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Wandler zum Umsetzen der Lageänderung eines mechanischen
Organes in eine Wechselspannung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zum Umsetzen der Lageänderung eines mechanischen
Organes in eine Wechselspannung, mit einem bewegbaren Teil, mit dem dieses Organ verbunden ist und zwei feststehenden, mit Luftspalt versehenen, je einen Magnetkreis bildenden Eisenkernen, auf denen je eine zum Speisen mit Wechselstrom eingerichtete Primärwicklung und eine Sekundärwicklung unterge- bracht ist.
Eine bekannt gewordene Vorrichtung dieser Art ist Gegenstand der deutschen Patentschrift Nr. 905235 und der beiden Zusatzpatentschriften Nr. 914945 bzw. Nr. 932594. In der letztgenannten Patentschrift ist eine magnetische Brücke beschrieben, die aus zwei mit Luftspalten versehenen, mit je zwei Wicklungen umgebenen Eisenkörpern und einer gezahnten, elektrisch leitenden Scheibe besteht, welche die Luftspalte beider Eisenkerne durchsetzt. Die Wicklungen der beiden Eisenkerne sind paarweise zusammengeschaltet, u. zw. bilden zwei in Serie liegende Wicklungen die Erregerwicklung der Brücke, wogegen die beiden andern Wicklungen über eine Gleichrichterschaltung verbunden sind und den Abnahmekreis darstellen.
Die Wirkungsweise beruht auf der Tatsache, dass in dem Abnahmekreis nur dann eine Spannung auftritt, wenn das Brückengleichgewicht durch die leitende Zahnscheibe gestört wird. Diese wirkt wie eine zusätzliche Wicklung am Eisenkern mit einer veränderlichen Ohm'schen Belastung, die in der Abnahmewicklung einen variablen Spannungsabfall hervorruft. Die Energie des Ausgangssignales ist daher stets um die in Wärme umgesetzte Energie verringert und durch die Notwendigkeit begrenzt, die in der Scheibe entstehende Wärme abzuführen.
Bei dem vorgeschlagenen Wandler sind diese Nachteile vermieden. Erfindungsgemäss ist bei diesem der bewegbare Teil des Wandlers als die Grösse der genannten Luftspalte und damit den magnetischen Widerstand der beiden magnetischen Kreise bei seiner Bewegung ändernder Magnetkern ausgebildet und sind die Sekundärwicklungen auf andern Teilen der Eisenkerne als die in Reihe geschalteten Primarwicklungen untergebracht, wodurch die Differenz der in den Sekundärwicklungen erzeugten Spannungen in Zusammenhang mit der jeweiligen Stellung des Magnetkernes gebracht ist. Der Magnetkern kann einteilig ausgebildet sein oder aus mehreren, z. B. zwei starr miteinander verbundenen Teilen bestehen. Er kann zur Ausführung linearer Verschiebungen oder vonDrehungen eingerichtet sein.
Solche Wandler liefern ein verhältnismässig starkes Signal, sprechen rasch an und sind empfindlich, weil zur Verschiebung des beweglichen Teiles nur eine geringe Kraft erforderlich ist.
Die Veränderung des Ausgangssignales wird bei dem erfindungsgemässen Wandler durch Einwirkung auf den magnetischen Widerstand des Magnetkreises nur durch die Änderung von Blindkomponenten und demzufolge ohne Energieverlust erzielt. Bei der bekannten Vorrichtung erfährt die Scheibe ein Drehmoment, das mit zunehmender Ausgangsleistung grösser wird und Rückwirkungen auf das Organ zeitigen kann, dessen Lageveränderung ermittelt werden soll. Solche Rückwirkungen lassen sich bei dem Wandler nach der Erfindung durch eine geeignete geometrische und elektrische Bemessung auch bei grossen Ausgangslei- stungen leicht auf ein unschädliches Mass herabsetzen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt Fig. 1 ein Prinzipschema des Wandlers, Fig. 2 den Verlauf der
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Kurve, welche die Differenz der in den Sekundärwicklungen inAbhängigkeit von der Verschiebung des beweglichen Magnetkernes induzierten Spannungen angibt, Fig. 3 ein Schema des an einen Verbraucherstromkreis angeschlossenen Wandlers nach Fig. l und Fig. 4 und 5 eine Ausführungsvariante, bei der der Wandler anstatt durch eine geradlinige Verschiebung durch eine Verdrehung gesteuert wird.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der erfindungsgemässe Wandler im wesentlichen aus zwei identisch gleichen festen Magnetkernen 1, 2, die je einen Luftspalt 5 bzw. 6 aufweisen, aus einem beweglichen Magnetkern 4, welcher durch einen Stab 3 in Richtung seiner Längsachse verschiebbar geführt ist, aus zwei gleichen, mit Wechselstrom gespeisten und in Serie geschalteten Primärwicklungen 7, 8 und schliesslich aus zwei gleichen Sekundärwicklungen 9, 10. Der bewegliche Magnetkern 4 ist über den Stab 3 mit einem mechanischen Organ (nicht dargestellt) verbunden, dessen Verschiebung angezeigt werden soll. Die Stellung dieses Magnetkernes bestimmt die Grösse der Luftspalte 5,6 der beiden festen Magnetkerne 1,2.
