WO2002070390A1

WO2002070390A1 - Electric drive

Info

Publication number: WO2002070390A1
Application number: PCT/AT2002/000069
Authority: WO
Inventors: Manfred Schrödl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2003-09-05
Also published as: EP1370482A1; WO2002070390A8

Abstract

The invention relates to an electric drive for at least two moveable elements (10) which perform a preferably translatory movement towards each other. Each moveable element (10) is provided with an electrically linear or rotatory machine (4). The relative movement between the stator (11) and the rotor (13) of the electric machine (4) is reproduced as a relative movement between neighbouring moveable elements (10), by means of a mechanical functioning unit, to the next moveable element, so that the movement of the last moveable element (10) in relation to the first moveable element (10) consists of the vectorial sum of the partial movements of the individual moveable elements (10). The electric machines (4) for the moveable elements (10) are fed by at least one converter (3). At least two moveable elements (10) are embodied as telescopic shaped pipes (19) which can be placed inside each other. The electric machines (4) are arranged inside the pipes (19) and embodied used as external rotors.

Description

Elektrischer Antrieb Electric drive

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für mindestens zwei Bewegungselemente, die zueinander eine, vorzugsweise translatorische, Bewegung ausführen.The invention relates to an electric drive for at least two movement elements which perform a preferably translatory movement with respect to one another.

Es ist an sich bekannt, derartige Bewegungen über mechanische, pneumatische oder hydraulische Energien, beispielsweise aus einem Hydraulikzylinder, durchzuführen. Diese Art des Antriebes haben sich insbesondere bei Kranantriebssystemen, wie sie bei Ladekränen üblicher Bauart verwendet werden, durchgesetzt. Ein Nachteil dieser Antriebe besteht darin, daß durch die Verwendung von Hydrauliköl Probleme mit der Dichtheit, der Entsorgung und damit eine chemische Umweltgefährdung gegeben sind.It is known per se to carry out such movements using mechanical, pneumatic or hydraulic energies, for example from a hydraulic cylinder. This type of drive has become particularly popular with crane drive systems, such as those used for loading cranes of the usual type. A disadvantage of these drives is that the use of hydraulic oil causes problems with tightness, disposal and thus a chemical environmental hazard.

Es ist aber auch aus der DE 28 19 256 A1 eine VerStelleinrichtung samt Steuerung bekannt, die für einen als Zusatzgerät an einen Lastkraftwagen- Ladekran montierbaren Korb zur Aufnahme von Personen Verwendung findet. Neben hydraulischen Antrieben wird auch eine Variante eines elektromechanischen Antriebs für den Korb vorgeschlagen. Dieser elektromechanische Antrieb besteht aus einem Elektromotor, welcher Hilfsmittel zum Eingriff in eine Zahnstange oder eine Spindel antreibt. Nachteilig dabei ist, daß zwei parallele Energiesysteme nebeneinander existieren.However, it is also known from DE 28 19 256 A1 an adjusting device including a control, which is used for a basket which can be mounted as an additional device on a truck loading crane to accommodate people. In addition to hydraulic drives, a variant of an electromechanical drive for the basket is also proposed. This electromechanical drive consists of an electric motor, which drives aids for engagement in a rack or a spindle. The disadvantage here is that two parallel energy systems exist side by side.

Ferner ist aus der US 4 928 051 A ein Elektromotor bekannt, welcher als Schrittmotor oder als Synchronmotor mit variabler Geschwindigkeit oder als Induktionsmotor mit variabler Geschwindigkeit betrieben werden kann. Dieser Motor arbeitet mit einem Rotor und einem Stator, welche beide mit polyphasigen Windungen bestückt sind. Weiters ist aus der JP 5 294 215 A ein Stützfuß für einen Lastkraftwagen bekannt. Dieser ist teleskopierbar und wird über einen Elektromotor, welcher ein Ritzel antreibt, welches in eine flexible Gewindestange eingreift, ein- und ausgefahren.Furthermore, from US 4 928 051 A an electric motor is known which can be operated as a stepping motor or as a synchronous motor with variable speed or as an induction motor with variable speed. This motor works with a rotor and a stator, both of which are equipped with polyphase windings. Furthermore, a support leg for a truck is known from JP 5 294 215 A. This is telescopic and is extended and retracted via an electric motor that drives a pinion that engages in a flexible threaded rod.

Aus der EP 734 993 ist ein Drehantrieb für den Ausleger eines Drehkranes bekannt. Dieser Drehantrieb setzt sich im wesentlichen aus einem Elektromotor mit einer Steuer- und Regeleinrichtung zusammen. Ziel dieser Anordnung ist es, eine möglichst gleichförmige Drehbewegung mit wählbarer Drehgeschwiήdigkeit des Auslegers zu ermöglichen.A rotary drive for the jib of a slewing crane is known from EP 734 993. This rotary drive essentially consists of an electric motor with a control and regulating device. The aim of this arrangement is to enable a rotational movement that is as uniform as possible with a selectable rotational speed of the boom.

Sämtliche bekannte Systeme haben den Nachteil, daß sie nicht mehrere robuste Elektromotoren zur Erzeugung kombinierbarer Bewegungsabläufe verwenden.All known systems have the disadvantage that they do not use several robust electric motors to generate combinable motion sequences.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Antrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der einerseits die Nachteile der oben aufgezeigten Systeme vermeidet und der anderseits einen guten Wirkungsgrad sowie eine raschere und präzisere Reaktionsmöglichkeit, bei einer wirtschaftlichen Machbarkeit, aufweist.The object of the invention is to provide an electric drive of the type mentioned, which on the one hand avoids the disadvantages of the systems shown above and on the other hand has a good efficiency and a quicker and more precise response, with economic feasibility.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.The object is achieved by the invention.

Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bewegungselement mit einer elektrischen linear oder rotorisch wirkenden Maschine versehen ist, daß eine Weitergabe der Relativbewegung zwischen Stator und Rotor der elektrischen Maschine über eine mechanische Funktionseinheit zum nächsten Bewegungselement als Relativbewegung zwischen benachbarten Bewegungselementen erfolgt, so daß die Bewegung des letzten Bewegungselementes gegenüber dem ersten Bewegungselement aus der vektoriellen Summe der Teilbewegungen der einzelnen Bewegungselemente besteht. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, unter Verwendung von möglichst vielen bewährten Elementen, insbesondere Kranelementen, einen Antrieb herzustellen, der eine selektive Leistungszufuhr, beispielsweise eine Drehmomenten-, Drehzahl und/oder Lageregelung, aufweist. Ein derartiger Antrieb mit einer zitierten Regelung ist insbesondere für Teleskopantriebe geeignet. Vorteilhaft dabei ist auch, daß intelligente Funktionen, wie beispielsweise Statistik, Informationen für den Betreiber oder dergleichen, realisierbar sind.The electric drive according to the invention is characterized in that each movement element is provided with an electrical linear or rotor-acting machine, that the relative movement between the stator and rotor of the electrical machine is passed on via a mechanical functional unit to the next movement element as a relative movement between adjacent movement elements, so that the movement of the last movement element compared to the first movement element consists of the vectorial sum of the partial movements of the individual movement elements. With the invention it is possible for the first time to produce a drive using as many tried and tested elements, in particular crane elements, which have a selective power supply, for example a torque, speed and / or position control. Such a drive with a cited regulation is particularly for telescopic drives suitable. It is also advantageous that intelligent functions such as statistics, information for the operator or the like can be implemented.

