Verfahren zur Erzeugung einer dem Drehmoment einer elektrischen Maschine proportionalen Spannung
Zur Messung von Magnetfeldern hat man bereits vorgesehlagen, die Änderung der elektrisehen Eigenschaften zu verwenden, die ein Messkörper unter dem Einfluss eines Magnetfeldes erfährt. Die Anordnung kann dabei derart sein, dass ein Messkörper von dem Magnetfeld quer durchsetzt und durch den Messkörper selbst ein konstanter Strom in seiner Längserstreckung geleitet wird. In der Querriehtung des Messkörpers senkreeht zum Magnetfeld tritt dann die sogenannte Hallspannung auf, die bei konstantem Strom im Messkörper der Stärke des Magnetfeldes pro portional ist.
Als derartige Messkörper kommen halbleitende Verbindungen in Betracht, bei denen die Bewegliehkeit der Ladungsträger (Elektronen oder Defektelektronen)
6000 em2
Volt see oder mehr beträgt, insbesondere 10 000 und mehr. Als Halbleiter eignet sich insbesondere eine Verbindung eines Elementes A der III. Gruppe des periodischen Systems mit einem Element B der V. Gruppe des periodisehen Systems, das heisst eine Verbindung der Form AIlIBv da bei gewissen Verbindungen dieser Form eine besonders hohe Trägerbeweg- liehkeit vorhanden ist, so dass eine grosse Hallspannung und dementsprechend eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messein- richtung erzielbar ist.
Insbesondere eignen sich Verbindungen aus einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon. Unter den hierdureh gegebenen 16 Verbindungen ist Indiumarsenid (InAs) wegen seines verhältnismässig sehr kleinen Temperaturkoeffizienten von besonderer technischer Bedeutung.
Wird ein im Halbleiter befindliches Elektron mit einer bestimmten Beweglichkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt, so nimmt das Elektron eine Geschwindigkeit an, die dem Produkt aus dieser Feldstärke und der Beweg lichkeit proportional ist. Wird das Elektron ausserdem noch einem Magnetfeld ausgesetzt, welches auf dem elektrischen Feld senkrecht steht, so erfährt es bekanntlich senkrecht zu seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung eine zusätzliche Kraftwirkung. Bekanntlich ist aber diese magnetische Beeinflussung des Elektrons vernaehlässigbar klein, wenn das Produkt aus der Geschwindigkeit, des Elektrons und der magnetischen Feldstärke gewisse Werte unterschreitet. Es darf also auch das Produkt aus der Beweglichkeit der La iungsträger und der magnetischen Feldstärke nicht zu klein sein.
Da nun magnetische Feldstärken im Eisen mit Elektromagneten nur bis etwa 17 000 Gauss leicht herstellbar sind, wäh- rend mit permanenten Magneten nur bis etwa 10000 Gauss erreichbar sind, so sieht man, lass für eine kräftige Beeinflussung der Ladungsträger des Halbleiters durch das Ma gnetfeld bzw. für die Erzeugung einer gro- sseren Hallspannung die Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter zweckmässig die ; enannten Werte erreichen oder überschreiten soll.
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Erzeugung einer dem Drehmoment einer elektrischen Maschine proportionalen Spannung. Gemäss der Erfindung wird ein als Hallgenerator dienendes Halbleiterelement in ein Magnetfeld eingebracht, das dem Feld der elektrischen Maschine proportional ist ; durch den Halbleiter wird dann ein Strom hindurchgeleitet, dessen Produkt mit der Feldstärke eine dem Drehmoment der elektri schen Maschine proportionale Grösse ergibt. In der Querrichtung des Halbleiters kann dann eine dem Drehmoment der elektrischen Ma3chine proportionale Spannung als Hallspannung abgenommen werden. Zur Durchfüh- rung dieses Verfahrens wird der als Hallgenerator dienende Halbleiter im Feld der elektrischen Maschine angeordnet.
Es kann aber zur Aussehaltung von Fehlern, die beispielsweise durch eine stark schwankende Drehzahl der elektrischen Maschine hervorgerufen werden, günstiger sein, die Magneti sierungskennlinie der elektrischen Maschine an einem ruhenden Magneteisen nachzubilden, in dessen Feld sich der als Hallgenerator verwendbare Halbleiter befindet.
Vorteilhafterweise wird als Halbleiter ein solcher mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens
6000 cm2/ V see verwendet, vorzugsweise eine halbleitende Verbindung der Form ABy wie z. B. InSb oder InAs.
Wird der als Hallgenerator dienende Halbleiter unmittelbar in das Feld der elektrischen Maschine eingebracht, so kann er entweder auf dem Anker der Maschine oder im Luftspalt der Maschine angeordnet werden. Es ist aber auch möglieh, mehrere als Hallgeneratoren verwendbare Halbleiter in Ankerumfangs- richtung der Maschine unter einem Polsehuh anzuordnen. Hierbei werden die Hallelektro- den der Halbleiter in Reihe geschaltet und liegen infolge von Parallelschaltung ihrer Stromelektroden auf gleichem Potential.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann beispielsweise zur Leistungsmessung verwendet werden, indem die am Halbleiter abgegriffene Hallspannung mit einer der Drehzahl der elektrischen Maschine proportionalen Spannung multiplikativ zusammengesetzt wird. Diese multiplikative Zusammensetzung der Hallspannung und der der Drehzahl der elektrischenMaschineproportionalenSpannung kann mit einem weiteren als Hallgenerator dienenden Halbleiter vorgenommen werden, der sich beispielsweise im Luftspalt eines mit einer Erregerwicklung ausgeriisteten Eisenkernes befindet.
Eine weitere Anwendungsmögliehkeit des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin, dass die dem Drehmoment proportio- nale Spannung bei Ubersehreiten eines Maxi- malwertes eine Warneinrichtung, das heisst eine Signal-oder Schutzeinrichtung betätigt.
Man kann die dem Drehmoment proportionale Hallspannung aber auch entweder unmittelbar oder über einen Verstärker auf ein anzeigendes, schreibendes oder registrierendes Messgerät einwirken lassen bzw. sie zur Steue- rung oder Regelung der elektrischen Maschine verwenden.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung näher erläutert.
