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Transducteur sans balais pour la détection d'un sens et d'une vitesse de rotation.
La présente invention concerne les systèmes de trac- tion électrique et plus précisèrent un synchronisateur sans ba- lais détectant un sens et une vitesse de rotation par couplage inductif d'une excitation à haute fréquence, ledit synchronisa- teur étant solidaire de l'arbre d'un moteur primaire entraînant chacune des roues d'un véhicule de manière à indiquer avec précision le sens et la vitesse de rotation dudit arbre et donc eles roues du véhicule. Bien que l'invention soit décrite ici
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dans le cas d'un véhicule à traction à courant alternatif, il va de soi que le principe de l'invention est également appli- cable à tout autre appareil, tel qu'une génératrice tachyné- trique, servant à mesurer le sens et la vitesse de rotation d'un organe quelconque.
Les systèmes de traction à courant alternatif pour véhicules utilisent une liaison alternative entre une source de courant triphasé constituée par un acteur et un alternateur, et un ensemble convertisseur-moteur entraînant chaque roue. Le convertisseur sert de changeur de fréquence convertissant la sortie du groupe moteur-alternateur en un courant alternatif
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à fréquence variable servant à 1-lentralnement des note-ars de roues du véhicule.
Un tachymètre, par exemple un synchro-
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transmetteur, est gênéraleaert couplé à chaque roue actrice du véhicule pour mesurer continuellement les conditions de fonc- tionnement de celle-ci, la sortie de chaque synchro-transnetteor étant comparée à une fréquence différentielle donnée dans un réseau d'addition de fréquence dont la sortie sert à commander
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le fonctionnement des moteurs d-lentrainement de chaque roue.
Dans ce type de système de propulsion à courant alternatif., le synchronisateu.r mesurant les conditions de fonc- tionnement des moteurs doit être extrPaee:t précis sur toute la plage de vitesse de ceux-ci, c'2st-à-3ire de zéro à leur vitesse maximale. Les syncnronis=te7rs classiques à balais sont peu fiables, particuliere-aent aux vitesses élevées., du Fait de l'usure, de la tatigue, des vibrations des collecteurs à zes et de l'usure des paliers qui sont nomraie=en# rssociés à tels appareils.
La présente invention a pour objet un appareil
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élîinînant les inconvénients mentionnés ci-dessus et ("onr.:r3l::,-,t
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avec précision la vitesse et la position d'un moteur primaire tout moment et pour toutes les vitesses, ledit synchronisa- teur étant à excitation inductive ce qui réduit l'entretien et accroît la fiabilité de l'ensemble.
La présente invention apporte donc un synchro-trans- metteur sans balais ni palier détectant avec précision la ,,vitesse et le sens de rotation du moteur primaire sur toute la plage de vitesse de ce dernier. Elle a également pour objet un synchro-transmetteur sans balais dont le carter et le rotor sont respectivement montés directement sur le carter et l'arbre du moteur primaire associé, évitant l'eaploi de paliers supplémentaires. La vitesse de rotation du synchroni- sa leur n'est donc limitée que par les caractéristiques méca- niques du moteur primaire dont la vitesse est à contrôler.
Le synchronisateur sans balais de l'invention n'est pas affecté par les tolérances des paliers du moteur primaire qui permet- tent généralement un certain déplacement axial du rotor de ce dernier. Le ynchronisateur peut servir d'émetteur dans un système classique du type "selsyn" pour assurer le déplace:lent angulaire ou le positionnement inductif de synchro-récepteurs dont les caractéristiques électriques sont analogues à celles du synchro-transmetteur décrit plus haut.
L'invention concerne également un synchro-transmetteur sans balais ni palier dans lequel la séquence de phase de la sortie démodulée de l'enroulement triphasé est représentative du sens de rotation du acteur primaire. Le synchro-transmetteur fournit une indication précise de la vitesse réelle de rotation de n'importe quel type de moteur primaire par la fréquence de sa sortie modulée lorsqu'il est utilisé en configuration bi-polaire.
L'enroulement triphasé de sortie du synchronisa, leur fournit une
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sortie modulée représentant avec précision la fréquence de passage du rotor et pouvant être directement comparée et utilisée dans un circuit d'addition pour contrôler la. vitesse
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de rotation du moteur pri-aaire. Le synclam-transnetteur est de plus extrêmement sensible aux déplacements angulaires d'un arbre permettant son montage à un bout ou à l'autre de l'arbre d'un moteur primaire et de sa charge pour obtenir une indication continue du couple du moteur primaire.