Der Kern der Erfindung liegt darin, Energie aus beispielsweise einem Hydromotor oder durch Auskopplung aus dem Verbrennungsmotor mittels eines Drehstromgenerators in elektrische Energie umzuformen oder von einer elektrischen Energiequelle zu beziehen und diese an die Antriebsmotoren weiterzugeben, wo sie in eine vorzugsweise translatorische Bewegung umgeformt wird. .The essence of the invention is to convert energy from, for example, a hydraulic motor or by decoupling it from the internal combustion engine into electrical energy by means of a three-phase generator, or to obtain it from an electrical energy source and to pass this on to the drive motors, where it is converted into a preferably translatory movement. ,

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die elektrisch linear oder rotorisch wirkende Maschine eine synchron laufende Mehrphasenmaschine. Insbesondere wird man als Generator eine Drehstrommaschine, vorzugsweise eine Asynchron- oder Permanentmagnet- Synchronmaschine einsetzen. Damit ist auch gewährleistet, daß ein System ohne schleifende Kontakte zur Anwendung kommt.According to a special feature of the invention, the electrically linear or rotor-acting machine is a synchronously running multi-phase machine. In particular, a three-phase machine, preferably an asynchronous or permanent magnet synchronous machine, will be used as the generator. This also ensures that a system without sliding contacts is used.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung sind die elektrischen Maschinen für die Bewegungselemente über mindestens einen Umrichter gespeist. Die Gleichspannung, die über einen Gleichrichter aus der Generatorspannung oder von der elektrischen Energiequelle zur Verfügung gestellt und gegebenenfalls angepaßt wird, wird in eine neue Drehspannung umgeformt, die beliebige Frequenz und Amplitude haben kann. Diese neugewonnene Drehspannung wird dann selektiv den Antriebsmaschinen zugeführt. Eine optimale Steuerung der Maschinen ist die Folge.According to a further special feature of the invention, the electrical machines for the movement elements are fed via at least one converter. The DC voltage, which is made available via a rectifier from the generator voltage or from the electrical energy source and, if necessary, is adapted, is converted into a new three-phase voltage, which can have any frequency and amplitude. This newly acquired three-phase voltage is then selectively fed to the drive machines. The result is optimal machine control.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Umrichter mit mindestens zwei Motoren über elektrische Selektionsmodule selektiv energiemäßig verbunden. Da verschiedene Antriebsmotoren gleichzeitig im Einsatz sein können, wird über leistungselektronische Stellglieder, wie über entsprechende Umrichter, in verschiedene Motoren durch Multiplexbetrieb mittels einer Selektionselektronik Energie eingespeist. Damit ergibt sich die Zahl der nötigen Umrichter und Leistungs-Multiplexer im System. Eine immense Einsparung von Komponenten ist dadurch gegeben.According to an advantageous development of the invention, at least one converter is selectively connected in terms of energy to at least two motors via electrical selection modules. Since different drive motors can be used at the same time, energy is fed into various motors via multiplex operation by means of selection electronics via power electronic actuators, such as via corresponding converters. This gives the number of necessary converter and power multiplexer in the system. This results in an immense saving of components.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gibt die mechanische Funktionseinheit die Maschinenbewegung schlupfarm, vorzugsweise schlupffrei, weiter. Dadurch ist eine genaue Positionierung der Bewegungselemente, über die elektronische Steuerung bzw. Regelung gewährleistet. Vorzugsweise ist die mechanische Funktionseinheit mit einem Selbsthemm- oder Blockiermechanismus ausgestattet.According to a further embodiment of the invention, the mechanical functional unit passes on the machine movement with little slip, preferably without slip. This ensures precise positioning of the movement elements via the electronic control or regulation. The mechanical functional unit is preferably equipped with a self-locking or blocking mechanism.

Nach einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der den mechanischen Zustand beschreibenden Größen, wie beispielsweise Position, Drehzahl, Beschleunigung, Kraft, Drehmoment, Leistung, eines beliebigen, vorzugsweise des letzten, Bewegungselementes aus elektrischen Größen der elektrischen Maschinen bestimmbar. Wie bereits erwähnt, können über die elektrische bzw. elektronische Ausführung des Antriebes intelligente Funktionen realisiert werden. So können spezielle Steuermodalitäten, wie beispielsweise mechanische Rotorpositionsbestimmung aus mathematischen Echtzeitmodellen unter Verwendung einfach bestimmbarer elektrischer Größen, wie Ströme oder Spannungen, einfach und betriebssicher durchgeführt werden.According to a special development of the invention, at least one of the quantities describing the mechanical state, such as position, speed, acceleration, force, torque, power, of any, preferably the last, movement element can be determined from electrical quantities of the electrical machines. As already mentioned, intelligent functions can be implemented via the electrical or electronic design of the drive. Special control modalities, such as mechanical rotor position determination from mathematical real-time models using easily determinable electrical variables such as currents or voltages, can thus be carried out simply and reliably.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind mindestens zwei Bewegungselemente als teleskopförmig ineinander verschiebbare Rohre ausgeführt, wobei die elektrischen Maschinen im Innenteil des Rohres angeordnet sind und als Außenläufer ausgeführt sind. Insbesondere bei der Ausstattung von Kompaktkränen erweist sich diese Ausführung des Antriebes als äußerst vorteilhaft. Durch die konstruktive Ausgestaltung des mechanischen Teleskopantriebes ist ein Funktionsteil, beispielsweise ein Getriebe, mit dem äußeren Teil des Motormoduls verbunden. Die Außenläuferlösung bietet aber auch die Vorteile, daß keine Ausleitung des Momentes von der Welle auf den Außendurchmesser nötig ist. Ferner ist es bekannt, daß die Drehmomentenausbeute der elektrischen Maschine vom Radius des Luftspaltes abhängt, der beim Außenläufer wesentlich größer ist als beim Innenläufer. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die innen angeordneten Statoren der elektrischen Maschinen mit einer Bohrung versehen, in der mindestens ein Energie und/oder gegebenenfalls Informationen führendes Kabel angeordnet ist. Dies ist eine Ausführung der prinzipellen Machbarkeit einer schleiferlosen Energieführung, wie sie bei Ladekränen wünschenswert ist. Grundgedanke ist, in einer seriellen Verbindung zwischen den Motoren die Energie an alle Motoren zu führen, wobei eine lokale Selektionselektronik in der Nähe jedes Motors den Energietransport zum jeweiligen Motor auswählt oder sperrt. Damit kann auf eine Parallelführung von der Motoranzahl gleichen mehrphasigen Energiekabeln verzichtet und eine große Systemvereinfachung bewerkstelligt werden. Die Kabelführung ist im Innenrohr des Außenläufermotors realisiert. Dadurch ist die Energieführung mechanisch optimal geschützt und es tritt auch keine Gefährdung oder Störung der Umgebung die Spannungenoder EMV auf.According to a special feature of the invention, at least two movement elements are designed as telescopically displaceable tubes, the electrical machines being arranged in the inner part of the tube and being designed as external rotors. This version of the drive proves to be extremely advantageous, particularly when equipping compact cranes. Due to the structural design of the mechanical telescopic drive, a functional part, for example a gear, is connected to the outer part of the motor module. The external rotor solution also offers the advantages that no torque has to be diverted from the shaft to the outer diameter. Furthermore, it is known that the torque yield of the electrical machine depends on the radius of the air gap, which is much larger for the outer rotor than for the inner rotor. According to a further embodiment of the invention, the stators of the electrical machines arranged on the inside are provided with a bore in which at least one cable carrying energy and / or possibly information is arranged. This is an embodiment of the basic feasibility of a grinder-free energy supply, as is desirable for loading cranes. The basic idea is to supply the energy to all motors in a serial connection between the motors, with local selection electronics in the vicinity of each motor selecting or blocking the energy transport to the respective motor. This means that there is no need for parallel routing of the same number of multi-phase power cables and a great simplification of the system. The cable routing is implemented in the inner tube of the external rotor motor. As a result, the energy supply is mechanically optimally protected and there is no danger or disturbance of the environment, the voltages or EMC.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Energie von dem Energie führenden Kabel selektiv durch über einen Informationseingang schaltbare elektrische bzw. elektronische Elemente an die Statorwicklung der Maschine des betreffenden Bewegungselementes abzweigbar. Durch dieseAccording to a development of the invention, the electrical energy from the energy-carrying cable can be selectively branched off by electrical or electronic elements which can be switched via an information input to the stator winding of the machine of the relevant movement element. Through this

