stillstand erfolgen. Es kann in manchen Fällen ein kurzzeitiger Notbetrieb bei reduzierter Drehzahl aufrechterhalten werden, beispielsweise wenn die Hilfsantriebe 3.1,3.2 ausfallen und die Hauptantriebsmaschine 2 weiter in Betrieb ist. Dabei bringt die Wirbelstrombremse 53.1, 53.2 das nötige Stützmoment auf, um die Hauptantriebsmaschine 2 zu bremsen, und so einen niedrigeren Lastpunkt halten zu können. Die Stromversorgung der Wirbelstrombremse 53.1, 53.2 muss dafür allerdings sichergestellt sein.
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Des Weiteren können Drehzahlsensoren an den Antrieben 2, 3.1, 3.2 vorgesehen sein. Diese können beispielsweise durch die Impulsgeber der Motoren gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehzahlsensor am Zahnrad 6.1, 6.2, ein Drehzahlsensor am Großrad des Planetenträgers 10 oder ein Drehzahlsensor an der Ausgangswelle 15 vorhanden sein. Somit sind Varianten angegeben, mit denen alle Drehzahlen der Antriebe und die des Planetenträgers gemessen werden können. Letztendlich ist es allerdings ausreichend, wenn zwei dieser Drehzahlen gemessen werden, denn die übrigen Drehzahlen können dann über die Drehzahlgleichung des Planetengetriebes 18 und über die Übersetzungen bestimmt werden. Es sind somit nicht alle genannten Drehzahlsensoren gleichzeitig nötig.
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Die Bestimmung der Drehzahlen und insbesondere die Kenntnis über deren Verläufe im Störfall bieten den Vorteil, dass damit bestimmt werden kann, wie die Bremscharakteristik und der Bremsverlauf ausgelegt werden muss. Diese können über die Steuerung der Füllung der Retarders 12 beeinflusst werden.
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2 zeigt eine Alternative für die Anordnung der Wirbelstrombremsen 53.1, 53.2, 53.3. Hier sind die Wirbelstrombremsen auf einer Verlängerung der Hilfsantriebswellen 16.1, 16.2 angeordnet und damit gegenüberliegend zu den Hilfsantrieben 3.1,3.2. Je nach Einbausituation und verfügbarem Bauraum kann das unter Umständen vorteilhaft sein.
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Zusätzlich ist noch eine weitere Wirbelstrombremse 53.3 auf der Hilfsantriebswelle 16.2 vorhanden. So kann die Bremsleistung erhöht werden. Oder es kann die Größe der benötigten Wirbelstrombremsen dadurch reduziert werden.
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Die Ausführung in 3 stellt eine erfindungsgemäße Variante mit innenliegenden Wirbelstrombremsen 53.1, 53.2 dar, was eine kompaktere Anordnung erlaubt. Hier befinden sich die Wirbelstrombremsen ebenfalls auf den Hilfsantriebswellen 16.1, 16.2 aber innerhalb des Getriebegehäuses 9. Zur Schmierung und zur Kühlung kann eine Schmierölpumpe 8 verwendet werden, die im dargestellten Fall mechanisch über eine Stirnradstufe an die Eingangswelle 14 gekoppelt ist. Sie könnte auch an eine der anderen Wellen gekoppelt sein.
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4 stellt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dar. Diese Antriebsvorrichtung ist ebenfalls sehr kompakt und benötigt zudem weniger Zusatzkomponenten, da hier die Wirbelstrombremsen 52.1, 52.2 auf den Zahnrädern 6.1, 6.2 des Überlagerungsgetriebes angeordnet sind. Die Zahnräder 6.1, 6.2 dienen dabei als Bremsscheiben. Die Erregerspulen 51 sind wiederum beidseitig davon angeordnet.
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In 5 ist eine andere Anordnung für die Wirbelstrombremsen 54, 55 am Zahnrad 6.1 und am Großrad des Planetenträgers 10 zu sehen. Die Erregerspulen 51 sind nur einseitig an den Zahnrädern angeordnet und jeweils paarweise mit einem Joch zum magnetischen Rückfluss verbunden. Die Zahnräder 6.1, 10 dienen als Bremsscheiben. Aufgrund des großen Durchmessers des Großrades ergibt sich eine hohe Umfangsgeschwindigkeit und damit eine hohe Bremswirkung. Nur durch die einseitige Anordnung der Erregerspulen ist die Ausnutzung dieses Effektes möglich, da sonst kein Platz für einen Einbau am Großrad vorhanden wäre. 6 zeigt noch eine weitere Variante, bei der die Wirbelstrombremsen ebenfalls am Zahnrad 6.1 und am Großrad des Planetenträgers 10 angeordnet sind. Hier sind die Erregerspulen allerdings von außen auf die Stirnflächen der Zahnräder, also auf die Umfangsfläche mit den Zähnen gerichtet. Gegebenenfalls muss die Stirnfläche des Großrades etwas verbreitert werden, um dafür Platz zu schaffen. Auch diese Erregerspulen sind einseitig angeordnet und auf der abgewandten Seite paarweise mit einem Joch für den magnetischen Rückfluss verbunden.
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So sind zahlreiche Varianten für die erfindungsgemäße Ausführung der Antriebsvorrichtung mit Wirbelstrombremse möglich. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der hier vorgestellten Varianten möglich. Je nach Anwendungsfall und Einbausituation kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Größe und Bremsleistung angepasst werden.
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Nicht dargestellt ist die erfindungsgemäße Variante, bei der die Hilfsantriebe 3.1, 3.2 als Wirbelstrombremsen eingesetzt werden. Die schematische Darstellung einer dazu möglichen Ansteuerung ist in 11 zu sehen und wird dort beschrieben.