D'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe du synchro-trans- metteur de l'invention assemble à un moteur de traction à cou- rant alternatif ; la figure 2 est un schéma électrique du circuit du
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synchro-trans.:1etteur de la figure 1.
La figure 1 illustre un mode de réalisation du synchro-transsetteur 10 sans balais ni palier monté sur un moteur de traction à courant alternatif 12 selon la présente invention.
Le synchronisateur 10 est constitua par deux él:l(;I1ts principaux qui sont un logeant de sator 14 et un ensemble polaire de rotor 16. Le roter 16 est constitue par un noyau feuilleta 18
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sur lequel sont bobines des enroule-sents 20, ledit noy-M étant fixe a aexßr3w d'un arbre rapporté 22 en eatiere atétlque, de préférence en acier inoxydable. Un secondaire 24 servant au
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couplage inductif du synchronlsateur 10 est bobine à l'intérieur d'un support de couplage inductif 26 un for=-e de C cor--partant des brides radiales 25 dirigées vers l'extérieur. Le mppi 1 26 est 1 son tour sur un manchon a. .
W e 28 de préférence en acier inoxydable. Le manchon 28 est dispose et fixé sur le,
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prolongement 22 de l'arbre du moteur, par exemple au moyen d'une clavette 32 insérée dans une rainure de l'arbre 22 et dans une rainure correspondante du manchon 28- La clavette 32 pénètre également dans une encoche de la circonférence intérieure du noyau 18 ce qui le rend solidaire de l'arbre 22, du manchon 28 et de l'enroulement secondaire 24 pour constituer l'enseuble rotor 16 précédemment mentionné.
L'arbre 22 est fileté aux deux extrémités pour se visser dans un trou axial taraudé de l'arbre 34 du rotor du moteur de traction 12. Le manchon 28, l'élément de couplage inductif 26 et l'enroulement 24 sont fixés positivement à l'arbre 22 par une rondelle de serrage 36 et un écrou 38 vissé sur l'extrémité de l'arbre 22. Comme décrit plus en détail ci- après, les enroulements polaires 20 du rotor sont connectés électriquement à l'enroulement secondaire 24 par des conduc- teurs 40. Comme on le voit sur la figure 1, l'ensenble rotor 16 est entièrement supporté par l'arbre 34 du moteur de traction 12 et ne .nécessite donc aucun palier.
En considérant de plus près l'ensemble stator 14 mentionné précedemment, on remarque qu'il est constitué par un corps cylindrique 42 dont une extrémité 44 est alésée pour s'adapter sur une surface de portée usinée 46 du moteur 12.
Le corps 42 est en matière amagnétique, par exemple en aluminium, et maintenu en place sur la partie 46 par une ou plusieurs vis radiales de blocage 48.
L'enroulement triphasé 50 de sortie de synchronisation du stator et l'enroulement primaire 52 d'entrée du couplage Inductif, sont fixés à l'intérieur du corps 42 et sont donc maintenus immobiles. L'alinement radial et axial des éléments du synchro-transmetteur est donc réalisé sans l'emploi d'aucun
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palier et le procédé de montage permet d'obtenir les entrefers
54 et 56 voulus entre les éléments associas des ensembles rotor et stator, respectivement 16 et 14. L'emploi d'une salière amagnétique pour la réalisation du corps 42, du manchon 28 et l'arbre rapporté 22, réduit les fuites de flux magnétique de manière à concentrer suffisamment ce dernier dans le couplage inductif (enroulements 24, 52)
et le synchronisateur (enroule- ments 20, 50) pour un fonctionnement optimal de l'ensemble 10.
L'enroulement primaire 52 du couplage inductif est bobiné à l'intérieur d'un support 58 en fome de C dont les parties latérales 60 s'étendent radialeaent vers l'intérieur.
Le support 58 s'adapte dans un alésage 62 du corps 42 à l'opposé de l'alésage 44. L'élément 58 et 1'enroulement 52 sont fixés dans le corps 42 par exemple par une série de boulons périphériques 64. Les bords extérieurs 90 du support 58 sont disposés en face des bords extérieurs 91 du support 26 pour définir entre eux des entrefers annulaires 56. Des conducteurs 65 appliquent un signal d'excitation à l'enroulement primaire 52 et traversent le corps 42 par une ouverture.
L'enroulement triphasé de synchronisation 50 du stator est monté sur un noyau feuilleté 66 qui s' adapte dans un alésage 68 du corps 42. Le noyau 66, et par conséquent l'enroulement 50, sont maintenus dans l'alignement axial du noyau 18 et de l'en- roulement 20 par une bague entretroise 69 disposée entre le noyau 66 et le support 58. Les surfaces circonférentielles en regard des noyau 18 et 66 sontséparées par l'entrefer annu- 3.aire 54. Des conducteurs 70 traversant le corps 42 relient les enroulements 50 au dispositif externe de commande du système de traction à courant alternatif en lui appliguantun signal dont la modulation en amplitude est représentative de la vitesse du moteur 12.
