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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung eines Vor-oder Nacheilwinkels und bzw. oder der Drehzahl von Maschinenwellen od. dgl. durch Messung der relativen zeitlichen Lage und bzw. oder des zeitlichen Abstandes von Impulsen, die in Sonden auf Grund von magnetischen
Feldstärkeänderungen entstehen, die durch relativ zu diesen Sonden bewegte magnetische Unstetig- keitsstellen in Form eines oder mehrerer, radial in einem unmagnetischen, drehfest mit der Maschi- nenwelle od. dgl. verbundenen Rotor an dessen Peripherie angeordneter Permanentmagneten verursacht werden.
Die praktische Bedeutung einer exakten Bestimmung des Vor- oder Nacheilwinkels elektrischer
Maschinen bei deren Verbindung mit elektrischen Netzen oder untereinander ist hinlänglich bekannt.
Die Folgen, die das Aussertrittfallen etwa eines netzverbundenen Synchrongenerators bei Überlast haben kann, rechtfertigen durchaus den Aufwand, der zur Überwachung des Lastwinkels solcher
Maschinen und gegebenenfalls zur Einleitung und Durchführung entsprechender Regelmassnahmen erforderlich ist.
Es sind demgemäss auch schon verschiedene Einrichtungen bekanntgeworden, die sich die Lö- sung dieser Aufgabe zum Ziel gesetzt haben.
In der FR-PS Nr. 2. 019. 879 (Grundig EMV) wird eine Einrichtung zur genauen Messung der
Winkelgeschwindigkeit einer sich drehenden Welle angegeben. Bei dieser weist die Welle eine metal- lische Zahnscheibe auf, deren Zähne in geringem Abstand an einem engen Luftspalt einer hochfre- quenzgespeisten Sondenspule vorbeibewegt werden. Gemessen wird die Geschwindigkeit als Funktion der Winkelgeschwindigkeit, mit der die Energie schwankt, die induktiv aus dem Hochfrequenz-Wech- selfeld in die rotierende Zahnscheibe übertragen wird. Nachteilig ist dabei die Notwendigkeit der
Bereitstellung von Hochfrequenzenergie sowie die Anfälligkeit gegenüber durch Schaltlichtbögen usw. verursachten hochfrequenten Störungen.
Durch die CH-PS Nr. 386123 (Siemens) wird eine Messung durch Kombination von magnetischen
Unstetigkeitsstellen und magnetfeldabhängigen Halbleiteranordnungen bewerkstelligt, wobei am Um- fang einer auf der Welle angeordneten Scheibe Dauermagnete eingebettet sind, deren magnetische
Achsen in radialer oder axialer Richtung zur Scheibe verlaufen, die vor einem Hallgenerator vorbei- bewegt werden. Bei dieser Messung wird hauptsächlich Wert auf eine grosse Unterteilung einer Um- drehung sowie auf die Möglichkeit zur Feststellung der Bewegungsrichtung mit einer einzigen Sonde gelegt. Dafür werden die mit der Anwendung von Hallgeneratoren verknüpften Umstände, nämlich die Schwäche der erzeugten Impulse sowie die Notwendigkeit der Zuführung von Hilfsströmen zu den Sonden in Kauf genommen.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass die Sonden als Induktionsspulen in Form von Eisenkernspulen mit zur Rotorachse parallelem, vorzugsweise einen keilförmigen Querschnitt aufweisenden Luftspalt ausgebildet sind, dass die im Rotor angeordneten Permanentmagnete mindestens teilweise dachförmig zur Peripherie des Rotors zulaufend ausgebildete Austrittsflächen für den radial verlaufenden Magnetfluss aufweisen, deren Scheitellinien parallel zur Rotorachse verlaufen und in der Umfangsfläche des Rotors liegen und dass Verstärkerstufen mit einstellbarer Nichtlinearität zur Normierung der in den Sonden entstehenden Impulse vorgesehen sind.
Die durch die erfindungsgemässe Lösung erzielten Vorteile sind mannigfaltig. Es ist zunächst als Folge der hohen magnetischen Kraftflussdichte der radialen Permanentmagnete möglich, den Abstand zwischen Rotor und Eisenkernspule gegenüber andern vergleichbaren Anordnungen gross zu halten. Daraus ergibt sich der für die Praxis wesentliche Vorteil, dass ein grosses radiales Spiel des Rotors in der Grössenordnung von Millimetern möglich ist, ohne die Genauigkeit der Einrichtung oder ihre Reproduktionskonstanz zu beeinträchtigen. Durch die Erhöhung der Kraftflussdichte wird eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit infolge der Kompression des magnetischen Flusses am Rotorumfang erzielt. Die keilförmige Ausbildung der Luftspalte der Eisenkernspulen ergibt in Verbindung mit der Auswerteschaltung eine Steigerung der Messgenauigkeit bis unter 1 Winkelgrad.