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7 zeigt schematisch, wie eine Ansteuerung für die Erregerspulen 51 der Wirbelstrombremse aussehen könnte. Dargestellt sind hier exemplarisch nur zwei Erregerspulen, es können aber auch mehrere Erregerspulen vorgesehen werden. Die Ladeschaltung 103 sorgt dafür, dass die Batterie 104 geladen wird, und überwacht auch den Ladezustand. Wird ein Störfall, wie zuvor schon beschrieben, erkannt, so fällt das hier verwendete Relais 101 aufgrund des wegfallenden Steuerstroms durch die Ansteuerung 102 in den Zustand, der die Verbindung zwischen der Batterie 104 und den Erregerspulen 51 schließt. Dadurch wird die Wirbelstrombremse aktiviert.
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Als Batterie 104 können, wie oben beschrieben, besonders bevorzugt Akkumulatoren, insbesondere Säure-Blei-Akkumulatoren eingesetzt werden. Zudem kann die Batterie 104 auch aus mehreren Batterien gebildet werden, die zusammengeschaltet werden, um die nötige Stromstärke und die nötige Energiemenge bereitzustellen. Sind mehrere Wirbelstrombremsen vorhanden, so können diese jeweils von separaten Batterien versorgt und von separaten Relais angesteuert werden oder es können mehrere Wirbelstrombremsen von einem Relais angesteuert und von einer Batterie 104 versorgt werden.
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Ein schematischer Aufbau einer Wirbelstrombremse mit beidseitig angeordneten Erregerspulen 51 ist in 8 zu sehen. Die Erregerspulen 51 sind mit abwechselnder magnetischer Ausrichtung angeordnet, so dass bei Aktivierung der Spulen eine Durchflutung der Bremsscheibe 50 entsprechend der eingezeichneten Magnetfeldlinien zwischen zwei gegenüberliegenden Spulen 51 entsteht. Die Rotation der metallischen, elektrisch leitenden Bremsscheibe 50 im sich ändernden Magnetfeld wird eine Bremskraft erzeugt. Durch die Größe, die Anzahl und die Anordnung der Erregerspulen 51 kann die Bremskraft eingestellt werden. Exemplarisch dargestellt sind hier 10 Spulenpaare.
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In 9 ist eine Variante einer Wirbelstrombremse mit einseitig angeordneten Erregerspulen 51 dargestellt, wie sie ebenfalls in einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung benutzt werden kann. Hier liegen die zu einem Paar gehörenden Erregerspulen 51 nicht auf gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 50 sondern auf der gleichen Seite. Damit der Magnetfluss geschlossen wird, ist eine Joch 56 auf der Rückseite der Erregerspulen notwendig, das jeweils zwei benachbarte und unterschiedlich ausgerichtete Erregerspulen 51 miteinander verbindet. Auch hier führt die Rotation der Bremsscheibe 50 um die Rotationsachse 57 zur Induktion einer Bremskraft. Bevorzugt sind die Spulenpaare entlang einer Umfangslinie seitlich von der Bremsscheibe 50 angeordnet.
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In 10 ist eine Ausführung einer Wirbelstrombremse mit stirnseitig am Außenumfang der Bremsscheibe 50 angeordneten Erregerspulen 51 gezeigt. Auch hier werden je zwei benachbarte, magnetisch unterschiedlich ausgerichtete Spulen über ein Joch 56 auf der Rückseite verbunden. Die so entstehende magnetische Durchflutung in der Bremsscheibe verursacht bei Rotation der Bremsscheibe 50 eine Bremskraft.
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Für alle Ausführungen der Wirbelstrombremse gilt, wie zuvor schon ausgeführt, dass als Bremsscheibe auch ein Zahnrad des Überlagerungsgetriebes dienen kann, insbesondere ein Zahnrad, das auf einer Hilfsantriebswelle sitzt oder ein Großrad, das mit dem Planetenträger verbunden ist.
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11 zeigt für eine erfindungsgemäße Ausführung, bei der ein Hilfsantrieb als Wirbelstrombremse benutzt wird, wie die Ansteuerung realisiert werden kann. Im Störfall wird die Energieversorgung vom Frequenzumformer 100 zum Hilfsantrieb 3.1 unterbrochen. Das Relais 101 verbindet die Batterie 104 mit den Spulen des Hilfsantriebs, wenn der Steuerstrom durch die Ansteuerung 102 wegfällt. Die Spulen des Hilfsantriebs werden dadurch mit Gleichstrom beaufschlagt, was zu einer Bremskraft im Rotor des Hilfsantriebs führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsmaschine
- 2
- Hauptantriebsmaschine
- 3.1,3.2
- Hilfsantrieb
- 4
- Hohlrad
- 5
- Planetenräder
- 6.1,6.2
- Stirnräder einer Getriebestufe
- 7
- Sonnenrad
- 8
- Schmierölpumpe
- 9
- Getriebegehäuse
- 10
- Planetenträger
- 14
- Eingangswelle
- 15
- Ausgangswelle
- 16.1, 16.2
- Hilfsantriebswellen
- 17
- Überlagerungsgetriebe
- 18
- Planetengetriebe
- 50
- Bremsscheibe
- 51
- Erregerspule
- 52.1, 52.2
- Wirbelstrombremse an Zahnrad
- 53.2, 53.2
- Wirbelstrombremse
- 54, 55
- einseitig angeordnete Wirbelstrombremse
- 56
- Joch
- 57
- Rotationsachse
- 100
- Frequenzumformer
- 101
- Relais
- 102
- Ansteuerung Relais
- 103
- Ladeschaltung
- 104
- Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014210868 A1 [0006]