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La figure 2 illustre sous une forme schématique le synchro-transmetteur 10 de la présente invention darxs lequel le couplage inductif d'excitation est enfermé dans le rectangle discontinu 72. Comme on l'a vu précédèrent le couplage inductif est formé du primaire 52 associé au support fixe 58 et du secon- daire 24 associe au support mobile 26, tous deux étant solidaires en rotation de l'arbre amagnétique 22 du moteur de traction 12.
Le primaire 52 est excite par le conducteur 65 au moyen d'une tension d'entrée, par exemple 8 à 10 kHz, fournie par l'oscil- lateur 74 de la figure 2.
Le noyau et les enroulements 18 et 20 du rotor sont représentés à titre d'exe:nple sous la forme d'un rotor bi-polaire monté sur l'arbre 22 et. tournant en synchronisme avec le secon- daire 24 de la figure 1, tous deux étant solidaires de l'arbre 34 du moteur de traction. L'enroulement de rotor 20 tourne à l'in- térieur des enroulements triphasés de stator 50 qui sont con- nectés de manière classique et maintenus fixes dans le corps 42 du synchronisateur. Les conducteurs 70 sont reliés au point de jonction des enroulements 50 pour appliquer le signal modulé en amplitude à. l'appareil externe de commande (non représenté)..
Le primaire fixe 52 est excité par la sortie de l'oscillateur 74 à une fréquence alternative relativement élevée comme représenté par la forme d'onde 76 et, par couplage inductif, provoque l'induction d'une tension dans le secondaire tournant 24 comme illustre par- la forme d'onde 78.
L'enroulement 24 est relié électriquement aux enroulenents polaires 20 du rotor par les conducteurs 40. L'ensemble rotor 16 étant au repos, une tension est induite dans les enroulements triphasés 50 de l'ensemble stator 14. La fréquence des tensions induites dans les enroulements du stator est égale à la fréquence porteuse;,
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qui, dant le cas présent, est de 10 kHz, et les amplitudes des tensions de phase sont fonction de l'orientation angulaire relative de l'ensemble rotor 16 et de l'ensemble stator 14.
Cette particularité rend le synchronisateur 10 applicable à la transmission de signaux de déplacement angulaires qui sont déterminés en comparant les amplitudes des tensions de phase produites.
Lorsque l'ensemble rotor 16 tourne en synchronisme avec l'arbre 34 du moteur de traction, la sortie des enroulements .de stator 50 est constituée par la fréquence porteuse à 10 kHz de l'oscillateur 74 modulé en un signal triphasé, comme le montre la forme d'onde 80. La fréquence de l'enveloppe de modu- lation 82 est représentative de la vitesse des arbres 34 et
22. Dans le cas du synchronisa leur bi-polaire représentée une période du signal de sortie correspond 4 une rotation complète de l'arbre 22. Pour un synchro-tétra-polaire-un tour de l'arbre correspond à deux périodes du signal modulé, et ainsi de suite.
La séquence de phase de la sortie des enroulements triphasés de stator 50 peut être détectée par un circuit classique de comparaison de phase (non représenté) pour indiquer le sens de rotation du moteur de traction 12 que le synchronisateur 10 soit à 2,4 ou 6 poses. Le synchroinsateur 10 a généralement le mené nombre de pôles que le rotor du acteur dont on désire mesurer la vitesse.
L'invention décrite est évidemment susceptible de nombreuses modifications ou appliqations sans sortir de son cadre.
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Brushless transducer for detecting a direction and speed of rotation.
The present invention relates to electric traction systems and more specifically to a balacless synchronizer detecting a direction and a speed of rotation by inductive coupling of a high frequency excitation, said synchronizer being integral with the shaft of rotation. 'a primary motor driving each of the wheels of a vehicle so as to accurately indicate the direction and speed of rotation of said shaft and therefore eles the wheels of the vehicle. Although the invention is described here
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in the case of an alternating current traction vehicle, it goes without saying that the principle of the invention is also applicable to any other device, such as a tachynetrical generator, serving to measure the direction and the speed of rotation of any organ.
Alternating current traction systems for vehicles use an alternating connection between a three-phase current source consisting of an actuator and an alternator, and a converter-motor assembly driving each wheel. The converter serves as a frequency changer converting the output of the motor-alternator unit into alternating current
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variable frequency used for 1-lentralnement the notes-ars of the vehicle's wheels.