Ausgestaltung in Zusammenhang mit dem innen angeordneten Kabel ergibt sich vorteilhafterweise eine schleiferlose Energieübertragung. Ferner kann auch ein modularer Aufbau gewählt werden, der einen völligen Berührungsschutz des spannungsführenden Systems bietet. Auch in Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit ist eine unempfindliche Anordnung durch eine Vollmetallkapselung gegeben.Design in connection with the internally arranged cable advantageously results in a grinderless energy transmission. Furthermore, a modular structure can be selected that offers complete protection against accidental contact with the live system. With regard to electromagnetic compatibility, an insensitive arrangement is provided by a full metal encapsulation.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Information, vorzugsweise zur Steuerung der Selektionselemente, auf dem Energie führenden Kabel transportierbar. Es liegt auf der Hand, daß dadurch eigene Kabel eingespart werden, wodurch auch die Herstellkosteπ in einem wirtschaftlichen Bereich liegen. Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist bzw. sind das Kabel bzw. die Kabel wendeiförmig angeordnet und besteht bzw. bestehen aus Teilabschnitten und ist bzw. sind jeweils einem Bewegungselement zuordenbar, wobei die Teilabschnitte elektrisch verbunden sind und diese Verbindungen vorzugsweise im Bereich des Eintrittes in den Rohrbereich im innen angeordneten Stator des jeweiligen Bewegungselementes vorgesehen und dort mechanisch an das betreffende Bewegungselement angebunden sind, wobei das Wendelstück im kraftmäßig entlasteten Zustand in der Bohrung des Stators zumindest weitgehend unterbringbar ist und unter Einwirkung eines mechanischen Zuges mit dem relativ zum betreffenden Bewegungselement beweglichen Ende den zugeordnetenAccording to an advantageous embodiment of the invention, the information, preferably for controlling the selection elements, can be transported on the energy-carrying cable. It is obvious that this saves your own cables, which means that the manufacturing costs are also in an economic range. According to a special feature of the invention, the cable or the cables is or are arranged in a helical shape and consists or consist of partial sections and can be assigned to a movement element, the partial sections being electrically connected and these connections preferably in the area of the entry into the tube area is provided in the stator of the respective movement element and is mechanically connected there to the movement element in question, the helix being at least largely accommodable in the bore of the stator in the force-relieved state and under the action of a mechanical train with the end movable relative to the movement element in question the assigned

Bohrungsbereich verläßt. Damit ist gewährleistet, daß die Energie und Information auch bei einer Auseinanderbewegung benachbarter Bewegungselemente zum nächsten Bewegungselement weitergeleitet wird.Hole area leaves. This ensures that the energy and information is forwarded to the next movement element even when adjacent movement elements move apart.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich zur mechanischen Führung der Teilwendeln im Innenbereich der Teilwendeln eine, vorzugsweise teleskopförmige, ausziehbare, Führung, deren beide Enden an benachbarten Bewegungselementen mechanisch befestigt sind. Dadurch ist eine sichere und störungsfreie Übertragung der elektrischen Energie gewährleistet. Das Durchhängen des Kabels im ausgezogenen Zustand wird dadurch verhindert.According to a further development of the invention, a mechanical, preferably telescopic, extendable guide is located in the inner region of the partial helix for guiding the partial helices, the two ends of which are mechanically attached to adjacent movement elements. This ensures safe and trouble-free transmission of electrical energy. This prevents the cable from sagging when pulled out.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an das aus den Energie führenden Kabeln gebildete Energieleitungssystem mindestens ein weiterer elektrischer Energiewandler selektiv angekoppelt, wobei beispielsweise am letzten Bewegungselement ein beliebiges elektrisches System wie eine Lampe, Pumpe, Roboter, Werkzeug, Winde o. dgl. vorgesehen ist. Vorteilhafterweise können mit einer derartigen Ausgestaltung Arbeitsgeräte, Zusatzgeräte oder weitere Systeme angespeist werden, ohne weitere Leitungen oder Kabel zu verlegen.According to a further embodiment of the invention, at least one further electrical energy converter is selectively coupled to the energy line system formed from the energy-carrying cables, any electrical system such as a lamp, pump, robot, tool, winch or the like being provided, for example, on the last movement element , With such a configuration, tools, additional devices or other systems can advantageously be fed in without laying additional lines or cables.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht das Energieleitungssystem zum elektrischen Energietransport aus mindestens zwei unabhängig betreibbaren Teilsystemen, mechanisch vorzugsweise in einem gemeinsamen mehradrigen Kabel, so daß mindestens zwei unabhängig steuerbare elektrische Energieverbraucher, vorzugsweise elektrische Maschinen von Bewegungselementen, gleichzeitig betreibbar sind. Auch diese Ausführungsvariante bringt eine einfache und sichere Energieführung und ist außerdem platzsparend. Sie ermöglicht ein gleichzeitiges Betreiben von mindestens zwei unabhängigen Energieverbrauchern. Dadurch kann beispielsweise die Ablöse eines Bewegungselementes durch ein anderes bei kontinuierlichem Bewegungsablauf durchgeführt werden.According to a development of the invention, the power line system for electrical energy transport consists of at least two independently operable subsystems, mechanically preferably in a common multi-core cable, so that at least two independently controllable electrical ones Energy consumers, preferably electrical machines of movement elements, can be operated simultaneously. This variant also provides simple and safe energy supply and is also space-saving. It enables the simultaneous operation of at least two independent energy consumers. As a result, for example, one movement element can be replaced by another with a continuous movement sequence.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind die elektrischen Maschinen entsprechend der Energierichtung sowohl als Motoren als auch als Generatoren betreibbar. Dadurch kann Energie in den Zwischenkreis zurückgeliefert werden, beispielsweise wenn der Antrieb eine absenkende Bewegung steuert. Der Stromfluß im Bereich des beteiligten Zwischenkreiskondensator kehrt sich um, so daß der Zwischenkreiskondensator geladen wird. Der eleganteste Fall tritt auf, wenn beispielsweise ein AntriebAccording to a special feature of the invention, the electrical machines can be operated both as motors and as generators in accordance with the direction of energy. This allows energy to be returned to the DC link, for example if the drive controls a lowering movement. The current flow in the area of the intermediate circuit capacitor involved is reversed, so that the intermediate circuit capacitor is charged. The most elegant case occurs when, for example, a drive

Leistung rückliefert und ein anderer Leistung verbraucht. Dann wird automatisch der Leistungsfluß von einem in den anderen Antrieb durch geeignete Steuerung der Umrichter umgeleitet. Dies ist ein Vorteil eines gemeinsamen Zwischenkreises.Service returns and another service consumes. Then the power flow is automatically redirected from one drive to the other by suitable control of the converter. This is an advantage of a common DC link.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die generatorische Energie über den Weg des Umrichters in elektrische Energieverbraucher umleitbar. Dadurch ist auch im Betrieb eine Energieeinsparung möglich.According to a development of the invention, the regenerative energy can be redirected to electrical energy consumers via the path of the converter. Energy savings are also possible in operation.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die generatorische Energie zumindest teilweise in einer Statorwicklung von mindestens einer über den Umrichter verbundenen elektrischen Maschine durch entsprechende Ansteuerung in Wärme umgewandelt. Es ist auch denkbar, für kurze Zeit bei Anfall von generatorischer Energie aus dem Kran die im Moment nicht verwendeten Motoren als Bremswiderstand zu verwenden, indem die zugehörigen Umrichter Strom, der nicht drehmomentbildend sein sollte, in die Statorwicklungen der erwähnten Motoren leiten. Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung bewegt zur Positions- Initialisierung mindestens eines Bewegungselementes die dem Bewegungselement zugeordnete elektrische Maschine das Bewegungselement gegen einen Nullpositionsdetektor, vorzugsweise einen mechanischen Anschlag. Dadurch kann beispielsweise in der Initialisierungsphase ein Einfahren der einzelnen Antriebe gegen einen Anschlag mit Drehmomenterkennung erfolgen, worauf eine Abschaltung und Nullpositionsdefinition durchgeführt wird.According to a further embodiment of the invention, the regenerative energy is at least partially converted into heat in a stator winding by at least one electrical machine connected via the converter by appropriate control. It is also conceivable to use the motors that are not currently being used as braking resistors for a short time when generating regenerative energy from the crane, in that the associated converters conduct current, which should not be torque-generating, into the stator windings of the motors mentioned. According to a further special feature of the invention, for the position initialization of at least one movement element, the electrical machine assigned to the movement element moves the movement element against a zero position detector, preferably a mechanical stop. In this way, for example, the individual drives can be retracted against a stop with torque detection in the initialization phase, after which a shutdown and zero position definition are carried out.

Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist mindestens eine elektrische Maschine mit einem mechanisch sensorlosen Verfahren betreibbar. Die Antriebsaufgabe erfordert eine hochdynamische Motorregelung mit hohem Anzugsmoment. Dies ist durch das Konzept der sogenannten feldorientierten Regelung, auch als Vektorregelung bezeichnet, der Drehstrommaschine möglich. Normalerweise ist für diese Regelaufgabe ein Lagesensor auf der Motorwelle nötig. Der Anmelder hat zu diesem Zweck das sogenannte INFORM-Verfahren entwickelt, das eine sensorlose Regelung bis zum Stillstand ermöglicht (Vgl. Zeitschrift Elektrotechnik & Informationstechnik, Vorwort sowie Artikel "Sensorlose Drehzahl- und Lageregelung von Permanentmagnetmaschinen auf Basis des INFORM-Verfahrens").According to a further special feature of the invention, at least one electrical machine can be operated using a mechanically sensorless method. The drive task requires highly dynamic motor control with a high torque. This is possible thanks to the concept of the so-called field-oriented control, also referred to as vector control, of the three-phase machine. A position sensor on the motor shaft is normally required for this control task. For this purpose, the applicant has developed the so-called INFORM process, which enables sensorless control to a standstill (cf. Journal Elektrotechnik & Informationstechnik, foreword and article "Sensorless speed and position control of permanent magnet machines based on the INFORM process").

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist dieser elektrische Antrieb in ein Ausleger-Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Kranes integriert. Für eine derartige Anwendung hat sich der erfindungsgemäß aufgezeigte Antrieb hervorragend geeignet.According to a special feature of the invention, this electric drive is integrated in a boom drive system of an electrically operated crane. The drive shown according to the invention is extremely suitable for such an application.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet dieser erfindungsgemäße Antrieb ein Antriebssystem eines elektrisch betriebenen Manipulationssystems wie Roboter, Positioniersystem, Bahnsteuerungssystem u.dgl. Auch bei derartigen Anwendungsfällen hat der Antrieb äußerst gute Ergebnisse erzielt.According to a further feature of the invention, this drive according to the invention forms a drive system of an electrically operated manipulation system such as a robot, positioning system, path control system and the like. The drive has achieved extremely good results even in such applications.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments which are shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 die Basisstruktur der Schaltungsanordnung eines elektrischen Antriebes,1 shows the basic structure of the circuit arrangement of an electric drive,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine elektrische Maschine,2 shows a section through an electrical machine,

Fig. 3 und 4 einen Schnitt bzw. eine Seitenansicht der Energiekabelführung,3 and 4 a section and a side view of the power cable routing,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Führung von teleskopartig aneinandergefügten Bewegungselementen undFig. 5 shows a section through the leadership of telescopically joined movement elements and

Fig. 6 eine Struktur der Motor- und Umrichterkomponenten eines elektrischen Antriebes für einen Ladekran.Fig. 6 shows a structure of the motor and converter components of an electric drive for a loading crane.

Einführend sei festgehalten, daß in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen sind, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebenen so wie dargestellten Figuren bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale aus dem gezeigten Ausführungsbeispiel für sich eigenständige, erfindungsgemäße Lösungen darstellen.In the introduction it should be noted that in the described embodiment, the same parts are provided with the same reference numerals or the same component designations, the disclosures contained in the entire description being applicable to the same parts with the same reference numerals or the same component designations. The location information selected in the description, e.g. above, below, laterally etc. refer to the immediately described and illustrated figures and are to be transferred to the new position in the event of a change of position. Furthermore, individual features from the exemplary embodiment shown can also represent independent solutions according to the invention.

Gemäß der Fig. 1 wird der Grundgedanke, mechanische rotatorische Energie, über die Drehbewegung - angedeutet mit dem Pfeil 1 - beispielsweise aus einem Hydromotor oder durch Auskopplung aus dem Verbrennungsmotor mittels eines Generators 2, insbesondere eines Drehstromgenerators, in elektrische Energie umzuformen und diese über einen Umrichter 3 an die elektrischen Maschinen 4, also an die Antriebsmotoren, weiterzugeben, wo sie in eine translatorische Bewegung umgeformt wird. Als Anwendungsbeispiel kann ein Ladekran eines Lastkraftwagens in Betracht kommen. Der Generator 2, vorzugsweise als Drehstrommaschine, insbesondere als Asynchronmaschine oder Permanentmagnet-Synchronmaschine gebaut, erzeugt Drehspannung, die über einen Gleichrichter in Gleichspannung umgeformt wird. Diese Gleichspannung wird in einem Wechselrichter in eine neue Drehspannung umgeformt, die beliebige Frequenz und Amplitude haben kann. Gleichrichter und Wechselrichter bilden vorzugsweise den Umrichter 3. Diese neu gewonnene Drehspannung wird dann selektiv den Maschinen 4 zugeführt.1, the basic idea of mechanical rotary energy, via the rotary movement - indicated by the arrow 1 - for example from a hydraulic motor or by decoupling from the internal combustion engine by means of a generator 2, in particular a three-phase generator, to convert it into electrical energy and to convert this into a Forward converter 3 to the electrical machines 4, that is, to the drive motors, where it is converted into a translatory movement. A loading crane of a truck can be considered as an application example. The generator 2, preferably constructed as a three-phase machine, in particular as an asynchronous machine or permanent magnet synchronous machine, generates three-phase voltage which is converted into direct voltage by means of a rectifier. This DC voltage is converted into a new three-phase voltage in an inverter, which can have any frequency and amplitude. Rectifiers and inverters preferably form the converter 3. This newly obtained three-phase voltage is then selectively fed to the machines 4.

Die geometrisch optimale Anordnung aus der Sicht der elektromagnetischenThe geometrically optimal arrangement from the perspective of electromagnetic

Verträglichkeit (EMV) besteht in einer möglichst nahen Anordnung von Generator 2, Umrichter 3 und dem Teleskopsystem, idealerweise in einem am Teleskopsystem EMV-dicht angeordneten Block. Voraussetzung kann ein hydraulisches Antriebssystem sein, das die Generator-Antriebsenergie zum Block transportieren kann. Alternativ kann der Generator 2 vom Umrichter 3 geometrisch getrennt sein. So kann beispielsweise der Generator 2 am Motorblock und der Umrichter 3 am Kransystem vorgesehen sein.Compatibility (EMC) consists in the arrangement of generator 2, converter 3 and the telescope system as close as possible, ideally in a block arranged in an EMC-tight manner on the telescope system. A prerequisite can be a hydraulic drive system that can transport the generator drive energy to the block. Alternatively, the generator 2 can be geometrically separated from the converter 3. For example, the generator 2 can be provided on the engine block and the converter 3 on the crane system.

Als weitere Variante kann das aus den Modulen Gleichrichter und Wechselrichter bestehende Umrichtersystem geometrisch auf verschiedene Arten angeordnet sein.As a further variant, the converter system consisting of the rectifier and inverter modules can be arranged geometrically in different ways.

Variante a): Gleichrichter am Generator 2, Wechselrichter am Kran, Übertragung der elektrischen Energie von Generator 2 zum Kran als Gleichspannung.Variant a): Rectifier on generator 2, inverter on the crane, transmission of electrical energy from generator 2 to the crane as DC voltage.

Variante b): Gleich- und Wechselrichter am Kran, Übertragung der elektrischen Energie vom Generator 2 zum Kran als Wechselspannung.Variant b): Rectifier and inverter on the crane, transmission of electrical energy from generator 2 to the crane as AC voltage.

Variante c): Gleich- und Wechselrichter am Generator 2: Diese Variante ist aber voraussichtlich nicht zu empfehlen, da der EMV-Aufwand durch notwendige Schirmmaßnahmen der Energieübertragung zum Kran aufwendig sein kann. Die verwendeten Ausführungen sind auch von der Antriebsdrehzahl des Generators 2 abhängig. Ist die Drehzahl etwa konstant, beispielsweise durch einen drehzahlgeregelten Hydromotor, so kann der Gleichrichter als einfache Diodenbrücke ausgeführt werden. Schwankt die Drehzahl aber in einem weitem Bereich, beispielsweise die Drehzahl ist an eine Brennkraftmaschine gekoppelt, die ihrerseits drehzahlmäßig während des Kranbetriebs stark schwanken kann, so ist für einen optimalen Kranbetrieb ein steuerbarer Gleichrichter nötig. Ferner sind auch Varianten als Hoch- oder Tief setze r möglich.Variant c): Rectifier and inverter on generator 2: This variant is, however, probably not to be recommended, since the EMC effort due to necessary shielding measures for energy transmission to the crane can be complex. The designs used are also dependent on the drive speed of the generator 2. If the speed is approximately constant, for example by a speed-controlled hydraulic motor, the rectifier can be designed as a simple diode bridge. However, if the speed fluctuates within a wide range, for example the speed is coupled to an internal combustion engine, which in turn can fluctuate significantly in speed during crane operation, a controllable rectifier is necessary for optimal crane operation. Variants as high or low sets are also possible.

