DE1960788A1 - Elektrische Antriebseinrichtung fuer Gleichstrommotoren,insbesondere fuer Naehmaschinen - Google Patents

Description

FATENTANWXLTE

DR. E. WIEGAND DIPL.-ING. W. NIEMANN I 3 O U / ö 8

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON: 395314 2000 HAMBURG 50, 2. Dez· I969

TELEGRAMMEi KARPATENT KONIGSTRASSE 28

W.2399V69 Vh

The Singer Company, Elizabeth, New Jersey (V.St.A.)

Elektrische Antriebseinrichtung für Gleichstrommotoren insbesondere für Nähmaschinen·

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebseinrichtung für Gleiehstrommotore und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in einer Nähmaschine.

Während einer Reihe von Jahren ist eine Anzahl von Induktionsmotoren, die einheitlich ein Schwungrad und einen Kupplungs-Bremsmechanismus enthalten, zum Antrieb von industriellen Nähmaschinen entwickelt worden· Diese Induktlonsmotore werden mit der Pferdestärke berechnet, welche erforderlich ist, um die Nähmaschine mit der gewünschten Geschwindigkeit kontinuierlich anzutreiben, und eine schnelle Beschleunigung wird durch Speichern von kinetischer Energie in dem Schwungrad erhalten, und die übertragung dieser gespeicherten Energie erfolgt durch Singriff der Kupplung des Schwungrades mit einer Ausgangs- oder Abtriebswelle, welche mit der Nähmaschinen-Antriebswelle vermittels Riemenscheiben und einen Riemen verbunden ist· Eine intermittierende Bewegung und eine veränderliche Geschwindigkeit werden durch das Können des Bedienenden gesteuert, um die Kupplung gleiten zu lassen, um das ge-

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wünschte Arbeiten zu erhalten, und das Abstellen wird durch eine Reibungsbremse gesteuert.

Der Haupt vorteil der Nähmaschine und daher des oben beschriebenen Antriebssystems besteht in der Möglichkeit, einen Induktionsmotor zu verwenden» der für ein kontinuierliches Aus gangs drehmoment bei der Arbeitsgeschwindigkeit der Nähmaschine berechnet ist und indem Erfordernisse an Spitzendrehmomenten aus der in dem Schwungrad aufgespeicherten Energie erhalten werden· Diese Maschinen leiden jedoch unter einer ^ Anzahl Nächteile» beispielsweise:

1· Es 1st eine Anzahl von mechanischen Schlupf- und gegeneinander zu drückenden Mechanismen erforderlich» z.B. Kupplungen» Bremsen und Riemen» welche dem Antriebssystem einen mechanischen Schock oder Stoß erteilen» und welche in einem nicht gleichförmigen Drehmoment-itusgang resultieren;

2. eine Unbalance des Schwungrades kann eine übe; jäßige Vibration verursachen;

2· die Arbeitsleistung der Nähmaschine verändert sich in Funktion der Abnutzung der Kupplung» der Bremse» des Riemens und der Riemenscheibe;

4. häufige Auswechselungen von Kupplungen» Bremsen und Riemen sind erforderlich» wenn die Teile blank werden oder

ψ sich abnutzen;

5. der Induktionsmotor verbraucht während derjenigen Perioden kontinuierlich Energie» während welcher die Nähmaschine leerläuft;

6. eine Übertragung mechanischer Energie durch die Tischplatte des Arbeitsstücktragtisches für die Maschine 1st erforderlich;

7. die Kurve "Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zelt" zu« Beschleunigen des Motors zeigt einen ausgesprochenen Knick, der für alle sit hohen Trägheitsmoment arbeitenden Kupplungeantrieb· charakteristisch let und einen Verlust in der Leistung beio Mifhen ergibt· Die Einführung während der letzten Jahr· von mit niedri-

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gem Trägheitsmoment arbeitender, sich bewegender Spule und mit Oberflächenwicklung versehenen Ankern von Gleichstrommotoren macht es möglich, bei einem Nähmaschinen-Antriebssystem alle die oben genannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu vermindern.

Bei diesen Gleichstrommotoren besteht der drehbare Anker aus einer Kupferspule mit sehr niedrigem Trägheitsmoment oder einem mit Oberflächenwicklung versehenen Rotor, der kein Eisen enthält und in ein Nagnetfeld von konstantem FIuB eingetaucht ist, der vorzugsweise durch permanente Magnete geliefert wird, welche eine außerordentlich niedrige Ankerinduktanz haben und als Folge eine elektrische Zeitkonstante in der Größenordnung von eins oder zwei kleinerer Höhe als der der Üblichen Gleichstrommotore zeigen. Die Eigenschaften dieser Motore sind: Ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Trägheitsmoment, niedrige Induktanz, keine magnetische Sättigung, niedrige Spannung und lange Lebensdauer der Bürsten unter Laufbedingungen. Ein Motor dieser Art ist in der USA-Patentschrift 2 97o 238 aufgezeigt.