Die Primärwicklungen 7,8 werden von einer äusseren Stromquelle mit einer konstanten Wechselspannung gespeist und sind In Serie geschaltet.
Auf diese Weise bleibt der Magnetisierungsstrom bei Verschiebung des beweglichen Kernes praktisch konstant. Während nämlich der magnetische Widerstand des einen Magnetkreises zunimmt, nimmt er gleichzeitig für den andern Kreis im gleichen Ausmass ab, so dass der Gesamt-Scheinwiderstand der beiden Primärwicklungen innerhalb der Betriebsgrenzen im wesentlichen konstant bleibt.
Der durch den Strom in den Primärwicklungen erzeugte Magnetfluss gelangt nur teilweise durch die festen Magnetkerne und verkettet sich mit den entsprechenden Sekundärwicklungen, während der restliche Fluss den Streufluss darstellt. Das Verhältnis zwischen verkettetem Fluss und Streufluss hängt von der Grösse des Luftspaltes der entsprechenden Kerne ab.
In der mittleren Gleichgewichtslage, in der der bewegliche Kern gleichweit in beide Luftspalte eindringt, befinden sich die beiden magnetischen Kreise in gleichen Zuständen und demzufolge sind die mit den beiden Sekundärwicklungen verketteten Flüsse gleich gross, so dass auch die in diesen beiden Wick-
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renz AV=V,-V ; der beiden induzierten Spannungen entnommen, welche in diesem Fall gleich Null ist, indem beispielsweise die beiden Wicklungen entgegengesetzt in Reihe geschaltet werden.
Für jede andere Stellung des beweglichen Kernes sind die mit den Sekundärwicklungen verketteten Flüsse ungleich gross'und jeder Verschiebung A s des beweglichen Kernes aus seiner mittleren Gleichgewichtslage entspricht eine Erhöhung des mit einer Sekundärwicklung verketteten Flusses und eine Erniedrigung des mit der ändern Sekundärwicklung verketteten Flusses, wobei die Absolutwerte dieser Erhöhung und Erniedrigung gleich gross und der Grösse der Verschiebung A s verhältnisgleich sind. Demzufolge ist died ! fferenz der induzierten Spannungen AV=V.-V,, was den Absolutwert anbelangt, proportional der Verschiebung des beweglichen Kernes.
Es versteht sich, dass das Vorzeichen von A V negativ oder positiv sein kann, je nach der Verschiebungsrichtung, wobei sich die Phase um 180 elektrische Grade verändert.
Es ergibt sich somit, dass der Wandler ein Signal erzeugt, dessen absoluter Wert der Verschiebung des mechanischen Organs verhältnisgleich ist und dessen Vorzeichen der Verschiebungsrichtung entspricht.
Der Verlauf der Kurve A V = f (A s), welche von einer praktischen Ausführung des Wandlers stammt, ist in Fig. 2 angedeutet. In diesem Fall ist die Kurve innerhalb der Betriebsgrenzen linear, doch versteht es sich, dass sie auch einen andern Verlauf besitzen könnte, je nach den Forderungen der jeweiligen Anwendung, ohne dadurch aus dem Erfindungsbereich zu fallen.