Auch das Spannungsniveau des elektrischen Systems bedarf einigerThe voltage level of the electrical system also needs some

Überlegungen. Betreffend die Bauteil- und Leitungsauslegung ist ein Niveau von 350 oder 600 V zu bevorzugen. Der Vorteil dieser Spannungsniveaus sind die verfügbaren Leistungsbauelemente, beispielsweise IGBT-Transistoren, aus der Industrie, die mit 230V- bzw. 400V-Netzen arbeiten bzw. der Elektro-Traktion, die 600 V und 750 V Gleichspannungsnetze bei Nahverkehrsbahnen verwenden. Vorteilhaft für die Bauteilauslegung ist die hohe Verfügbarkeit, die geringen Stückkosten und die hohe Zuverlässigkeit. Das Kranteleskopmaterial sollte nach Möglicheit einen metallischen EMV-dichten Schirm, also einen Faraday-Käfig, bilden, wodurch das Umrichterspannungsniveau und die scharf geschalteten Flanken der Wechselrichter-Ausgangsspannung keine EMV-Störungen außerhalb des Teleskopanordnung bilden und überschaubare Sicherheitsmaßnahmen nach sich ziehen. 42 V - Systeme, wie sie in zukünftigen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind ebenfalls einsetzbar, haben aber hohe Strömen von etwa 500 A bei 20 kW Systemen zur Folge.Considerations. A level of 350 or 600 V should be preferred with regard to component and cable design. The advantage of these voltage levels are the available power components, for example IGBT transistors, from industry that work with 230V or 400V networks or the electrical traction that use 600 V and 750 V DC networks on local railways. The high availability, the low unit costs and the high reliability are advantageous for the component design. If possible, the crane telescope material should form a metallic EMC-proof screen, i.e. a Faraday cage, so that the converter voltage level and the armed edges of the inverter output voltage do not form any EMC interference outside the telescope arrangement and result in manageable safety measures. 42 V systems, such as those used in future motor vehicles, can also be used, but result in high currents of around 500 A with 20 kW systems.

Ein großer Vorteil des elektrischen Antriebes für ein Kranantriebssystem ist die Möglichkeit, eine kostengünstige selektive Motoransteuerung zu realisieren. Die einfachste Ausführung ist eine Parallelführung von Energiekabel und Informationsleitungen.A great advantage of the electric drive for a crane drive system is the possibility to implement an inexpensive, selective motor control. The simplest version is a parallel routing of energy cables and information lines.

Die Variante, daß jeder Maschine 4 ein eigener Umrichter 3 zugeordnet wird, scheidet wahrscheinlich aus Kostengründen aus. Praxisnahe ist die Variante, daß an den Generator 2 ein einziger Umrichter 3 angeschlossen wird, dessen elektrischer Ausgang über ein Energiekabel 5 an jede Maschine 4 parallel geführt ist. Jedem Maschineneingang ist vor Ort ein Schalter 6 vorgeschaltet, der aus einem Halbleiterschalter wie einem TRIAC oder einem mechanischen Schalter wie einem Relais, bestehen kann. Diese Schalter 6 werden über eine Adressdekodierschaltung 7 angesteuert. Dabei wird jeder Maschine 4, also jedem Antriebsmotor, eine Adresse zugeordnet. Die Informationskabel 8 werden von der Umrichtersteuerung 9 mit Maschinen- Adressinformation parallel mit dem Energiekabel 5 zu den Maschinen 4 geführt und dadurch jeweils nur eine Maschine 4 ausgewählt. Diese Strategie ist möglich, weil im Kranbetrieb gleichzeitig nur ein Motor in Betrieb ist. Diese Selektionselektronik ist wesentlich billiger als einzelne Umrichter 3.The variant that each machine 4 is assigned its own converter 3 is probably not possible for reasons of cost. Practical is the variant that a single converter 3 is connected to the generator 2, the electrical output of which is led in parallel to each machine 4 via an energy cable 5. A switch 6, which can consist of a semiconductor switch such as a TRIAC or a mechanical switch such as a relay, is connected upstream of each machine input. These switches 6 are controlled via an address decoding circuit 7. Each machine 4, ie each drive motor, is assigned an address. The information cables 8 are routed from the converter control 9 with machine address information in parallel with the power cable 5 to the machines 4 and thereby only one machine 4 is selected in each case. This strategy is possible because only one motor is in operation in crane operation. This selection electronics is much cheaper than individual converters 3.

Die Maschinen 4 für den Antrieb der Teleskope eines Ladekranes sollen folgende Eigenschaften aufweisen:The machines 4 for driving the telescopes of a loading crane should have the following properties:

- hohes Start- und Dauermoment- high starting and continuous torque

- höchstens einminütige hohe Überlastbarkeit- High overload capacity for a maximum of one minute

- Möglichkeit zum sensorlosen Betrieb- Possibility of sensorless operation

- Möglichkeit zur laufenden Rotorpositionserfassung einschließlich Wegschätzung- Possibility of ongoing rotor position detection including path estimation

- Hoher Wirkungsgrad- High efficiency

- Geringes Bauvolumen bzw. hohe Drehmomententwicklung pro Volumen- Low construction volume or high torque development per volume

- Wartungsfreiheit- No maintenance

- Geringe Kosten- Low cost

Diese Bedingungen erfüllt am optimalsten eine Permanentmagnet- Synchronmaschine. Es können aber grundsätzlich auch Gleichstrom-, Asynchronoder elektrisch erregte Synchron-Maschinen eingesetzt werden.These conditions are best met by a permanent magnet synchronous machine. In principle, DC, asynchronous or electrically excited synchronous machines can also be used.

Dieses Antriebskonzept erfordert eine hochdynamische Maschinenregelung mit hohem Anzugsmoment. Dies ist durch die sogenannte feldorientierten Regelung, also einer Vektorregelung, der Drehstrommaschine möglich. Normalerweise ist für diese Regelaufgabe ein Lagesensor auf der Motorwelle nötig. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist aber eine sensorlose Regelung bis zum Stillstand möglich und auch bekannt.This drive concept requires highly dynamic machine control with a high torque. This is possible thanks to the so-called field-oriented control, i.e. vector control, of the three-phase machine. A position sensor on the motor shaft is normally required for this control task. As already in the Introduction to the description mentioned, but sensorless control until standstill is possible and also known.

Ein großer Vorteil dieses elektrischen Antriebskonzeptes ist die Möglichkeit der Erfassung der Kranspitzenposition. Für diesen Zweck wird die absoluteA great advantage of this electrical drive concept is the possibility of detecting the tip position of the crane. For this purpose, the absolute

Rotorposition einer jeden Maschine 4 mathematisch erfaßt. Gemeinsam mit dem sehr schlupfarmen bzw. schlupffreien Getriebe wird die Kranspitzenposition mit guter Genauigkeit auf mathematischem Wege ermittelt. Dabei wird ein selbsthemmendes Getriebe in jedem Teleskopmodul vorausgesetzt, was aufgrund der nicht angesteuerten drehmomentlosen Motoren jedenfalls nötig ist. Als "Nullpositionserkennung" wird dabei der Zustand "Alle Teleskopmotoren voll eingefahren" verwendet. Dabei wird bei jedem Rückfahren des Krans der Zustand "Teleskop des momentan aktiven Motors eingefahren" festgestellt, vorzugsweise durch Rückfahrt gegen einen Anschlag mit definiertem Drehmoment. Dies ist möglich, weil das Maschinenregelkonzept den Anstieg des Motordrehmoments bei Berührung des Anschlages innerhalb ca. einer Millisekunde erkennt und einen hochdynamischen Momentenabwurf innerhalb weniger Millisekunden ermöglicht. Von dieser Nullposition aus wird dann der Kranweg mitgerechnet. Bei jedem Einfahren eines Teleskopteils wird dessen Nullposition exakt durch Fahrt gegen den Anschlag mit definiertem Moment erneut festgestellt, so daß sich kein aufintegrierter Fehler ergibt.The rotor position of each machine 4 is recorded mathematically. Together with the very low-slip or slip-free gear, the crane tip position is determined mathematically with good accuracy. A self-locking gearbox is required in every telescope module, which is necessary due to the non-controlled torque-free motors. The state "All telescopic motors fully retracted" is used as "zero position detection". The state "telescope of the currently active motor retracted" is determined each time the crane is moved back, preferably by moving back against a stop with a defined torque. This is possible because the machine control concept recognizes the increase in engine torque when the stop is touched within approx. One millisecond and enables highly dynamic torque release within a few milliseconds. From this zero position, the crane path is then included in the calculation. Each time a telescopic part is retracted, its zero position is determined again by moving against the stop with a defined torque, so that there is no integrated error.