Bei der Anordnung der Fig. 1 soll das Drehmoment einer Gleichstrommasehine ge messen werden. 1 ist der Ankerkölper, 2 ist das Eisen des einen Erregerpols. Zwischen dem Polschuh dieses Erregerpols und dem Anker ist in dem Luftspalt der Maschine ein Messkörper 3 aus einem der geschilderten Ma terialien angeordnet. Durch diesen Messkörper wird in der Achsrichtung der Maschine über die Zuleitungen 4 und 5 ein Strom geleitet, der dem Belastungsstrom der Gleichst. rom masehine proportional ist. An dem Messkörper kann dann die Hallspannung quer zur Richtung des Magnetfeldes und quer zu dem im Messkörper fliessenden Strom bei 6 und 7 abgenommen und einer Mess-, Steuer-oder Regeleinriehtung zugeführt werden.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt die elektrische Schaltung der Anordnung der Fig. 1. Es handelt sich um eine Gleiehstrommasehine mit einer Neben sehlusserregerwieklung 8. 3 ist wiederum der Messkorper, der gemäss Fig. 1 an der Maschine angeordnet ist. Im Belastungsstromkreis der Gleiehstrommaschine befindet sich der Widerstand 9, zu dem der Messkörper 3 parallel geschaltet ist, so dass durch ihn ein dem Belastungsstrom proportionaler Strom fliesst.
Bei Gleiehstrom-Hoehspannungsmasehinen ist es nicht erwünseht, dass das Hoehspan- nungspotential dem Messkörper und damit auch der übrigen Messeinrichtung zugeleitet wird. Man kann dann an Stelle des Widerstandes 9 einen Gleiehspannungswandler verwenden, wie dies in Fig. 3 der Zeiehnung ver- anschaulicht ist. Dieser Gleichspannungswand- ] er besteht in bekannterWeise aus einer mit einer konstanten Weehselspannung gespeisten Drosselspule, deren Eisenkern eine Gleieh- strommagnetisierung überlagert wird.
Der Wechselstrom der Drosselspule ändert sich dann proportional der Stärke dieser Gleieh- stromüberlagerung. In Fig. 3 stellt 13 den Ringeisenkern einer solchen vormagnetisierten Drosselspule dar, durch dessen Öffnung der lIoehspannung führende Stromleiter 14 einer Gleiehstrommasehine hindurchgeleitet ist, deren Drehmoment erfasst werden soll. 15 ist die Wechselstromwicklung der Drosselspule, der bei 16 eine konstante Weehselspannung Zll- geführt wird. In den Stromkreis von 15 ist nun noeh in Grätzseher Schaltung ein Trokkengleiehriehter 17 eingeschaltet, der auf seiner Gleichstromseite den Messkörper 3 speist.
Der Messkörper 3 befindet sich etwa gemäss der Darstellung der Fig. 1 im Luftspalt der (Tleichstrommasehine. Quer zur Richtung des Stromes im Messkörper sind wieder Ansehlüsse 11 für die Hallspannung angebracht, die einer Mess-oder Steuereinrichtung zugeführt sind.
Da der infolge der Gleichstromvormagneti sie. rung des Eisenkernes 13 proportional mit dem Belastungsstrom der Gleichstrommasehine sich ändernde Wechselstrom J der Drosselspule auch auf der Gleiehstromseite des Gleichrichters 17 diese Proportionalität aufweist, so stellt die am Messkörper 3 auftretende Hallspannung wieder ein Mass für das Drehmoment der Gleichstrommasehine dar. Die Messeinrichtung steht jedoch nicht mehr in leitender Berührung mit dem Hochspannungs- leiter 14 der Gleichstrommaschine.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass für die Darstellung des Drehmomentes der Maschine der Belastungsstrom in der geschilderten Weise benutzt wird. Bei Gleichstrom Reihenschlussmaschinen ist bekanntlich die Ankerspannung der Maschine, insbesondere im untern Bereich der magnetischen Kennlinie, dem Belastungsstrom proportional ; man m kann sie daher für die Erzeugung des Stromes in dem halbleitenden Messkörper benutzen.
Es könnten jedoeh auch andere Betriebsgrö ssen, die in Abhängigkeit von dem Belastungs- strom der Maschine stehen, für die Steuerung des Stromes an dem Halbleiter herangezogen werden.
Mit der Anordnung der Erfindung kann man auch das Drehmoment an Weehselstrom- maschinen und an Drehstrommasehinen erfassen, indem man etwa im Luftspalt der Maschine den Halbleiter anordnet und ihn mit einem dem Belastungsstrom proportionalen Strom beschickt. Es ist dabei zu beachten, dass bei Wechselfeldmaschinen das aus dem Produkt von Strom, Feld und dem cos des eingeschlossenen Winkels gebildete Drehmoment ohne zusätzliche Einrichtungen als Mittelwert der Hallspannung erscheint. Bei Drehfeldmaschinen gleitet das Drehfeld über den im Luftspalt untergebrachten Halbleiter hinweg. Man muss dafür sorgen, dass an dem Messkörper Feld und Strom in richtigem Phasenwinkel in Erscheinung treten.
Dieses ist möglich : einmal durch Einbau des Plättchens 90 elektrische Grade gegen die magnetische Achse derjenigen Wicklung versetzt, deren Strom das Plättchen durchfliesst, das anderemal durch Einbau des Plättchens an einer beliebigen Stelle im Luftspalt durch eine passende Phasenschwenkung des dem Plättchen zugeführten Stromes.
Fig. 4 der Zeichnung zeigt schematisch die Anordnung der drei Wicklungszonen für die Phasen I bis III einer Drehstromwiellung am Maschinenumfang. Bringt man im Luftspalt der Maschine 90 elektrische Grade gegen die magnetische Achse der Wicklungszone der Phase I versetzt den mit 3 angedeuteten halbleitenden Messkörper an und schickt durch diesen Messkörper einen dem Belastungsstrom der Phase I proportionalen Strom, so wird man den geschilderten Verhältnissen gerecht.
Fig. 5 der Zeichnung zeigt die Schaltung für die Anordnung der Fig. 4. In die äussere Zuleitung der Phase I ist ein Stromtransformator 10 eingeschaltet, dessen Sekundärwicklung an dem im Luftspalt der Maschine untergebrachten halbleitenden Messkörper 3 z. B. in Richtung der Maschinenachse einen Strom erzeugt, so dass quer dazu an den Anschlüssen 11 eine Hallspannung abgenommen werden kann, die dem Drehmoment der Maschine proportional ist.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, dass der halbleitende Messkörper an der Drehstrommaschine relativ zu den Phasenwicklungen eine bestimmte Lage einnimmt. Der Mess- körper kann an einem beliebigen Teil des Maschinenumfanges untergebracht sein, wenn man ihn mit einem dem Belastungsstrom der Maschine proportionalen Strom beschickt, der aber in seiner Phasenlage einstellbar ist.