Gemäß der Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem für eine Nähmaschine geschaffen, welche eine Eingangswelle aufweist, und dieses System enthält ein Magnetfeld von konstantem Fluß, einen drehbaren Anker mit kleinem Trägheitsmoment, der in das Feld eingetaucht ist, und der mit der Eingangswelle- mechanisch verbunden werden kann und der mit einer Spannungsquelle elektrisch verbindbar ist, und Steuermittel, welche mit dem Anker verbunden sind, um den Anker relativ zu steuern.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Nähmaschine mit einer Eingangswelle, ferner einem Gleichstrommotor geschaffen, der eine niedrige Induktanz, ein geringes Trägheitsmoment und einen drehbaren Anker hat, der mit der Welle antriebsmäßig verbunden ist, und in ein Magnetfeld mit konstantem Fluß eingetaucht ist, sowie stationäre Gleichrichter zum Verbinden mit einer Mehrphasen-Wechselspeisespannung,

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um ein konstantes Gleichstrom-Bezugssignal zu liefern, sowie selektiv einstellbare Mittel zum Steuern des Wertes des Bezugssignales, ferner einen ersten gesteuerten Gleichrichter, sowie Teile zum Triggern des ersten gesteuerten Gleichrichters zum Erregen eines dynamischen Bremsstromkreises für den Anker, sowie einen zweiten gesteuerten Gleichrichter zum Zuführen eines veränderlichen Gleichstromes zu dem Anker, sowie eine Triggereinrichtung, welche auf eine selektiv einstellbare Vorrichtung zum aufeinanderfolgenden Triggern des zweiten gesteuerten Gleichrichters in Synchronismus zu der Phasendrehung einer mehrphasigen Wechselstromspeisespannung anspricht, um an die Maschine ein Antriebsdrehmoment anzulegen, sowie Mittel, welche auf die Drehgeschwindigkeit des Ankers ansprechen, um das aufeinanderfolgende Triggern automatisch zu ändern, um eine konstante Ankergeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, die durch die selektiv einstellbare Vorrichtung eingestellt worden ist, sowie einen Kontroller zum gemeinsamen Steuern der selektiv einstellbaren Vorrichtung und der Mittel zum Triggern des ersten gesteuerten Gleichrichters.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beispielsweise erläutert· Flg. 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem gemäß der Erfindung;

Flg. 2 zeigt ein vollständiges Schaltschema für die elektrischen Bauteile, welche bei der AusfUhrungsform der Fig. 1 verwendet werden, und Fig. J5 zeigt eine Vergleichsgraphik, welche die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit in Ansprechen einer industriellen Nähmaschine für einen typischen Anlaufzyklus eines bekannten Kupplungs-Brems-^Antriebssystems widergibt, und welche das Antriebssystem gemäß der Erfindung verwendet·
In Fig. 1 ist eine Nähmaschine Io dargestellt, welche

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auf einem Tisch 11 angeordnet ist und einen Motor 12 mit einem Anker 12' (Fig. 2) derjenigen Art aufweist, wie er in der USA-Patentschrift 2 97o 2^8 aufgezeigt ist und der mit dem Gehäuse der Nähmaschine Io durch einen Lagerteil l~} fest verbunden ist. Eine Eingangswelle 14, welche mit dem Anker 12' antriebsmäßig verbunden ist, erstreckt sich von beiden Enden des Motors 12 und ist an einem Ende direkt mit einer Armwelle 15 der Nähmaschine Io und an dem anderen Ende mit einem Handrad 16 gekuppelt.

Ein unterhalb des Tisches 11 angeordneter Kasten 17 enthält einen Stromkreis zum Zuführen eines veränderlichen Gleichstromes zu dem Motor 12 vermittels Leitungen, welche in einem Kabel 18 enthalten sind, welches durch die Platte des Tisches 11 hindurchgeht und mit dem Motoranker 12' in Verbindung steht. Ein Kabel 19 endigt in einem Stecker 2o, der mit einer mehrphasigen Wechselstromquelle verbunden werden kann.

Ein übliches Motorgebläse 21 ist an der Oberseite des Kastens 17 angeordnet, um einen Strom von Ventilierluft durch den Kasten 17 zu liefern, um das Kühlen der in ihm enthaltenen Stromkreisteile zu erleichtern, und ein biegsamer Saugschlauch 22 verbindet den Einlaß des Gebläses 21 mit einer Belüftungsöffnung in dem Motor 12, der einen zur Atmosphäre hin offenen Lufteinlaß aufweist· Auf diese Weise wird die durch den Motor 12 angesaugte Luft ebenfalls durch den Kasten 17 zum gleichzeitigen Kühlen des Motors 12 und der Aufbauteile des Antriebssystems für ihn hindurchgedrückt.

Es ist ersichtlich, daß die einzigen Teile, welche durch die Tischplatte hindurchgehen, das Kabel 18 und der Schlauch 22 sind, und diese sind stationär angeordnet und erfordern keine kritische Lage. Keine mechanischen Energieübertragungs-■elemente irgendwelcher. Art sind zum Durchgang durch die Tischplatte bei dem vorliegenden System erforderlich, wodurch der Zusammenbau weitestgehend erleichtert wird und die Sicherheit dadurch erhöht wird, daß die Möglichkeit einer Berührung des

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Menschen mit sich bewegenden Teilen vermieden wird.

