Vorteile der Verwendung von Motoren mit mehreren Drehzahlen

Der Ersatz herkömmlicher Eingeschwindigkeitsmotoren durch Mehrgeschwindigkeitsmotoren verbessert in vielen Fällen die technologischen und betrieblichen Eigenschaften von Maschinen und Zerspanungsmaschinen erheblich und verringert die Arbeitsintensität ihrer Produktion.

Mehrgeschwindigkeitsmotoren werden verwendet:

• in Maschinenantrieben und Zerspanungsmaschinen, deren Geschwindigkeit sich in Abhängigkeit von der Größe, Härte und anderen physikalischen Eigenschaften des verarbeiteten Materials oder in Abhängigkeit von technologischen Faktoren ändern soll. Dazu gehören Metallschneide- und Holzbearbeitungsmaschinen, Zentrifugalabscheider, Bagger und andere Mechanismen für verschiedene Anwendungen;

• in Maschinen, Zerspanungsmaschinen und -mechanismen mit unterschiedlichen Betriebs- und Leerlaufgeschwindigkeiten (Sägewerke);

• zum Starten und Stoppen ohne starke Stöße an Tischen mit großer Dynamik (Aufzüge, Hebezeuge). In diesem Fall erfolgt der Arbeitsprozess bei höchster Drehzahl und das Starten und Stoppen des Mechanismus – bei niedrigen Drehzahlen, oft mit automatischer Umschaltung der Polzahl;

• in Maschinenantrieben und Werkzeugmaschinen mit je nach Tageszeit, Jahreszeit usw. schwankender Leistung. (Pumpen, Ventilatoren, Ladevorrichtungen, Förderbänder usw.);

• in Maschinenantrieben mit unterschiedlichen Zwecken, die jeweils eine unterschiedliche Geschwindigkeit erfordern, zum Beispiel bei Ölbohranlagen, bei denen die niedrigste Geschwindigkeit zum Pumpen von Öl und die höchste Geschwindigkeit zum Verlegen von Rohren verwendet wird;

• in Mechanismen, deren Geschwindigkeitsänderung durch die aufgenommene Leistung bestimmt wird. Ein Beispiel sind Flachwalzwerke, bei denen zunächst bei erheblicher Metallverformung mit niedriger Geschwindigkeit gewalzt und die Endbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird.

• in Blöcken, bei denen zusätzlich zur Regelung der Drehzahl des Motors durch Umschalten der Polzahl eine zusätzliche Erhöhung der Drehzahlregelgrenze durch Änderung der Frequenz des Versorgungsnetzes erfolgt.

Durch den Einsatz von Mehrgeschwindigkeitsmotoren in Elektroantrieben von Maschinen und Zerspanungsmaschinen ist es möglich:

1) Vereinfachung des Maschinendesigns unter Ausschluss von Getrieben und Stromversorgungen;

2) Steigerung der Leistung, Produktivität und Wartungsfreundlichkeit von Metallschneidemaschinen;

3) Verbesserung der Qualität der maschinellen Bearbeitung durch Reduzierung von Vibrationen und Reduzierung der Ungenauigkeit beim Betrieb von Mechanismen mit einer großen Anzahl von Zahnrädern;

4) Steigerung der Effizienz der Maschine durch Reduzierung der Zwischenglieder der kinematischen Kette;

5) Ändern der Fahrgeschwindigkeit, ohne die Maschine anzuhalten;

6) Vereinfachung der automatischen Verwaltung der Prozesse Starten, Stoppen, Umkehren und Stoppen;

7) Vereinfachung der automatischen Verwaltung der Verarbeitungsmodi in Abhängigkeit von technologischen Faktoren.

Das Starten des Motors bei einer niedrigeren Drehzahl hat außerdem den Vorteil, dass der Absolutwert des Anlaufstroms in diesem Fall in der Regel geringer sein wird als die Anlaufströme für höhere Drehzahlen. Beim Umschalten der Spule von einer kleineren auf eine größere Polzahl, d. h. wenn sich die Motordrehzahl verlangsamt, regeneratives Bremsen des Motors, was die Stoppzeit der Maschine verkürzt und nicht mit Energieverlusten verbunden ist, wie dies beim Rückwärtsbremsen der Fall ist.

Es gibt vielfältige Möglichkeiten für den Einsatz von Mehrgeschwindigkeitsmotoren in den unterschiedlichsten Arten von universellen und speziellen automatisierten Metallschneidemaschinen: Drehen, Drehmaschinen, Bohren, Fräsen, Schleifen, Längs- und Querhobeln, Schärfen usw.

Motoren mit mehreren Drehzahlen werden am häufigsten in Antrieben von Werkzeugmaschinen und Holzbearbeitungsmaschinen eingesetzt.

Ein erheblicher Bereich der Geschwindigkeitsregelung universeller Metallschneidemaschinen erfordert Untersetzungsgetriebe oder Getriebe mit einer großen Anzahl von Steuerstufen. Wenn der Verstellvorgang nur auf eine mechanische Weise erfolgt, sind die Getriebe konstruktiv wesentlich komplexer und erfordern eine komplexere Steuerung.