Gemäß der Fig. 2 ist die elektrische Maschine im Schnitt dargestellt. Durch die mögliche konstruktive Gestaltung eines mechanischen Teleskopantriebes für einen Ladekran rotiert ein Funktionsblock als Innenteil eines Getriebes. Daraus folgt, daß der äußerste Teil des Motormoduls rotiert. Damit bietet sich eine Außenläuferlösung aus mehreren Gründen an:2, the electrical machine is shown in section. Due to the possible structural design of a mechanical telescopic drive for a loading crane, a functional block rotates as the inner part of a transmission. It follows that the outermost part of the motor module rotates. An external rotor solution is therefore suitable for several reasons:

- Erstens erspart der Außenläufer gegenüber dem Innenläufer die konstruktive Ausleitung des Moments von der Welle auf den Außendurchmesser.- Firstly, the outer rotor saves the constructive diversion of the torque from the shaft to the outer diameter compared to the inner rotor.

- Zweitens hängt die Drehmomentausbeute der elektrischen Maschine 4 vom Radius des Luftspaltes ab, welcher beim Außenläufer wesentlich größer als beim Innenläufer ist. Die elektrische Maschine 4 ist auf einem Bewegungselement 10 derart angeordnet, daß der Stator 11 mit der Statorwicklung 12 am Außenumfang des Rohres 19 vorgesehen ist. Der Rotor 13 der elektrischen Maschine 4 ist über Lager 14 ebenfalls am Rohr 19 drehbar befestigt.- Second, the torque yield of the electrical machine 4 depends on the radius of the air gap, which is much larger in the outer rotor than in the inner rotor. The electrical machine 4 is arranged on a movement element 10 in such a way that the stator 11 with the stator winding 12 is provided on the outer circumference of the tube 19. The rotor 13 of the electrical machine 4 is also rotatably attached to the tube 19 via bearings 14.

Die Energieweiterleitung erfolgt im stillstehenden Rohr 19 des Bewegungselementes 10, wie noch später näher beschrieben wird. Der Rotor 13 bzw. der Außenläufer trägt an die Magnete 15 nach außen anschließend das Rückschlussjoch 16 und darüber ein rotierendes, auf der Hohlwelle gelagertes Gehäuse 17, das an seiner Außenseite das hochuntersetzende Getriebe trägt. Der Stator 11 ist klassisch genutet aufgebaut, wobei die Energiezufuhr zu der Statorwicklung 12 über eine durch die Hohlwelle verlaufende Verbindung von der Adressauswahlelektronik 18 an der Teleskopstirnseite erfolgt. Die Adressauswahlelektronik 18, als Elektronikmodul, an der Stirnseite dekodiert die Teleskopadresse und schaltet, beispielsweise über Triac, die Energiezufuhr gegebenenfalls an die Maschine 4 weiter.The energy is passed on in the stationary tube 19 of the movement element 10, as will be described in more detail later. The rotor 13 or the outer rotor then carries the yoke 16 to the outside of the magnets 15 and above it a rotating housing 17 mounted on the hollow shaft, which carries the high-reduction gear on its outside. The stator 11 is constructed in a classically grooved manner, the energy being supplied to the stator winding 12 via a connection running through the hollow shaft from the address selection electronics 18 on the telescope end face. The address selection electronics 18, as an electronics module, decodes the telescope address on the end face and switches the energy supply to the machine 4, for example via triac, if necessary.

Das Rohr 19 in der Teleskopachse kann mit dem nächsten über ein dehnbares Zwischenstück 20 verbunden sein, so daß für die Kabelführung eine rohrförmige Führung variabler Länge entsteht. Das Energiekabel 5 ist an jedem Teleskopeingang mit dem Elektronikmodul verbunden.The tube 19 in the telescopic axis can be connected to the next via an expandable intermediate piece 20, so that a tubular guide of variable length is created for the cable guide. The power cable 5 is connected to the electronics module at each telescope input.

Gemäß der Fig. 3 und 4 wird die Führung des Energiekabels 5 näher aufgezeigt. Für einen zuverlässigen Betrieb ist ein schleiferloses Energietransportsystem zwischen dem Umrichter 3 und den Maschinen 4 wichtig. Es wird ein dehnbares Energiekabel 5 verwendet, das aus dehnbaren, beispielsweise spiralig, aufgebauten Kabelelementen 21 besteht, wobei jedes Kabelelement 21 einem Bewegungselement 10, also einem Teleskopteil oder Führungselement 22, zugeordnet ist. Am Beginn des Teleskopteils beim Abzweigpunkt ist jedes Kabelelement 21 in der Adressenauswahlelektronik 18 befestigt, wobei die Adressenauswahlelektronik 18 am Führungsrohr vorgesehen ist. Das Datentransportsystem zur Selektion der Maschinen 4 ist vorzugsweise im gleichen Kabel integriert.3 and 4, the guidance of the power cable 5 is shown in more detail. A grinderless energy transport system between the converter 3 and the machines 4 is important for reliable operation. An extensible energy cable 5 is used, which consists of extensible, for example spiral, constructed cable elements 21, each cable element 21 being associated with a movement element 10, that is to say a telescopic part or guide element 22. At the beginning of the telescopic part at the branch point, each cable element 21 is fastened in the address selection electronics 18, the address selection electronics 18 being provided on the guide tube. The Data transport system for the selection of the machines 4 is preferably integrated in the same cable.

Die schleiferlose Energieführung für alle Maschinen 4 besteht in einer seriellen Verbindung zwischen den Maschinen 4, wobei eine lokaleThe grinder-free energy supply for all machines 4 consists of a serial connection between the machines 4, with a local one

Adressenauswahlelektronik 18 in der Nähe jeder Maschine 4 den Energietransport zur jeweiligen Maschine 4 auswählt oder sperrt. Damit kann auf eine Parallelführung von der Maschinenanzahl gleichen mehrphasigen Energiekabeln 5 verzichtet und eine große Systemvereinfachung bewerkstelligt werden.Address selection electronics 18 in the vicinity of each machine 4 selects or blocks the energy transport to the respective machine 4. This means that there is no need for parallel routing of the same number of multiphase power cables 5 in terms of the number of machines, and a great simplification of the system can be achieved.

Die Kabelführung ist derart realisiert, daß die innen angeordneten Statoren 11 mit einer Bohrung versehen sind, in der das Rohr 19 des Außenläufermotors eingesetzt ist. Als Beispiel wird ein Durchmesser von 150 mm angenommen. Das Energiekabel 5 ist wendeiförmig ausgeführt. Aufgrund des größerenThe cable routing is realized in such a way that the stators 11 arranged on the inside are provided with a bore in which the tube 19 of the external rotor motor is inserted. A diameter of 150 mm is assumed as an example. The energy cable 5 is designed helically. Because of the bigger one