An Hand von Zeichnungen soll nun die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. l der Zeichnungen stellt eine vorteilhafte Ausführungsform des aus Rotor und Stator bestehenden Messwertgebers dar. Im Rotor-l-sind zwei Gruppen von Permanentmagneten --2-- mit radial verlaufenden Achsen vorgesehen. An Stelle von dachförmig zulaufenden Permanentmagneten können auch zylindrische Magnete gewählt werden, über denen an der Rotorperipherie ein dachför-
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miger Polschuh aus Weicheisen angeordnet ist, der für die Homogenisierung des Aussenfeldes sorgt.
Wenn mehrere Permanentmagnete der vorstehend beschriebenen Form in Gruppen axial hintereinander am Rotorumfang angeordnet werden, ist es möglich, axiale Verschiebungen der Maschinenwelle und des mit ihr verbundenen Rotors gegenüber den Statoren zuzulassen. Die zugelassenen Axialspiele können bis zu einer Grössenordnung von Zentimetern betragen. Der Stator --3-- trägt drei Eisenkern- spulen --4--, in denen die aus den Permanentmagneten austretenden Magnetflüsse beim Vorbeilaufen
Spannungsimpulse induzieren. Die Eisenkernspulen mit zur Rotorachse parallelem Luftspalt können mit mehreren Wicklungen versehen werden.
Werden beispielsweise die der Peripherie zugewendeten
Enden der Permanentmagnete abwechselnd gegensinnig gepolt, ermöglicht die erfindungsgemässe Anord- nung durch diese Kombination bei Verwendung von nur drei Eisenkernspulen die Anwendung für
Sechsphasenbetrieb, beispielsweise an Einankerumformern. Der Rotor-l-ist drehfest mit der Ma- schinenwelle --5-- verbunden, der Stator --3-- ist als kreisringförmiger Tragring ausgebildet, der konzentrisch zur Rotorachse angeordnet und fest mit dem Gehäuse der Maschine verbunden ist.
Die von den Eisenkernspulen gelieferten Signalimpulse werden, um mess- oder regeltechnisch sinnvoll anwendbar zu sein, in sowohl phasenrichtige als auch formnormierte, vorzugsweise recht- eckförmige Ausgangsimpulse umgesetzt. Sie werden hiezu einer nichtlinear arbeitenden Eingangsstufe mit Basisvorspannung zugeführt, so dass in bekannter Weise nur mit dem Impulsscheitelbereich ausgesteuert wird. Ohne weitere Massnahmen wäre in diesem Fall aber die Phasenlage der Ausgangs- impulse von der Amplitude der Signalimpulse abhängig. Es wird daher die Basisvorspannung durch die Amplitude der Signalimpulse gesteuert und zu diesem Zweck im Basiskreis des Eingangstransis- tors eines jeden Impulskanals ein RC-Glied angeordnet, dessen Zeitkonstante gross ist gegenüber der Pausendauer zwischen den Impulsen.
Die Ausgangssignale der einzelnen Impulsverstärker werden einer gemeinsamen Sammelleitung zugeführt, an die ein Ausgangsverstärker angeschlossen ist.
In Fig. 2 ist das Schaltbild einer Eingangsstufe einer Impulsverarbeitungseinheit dargestellt.
Es bedeuten darin :-6-die Wicklung der Eisenkernspule-4-,-7-das im Basiskreis des Transi- stors --8-- liegende RC-Glied und --9-- die zum Ausgangsverstärker --10-- führende Sammelleitung, an die mehrere andere Eingangsstufen angeschlossen sind.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Basisvorspannung UB durch das RC-Glied im Basiskreis in Abhängigkeit von der Amplitude Us der Signalimpulse verändert wird und phasengleiche Aus- gangssignale UA erhalten werden. Der Optimalwert der Basisvorspannung liegt an der Stelle maximaler Steilheit der Signalimpulse und wird in einfacher Weise durch Verändern des Widerstandes des RC-Gliedes eingestellt.
Das Signal des Ausgangsverstärkers wird in einer Logikschaltung entweder mit dem Signal eines einer andern Maschine in der gleichen erfindungsgemässen Weise zugeordneten Ausgangsverstärkers oder mit einem aus der Netzspannung gewonnenen Signal verglichen und das auf diese Weise erhaltene, die Differenz oder das Produkt beider Signale darstellende Ergebnissignal einer Indikator-oder Steuereinrichtung zugeführt. Aus dem bereits Gesagten folgt, dass das Ergebnissignal bei einem elektrischen Winkel von 120 zwischen den Spulenwicklungen der Phasenbeziehung, etwa zwischen einem Drehstromnetz und einem Drehstromgenerator, bei einem elektrischen Winkel von 90 der Drehrichtung entspricht.