Fig. 6 der Zeichnung zeigt eine derartige Schaltung ; sie stimmt mit Fig. 5 überein. Der Transformator 10 ist jedoch als Drehtransformator 12 ausgebildet. Damit seine einphasige Sekundärwicklung bei der Verdrehung ihre Spannung in der Phasenlage und nicht in der Grösse ändert, ist der Drehtransformator im Primärteil 3phasig ausgebildet, und es werden durch die drei Phasen die drei Belastungsströme der Drehstrommaschine hindurchgeleitet. Damit der Strom am halbleitenden Messkörper 3 dem Belastungsstrom der Hauptmaschine entspricht, muss ausserdem der Drehtransformator im Messbereich ohne Eisensättigung arbeiten. Die Einstellung des Drehtransformators kann z.
B. so erfolgen, dass bei synchron laufender unbelasteter Maschine der Mittelwert der Hallspannung Null ist. Bei jeder beliebigen Belastung der Maschine gibt dann die Hallspannung bei unver änderter Einstellung des Drehtransformators das Drehmoment an.
An Stelle des Transformators kann auch eine Phasenschwenksehaltung, gebildet aus Drosseln, Kondensatoren und Widerständen, Verwendung finden.
Die dem Drehmoment der elektrischen Maschine proportionale Hallspannung kann man dazu benutzen, bei iTbersehreiten des für verschiedene Betriebszustände der elektrischen Maschine zulässigen Drehmomentes eine Signal-oder eine Schutzeinrichtung zu be tätigen. Es gibt heute verschiedene Mittel, um den Elektromotor eines Antriebes gegen elektrische Überbeanspruchung zu sehützen. Da aber der Elektromotor meistens reichlich überdimensioniert ist, werden der mechanische Teil des Antriebes, die Kupplungsglieder und dergleichen oft ungenügend gegen Überbelastung geschützt. So werden vielfach, z. B. in Walzwerkantrieben, bestimmte Breehglieder, Brechbolzen und dergleiehen eingebaut, die aber bei ihrem Ansprechen eine längere Betriebspause für die Auswechslung der Breehbolzen verursachen. Demselben Zweck dienen Rutsehkupplungen.
Da bei den beschriebenen Anordnungen die von dem Halbleiter abgegebene Hallspannung dem abgegebenen Drehmoment der Maschine proportional ist, so kann sie als Ersatz für die genannten mechanischen Schutzeinrichtungen zum Schutz der Maschine gegen Überbeanspruchung verwendet werden.
Man kann die Einrichtung der Erfindung jedoch auch dazu verwenden, die elektrische Maschine gegen das Auftreten eines Drehmomentes zu schützen, das zwar an sich nicht unzulässig hoch ist, das aber für den betreffenden Betriebszustand zu gross ist. Es kann vorkommen, dass bei einem elektromotorischen Antrieb das Reibungsdrehmoment beispielsweise wegen mangelhafter Schmierung zu gross ist. Dieses Reibungsdrehmoment tritt auch bei Leerlauf der Gesamtanordnung auf. Da die beschriebenen Einrichtungen auch auf das Leerlaufdrehmoment ansprechen, so kann man sie dazu benutzen, bei Leerlauf ein unzulässig grosses Drehmoment zur Anzeige zu bringen oder zur Betätigung einer Signal-oder Warneinrichtung.
Die Einrichtung kann darin bestehen, dass bei Leerlauf an die Hallspannung eine Nless-oder llelaiseinrichtung angeschlos- sen wird, die die geschilderte Funktion aus übt.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Sehutzeinrichtung. Es handelt sich um den Antrieb eines Kranes 105 durch einen Gleichstrom-Reihenschlussmotor 106. Die Feld wieklung 107 des Reihenschlussmotors steht über dem Kommutator 108 mit den Speiseleitungen 109 des Kranes in bekannter Weise in Verbindung. Im Luftspalt des Kranmotors befindet sieh nun ein halbleitendes Plättchen 110, dem an den Punkten 101 und 102, also in Riehtung der Maschinenachse, ein dem Be lastungsstrom des Kranmotors proportionaler Strom zugeführt wird. Die Punkte 101 und 102 sind dazu an einen in den Motorhauptstromkreis eingeschalteten Widerstand 111 angesehlossen.
Da das Plättchen, das beispielsweise die Abmessungen von 10 X 10 X 0, 5 mm aufweist, von dem Feld der Maschine quer durchsetzt wird, so tritt an den quer zu den Punkten 101 und 102 liegenden Punkten 103 und 104 eine dem abgegebenen Drehmoment der Maschine proportionale Hallspannung auf. Diese dient nun zum Schutze der Maschine gegen mechanische Tberbelastung ; sie speist zu diesem Zweck zwei in Reihe ge sehaltete Relaisspulen 113 und 114. Bei einer bestimmten Grösse des Drehmomentes schliesst zunächst die Relaisspule 113 ihren Steuerkontakt und schaltet dadurch eine als Warnung dienende Signallampe 115 ein.
Bei noch grö- sserer Überlastung des Kranmotors tritt in der Relaisspule 114 ein derart grosser Strom auf, dass der zugehörige Anker eine Auslösung des Hauptsehalters 112 des Kranmotors veran lasst, indem er die Verklinkung 116 lost.
Für die Messung der zulässigen Grösse des Drehmomentes bei unbelastetem Kran kann man die an den Punkten 103 und 104 auftretende Hallspannung auf ein Messinstru- ment schalten, wobei man zur Erzielung eines geeigneten Aussehlages auch von veränder- baren Widerständen im Hauptstromkreis oder von Gleich-oder Wechselstromwandlern Gebrauch machen kann. Es ist dann der Bedienung jederzeit möglich, den Betriebszustand des Antriebes zu überprüfen.
Die Anordnung kann auch zum Sehutze von Gleichstrom-Nebenschlussmotoren oder von Drehstrommotoren verwendet werden, wobei von den oben angegebenen Einriehtungen Gebrauch gemacht werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wirken die Hallspannung des Halbleiters und eine der Drehzahl der Maschine proportionale elektrische Grösse gemeinsam auf ein Anzeige-oder Steuergerät ein, indem dadurch die Leistung der elektrischen Maschine oder ihre Arbeit erfasst wird. Ein derartiges Gerät, das die elektrische Leistung oder die Arbeit der Maschine misst oder die Auslösung von Steuervorgängen erfasst, hat gegenüber den bisher verwendeten Instrumenten für Leistung und Arbeit wesentliehe Vorzüge, vor allem, weil nicht die zugeführte elektrische Leistung oder Arbeit gemessen wird, sondern bei Unterbringung des Halbleiters im Luftspalt die abgegebene Leistung oder Arbeit einschliesslich der Leistung für die Xberwindung der Lager-und Luftreibung.