Ein von dem Bedienenden betätigtes Pedal 23, das auf einer Stange 24 angelenkt ist, ist mit einem Steuerelement 25 vermittels einer Steuerstange 26 verbunden, deren Bewegung auf die Stellungen des durch einen Bedienenden betätigten Pedals 23 anspricht und den Wert .des elektrischen Widerstandes des Elementes 25 einstellt. Das Steuerelement 25 kann weiterhin einen Schalter 51 enthalten, der gewöhnlich offen ist, der jedoch durch Manipulation des Pedals 23 geschlossen werden kann. Ein Kabel 27 enthält Leitungen, welehe das Steuerelement 25 mit den in dem Kasten 17 untergebrachten Stromkreisteilen elektrisch verbinden, so daß Steuerungen durch den Bedienenden an dem Pedal 23 in Stromkreisänderungen umgewandelt werden, woraus sich Veränderungen in dem Strom zu der Motorwieklung -22¹ ergeben, um ein Beschleunigen, eine Geschwindigkeitssteuerung und/oder ein Bremsen der Nähmaschine in direkter Übereinstimmung mit den durch den Motor entwickelten Drehmomentänderungen vorzunehmen.

Ein Stromkreis des Systems, um eine Veränderung im Stromfluß zu dem Motor 12 in Ansprechen auf Steuerungen des Pedals 23 zu schaffen, ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt und wird nachstehend beschrieben.

Ein Dreiphasen-Transformator 3o ist mit seinen Primärwicklungen 31 durch Schmelzsicherungen 32 und einen Hauptschalter 33 mit einer Dreiphasen-Wechselspannungsquelle S-S verbunden. Die Sekundärwicklungen 3^ des Transformators 33 sind mit drei Leitungen 35, 36 und 37 verbunden und liefern an diese Leitungen eine Dreiphasen-Wechselspannung mit einem Wert, der kleiner als der der Spannungsquelle S-S ist, und der mit den Spannungserfordern!ssen des Motors 12 vereinbar ist.

Drei feste Gleichrichter 38 sind mit ihren Anoden mit den Leitungen 35, 36 und 37 jeweils verbunden, und ihre Kathoden sind gemeinsam mit einer Leitung 39 verbunden, um eine Gleichstromsammelleitung zu schaffen, welche,' wie dar-

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gestellt, positive Polarität hat. Drei feste Gleichrichter 4o sind mit ihren Kathoden mit den Leitungen 35» 36 und 37 Jeweils verbunden, und ihre Anoden sind Jeweils gemeinsam mit einer Leitung 41 verbunden, um eine Gleichetromsanunelleitung zu schaffen, welche, wie dargestellt, eine negative Polarität hat. Wenn der Schalter 33 geschlossen bleibt, erscheint eine Gleichstrombezugsspannung von konstantem Wert an den Leitungen 39 und 4l.

Die Gleichetrom-Bezugespannung wird durch Leitungen 42 und 43 an einen Potertiometer-Widerstand 44 in dem Steuer- *

element 25 angelegt, und eine gleitende Anzapfung 45, welche durch Bewegung der Steuerstange 26 einstellbar ist und auf die durch den Bedienenden betätigte Bewegung des Pedals 23 anspricht, liefert an eine Leitung 46 eine veränderliche Steuer-Gleichspannung von positiver Polarität mit Bezug auf die der Leitung 41. In der entspannten Lage des Pedals 23, wie in Fig. 2 dargestellt 1st, beeinflußt eine Feder 47 die Steuerstange 26, um die Anzapfung 45 am Oberende des Widerstandes anzuordnen, so daß die Spannung an der Leitung 46 mit Bezug auf die an der Leitung 41 gleich Hull ist. Wenn das Pedal 23 niedergedruckt wird, erhöht sich die Spannung an der Leitung 46, bis, wenn das Pedal 23 vollständig niedergedrückt ist, sie sich auf einem maximalen Wert befindet \ und, falls notwendig, gleich der Spannung an der Leitung 39 gemacht werden kann. Wie nachstehend ausgeführt wird, kann Jeder Wert der Motorgeschwindigkeit bis zu einem maximalen gewünschten Wert durch die Wahl der Steuerspannung an der Leitung 46 durch Manipulation des Pedals 23 eingestellt werden. In der entspannten Stellung des Pedals 23 liegt an der Leitung 46 keine Steuerspannung, und kein Antriebsstrom wird der Motorwicklung 12* zugeführt.

Ein fester Spannungsteiler, der aus zwei Widerständen 48 und 49 besteht, die in Serie zu den Leitungen 39 und 4l angeschlossen sind, liefert an eine Leitung 50 eine positive Steuerspannung von vorbestimmtem Wert. Wenn das Pedal 23

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nach unten gedrückt wird, wird ein Schalter 51 in dem Kontroller 25 geschlossen (Fig. 2), der die Leitung 5o mit einer Leitung 52 verbindet, um einen dynamischen Bremsstromkreis für den Motor 12 zu erregen, wie nachstehend erläutert werden wird·

Drei gesteuerte Siliziumgleichrichter 53 sind mit ihren Anoden jeweils an die Leitungen 35» 36 und 37 angeschlossen, und ihre Kathoden sind geraeinsam an eine Leitung 54 angeschlossen, die mit dem positiven Anschluß 55 des Motors 12 verbunden ist. Der negative Anschluß 56 des Motors 12 ist durch eine Leitung 57 mit der Leitung 41 verbunden.