A tachometer, for example a synchro-
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transmitter, is generally coupled to each drive wheel of the vehicle in order to continuously measure the operating conditions thereof, the output of each synchro-transnetteor being compared to a given differential frequency in a frequency addition network whose output is used to order
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the operation of the drive motors of each wheel.
In this type of AC propulsion system, the synchronizer measuring the operating conditions of the motors must be extremely precise over the entire speed range of the latter, that is to say zero at their maximum speed. Conventional brushed syncnronis = te7rs are unreliable, particularly at high speeds., Due to wear, fatigue, vibrations of zes collectors and wear of bearings which are nomraie = en # rssociés to such devices.
The present invention relates to an apparatus
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eliminating the drawbacks mentioned above and ("onr.:r3l::,-,t
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with precision the speed and the position of a primary motor at all times and for all speeds, said synchronizer being inductively excited which reduces maintenance and increases the reliability of the assembly.
The present invention therefore provides a brushless or bearingless synchro-transmitter that accurately detects the speed and direction of rotation of the primary motor over the entire speed range of the latter. It also relates to a brushless synchro-transmitter, the housing and the rotor of which are respectively mounted directly on the housing and the associated primary motor shaft, avoiding the need for additional bearings. The rotation speed of the synchronization is therefore limited only by the mechanical characteristics of the primary motor, the speed of which is to be controlled.
The brushless synchronizer of the invention is not affected by the tolerances of the bearings of the primary motor which generally allow a certain axial displacement of the rotor of the latter. The synchronizer can be used as a transmitter in a conventional system of the "selsyn" type to ensure the angular slow movement or the inductive positioning of synchro-receivers whose electrical characteristics are similar to those of the synchro-transmitter described above.
The invention also relates to a brushless or bearingless synchro-transmitter in which the phase sequence of the demodulated output of the three-phase winding is representative of the direction of rotation of the primary actor. The synchro-transmitter provides an accurate indication of the actual rotational speed of any type of primary motor by the frequency of its modulated output when used in a bi-polar configuration.
The synchronisa's three-phase output winding provides them with
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modulated output accurately representing the pass frequency of the rotor and can be directly compared and used in an addition circuit to control the. speed
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of rotation of the primary motor. The synclam-trans-transmitter is also extremely sensitive to angular displacements of a shaft allowing it to be mounted at either end of the shaft of a primary motor and its load to obtain a continuous indication of the torque of the primary motor. .
Other objects and advantages of the present invention will be better understood with the aid of the detailed description which follows and the drawings in which: FIG. 1 is a view in section of the synchro-transmitter of the invention assembled with an AC traction motor; Figure 2 is an electrical diagram of the circuit of the
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synchro-trans.:1 transmitter of figure 1.
FIG. 1 illustrates an embodiment of the brushless and bearingless synchro-transsitter 10 mounted on an AC traction motor 12 according to the present invention.
The synchronizer 10 is constituted by two elements: l (; I1ts main which are a housing of sator 14 and a polar assembly of rotor 16. The roter 16 is constituted by a laminated core 18
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on which are coils of the windings 20, said M-nucleus being fixed to aexßr3w of an attached shaft 22 of atétlque etiere, preferably stainless steel. A secondary 24 serving
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The inductive coupling of the synchronlsator 10 is coil inside an inductive coupling support 26 a for = -e of C cor - starting from the radial flanges 25 directed outwards. The mppi 1 26 is 1 turn on a sleeve a. .
W e 28 preferably stainless steel. The sleeve 28 is arranged and fixed on the,
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extension 22 of the motor shaft, for example by means of a key 32 inserted in a groove of the shaft 22 and in a corresponding groove of the sleeve 28- The key 32 also enters a notch in the inner circumference of the core 18 which makes it integral with the shaft 22, the sleeve 28 and the secondary winding 24 to constitute the rotor assembly 16 mentioned above.
Shaft 22 is threaded at both ends to screw into an axial threaded hole in shaft 34 of traction motor rotor 12. Sleeve 28, inductive coupling element 26, and winding 24 are positively attached to the shaft. the shaft 22 by a clamping washer 36 and a nut 38 screwed onto the end of the shaft 22. As described in more detail below, the pole windings 20 of the rotor are electrically connected to the secondary winding 24 by conductors 40. As can be seen in FIG. 1, the rotor assembly 16 is entirely supported by the shaft 34 of the traction motor 12 and therefore does not require any bearing.
Taking a closer look at the stator assembly 14 mentioned above, it will be noted that it is constituted by a cylindrical body 42, one end 44 of which is bored to fit on a machined bearing surface 46 of the motor 12.