So ist es beispielsweise in Metall-und Stahlwalzwerken wünsehenswert, jederzeit das Verformungsdrehmoment und die Verformungsarbeit zu kennen, die für einen bestimmten Stich aufgebracht werden müssen. Dadurch können die betriebliehen Einrichtungen geschont und bis zur Grenze ausgenutzt werden, und es können wertvolle Unterlagen für den Bau ähnlicher Anlagen gesammelt werden.
Die bisher verwendeten Methoden, bei denen durch Messung die aufgenommene Leistung oder durch Einbau eines Drehmomentmessers in die Kupplungsglieder die abgegebenen Grö- ssen ermittelt wurden, sind entweder zu ungenau oder erfordern einen zu grossen Aufwand. Die neue Anordnung gestattet auch, in einfachster Weise die für die Überwindung der Lager-und Luftreibung erforderliche Leistung zu ermitteln, da insbesondere bei Gleich- strommaschinen die elektrischen Verluste der Maschine nicht mitgemessen werden, so dass das Instrument bei Leerlauf der Gesamtanordnung die Lager-und Luftreibungsverluste zur Anzeige bringt.
Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen Ausführungs- beispiele für eine Anordnung, bei der die Hallspannung des Halbleiters und eine der Drehzahl der Maschine proportionale Grösse gemeinsam auf ein Anzeige-oder Steuergerät einwirken. Bei der Anordnung der Fig. 8 ist 205 der Anker eines Gleichstrommotors für den Antrieb der Walzen 236 und 237 eines Walzwerkes. 208 ist das nur teilweise dargestellte Feldeisen des Gleichstrommotors, auf dessen Erregerpol eine Erregerwieklung 209 in einer bei Walzwerkantrieben üblichen Schaltung sich befindet. In dem Luftspalt zwischen den Polschuhen des Erregerpols und dem Anker der Maschine befindet sich nun ein gestrichelt dargestelltes Plättchen 210 aus Halbleitermaterial.
An den Punkten 201 und 202, also in der Achsriehtung der Maschine, wird dem Halbleiter ein Strom zugeführt, der dem Ankerstrom des Elektromotors proportional ist. Zu diesem Zweck ist ein Gleichstrom- wandler 211 vorgesehen, der in an sich be kannter Weise aus einem ringförmigen Bandeisenkern besteht, der eine Erregerwicklung 212 trägt, die an eine konstante Wechsel- spannung angeschlossen ist ;
ferner die Wiek- lung 213 für die Abgabe des in Abhängig- keit vom Belastungsstrom des Gleichstrom- motors gesteuerten Wechselstromes. Zu diesem Zweck wird der Bandeisenliern mit Gleich- strom vormagnetisiert, indem durch die Öffnung des Ringkernes der Belastungsstrom des Gleichstrommotors 205 hindurehgeleitet ist.
Die Ausgangswicklung 213 speist dann über die Trockengleichrichteranordnung 214 die Punkte 201 und 202 des Plättehens mit einem dem Belastungsstrom des Gleiehstrommotors proportionalen Strom, so dass die an den Punkten 203 und 204 auftretende Hallspannung dem Drehmoment des Gleiehstrommotors proportional ist. Zur Darstellung der elektrisehen Leistung der Maschine ist nun mit dem Elektromotor noch eine Taehometermaschine 215 gekuppelt, deren der Drehzahl proportionale Gleiehspannung die Spule 216 eines elektrodynamischen Messgerätes speist, deren zweite gegen die erste verdrehbare Spule 217 an die Hallspannung des Plättehens 210 angeschlossen ist.
Der Zeiger 218 des Messgerätes kann dann unmittelbar auf die Luftspaltleistung des Gleiehstrommotors geeieht sein.
Bei der Anordnung der Fig. 9 wirken die Hallspannung des Plättehens 210 im Luftspalt eines im übrigen mit Fig. 8 übereinstimmen- den Gleiehstrommotors und die Spannung einer mit diesem Gleichstrommotor gekuppelten Tachometermasehine 215 auf ein die Leistung oder die Arbeit des Gleiehstrommotors zur Darstellung bringendes Gerät ein, an dem sich ein zweites halbleitendes Plättehen 219 befindet, das ebenfalls in einem magneti- schen Feld angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist-ähnlich wie bei einer Drosselspule oder bei einem Streutransformator-ein aus Blechen aufgebauter Eisenkern 220 vorgesehen, in dessen Luftspalt das Plättehen 219 angeordnet ist.
Die Erregerwicklung 221 für die Erzeugung des Magnetfeldes im Eisenkern ist nun an die Spannung der Taehometermaschine 215 angeschlossen, während die Punkte 205 und 206 des Plättehens 219 von der Hallspannung des Plättehens 210 mit Strom versorgt werden. Man könnte jedoch den Anschluss auch umgekehrt durchführen, so dass die Hallspannung des Plättehens 210 die Erregerwieklung 221 speist, während die Tacho- metermaschine einen Strom über die Punkte 205 und 206 des Plättehens 219 leitet.
An den quer zu den Punkten 205 und 206 liegenden Punkten 207 und 208 des Plättehens 219 kann dann ebenfalls eine Hallspannung abgenommen werden, die der Leistung des Gleichstrom- motors proportional ist und die beispielsweise einem die Leistung anzeigenden Drehspulen- mpssinstrument 222 zugeführt wird.
I) ie Anordnung der Fig. 10 stimmt bezüg- lieh des linken Teils mit der Fig. 8 überein.
Es soll jedoch nicht die Leistung, sondern die von dem Elektromotor gelieferte mechanische Arbeit gemessen werden. Zu diesem Zweck speist die Hallspannung des Plättehens 210 die Erregerspulen 223 eines elektrodynamisehen Zählers, dessen Anker 224 an die von der Tachometermaschine 215 gelieferte Spannung angesehlossen ist. An dem Zähler wird dann in an sich bekannter Weise die während einer bestimmten Zeit vom Elektromotor geleistete Arbeit zur Anzeige gebracht. Das Instrument kann also für die Ermittlung der Arbeit bei bestimmten technologischen Prozessen benutzt werden. Man kann z. B. den elektrodynamischen Zähler der Fig. 10 mit einem Sehleppzeiger 225 ausrüsten und auf diese Weise die Arbeit für jeden Teilvorgang im technologischen Ablauf eines Prozesses ermitteln. Bei Walzwerken kann z.