Die drei gesteuerten Oleichrichter 53 und die drei Feststoffgleichrichter 4o bilden einen Dreiphasen-BrUckengleichrichter, us einen variablen Gleichstrom an den Motoranker 12* von den Dreiphasen-Wechselstromleitungen 35» 36 und 37 vermittels der Leitungen 54 und 57 anzulegen, der einen Wert hat, der von der Zündung oder dem Leltungs-Fhasenwlnkel der gesteuerten Gleichrichter 53 abhängt.

Die Energie zum Zünden der drei Antriebsgleichrichter 53 wird jeweils durch Aufladen von Kondensatoren 58, 59 und 60 durch entsprechende Reihenwiderstände 6l, 62 und 63 von der Steuerspannung an den Leitungen 46 und 4l erhalten. Die Geschwindigkeit des Spannungsanstieges an den Kondensatoren 58, 59 und 60 hängt von dem R-C-Wert und von dem Wert der Steuerspannung ab, wie sie durch Einstellung der Anzapfung 45 bestimmt ist.

Mit einer Schwelle arbeitende Triggervorrichtungen, die als unilaterale Siliziumschalter (SUS) bekannt sind und die als Elemente 64, 65 und 66 bezeichnet sind, werden verwendet, um die Entladung der jeweiligen Kondensatoren 58, 59 und 60 in die Tore der entsprechenden Gleichrichter 53 zum richtigen Zeitpunkt mit Bezug auf die positiven Halbperloden der Anodenspannung an den Gleichrichtern zu steuern, um aufeinanderfolgend die Gleichrichter in Synchronismus zu der Phasenfolge der dreiphasigen Wechselspannung an den Leitungen 35,

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36 und 37 in den leitenden Zustand zu triggern. Dieses aufeinanderfolgende synchrone Triggern hat das bedeutsame Ergebnis, daß die Wechselstrombelastung an allen drei Phasen gleichmäßig verteilt ist, so daß eine der Phasen nicht überlastet wird. Hierin liegt eine besondere Bedeutung in der Anwendung« wobei der Spitzen-Gleichstrom zu dem Motor notwendigerweise hoch ist, um ein hohes Anfangsdrehmoment für schnelle Beschleunigung zu liefern.

Die drei mit Schwelle arbeitenden Schaltvorrichtungen 64, 65 und 66 haben jeweils einen Toranschluß 67, 68 und 69, der mit einer gemeinsamen Stelle zwischen den Paaren Reihenwiderstände 70 und 71 verbunden ist. Jeder der Widerstände 7o ist mit der gleichen Leitung (35, 36 oder 37) verbunden, mit der die Anode des zugeordneten Gleichrichters 53 verbunden ist, und die Widerstände 51 sind gemeinsam an die Leitung 41 angeschlossen. Die oben genannten Verbindungen zu den Toren 67, 68 und 69 liefern eine durch den Wert Null hindurchgehende Anzeige für die vorgenannten unilateralen Schalter, um das aufeinanderfolgende Zünden der Gleichrichter mit der Phasendrehung der Wechselspannung, wie nachstehend erläutert wird, zu synchronisieren.

Die Größe des durch die Motorlast hindurchfließenden Stromes wird durch den leitenden Teil der Halbperiode bestimmt, welche jeden der Gleichrichter 53 in der Vorwärtsrichtung vorspannt, d.h. den Leitungs-Phasenwinkel. Dieser Phasenwinkel ist durch die Stelle in der Zeit bestimmt, nachdem die Phasenspannung an den Leitungen 35, 36 und 37 durch den Wert Null hindurchgeht, bei welchem das Tor der Gleichrichter vorgespannt wird· Die Tore der Gleichrichter werden durch die Schalter 64, 65 und 66 gespeist· Diese Schalter 64, 65, 66 haben eine verhältnismäßig hohe Impedanz in Vorwärtsrichtung, bis die Spannung an ihnen einen bestimmten Pegel, beispielsweise 6 bis Io Volt, erreicht, und dann wird die Impedanz in Vorwärtsrichtung bis nahe Null reduziert.

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- Io -

und die Diode des Schalters wird stark leitend, bis ihr Strom sich auf Null reduziert, zu welchem Zeitpunkt seine Impedanz wieder ansteigt. Daher besteht ein Verfahren zum Triggern der Diode des Schalters (SUS) in den leitenden Zustand darin, seine Anoden-Zu-Kathoden-Spannung oberhalb seiner ZUndschwelle ansteigen zu lassen· Eine andere Art und Weise, um ein Leitendwerden zu veranlassen, besteht darin, die Dioden-Torspannung unter die Anodenspannung zu reduzieren, wenn die oben beschriebenen Verbindungen durch den Wert Null gehen.