Beide Faktoren führen zu einer Erhöhung der Arbeitsintensität und einem Anstieg der Kosten für die Herstellung von Getrieben.Daher wird in Werkzeugmaschinen häufig ein Verbundgeschwindigkeitssteuerungssystem verwendet, bei dem es sich um eine Kombination aus einem Elektromotor, dessen Geschwindigkeit über einen ziemlich weiten Bereich geregelt wird, und einem Getriebe oder einer entsprechenden Leitrolle mit höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu komplexeren Getrieben handelt.

Besonders empfehlenswert ist der Einsatz von Mehrgeschwindigkeitsmotoren in Zerspanungsmaschinen, bei denen man sich auf zwei, drei oder vier verschiedene Geschwindigkeiten bei einer Maschinenspindelgeschwindigkeit gleich der Motorgeschwindigkeit beschränken kann. In diesem Fall werden eingebaute Mehrgeschwindigkeitsmotoren verwendet. Der Stator des Motors ist in den Spindelstock der Maschine eingebaut und die Spindel ist über eine Kupplung mit der Rotorwelle des Motors verbunden, oder der Rotor des Motors ist direkt auf der Spindel montiert.

Ein solcher Aufbau der Maschine erweist sich als äußerst einfach, ihre kinematische Kette ist am kürzesten und der Motor befindet sich möglichst nahe an der Arbeitswelle.

Wenn die Drehzahl der Spindel des Zerspanungswerkzeugs nicht mit der Drehzahl des Multi-Speed-Motors übereinstimmt, wird dieser über einen Riemen- oder Zahnradantrieb mit der Spindel verbunden. Ein ähnliches kinematisches Diagramm wird für Betriebsräume von Drehmaschinen, Fräsmaschinen oder kleinen Bohrmaschinen verwendet. Das Hinzufügen einer einfachen Suche zu einem solchen Schema erweitert den Bereich der Maschinengeschwindigkeitssteuerung erheblich und verlängert die kinematische Kette der Maschine nur bei niedrigen Drehzahlen.

Die Verwendung eines Mehrgeschwindigkeitsmotors im elektrischen Antrieb der Werkzeugmaschine, der direkt mit dem Geschwindigkeitsvariator verbunden ist, erweitert die Möglichkeit einer reibungslosen Steuerung der Geschwindigkeit der Maschine erheblich.Bei Anwendung beispielsweise eines Zweigangmotors 2p = 8/2 und eines mechanischen Variators mit einem Drehzahlverhältnis von 4:1 können Sie eine stufenlose Drehzahlregelung von 187 bis 3000 U/min realisieren, d. h. erhalten Sie einen Einstellbereich von 16:1.

Mit einem 500/3000-U/min-Motor mit zwei Geschwindigkeiten und einem Variator mit einem Übersetzungsverhältnis von 6:1 wird der Bereich der sanften Steuerung der Maschinengeschwindigkeit auf 36:1 erweitert. Dies wird durch die Verwendung von Boost nach dem Variator erreicht.

Der Bereich der stufenlosen Antriebsgeschwindigkeitssteuerung kann durch Änderung der Drehzahl des Multi-Speed-Motors in den Bereich höherer oder niedrigerer Geschwindigkeiten verschoben werden. Wenn dies nicht ausreicht, wird zwischen Motor und Variator ein Overdrive oder ein Herunterschalten platziert, meist ein Keilriemen oder Riemen.

Zur stufenlosen Drehzahlregelung in einem relativ kleinen Bereich bis 1:4 bei konstantem Wellendrehmoment dient ein Asynchronmotor mit Rutschkupplung.

Der Wirkungsgrad eines solchen Motors wird durch den Ausdruck η = 1 — s bestimmt, wobei s der Schlupf ist, der der Differenz zwischen den Drehzahlen des Rotors und der Abtriebswelle entspricht. Daher beträgt der Wirkungsgrad bei s = 80 % nur 20 %. In diesem Fall konzentriert sich die gesamte Verlustleistung auf die Kupplungstrommel.

Durch den Austausch eines herkömmlichen einstufigen Motors durch einen mehrstufigen Motor in einem Rutschkupplungsantrieb ist es möglich, den Wirkungsgrad zu steigern und den Bereich der Geschwindigkeitsregelung dieses Antriebs zu erweitern.Beispielsweise erfolgt bei einem Zweigangmotor mit einem Polwechselverhältnis von 2:1 die Drehzahlregelung in Schritten von 2:1, und im Intervall zwischen diesen Drehzahlen und darunter erfolgt eine sanfte Regelung durch die Rutschkupplung. Der Gesamtregelbereich beträgt 4:1 mit einem Mindestwirkungsgrad von 50 %.

Durch die umfassendere Nutzung der Regeleigenschaften der Kupplungen (Regelbereich 5:1) ist es möglich, den Regelbereich auf 10:1 beim niedrigsten Wirkungsgrad (bei niedrigster Drehzahl der Welle) η = 20 zu erweitern %.

Durch den Einsatz eines Dreigangmotors mit polumschaltbarer Wicklung 2p = 8/4/2 lässt sich der Regelbereich auf 8:1 beim niedrigsten Antriebswirkungsgrad η = 50 % erhöhen und die Regelgrenze von 20:1 beim Wirkungsgrad erreichen bei der niedrigsten Geschwindigkeit η=20 %.