B. der Arbeits- bedarf für jeden Stich bestimmt werden. Die Anordnung ist derart, dass zwischen dem Zeiger 225 und der Welle des elektrodynamisehen Zählers eine Kupplung 226 vorgesehen ist, die mit Hilfe einer Erregerspule 227 kurzzeitig eingerückt wird, so dass während dieser Zeit der Zeiger 225 von dem Anker 224 mitgenommen wird und bei seinem Vorrüeken die seit dem Kupplungszeitpunkt vom Zähler ermittelte Arbeit des Elektromotors anzeigt.
Die Spule 227 für das Einrücken der Kupp lung wird dann in geeigneter Weise während der Zeit, in der die Arbeit gemessen werden soll, erregt beispielsweise derart, dass der beim Walzstieh auftretende höhere Strom des Elektromotors die Kupplung ein-und ausschaltet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese für die Steuerung des Aufwickelmotors von Haspelwalzwerken verwendet. In derartigen Blech-, Band-oder Drahtwalzwerken oder ähnlichen Einriehtungen mit einer Haspel für das Aufwickeln des Walzgutes kommt es darauf an, den mechanischen Zug in dem Blech, Band oder Draht des zu walzenden bzw. zu ziehenden Werkstoffes unabhängig von der Drehzahl des Aufwiekelmotors konstant zu halten. Diese Aufgabe wurde bisher auf dem Umweg über die aufgenommene Leistung des Haspelmotors ge lost. Da die abgegebene Leistung sich mit der Drehzahl und der Belastung ändert,. kann dabei die Zugkraft im Aufwiekelgut nicht genau eingehalten werden.
Die gesehilderte Aufgabe kann dadurch gelöst werden, dass der Halbleiter sich in dem magnetischen Feld des Aufwickelmotors eines Haspelwalzwerkes oder einer ähnlichen Einrichtung befindet und die am Halbleiter auftretende Hallspannung zwecks Konstanthaltung des Zuges im Aufwickelgut auf die Drehzahl des Aufwickelmotors einwirkt.
Fig. 11 der Zeichnung veranschaulicht zu- nächst die prinzipielle Anordnung. Durch die beiden Walzen 325 und 326 eines Bandwalzwerkes geht das Walzgut (z. B. ein Blechband 327) hindurch und wird dabei verformt. Nach dem Verlassen der Walzen wird das Walzgut auf eine Haspel 328 aufgewickelt, während es vor dem Eintritt in die Walzen von einer Haspel 309 abgewickelt wird. Die beiden Walzen werden von dem Walzmotor 310 angetrieben, der zwecks Drehzahlregelung als Gleiehstrommotor ausgebildet ist. Ebenso ist für den Antrieb der Aufwickelhaspel 328 ein Gleichstrommotor 311 vorgesehen, während mit der Abwickelhaspel 309 eine Gleichstrom- machine 312 gekuppelt ist, die zur Herstellung eines Zuges in dem Walzgut vor Eintritt in die Walzen die Haspel 309 abbremst und daher als Generator läuft.
Nachdem das Walzgut von der Haspel 309 vollständig abgewickelt und auf die Haspel 328 aufgewickelt ist, wird die Drehrichtung der Walzen 325 und 326 durch entsprechende Umsehaltung am Antriebsmotor 310 umgekehrt und ebenso das generatorisehe und motorische Arbeiten der Maschi- nen 311 und 312, so dass das Walzgut unter neuerlieher Verformung seines Quersehnittes nunmehr auf die Haspel 309 aufgewiekelt und von der Haspel 328 abgewickelt wird.
Ist ni die Drehzahl des mit den Walzen gekuppelten Motors und n2 die Drehzahl des Aufwickel- motors der Haspel und Md2 das vom Aufwikkelmotor abgegebene Drehmoment, so lässt sich bei Annahme eines konstant bleibenden Zuges im Aufwiekelgut der Haspel die Gleichung aufstellen d2'2 == '1-
K stellt in dieser Gleiehung eine Konstante dar. Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, dass die vom Aufwickelmotor abgegebene Leistung bei Annahme einer konstanten Drehzahl des Walzmotors konstant bleibt, wobei aber das Drehmoment des Aufwickelmotors bei konstantem Zug im Aufwiekelgut mit steigendem Aufwickeldurchmesser an der Haspel steigt und dementsprechend die Drehzahl des Aufwickelmotors sinkt.
Es muss also die Drehzahl des Aufwickelmotors entspre chend dem Ansteigen des Aufwickeldurch- messers an der Haspel bzw. gemäss der obigen Gleichung gesteuert werden. Dies wird im vorliegenden Fall durch die Einwirkung der an dem Halbleiterplättehen auftretenden Hallspannung auf die Drehzahl des Aufwickel- motors erreicht.
Fig. 12 zeigt die Anwendung des halbleitenden Plättehens für die Steuerung des Aufwickelmotors eines Haspelwalzwerkes. Die Bezeichnungen der Walzen und ihrer Antriebsmotoren sowie der beiden Haspeln und ihrer Antriebsmotoren stimmen mit den Bezeiehnungen in Fig. 11 überein. An den beiden Antriebsmotoren 311 und 312 sind die Steuereinrichtungen angebraeht, wobei aber nur die Einrichtung an dem gerade aufwik- kelnden Motor 311 dargestellt ist. Sie ist aber ebenso an dem gerade als generatorisehe Bremse arbeitenden Motor 312 angebracht, wobei sie zur Konstanthaltimg des Zuges in dem Walzgut vor Eintritt in die Walzen durch Regelung der Drehzahl des Motors 312 benutzt werden kann.
Ausserdem muss diese Einrichtung auch deshalb vorhanden sein, weil das Walzgut bei Umkehr der Walzrich- tung auch auf die Haspel 309 aufgewickelt wird.
Die Anker der beiden Aufwiekelmotoren 311 und 312 und gegebenenfalls auch der Anker des Walzmotors 310 werden aus einem Weehselstromnetz über Transformatoren 313 und über Queeksilberdampfgleiehriehter 314 mit Gleichstrom gespeist. Der Quecksilber- dampfgleiehriehter ist mit einer Gittersteue- rung 315 ausgerüstet, so dass durch Regelung der Aussteuerung am Gleichrichter die dem Anker des Gleichstrommotors zugeführte Spannung und damit auch die Drehzahl des Gleiehstrommotors geregelt werden.