Ein ähnlicher Stromkreis, der einen Schalter (SUS) zum Steuern des Triggerns eines Gleichrichters verwendet, ist auf den Seiten 213 und 214 des SCR-Manual, 4. Ausgabe der General Electric im Jahre 1967 beschrieben, auf das hier Bezug genommen wird.

Um das Arbeiten des Triggerstromkreises für die Gleichrichter 53 zu erläutern, sei das System in der Ruhelage betrachtet, wobei sich das Pedal 23, wie in Fig. 2 dargestellt, in der entspannten Stellung befindet. Alle drei Gleichrichter 53 sind abgeschaltet, und kein Strom fließt durch sie oder durch die Motorankerwicklung 12' hindurch. Die Dioden 38 und 4o liefern an den Potentiometerwiderstand 44 eine nahezu konstante Gleichspannung.

Der Bedienende drückt nun auf das Pedal 23» um die Anzapfung 45 zu bewegen, um der Leitung 46 einen Gleichstrompegel zuzuführen, der höher als der Schwellen-ZUndpegel der Schalter 65 und 66* ist. Dadurch werden die Kondensatoren 58, 59 und 60 durch die entsprechenden Widerstände 61, 62 und 63 auf die Spannung an der Leitung 46 mit einer Geschwindigkeit aufgeladen, welche durch die R-C-Zeitkonstante bestiaat ist. Das Leitendwerden jedes der Schalter (SUS) tritt ein, wenn die Wechselspannung an der Anode seines zugeordneten Gleichrichters durch den Nullwert geht, und kein Strom fließt durch den Motor, d.h. während der negativen Halbperiode. Die· hat zur Wirkung, daß jeder Kondensator 58, 59 und 60 während je-

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der Phase zu Beginn der positiven Halbperiode auf eine Nullaufladung wieder eingestellt 1st, und dann, da der SUS-Schalter nun nicht leitend ist, lädt sieh jeder Kondensator aufeinanderfolgend auf, bis der Schwellenpegel des mit dem positiven Anschluß des Kondensators verbundenen SUS-Schalters erreicht ist, wodurch ein Leitendwerden der Schalter SUS bewirtet wird und ein Torimpuls durch den zugeordneten Gleichrichter hindurchgeht, wodurch sein Leitendwerden für den restlichen Teil der positiven Halbperiode dieser Phase verursacht wird. Dies 1st der synchrone Triggervorgang, der oben genannt wurde.

Ein Leitendwerden des Oleichrichters 53 in einer Folge gemäß vorstehender Beschreibung läßt strom an die Anschlüsse 55 und 56 und durch den Anker 12* des Motors 12 fließen, woduroh seine Drehung verursacht wird, und an den Leitungen 54 und 57 wird eine resultierende Oegen-E.M.K. erzeugt. Es 1st ersichtlich, dal diese Oegen-E.M.K· in Serie entgegen der Spannung an den Kondensatoren 58, 59 und 60 BdLt Bezug auf die Anoden-Kathoden-Spannung an den SUS-Schaltern liegt. Daher müssen, wenn der Motor 12 für eine gegebene Einstellung der Anzapfung 45 auf Geschwindigkeit kommt, die Kondensatoren 58, 59 und 60 sich auf eine höhere Spannung aufladen, um die erzeugte Gegen-E.M.K. zu überwinden, um die Schwellenspannung der SUS-Schalter zu liefern. Dadurch wird das Leitendwerden der Gleichrichter verzögert, und die leitende Periode der Gleichrichter wird bei jeder positiven Halbperlode verkürzt, und dadurch wird der mittlere Gleichstrom, der dem Motoranker 12' zugeführt wird, reduziert. Eine Umdrehungsgeschwindigkeit wird schnell erreicht, bei welcher der Leitungs-Winkel der Gleichrichter gerade ausreichend ist, um an den Anker 12* den mittleren Strom zu liefern, welcher notwendig ist, um das Belastungsdrehmoment bei dieser Geschwindigkeit zu liefern, und der Motor 12 läuft mit dieser sich ausbalancierenden stabilen Geschwindigkeit.

Falls bei dieser stabilen Geschwindigkeit die Drehmoment-

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belastung sich« beispielsweise zufolge einer Verdickung in der Naht eines Arbeitsstückes« erhöhen sollte« würde die Geschwindigkeit das Bestreben haben« sich zu vermindern· Daher würde die Gegen-E.M.K. sich vermindern« und die Nutzspannung an den SUS-Schaltern würde sich erhöhen« und der Zündwinkel würde in der nächsten positiven Halbperiode vorbewegt werden« wodurch eine Erhöhung in dem mittleren Gleichstrom an den Anker 12* verursacht wird« woraus sich ein erhöhtes Antriebsmoment und ein Anstieg der Motorgeschwindigkeit zurück auf die ursprüngliche ausgeglichene Geschwindigkeit ergibt.