Wendeldurchmessers kann ein dickeres Kabel ausgeführt werden. Es wird deshalb ein Kabeldurchmesser von 15 mm unterstellt. Nimmt man eine Länge des Maschinenelements von 250 mm an, so können in einem Rohrstück von 250 mm Länge ca. 14 Kabelwindungen realisiert werden. Eine Windungslänge beträgt ca 135 x 3,14 mm = ca. 420 mm, so daß bei 14 Windungen eine Brutto-Kabellänge von 6 Metern untergebracht werden kann- Unterstellt man eine zulässige Wendelverlängerung durch Anlegen von Zugkraft von 50 % der Wendellänge, also 210 mm axialer Auszug, so kann dadurch bei 14 Windungen eine axiale Wendelgesamtlänge von 3 Metern erreicht werden, was der Größenordnung eines Teleskopelements entspricht. Durch den axialen Zug wird die Wendel in ihrem Durchmesser entsprechend ca. cos(30Grad), also ca. auf 87% ihres ursprünglichen Durchmessers ohne axialen Zug verjüngt. Die innere Wendelführung ist also auf einen maximalen Außendurchmesser von 87 % des inneren Wendeldurchmessers (also 120mm x 0.87 = 104 mm) auszulegen. Im Zustand des maximalen Zuges würde also die Wendel diesen Durchmesser an der Wendelinnenseite gerade berühren. Der Vorteil eines relativ großen Durchmessers des Innenrohres ist darin zu sehen, daß ein dickeres Kabel verwendet werden kann. Weiters ist die Teleskopführung bei Bedarf mit einem hohlen Innenteil des letzten Elements auszuführen, in dem ein Seil, ein Kabel etc. in der Rotationsachse geführt werden könnte. Außerdem besteht in der motorseitigen Rohr-Stirnseite mehr Platz zur Unterbringung der Selektionselektronik, die dann nicht mehr im Maschinenraum realisiert werden brauchte und so zusätzliches Einsparpotential für die axiale Antriebslänge bringt.A thicker cable can be made. A cable diameter of 15 mm is therefore assumed. Assuming a length of the machine element of 250 mm, about 14 cable turns can be realized in a piece of pipe with a length of 250 mm. A winding length is approx. 135 x 3.14 mm = approx. 420 mm, so that with 14 windings a gross cable length of 6 meters can be accommodated - one assumes a permissible coil extension by applying tensile force of 50% of the coil length, i.e. 210 mm axial extension, this means that an overall axial length of 3 meters can be achieved with 14 turns, which corresponds to the size of a telescopic element. Due to the axial pull, the diameter of the helix is tapered to approx. Cos (30 degrees), i.e. approx. 87% of its original diameter without axial pull. The inner spiral guide must therefore be designed for a maximum outer diameter of 87% of the inner spiral diameter (i.e. 120mm x 0.87 = 104 mm). In the state of maximum tension, the coil would just touch this diameter on the inside of the coil. The advantage of a relatively large diameter of the inner tube is that a thicker cable can be used. If necessary, the telescopic guide should also be designed with a hollow inner part of the last element, in which a rope, a cable, etc. could be guided in the axis of rotation. In addition, there is more space on the motor-side pipe end to accommodate the selection electronics, which then no longer needed to be implemented in the machine room and thus bring additional savings potential for the axial drive length.

Es ist auch als Variante denkbar, das Energiekabel 5 quasi endlos durch nur eine Führung, die in ihrer Krümmung im Wesentlichen dem natürlichen Wendelverlauf entspricht, durch alle Motorelemente zu führen und nahe jeder Führung einen Parallelabzweig auf die Selektionselektonik auszuführen. Die Adressauswahlelektronik 18 ist stirmseitig im Rohrquerschnitt angeordnet, vorausgesetzt es ist genügend Querschnitt vorhanden.It is also conceivable as a variant to run the energy cable 5 virtually endlessly through only one guide, the curvature of which essentially corresponds to the natural spiral course, through all motor elements and to carry out a parallel branch to the selection electronics near each guide. The address selection electronics 18 is arranged on the face side in the pipe cross section, provided that there is sufficient cross section.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Führung von teleskopartig aneinandergefügten Führungselemente 22. Wenn die Führungselemente 22 teleskopartig ausgefahren werden, verläßt das wendeiförmige Energiekabel 5 unter Entstehung von Zugkräften den Rohrbereich, wobei das Kabel über die ganze Länge weitgehend gleichmäßig gestreckt wird. Gleichzeitig wird das innere Teleskop in die Länge gezogen und dient in der Folge als Abstützung und Führung des Kabels auf seiner Innenseite. Das Teleskop besteht z.B. aus 12 konzentrischen Rohren, die ineinander auf einem Schiebesitz laufen. Damit kann im Falle des Vollauszugs eine Länge von ca. 2.5 Metern pro Teleskopauszug realisiert werden. Wie in der Fig. 5 dargestellt, sind die Enden der einzelnen Segmente auf der Außenseite, wo möglicherweise das Kabel berührt, abgeschrägt auszuführen, um ein Aufgleiten des Kabels beim Zusammenschieben sicherzustellen und Scheuervorgänge zu verhindern. Die axiale Gleitlagerung gegenüber dem folgenden äußeren Rohr kann mit einem kurzen abgestuften Gleitbereich (linkes Rohrende) ausgeführt werden, der gleichzeitig als Anschlag gegen eine Rückfahrsperre (z.B. Seegerring) dienen kann. Im Innenbereich dieses Gleitbereichs kann ein Seegerring als Anschlag für den nächsten innenliegenden Rohrteil ausgeführt sein. Die Gleitlagerung gegenüber dem nächstfolgenden Innenteil erfolgt an der Gegenseite unterhalb des abgeschrägten Rohrendes und wirkt gemeinsam mit dem äußeren Lager des nächstfolgenden Innenteils als Anschlag für die Vorwärtsbewegung.Fig. 5 shows a section through the guide of telescopically attached guide elements 22. When the guide elements 22 are extended telescopically, the helical energy cable 5 leaves the tube area with the creation of tensile forces, the cable being largely evenly stretched over the entire length. At the same time, the inner telescope is extended and subsequently serves to support and guide the cable on its inside. For example, the telescope consists of 12 concentric tubes that run into each other on a sliding seat. In the case of full extension, a length of approx. 2.5 meters per telescopic extension can be achieved. As shown in FIG. 5, the ends of the individual segments on the outside, where the cable may be touching, are to be tapered in order to ensure that the cable slides open when pushed together and to prevent abrasion. The axial plain bearing opposite the following outer tube can be designed with a short graduated sliding area (left tube end), which can also serve as a stop against a reversing lock (eg Seegerring). In the inner area of this sliding area, a circlip can be designed as a stop for the next inner tube part. The plain bearing opposite the next inner part takes place on the Opposite side below the bevelled pipe end and together with the outer bearing of the next inner part acts as a stop for the forward movement.

Das äußerste Rohr ist mit dem eigenen Motormodulgehäuse verbunden, das innerste Element (Rohr oder Vollzylinder) mit dem Motormodulgehäuse des nächstfolgenden Teleskopelements. Damit ergibt sich eine durchgängige Führung mit der Option einer durchgängigen kanalförmigen Bohrung.The outermost tube is connected to its own motor module housing, the innermost element (tube or solid cylinder) to the motor module housing of the next telescopic element. This results in a continuous guidance with the option of a continuous channel-shaped bore.

Die Vorteile der inneren Anordnung des Kabels wie hier vorgeschlagen, sind schleiferlose EnergieübertragungThe advantages of the internal arrangement of the cable as suggested here are grinderless energy transmission

- modularer Aufbau- modular construction

- völliger Berührschutz des spannungsführenden Systems- complete protection against accidental contact with the live system

EMV-unempfindliche Anordnung durch Vollmetallkapselung.EMC-insensitive arrangement thanks to full metal encapsulation.

Gemäß der Fig. 6 ist die Gesamtstruktur eines elektrischen Antriebes für einen Ladekran aufgezeigt. Dabei bieten sich zwei Alternativen an. Entweder wird ein verteiltes Umrichtersystem oder ein zentrales Umrichtersystem vorgesehen.6, the overall structure of an electric drive for a loading crane is shown. There are two alternatives. Either a distributed converter system or a central converter system is provided.