In dem Luftspaltfeld des Aufwiekelmotors 311, also zwischen dem Motoranker und den Polsehuhen des Erregerpols 317, befindet sich nun ein halbleitendes Plättehen 316 der geschilderten Art, durch das in Riehtung der Masehinen- aehse an den Punkten 301 und 302 ein Strom hindurchgeleitet wird, der dem Belastungs- strom des Gleichstrommotors proportional ist.
Zu diesem Zweck ist in den Belastungsstromkreis ein Widerstand 318 eingesehaltet, des- sen Agriffe an die Punkte 301 und 302 angesehlossen sind. Da das Plättehen von dem Masehinenfeld durchsetzt wird, tritt quer zu der Verbindungslinie der Punkte 301 und 302 an den Punkten 303 und 304 eine Hallspannung auf, die dem Drehmoment des Aufwickelmotors proportional ist. Diese Hallspannung wird nun einer Steuereinrichtung 319 zugeführt, die aus einem zweiten, in einem Magnetfeld angeordneten Halbleiterplättehen besteht. Das Magnetfeld wird mit Hilfe eines ähnlich wie bei Drosselspulen oder Streutransformatoren aus Blechen aufgebauten und mit einem Luftspalt ausgerüsteten Magneteisens gebildet. In dem Luftspalt dieses Magneteisens befindet sich das zweite halbleitende Plättehen 320.
Die Erregerspule 321 dieses Magneteisens ist nun an die Gleiehspannung einer Tachometermaschine 322 angeschlossen, die mit dem Aufwiekelmotor 311 gekuppelt ist.
Das Magnetfeld ist also der Drehzahl des Auf wickelmotors, solange die Sättigung nicht erreicht wird, proportional. Den Punkten 305 und 306 des Plättehens 390 wird nun die Hallspannung des Halbleiterplättchens 316 zugefühi't, so dass in dem Plättehen 320 ein dem Drehmoment des Aufwickelmotors proportionaler Strom fliesst.
Da sich das Plättehen in einem der Drehzahl des Aufwickelmotors proportionalen magnetischen Feld befindet, so ist die an den Punkten 307 und 308 des Plätt- ehens 320 auftretende Hallspannung der abgegebenen Leistung des Aufwickelmotors pro portional. Da nun diese Leistung-wie aus der obigen Gleichung hervorgeht-bei Einhaltung eines konstanten Zuges im Aufwickel- gut der Drehzahl des Walzmotors proportional sein muss, so wird bei der Schaltung der Fig. 12 die an den Punkten 307 und 308 auftretende Hallspannung mit einer Spannung verglichen, die der Drehzahl des Walzmotors 310 proportional ist.
Zu diesem Zweck ist mit dem Walzmotor eine zweite Taehometermaschine 323 gekuppelt, die einen Widerstand 324 speist. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand ist daher der Drehzahl des Walzmotors proportional. Die an den Punkten 307 und 308 auftretende Hallspannung ist nun in Gegensehaltung mit dem am Widerstand 324 auftretenden Spannungsabfall der Gittersteuerung 315 des Gleichriehters 314 zugeleitet.
Die Einrichtung an der Gittersteuerung 315 ist derart beschaffen, dass beim Auftreten einer Differenzspannung zwischen der Hallspan nung des Plättehens 320 und der am Wider- stand 324 abgegriffenen Spannung der Taeho- metermasehine das Steuergitter des Gleich- riehters 314 derart vorgespannt wird, dass sich die Drehzahl des Aufwiekelmotors 31. 1 im Sinne einer Rückgängigmaehung der genannten Differenz zwischen Hallspannung und Spannungsabfall am Widerstand 324 ändert.
Es wird also durch die Regeleinriehtung eine ständige Proportionalität der Leistung des Aufwiekelmotors und der Drehzahl des Walzmotors erzielt und dadurch der Zug im Auf wiekelgut konstant gehalten.
Die Anordnung nach Fig. 12 kann in ver schiedener Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann man die Erregerwicklung 321 der Steuervorrichtung 319 an die Hallspannung des Plättehens 316 anschliessen, wäh- rend die Spannung der Tachometerinaschine 322 an die Punkte 305 und 306 des Plättehens 320 angeschlossen ist und in diesem einen der Drehzahl des Aufwiekelmotors proportionalen Strom erzeugt.
Ferner kann der Widerstand 318 und gegebenenfalls auch der Widerstand 324 durch einen Gleichstromwandler ersetzt werden, bei dem bekanntlich ein Bandeisenkern einerseits von einer konstanten Wechselspannung gespeist wird, anderseits mit einem steuernden Gleichstrom vormagnetisiert wird, so dass ein abgegebener und gegebenenfalls über Gleichrichter geleiteter Wechsel- strom des Bandeisenkernes sieh proportional mit dem steuernden Gleichstrom ändert. Für die Regelung der Drehzahl des Aufwickel- motors kann man, statt die dem Anker zugeführte Spannung zu ändern, eine Regelung des Stromes in der Erregerwicklung 335 des Motors benutzen.
Die Differenzspannung zwi schen der an den Punkten 307 und 308 abgegriffenen Hallspannung des Plättehens 320 und dem Spannungsabfall am Widerstand 324 wird dann (gegebenenfalls über eine Verstärkereinrichtung, z. B. einen Magnetver- stärker) der Feldwicklung 335 des Aufwiekelmotors zugeleitet und verstärkt bei einer im Verhältnis zur Walzmotordrehzahl zu hohen Drehzahl des Aufwickelmotors sein Erregerfeld und schwächt es bei zu geringer Drehzahl des Aufwiekelmotors.
An Stelle der mit einem zweiten halbleitenden Plättehen arbeitenden Magnetsteuereinriehtung 319 könnte man auch ein dynamometrisches Instrument mit einer festen und einer bewegliehen Spule benutzen, wobei die eine Spule von der Hallspannung des Plätt- ehens 316, die zweite von der Spannung der mit dem Aufwiekelmotor gekuppelten Tacho- metermasehine 322 gespeist wird. An Stelle der bei einem Dynamometer durch eine Feder gebildeten Gegenkraft für die bewegliche Spule tritt jedoch der Ausschlag eines mit der beweglichen Spule gekuppelten Drehspulgerätes.