Auf entsprechende Weise wird eine Verkleinerung in der Drehmomentbelastung den Zündwinkel der Gleichrichter selbsttätig verzögern« woraus sich ein verminderter mittlerer Strom zu dem Anker 12' und eine Rückführung zu der ausgeglichenen Geschwindigkeit ergibt« die durch die Anzapfung 45 eingestellt 1st. Auf diese Weise ist eine von einem Bedienenden betätigte Vorrichtung zum Auswählen einer gewünschten Geschwindigkeit sowie eine selbsttätig arbeitende Vorrichtung zum Regeln der ausgewählten Geschwindigkeit mit Bezug auf Änderungen in der Last geschaffen.

Für den Fachmann ist ersichtlich« daß das Potentiometer 44« 4^ zum Auswählen einzelner feiner Geschwindigkeitsein-Stellungen durch einen Satz schaltbarer Widerstände ersetzt werden könnte. Es ist weiterhin erkennbar« daß die Widerstände 6l« 62« 63 variabel sein oder so ausgewählt werden können« daß die Zündwinkel aller dreier Phasen eng aneinander angepaßt werden können.

Oben wurde bisher lediglich die Antriebsfunktion des Stromkreises der Flg. 2 beschrieben. Es ist jedoch notwendig« die Bremsfunktion dieses Stromkreises zu erläutern« durch die die Nähmaschine Io schnell zum Stillstand gebracht werden kann.

Der Schalter 51 (der in dem Kontroller 25 angeordnet sein kann) ist mit dem Pedal 23 in solcher Welse gekuppelt« daß er sich nur dann schließt« wenn das Pedal 22 nach unten

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gedrückt ist. Wenn dies eintritt, wird die Spannung an der Leitung 5o an die Leitung 52 angelegt und wird durch einen Kondensator 72 als ein einzelner Spannungsimpuls an das Tor 73 eines Abstellgleichrichters 74 angelegt. Ein Widerstand 75 legt den Kondensator 72 in Nebenschluß und steuert seine Entladungsgeschwindigkeit zwecks Rückstellung. In dieser nach unten gedrückten Stellung des Pedals 23 ist die Anzapfung wie in Fig. 2 so angeordnet, daß die Spannung zwischen den Leitungen 46 und 4l gleich Null ist und irgendwelchen weiteren Antrieb an den Motor 12 vom Leitendwerden der Antriebsgleichrichter 53 verhindert. Da zufolge seiner Drehbewegung mit einem konstangen Flußfeld eine beträchtliche Gegen-E.M.K. von dem Anker 12¹ vorhanden ist, bewirkt auch ohne Antrieb von den Antriebsgleichrichtern 53 das Triggern in den leitenden Zustand des Abstellgleichrichters 74, daß Strom durch ihn hindurch und weiterhin durch einen Belastungswiderstand 76 fließt. Falls der Wert dieses Widerstandes 76 klein ist, so daß ein großer Strom fließen kann, arbeitet der Motor als Gleichstromgenerator und arbeitet in eine schwere Last, und die gespeicherte kinetische Energie wird in den Verlusten schnell absorbiert, welche in dem Widerstand 76 verteilt werden, und der Motor 12 und die angeschlossene Nähmaschine Io werden schnell verzögert. Dies wird als dynamische Bremsung bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß der Kondensator 72 nur einen einzelnen Impuls zu dem Tor 73 hindurchgehen läßt, und da die Anoden-Kathoden-Spannung des Gleichrichters 74 durch die Gleichetrom-Gegen-E.M.K. geliefert wird, die durch den rotierenden Anker 12* erzeugt ist, wird der Gleichrichter 74 durch diesen einzelnen Impuls in seinem leitenden Zustand verriegelt. Sobald der Anker 12* sich bis zur Geschwindigkeit nahe Null verzögert hat', wird der Abstellgleichrichter 74 zufolge ungenügenden Halteetromes abgeschaltet. Dadurch wird das System in Ruhe und für einen weiteren Nähzyklus bereitgehalten.

Unter Bezugnahme auf die Flg. 3 zeigt die Kurve loo die

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Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit der Armwelle eines normalen Singer-Nähmaschinen-Modells 28I-I einer Industrienähmaschine, die durch einen üblichen Singer-Antrieb 52-53 mit Kupplung und Bremse der Reihe 52/53 angetrieben wird und der bisher ein gutes Arbeiten gezeigt hat. Zum Zeitpunkt T=NuIl wird die Nähmaschine zum Anlaufen gesteuert, indem das Pedal 23 vollständig niedergedrückt wird, um die Kupplung in Eingriff zu bewegen. Der anfängliche Teil A der Kurve loo zeigt eine schnelle Beschleunigung bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 75 % der Spitzengeschwindigkeit, wo der bestimmte Knick eintritt, und der verbleibende Teil B der Kurve loo zeigt eine viel geringere Beschleunigung, die die Spitzengeschwindigkeit der Maschine in etwa 760 msec vergangener Gesamtzeit erreichen läßt. Dieser "Knick" 1st, wie sich herausgestellt hat, ein Charakteristikum alle'r mit hohem Trägheitsmoment arbeitenden Kupplungs-Bremsantrieben und repräsentiert die Stelle, an welcher die in dem Schwungrad gespeicherte Energie aufhört, zu dem Beschieunigungsdrehmoment beizutragen. Das Drehmoment des Motors muß danach sowohl die Nähmaschine als auch das Schwungrad beschleunigen, um die kinetische Energie für das Schwungrad wiederzugewinnen, welche Energie in dem anfänglichen Beschleunigungsvorgang verlorenging.