The body 42 is made of non-magnetic material, for example aluminum, and held in place on part 46 by one or more radial locking screws 48.
The three-phase stator synchronization output winding 50 and the input primary winding 52 of the inductive coupling are fixed inside the body 42 and are therefore kept stationary. The radial and axial alignment of the synchro-transmitter elements is therefore achieved without the use of any
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bearing and the assembly process makes it possible to obtain the air gaps
54 and 56 desired between the associated elements of the rotor and stator assemblies, respectively 16 and 14. The use of a non-magnetic salt shaker for the realization of the body 42, the sleeve 28 and the attached shaft 22, reduces magnetic flux leaks so as to sufficiently concentrate the latter in the inductive coupling (windings 24, 52)
and the synchronizer (windings 20, 50) for optimum operation of the assembly 10.
The primary winding 52 of the inductive coupling is wound inside a C-shaped support 58, the side parts 60 of which extend radially inward.
The bracket 58 fits into a bore 62 of the body 42 opposite the bore 44. The element 58 and the coil 52 are secured in the body 42 for example by a series of peripheral bolts 64. The edges exterior 90 of the support 58 are disposed opposite the exterior edges 91 of the support 26 to define between them annular air gaps 56. Conductors 65 apply an excitation signal to the primary winding 52 and pass through the body 42 through an opening.
The three-phase synchronization winding 50 of the stator is mounted on a laminated core 66 which fits into a bore 68 of the body 42. The core 66, and hence the winding 50, are held in axial alignment with the core 18. and from the winding 20 by a spacer ring 69 disposed between the core 66 and the support 58. The circumferential surfaces facing the cores 18 and 66 are separated by the annular air gap 54. Conductors 70 passing through the core. body 42 connect the windings 50 to the external control device of the alternating current traction system by applying a signal to it, the amplitude modulation of which is representative of the speed of the motor 12.
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Figure 2 illustrates in schematic form the synchro-transmitter 10 of the present invention darxs which the inductive excitation coupling is enclosed in the discontinuous rectangle 72. As seen above, the inductive coupling is formed of the primary 52 associated with the fixed support 58 and the secondary 24 associated with the mobile support 26, both being integral in rotation with the non-magnetic shaft 22 of the traction motor 12.
The primary 52 is energized by the conductor 65 by means of an input voltage, for example 8 to 10 kHz, supplied by the oscillator 74 of FIG. 2.
The core and the windings 18 and 20 of the rotor are shown by way of example: nple in the form of a bi-polar rotor mounted on the shaft 22 and. rotating in synchronism with the secondary 24 of FIG. 1, both being integral with the shaft 34 of the traction motor. The rotor winding 20 rotates within the three phase stator windings 50 which are conventionally connected and held stationary in the synchronizer body 42. The conductors 70 are connected at the junction point of the windings 50 to apply the amplitude modulated signal to. the external control unit (not shown) ...
Fixed primary 52 is energized by the output of oscillator 74 at a relatively high AC frequency as shown by waveform 76 and, by inductive coupling, induces a voltage in rotating secondary 24 as illustrated. by- waveform 78.
The winding 24 is electrically connected to the pole windings 20 of the rotor by the conductors 40. The rotor assembly 16 being at rest, a voltage is induced in the three-phase windings 50 of the stator assembly 14. The frequency of the voltages induced in the stator windings is equal to the carrier frequency ;,
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which, in the present case, is 10 kHz, and the amplitudes of the phase voltages are a function of the relative angular orientation of the rotor assembly 16 and of the stator assembly 14.
This feature makes the synchronizer 10 applicable to the transmission of angular displacement signals which are determined by comparing the amplitudes of the phase voltages produced.
As the rotor assembly 16 rotates in synchronism with the shaft 34 of the traction motor, the output of the stator windings 50 is the 10 kHz carrier frequency of oscillator 74 modulated into a three-phase signal, as shown. waveform 80. The frequency of modulating envelope 82 is representative of the speed of shafts 34 and
22. In the case of synchronized their bi-polar represented one period of the output signal corresponds to 4 a complete rotation of the shaft 22. For a synchro-tetra-polar one revolution of the shaft corresponds to two periods of the modulated signal , And so on.
The phase sequence of the output of the three-phase stator windings 50 can be detected by a conventional phase comparison circuit (not shown) to indicate the direction of rotation of the traction motor 12 whether the synchronizer 10 is at 2.4 or 6. poses. The synchroinsator 10 generally has the number of poles driven as the rotor of the actor whose speed it is desired to measure.
The invention described is obviously susceptible to numerous modifications or applications without departing from its scope.