Das Drehspulgerät wird dabei von der mit dem Walzmotor gekuppelten Tachometer- machine, also proportional der Drehzahl des Walzmotors, erregt, während die beiden gegeneinander bewegliehen Spulen des Dynamometers einerseits von der Spannung der mit dem Aufwickelmotor gekuppelten Tacho metermasehine gespeist werden, anderseits von der Hallspannung des am Aufwickelmotor angebrachten halbleitenden Plättehens. Diese Einrichtung könnte man dazu benutzen, eine schnelle Regelung der Drehzahl des Aufwik- kelmotors durch Kurzschliessen und Öffnen eines Widerstandes im Kreise der Feldwicklung 335 des Aufwickelmotors herbeizuführen.
Eine besonders wertvolle Anwendung der Drehmomentmessung nach der Erfindung ergibt sich auf Grund der Erkenntnis, dass nicht nur das Drehmoment von elektrischen Maschinen in der beschriebenen Weise gemessen werden kann, sondern auch das (abgegebene) Drehmoment von nicht elektrischen Maschinen und andern an sich beliebigen mechanischen Einrichtungen.
Man kann nun an Stelle einer teuren und komplizierten Pendelmaschine bei der Messung des abgegebenen Drehmomentes von Kraftmaschinen und andern an sich beliebigen mechanischen Einrichtungen als Messfühler einen elektrodynamischen Generator in Kombination mit einem Hallgenerator verwenden. Es stellt dabei die Kombination einer elektrischen Maschine und eines Hallgenerators den Mess- fühler dar ; der Messling ist die betreffende Kraftmaschine oder dergleichen.
Zur Durch- führtmg einer Drehmomentmessung wird der Widerstandskörper eines Hallgenerators dem Felde eines elektrischen Generators geeigneter Leistung ausgesetzt und ausserdem mit einem Strom gespeist, der dem Generatorstrom oder einer entsprechenden Betriebsgrösse proportional ist. Anbringung und Anordnung des Widerstandskorpers in der Maschine kann in der gleichen Weise erfolgen, wie oben besehrie- ben ist. Zur Messung wird die Gleichstrom- machine elektrisch belastet. Dies kann in an sich beliebiger Weise gesehehen, beispielsweise durch Ohmsche Widerstände oder durch Energielieferung in ein Stromnetz, und richtet sich zweckmässig nach der Grösse der zu verarbeitenden Leistung.
Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für Prüfstände von Kraftmasehinen, insbesondere von Verbrennungsmasehinen und Dampfturbinen. Der für die Messung be nötigte Aufwand ist dabei erheblieh geringer als bei den bisher hierzu benutzten Pendelmasehinen. Es kann ein beliebiger serienmässig hergestellter elektrodynamiseher Generator für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. Die neue Anordnung zur Drehmomentmessung ist ausserdem erheblich einfacher und eleganter als alle bisher bekannten Verfahren und Anordnungen, da sie rein elek trisch arbeitet. Das Drehmoment wird als Hallspannung in einem elektrischen Mess- instrument angezeigt.
Wird ein schreibendes Instrument verwendet, so lässt sieh auch der Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Zeit feststellen. Die erreichbare Genauigkeit ist sehr gross.
Bei hochgesättigten, nicht kompensierten Maschinen mit starker Ankerrüekwirkung kann sieh ergeben, dass der Hallgenerator, auch wenn er in der Mitte eines Polschuhs angebracht ist, kein exaktes Mass für das Drehmoment liefert, weil der den Hallgenerator induzierende Fluss in diesen Fällen dem wirk- lichen Maschinenfluss nicht genau entsprieht.
Man könnte daher daran denken, den Hallgenerator an einer solchen Stelle des Polschuhs anzubringen, dass die Hallspannung wirklich genau dem Drehmoment entspricht. Die Lage dieses Punktes hängt jedoeh von versehiedenen Faktoren, insbesondere dem Betriebszustand der Maschine, ab und kann ausserdem je nach der Art der verwendeten Maschine verschieden sein. Man kann jedoch bei der Drehmomentmessung in jedem Fall eine brauchbare Hallspannung als Mass für das Drehmoment errei chen, indem man den Hallgenerator auf dem Anker der Maschine anbringt. Für den Fall, dass der Anker der Maschine gleichzeitig der Rotor ist, wird ausserdem eine Stromabnehmereinriehtung für die elektrischen Ansehlüsse des Hallgenerators vorgesehen.
Bei Maschinen mit stillstehendem Anker, bei denen also das Erregerfeld umläuft, wird dagegen keine Stromabnehmereinrichtung benötigt.
Im folgenden sind zwei Ausführungsbei- spiele besehrieben, bei denen Gleiehstrom- masehinen zugrunde gelegt sind, deren Anker gleichzeitig der Rotor ist.
Beim ersten, in Fig. 13 schematisch dargestellten Beispiel ist eine besondere, mit der Rotorwelle W eines Masehinenankers A durch eine elastische Kupplung K verbundene Stromabnehmereinrichtung verwendet, die je ein Paar Stromwenderkollektoren 403, 404 und ein Paar Sehleifringe 401, 402 enthält, von denen das eine Paar mit den Hallelektro- den und das andere Paar mit den Stromelektroden des Hallgenerators 409 verbunden ist.
Es wird bevorzugt-vgl. Fig. 14, die den Hallgenerator 409 in Aufsieht und etwas vergrössert zeigt-, die Hallelektroden 405, 406 mit den Sehleifringen 401, 402 zu verbinden und die Stromelektroden 407, 408 mit den Stromwenderkollektoren 403, 404. Dadurch wird eine geringere Störanfälligkeit erreieht und ein besseres Messergebnis. Durch die Stromwenderkollektoren wird erreicht, dass die Hallspannung unmittelbar als Gleichspan- nung zur Verfügung steht. An sich können lür die Stromelektroden ebenfalls Sehleifringe verwendet werden.
Jedoeh wird dann zur Gleichung der Hallspannung ein besonderer Gleichrichter benötigt. Auf den Schleifringen bzw. Stromwenderkollektoren sehleifen Bürsten 410 bis 413. Von ihnen sind die Bürsten 410, 411 mit einem Messgerät 414 und die Bürsten 412, 413 mit einer Stromquelle 415 verbunden, die den zur Messung erforderliehen Hilfsstrom liefert. Die Anzahl der Lamellen auf den Stromwenderkollektoren riehtet sieh nach der Polzahl der betreffenden elektrischen Masehine.