Es würde natürlich erwünscht sein« die Beschleunigung längs des Teiles A, wie durch die gestrichelte Linie C dargestellt ist, zur Spitzengeschwindigkeit D fortzusetzen, und der (gestrichelt dargestellte) Bereich, der zwischen dem Teil B und der Spitzengeschwindigkeitslinie D enthalten ist, zeigt die potentiellen Nähstiche, die verloren gehen, wenn diese bekannte, mit hohem 'Trägheitsmoment arbeitende Kupplungs-Bremsvorrichtung verwendet wird.

Die Kurve lol in Fig. 3 ist eine Aufzeichnung der Umdrehungsgeschwindigkeit gegen die Zelt der Armwelle einer üblichen Singer-Industrienähmaschine Modell 28I-I, welche durch einen mit niedrigem Trägheitsmoment arbeitenden und

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schnell ansprechenden Gleichstrommotor der Type U12M4 angetrieben wird« der von der Firma Printed Motors, Incorporated, New York (V.St.A·), hergestellt wird und ein elektrisches Antriebssystem gemäß der Erfindung aufweist. Zu dem Zeitpunkt T=NuIl wird die Nähmaschine so gesteuert, daß sie mit Spitzengeschwindigkeit läuft, indem das Pedal 23 vollständig niedergedrückt wird. Wie durch die Kurve lol dargestellt ist, ist die anfängliche Beschleunigung größer als für die Kurve loo und demonstriert den Vorteil dieses Systems durch die schnelle Erzeugung eines hohen Oleichstromes in der Ankerwicklung 12* und daher eines hohen Momentes zufolge der niedrigen Induktanz des Ankers und des anfänglich vorbewegten ZUndwickels der Antriebsgleichrichter 53· Wenn der Motor 12 auf Geschwindigkeit könnt, vermindert sich die Steigung der Kurve lol allmählich und liegt schließlich tangential zu der Spitzengeschwindigkeitslinie D. Dies reflektiert die Wirkung der Gegen-E.M.K. des Ankers 12* durch Verzögern des ZUndene der Antriebsgleichrichter 53 proportional zu dem Anstieg der Geschwindigkeit des Ankers und schafft eine selbsttätige Strombegrenzung, welche zweckvoll ist, insoweit, als ein hoher Haltestrom an dem Anker 12* vermieden wird, ohne jedoch das Drehmoment nachteilig zu beeinflussen.

Aus einem Vergleich der Kurven loo und lol ist sofort ersichtlich, daß die Beschleunigungscharakteristik des Antriebssystems -gemäß der Erfindung keinen "Knick" zeigt und daher ein merklich besseres Näharbeiten liefert als das mit hohen Trägheitsmoment arbeitende Kupplungssystem, wie es bisher bei den bekannten Systemen verwendet wurde. Der in Fig. in gestriohelten Linien dargestellte Bereich, der bei dem bekannten System nicht zur Herstellung von Stichen zur Verfugung stand, wird nun im wesentlichen mit vollständigem Vorteil zu» Herstellen von Nähstichen ausgenutzt.

Die Kurve lol zeigt die maximale Beschleunigungsmöglichkeit des Systems auf die volle Spitzengeschwindigkeit, wenn

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das Pedal 23 vollständig niedergedrückt 1st, Jedoch können Zwischengeschwindigkeiten durch teilweises Niederdrücken des Pedals 23 schnell ausgewählt werden, und eine Reihe von Kurven, ähnlich denen der Kurve lol, jede mit einer abweichenden Spitzengeschwindigkeit, kann erzeugt werden. Der Vorteil dieser veränderlichen Geschwindigkeitssteuerung steht in vollem Gegensatz zu der Geschicklichkeit des Bedienenden, welche erforderlich ist, um den Schlupf mit seinem nicht kontrollierbaren Verhalten zu steuern, wie es bei bekannten Antriebssystemen notwendig ist, um Zwischen-Spitzengeschwindigkeiten zu erzeugen.

Das System gemäß vorstehender Beschreibung zeigt ein von dem Bedienenden betätigtes Pedal 23, um Nähsteuerungen einzuführen, jedoch kann die grundsätzliche elektronische Natur des oben beschriebenen Systems ohne weiteres ein automatisches programmiertes Nähen und ohne große elektromechanische oder pneumatische Steuerungen ermöglichen.

Da keine Riemen und Riemenscheiben vorhanden sind, und da die Geschwindigkeiten einzig und allein durch Spannungsänderungen eingestellt werden, kann eine Änderung der Spitzengeschwindigkeit an einer Nähmaschine mit einem Antriebssystem gemäß der Erfindung durch eine einfache Potentiometereinstellung erreicht werden. Ein ausgebildeter Bedienender kann die Maschine mit niedriger Geschwindigkeit arbeiten lassen, um zu lernen und schließlich mit hohen Geschwindigkeiten der gleichen Maschine durch eine einfache elektrische Einstellung zu nähen.