Beim verteilten Umrichtersystem wird vom Generator 2 dasIn the distributed converter system, generator 2 does that

Drehspannungssystem entweder direkt zu den Maschinen 4 geleitet oder generatorseitig noch über eine Gleichrichterbrücke 23 gleichgerichtet sowie gegebenenfalls noch hochgesetzt und als Gleichspannung zu den Antrieben geführt. Der Vorteil dieser Anordnung ist eine geringe EMV-Belastung durch hochfrequente Taktung, die durch diese Art der Spannung, also Gleichspannung mit niederfrequenten Harmonischen bzw. niederfrequente Wechselspannung, unkritisch ist. Deshalb brauchen hier keine geschirmten Kabel verwendet werden. Diese Spannungsebene wird zu den einzelnen Antrieben verteilt, wo sich die Umrichtermodule vor Ort befinden. Die Umrichter 3 können nahe bei den Antriebsmaschinen positioniert werden. Damit ist zwischen Umrichter 3 und Motor nur ein kurzer Weg und die EMV-feste Ausführung ist gut beherrschbar. Die geometrische Anordnung der Umrichter 3 kann sich nach den lokalen Gegebenheiten richten. Nachteilig dabei ist, daß die Steuerung der einzelnen Umrichter 3 mit der Energiezuleitung mitgeführt werden muß, da durch dieses Konzept dezentrale Intelligenz vorausgesetzt wird. Es ist bei jedem Umrichter 3 ein Mikroprozessor zu installieren.Three-phase voltage system either routed directly to the machines 4 or rectified on the generator side via a rectifier bridge 23 and possibly also boosted and fed to the drives as direct voltage. The advantage of this arrangement is a low EMC load due to high-frequency clocking, which is not critical due to this type of voltage, that is to say direct voltage with low-frequency harmonics or low-frequency alternating voltage. Therefore, shielded cables do not need to be used here. This voltage level is distributed to the individual drives, where the converter modules are located on site. The converters 3 can be positioned close to the drive machines. This means that there is only a short distance between converter 3 and the motor and the EMC-proof version is easy to control. The geometric arrangement of the converter 3 can be based on the local conditions. The disadvantage here is that the control of the individual converters 3 must be carried along with the energy supply, since this concept presupposes decentralized intelligence. A microprocessor must be installed in each converter 3.

Beim zentralen Umrichtersystem wird dabei an einer Stelle die gesamte Leistungs- und Steuerelektronik aufgebaut. Die Zuleitung vom Generator 2 führt in eine zentrale Umrichterbox mit nahe beisammenliegenden Wechselrichtermodulen. Die Ausgänge der einzelnen Wechselrichter führen die zerhackte Spannung zu den einzelnen Motoren, daher sollten diese Kabel geschirmt ausgeführt werden. Auf der anderen Seite ist keine Informationselektronik, abgesehen von der Selektionselektronik bei den Teleskopantrieben und somit kein Informationstransport nötig. Der Gehäuseaufwand für die Umrichter 3 reduziert sich deutlich.With the central converter system, the entire power and control electronics are set up at one point. The supply line from generator 2 leads to a central converter box with inverter modules located close together. The outputs of the individual inverters carry the chopped voltage to the individual motors, so these cables should be shielded. On the other hand, there is no information electronics, apart from the selection electronics for the telescopic drives, and therefore no information transport is necessary. The housing expenditure for the converter 3 is significantly reduced.

Die Maschinen 4 werden als Teleskopantriebe verwendet. Darüber hinaus kann die Antriebsmaschine 24 für einen Hubantrieb, die Antriebsmaschine 25 für einen Knickantrieb und die Antriebsmaschine 26 für einen Drehantrieb Verwendung finden. Zur Abrundung des Gesamtkonzeptes für einen Ladekran kann die Antriebsmaschine 27 für einen Ausleger und die Antriebsmaschine 28 für eine Seilwinde verwendet werden. Über die Adressenauswahlelektroniken 18 können die einzelnen Maschinen entsprechend angesteuert werden.The machines 4 are used as telescopic drives. In addition, the drive machine 24 can be used for a linear drive, the drive machine 25 for an articulated drive and the drive machine 26 for a rotary drive. To round off the overall concept for a loading crane, the drive machine 27 can be used for a boom and the drive machine 28 for a cable winch. The individual machines can be controlled accordingly via the address selection electronics 18.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß in den zuvor beschriebenenIn conclusion, it should be noted that in the previously described

Ausführungsbeispielen einzelne Teile unproportional vergrößert bzw. schematisch dargestellt sind, um das Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung zu verbessern. Des weiteren können auch einzelne Teile der zuvor beschriebenen Merkmalskombination des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit anderen Einzelmerkmalen eigenständige, erfindungsgemäße Lösungen bilden. Embodiments individual parts are disproportionately enlarged or shown schematically in order to improve the understanding of the solution according to the invention. Furthermore, individual parts of the combination of features of the exemplary embodiment described above can form independent solutions according to the invention in conjunction with other individual features.

Claims

PATENT CLAIMS

1. Electric drive for at least two movement elements which carry out a movement, preferably translational, relative to one another, characterized in that each movement element (10) is provided with an electric linear or rotary machine (4), so that the relative movement is passed on between the stator ( 11) and rotor (13) of the electrical machine (4) via a mechanical functional unit to the next movement element (10) as a relative movement between adjacent movement elements (10), so that the movement of the last movement element (10) relative to the first movement element (10) consists of the vector sum of the partial movements of the individual movement elements (10).

2. Electric drive according to claim 1, characterized in that the electrically linear or rotary machine (4) is a synchronously running multi-phase machine.

3. Electric drive according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical machines (4) for the movement elements (10) are fed via at least one converter (3).

4. Electric drive according to claim 3, characterized in that at least one converter (3) with at least two motors via electrical

Selection modules are selectively connected in terms of energy.

5. Electric drive according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the mechanical functional unit passes on the machine movement with little slip, preferably without slip.

6. Electric drive according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the mechanical state descriptive variables, such as position, speed, acceleration, force, torque, power, of any, preferably the last, movement element (10) can be determined from electrical variables of the electrical machines (4).

7. Electric drive according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that at least two movement elements (10) are designed as telescopically movable tubes (19), the electrical machines (4) being arranged in the inner part of the tube (19). and are designed as external runners.

8. Electric drive according to claim 7, characterized in that the internally arranged stators (11) of the electrical machines (4) are provided with a bore in which at least one cable (5) carrying energy and / or possibly information is arranged.

9. Electric drive according to claim 8, characterized in that the electrical energy from the energy-carrying cable (5) is selectively sent to the stator winding (12) of the machine (4) in question by electrical or electronic elements that can be switched via an information input

Movement element (10) can be branched off.

10. Electric drive according to claim 9, ^~ characterized in that the information, preferably for controlling the selection elements, can be transported on the energy-carrying cable (5).

11. Electric drive according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the cable (5) or the cables is or are arranged helically and consists or consist of partial sections (21) and can each be assigned to a movement element (10). is or are, whereby the

Sections (21) are electrically connected and these connections are preferably in the area of entry into the tube area in the internally arranged stator (11) of the respective movement element (10). are provided and are mechanically connected there to the relevant movement element (10), the helical piece being at least largely accommodateable in the bore of the stator (11) in the force-relieved state and under the influence of a mechanical pull with the movable relative to the relevant movement element (10). End of the assigned ones

Leaves the bore area.

12. Electric drive according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that for mechanical guidance of the partial coils in the interior of the partial coils there is a, preferably telescopic, extendable guide, the two ends of which are mechanically fastened to adjacent movement elements (21).

13. Electric drive according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that it is formed from the energy-carrying cables (5).

Energy line system at least one further electrical energy converter is selectively coupled, for example any electrical system such as a lamp, pump, robot, tool, winch or the like is provided on the last movement element (10).

14. Electric drive according to claim 13, characterized in that the energy line system for electrical energy transport consists of at least two independently operable, mechanically preferably in a common multi-core cable (5), so that at least two independently controllable electrical energy consumers, preferably electrical machines (4) of movement elements (10) can be operated at the same time.

15. Electric drive according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that the electrical machines (4) according to the

Energy direction can be operated both as motors and as generators.

16. Electric drive according to claim 15, characterized in that the regenerative energy can be diverted into electrical energy consumers via the path of the converter (3).

17. Electric drive according to claim 16, characterized in that the regenerative energy is at least partially converted into heat in a stator winding (12) of at least one electrical machine (4) connected via the converter (3) by appropriate control.

18. Electric drive according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that for the position initialization of at least one movement element (10), the electric machine (4) assigned to the movement element (10) moves the movement element (10) against a zero position detector, preferably one mechanical stop, moves.

9. Electric drive according to at least one of claims 1 to 18, characterized in that at least one electrical machine (4) can be operated with a mechanical sensorless method.

20. Electric drive according to at least one of claims 1 to 19, characterized in that it is integrated into a boom drive system of an electrically operated crane.

21. Electric drive according to at least one of claims 1 to 20, characterized in that it is a drive system of an electrically operated

Manipulation system such as robots, positioning systems, path control systems and the like.