Die Differenz der induzierten elektrischen Spannungen A V = Vl - V kann ausser an den Enden der entgegengesetzt in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen, wie in obigem Fall, auch dadurch erhalten werden, dass die beiden Spannungen V und V, getrennt abgenommen werden und ihre Differenz dann in einem eigenen Hilfsstromkreis bestimmt wird.
Ein Beispiel für diese Möglichkeit zeigt das Schaltbild in Fig. 3, in dem der gleiche Wandler wie in Fig. l an einen an sich bekannten Verbraucherstromkreis angeschlossen ist. Die Wicklungen 9 und 10 sind dabei je an eine Gleichrichtergruppe 11 bzw. 12 angeschlossen, die über Widerstände und ein Potentiometer 13 eine pulsierende Gleichspannung A V liefern, deren Grösse der Verschiebung des beweglichen Kernes 3 aus seiner Mittelstellung proportional ist und deren Vorzeichen der Verschiebungsrichtung entspricht.
Das Verhalten bei Belastung ist für eine gewisse Stellung des beweglichen Kernes sehr ähnlich dem Verhalten eines gewöhnlichen Transformators mit starkem Streufluss, was sich aus einer einfachen Prüfung der Stromkreise, sowie aus der Tatsache ohne weiteres ergibt, dass der Magnetisierungsstrom im gesamten im wesentlichen konstant ist. Demzufolge ist auch die vom Wandler abgegebene Leistung verhältnismässig gross und mit derjenigen vergleichbar, die man von einem Transformator erhalten konnte.
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Die Erfindung wurde bisher unter Bezugnahme auf eine mögliche praktische Ausführungsform beschrieben, bei der der bewegliche Kern geradlinige Verschiebungen ausführt, doch kann der Wandler auch mit einem verdrehbaren beweglichen Kern ausgeführt werden, indem die Gestalt des beweglichen Kernes und gegebenenfalls die Form der Polschuhe der festen Kerne auf einfache Weise abgeändert werden.
Eine praktische Ausführungsform I bei der der bewegliche Kern Verdrehungen ausführt, ist in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt, wobei Fig. 4 eine Ansicht und Fig. 5 ein Schnitt nach der Linie X-X der Fig. 4 ist.
In Fig. 4 ist ersichtlich, dass der bewegliche Kern aus zwei getrennten, durch den Betätigungsstab 3 fest miteinander verbundenen Teilen 4, 4' besteht, doch könnte er auch aus einem einzigen Teil gebildet sein, wenn dies aus besonderen baulichen Gründen erforderlich sein sollte, ohne dass dadurch das Wir- kungsprinzip im geringsten verändert wird. Es sei hier auch noch bemerkt, dass auch der bewegliche Kern beim ersten Ausführungsbeispiel ohne weiteres zweiteilig ausgebildet sein könnte.
Die übrigen Teile des in den Fig. 4 und 5 gezeigten Wandlers entsprechen vollkommen denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. l und besitzen die gleiche Wirkungsweise wie dort ; es erübrigt sich somit, sie nochmals näher zu beschreiben.
Es versteht sich, dass die erläuterten Ausführungsbeispiele den Erfindungsgegenstand in keiner Weise einschränken und zahlreiche Varianten möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wandler zum Umsetzen der Lageänderung eines mechanischen Organes in eine Wechselspannung, mit einem bewegbaren Teil, mit dem dieses Organ verbunden ist und zwei feststehenden mit Luftspalt versehenen, je einen Magnetkreis bildenden Eisenkernen, auf denen je eine zum Speisen mit Wechselstrom eingerichtete Primärwicklung und eine Sekundärwicklung untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Teil des Wandlers als die Grösse der genannten Luftspalte und damit den magnetischen Widerstand der beiden magnetischen Kreise bei seiner Bewegung ändernder Magnetkern ausgebildet ist und die Sekundärwicklungen auf andern Teilen der Eisenkerne als die in Reihe geschalteten Primärwicklungen untergebracht sind,
wodurch die Differenz der in den Sekundärwicklungen erzeugten Spannungen in Zusammenhang mit der jeweiligen Stellung des Magnetkerns gebracht ist.