Das beschriebene System mit Bezug auf Fig. 2 benutzt eine Dreiphasen-Wechselspannung-Speisequelle, jedoch kann eine Mehrphasenspeisequelle verwendet werden, wobei dann eine entsprechende Anzahl von Gleichrichtern 53 vorgesehen worden ist, wie Phasen in der Speiseleitung vorhanden sind.

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Claims (8)

1. Patentansprüche.

   (1.,/Elektrisches Antriebssystem, insbesondere für Nähmaschinen, mit einer Eingangswelle, dadurch gekennzeichnet, daß das System ein magnetisches Feld von konstantem Fluß, sowie einen drehbaren, in das Feld eingetauchten Anker mit niedrigem Trägheitsmoment enthält, der mit der Eingangswelle (14) der Maschine und mit einer Spannungsquelle verbindbar ist, sowie Steuerteile (17)# welche mit dem Anker verbunden sind, um ihn selektiv zu steuern.
2. 2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (17) selektiv den Anker zum Antreiben der Eingangswelle (14) antreiben kann oder in dem Anker eine Generatorwirkung erzeugen kann, so daß an die Eingangswelle (14) eine Bremskraft angelegt wird.
3. 3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (17) einen ersten gesteuerten Gleichrichter (74) zum Steuern der Generatorwirkung, sowie Triggermittel (39, 41, 48, 49) für den ersten gesteuerten Gleichrichter (74) und einen vom Bedienenden betätigbaren Schalter (51) zwischen den Triggermitteln und dem Tor (73) des ersten gesteuerten Gleichrichters (74) aufweist.
4. 4. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker von einer Stromquelle (54, 57) mit selektiv veränderbarem Gleichstrom gespeist wird.
5. 5· Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle (54, 57) einen zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) zum Abnehmen eines veränderlichen Gleichstromes von einer Wechselspannungsspeisequelle (S-S) enthält, und die Steuervorrichtung (17) Triggermittel (39/ ¹U* 44) für den zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) lind eine von dem Bedienenden betätigbare Vorrichtung (44, 45) zwischen den Triggermitteln (39, ^l * 44) und dem Tor des zwei ten gesteuerten Gleichrichters (53) aufweist, um den veränder-

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   lichen, dem Anker zugeführten Gleichstrom zu steuern und eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit des Ankers zu erzeugen.
6. 6. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Stromkreisteile, die selbsttätig auf die Winkelgeschwindigkeit des Ankers ansprechen, um den Ankerstrom zu steuern und dadurch die vorbestimmte konstante Geschwindigkeit mit Bezug auf Laständerungen aufrechtzuerhalten.
7. 7· Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl dieser zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) zum Verbinden mit einer Mehrphasen-Spannungsquelle (35» 36, 37)» und die Steuervorrichtung (17) aufeinanderfolgend die zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) mit Bezug auf die Mehrphasen-Speisespannung in Ansprechen auf das Arbeiten der von dem Bedienenden einstellbaren Vorrichtung (44, 45) synchron zu triggern.
8. 8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dafl jeder der zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) eine mit einem Tor versehene Schwellendiode (64, 65» 66) zum Zuführen von Triggerimpulsen zu ihnen in Phasensynchronismus mit Bezug auf die vorhandene Phase (35» 36, 37) der Mehrphasen-Spannungsquelle aufweist.

   9· Nähmaschine, gekennzeichnet durch eine Eingangswelle (l4), einem Gleichstrommotor (12) mit einem drehbaren, mit der Welle (14) antriebsmäßig verbundenen und in ein magnetisches Feld von konstantem Fluß eintauchenden Anker mit niedriger Impedanz* und niedrigem Trägheitsmoment, sowie feste Gleichrichter (38, 4o) zum Verbinden mit einer Mehrphasen-Wechselspannungs-Speisequelle (S-S), um ein konstantes Gleichstrom-Bezugssignal zu liefern, sowie selektiv einstellbare Mittel (44, 45) zum Steuern de» Wertes des Bezugs«* signals, einen ersten gesteuerten Gleichrichter (74) und Triggernitttl (51) für diesen Oleichrichter (74) zum Erregen eines dynamischen Breasstromkrelses (54, 76, 41) für den Anker, eowi· «Inen zweiten gesteuerten Gleichrichter (53) zum Zufuhren eines veränderlichen Gifichstrom·· zu d«n Anker*

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   Triggermittel (61, 58), welche auf die selektiv einstellbare Vorrichtung (44, 43) zum aufeinanderfolgenden Triggern der zweiten gesteuerten Gleichrichter In Synchronismus zur Phasendrehung der Mehrphasen-Wechselspannungs-Speisequelle (S-S) ansprechen, um an die Naschine ein Antriebsmoment anzulegen, sowie Teile, welche auf die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ankers ansprechen, um das selbsttätige aufeinanderfolgende Triggern vorzunehmen, um eine konstante Ankergeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, die durch die selektiv einstellbare Vorrichtung (44, 45) eingestellt ist, sowie einen Kontroller (23-26) zum gemeinsamen Steuern der selektiv einstellbaren Vorrichtung (44, 45) und der Vorrichtung (51) zum Triggern des ersten gesteuerten Gleichrichters (74).

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