Im Falle des dargestellten zweipoligen Gleichstrommotors bestehen also die Strom wenderkollektoren 403, 404 je aus zwei Halb ringen.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das Gleiehrichterproblem von vornherein vermieden. Ausserdem werden hier insgesamt nur zwei Sehleifringe zur Abnahme der Hallspan nung benotigt. Dieses Ausführungsbeispiel wird daher bevorzugt. Die Vereinfaehung wird dadurch erreicht, dass die Stromelektroden des Hallgenerators an zwei Punkte ver schiedenen Potentials eines vorzugsweise dem Hallgenerator unmittelbar benachbarten Ankerleiters angeschlossen werden. Dadurch kehrt sich bei jeder durch den Ankerumlauf bedingten Feldriehtungsumkehr auch der den Hallgenerator durchfliessende Strom selbsttätig mit um.
Die Anbringung des Hallgenerators in der unmittelbaren Nähe des angezapften Ankerleiters ergibt den Vorteil, dass zum jeweiligen Ankerstrom auch der jeweils zugehörige Magnetfluss erfasst wird.
Dadurch wird eine besonders genaue Erfassung der Luftspaltinduktion ermöglicht und damit eine exakte Drehmomentmessung.
Bei Maschinen, deren Anker stillsteht, bei denen jedoch das Erregerfeld umläuft, ist eine unmittelbare Verbindung der Stromelektroden des Hallgenerators mit einem Ankerleiter, insbesondere einem unmittelbar be naehbarten Ankerleiter, aus den obengenannten Gründen ebenfalls vorteilhaft. Hier wird weder eine Stromabnehmereinrichtung noch eine Gleichrichteranordnung benötigt.
Die im Bedarfsfall zu verwendende Strom abnehmereinriehtung wird mit ihren Einzelteilen zweckmässig zu einem einheitliehen Bauteil zusammengefasst. Es kann sowohl so ausgebildet sein, dass sein stillstehender Teil, also die Bürsten, Gehäuse, Ansehlussklemmen usw., am Stator der Maschine befestigt, beispielsweise angeflanscht werden kann. Die Anbringung des feststehenden Teils kann jedoch auch ausserhalb der eigentlichen Maschine erfolgen. In beiden Fällen können durch eine Bohrung in der Rotorwelle die elektrischen Anschlüsse des Hallgenerators zur Verbindung mit den umlaufenden Teilen der Stromabnehmereinriehtung herausgeführt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, zur mechanischen Verbindung des umlaufenden Teils der Stromabnehmereinriehtung mit der Maschine eine e elastische Kupplung vorzusehen, insbesondere mit einer hohlen Welle, in deren Innerem die elektrischen Verbindungsleitungen untergebracht sind. Ausserdem besteht die Möglichkeit, die Stromabnehmereinriehtung zwischen einem Lager der Rotorwelle und dem Rotor körper, also innerhalb des Maschinengehäuses, anzubringen. In diesem Falle ist ein nachträgliches Anbohren der Rotorwelle oder dergleichen Massnahme zur Verlegung der elektrischen Verbindungen zwischen Hallgene- rator und den umlaufenden Teilen der Stromabnehmereinrichtung nicht erforderlich.
Um bei der Drehmomentmessung in jedem Fall eine brauchbare Hallspannung als Mass für das Drehmoment zu erreichen, kann man ferner mehrere Hallgeneratoren unter einem Polschuh, insbesondere in Ankerumfangsrich- tung der Maschine, anordnen, im Sinne der Erzielung eines dem wirklichen Maschinenfluss proportionalen mittleren Messwertes für das Drehmoment.
Die Anzahl der Hallgeneratoren kann ver schieden sein und riehtet sich nach der verlangten Messgenauigkeit. Mit drei Halogen- generatoren lassen sich in vielen Fällen bereits brauchbare Messergebnisse erzielen, insbesondere wenn die Verteilung entsprechend den zu erwartenden Verzerrungen des Flussver- laufes längs des Ankerumfanges erfolgt. Es kann ausserdem eine Anbringung der Hallgeneratoren in der Achsrichtung vorteilhaft sein, beispielsweise bei ungleichmässigem Luftspalt.
Es ist beispielsweise möglieh, die Hallgeneratoren unabhängig voneinander zu betreiben, sie an verschiedene Messgeräte anzu- schliessen und aus den ermittelten Messwerten einen Mittelwert herzustellen.
Wesentlich günstiger ist es jedoch, die Stromelektroden der einzelnen Hallgeneratoren parallel durch eine, vorzugsweise einzige Stromquelle zu speisen und die Hallelektroden in Reihe zu schalten, so dass der erste und letzte Hallgenerator mit dem Messinstrument verbunden ist. Es wird hier also nur ein Messinstrument benötigt. Es ist zu berück sichtigen, dass zunächst die miteinander verbundenen Hallelektroden zweier benachbarter Hallgeneratoren mit Hilfe von in die Stromzuleitungen geschalteter Widerstände bestimmter Grösse auf gleiches Potential gebracht werden müssen.
Durch eine derartige Schaltungsanordnung wird nicht nur ein Messwert erha. lten, der dem Mittelwert des magnetisehen Flusses entspricht und der auch im Falle starker Ankerrüekwirkungen dem wirkliehen Drehmoment der Maschine proportional ist, sondern zugleich auch eine wesentlich höhere Hallspannung infolge Addition der Einzel hallspannungen.
Eine direkte Drehmomentmessung an elektrisehen Maschinen, insbesondere an CTleiehstrommaschinen, mit Hilfe der geschilderten Hallgeneratoren, die unter den Hauptpolen im Luftspalt befestigt sind und als deren Steuerstrom der Ankerstrom der Gleichstrom- machine verwendet wird, erweist sich nun bei praktischen Messungen (z. B. an grossen'Walz- motoren) als ungenau. Einmal werden die Hallspannungen durch die versehiedenen Drehzahlen der Gleiehstrommasehine beein flusst. Besonders schwierig ist es aber, beim Einbau der halbleitenden Plättehen eine Stelle zu finden, wo die gemessene Hallspannung tatsächlich dem Gesamtfluss direkt proportional ist.
Es finden unter dem Einfluss der Ankerrüekwirkung der Maschine Feldverzerrungen statt, die eine gleiehbleibende Propor tionalität zwischen der gemessenen Hallspannung und dem Fluss der Maschine verhindern.
Es ist ferner zu beachten, dass die genannten Halbleiter immer noch eine Temperaturabhän- gigkeit bezüglich der Hallspannung aufweisen, so dass der Erwärmungszustand der elektrisehen Maschine auf die Messung des Drehmomentes dann ebenfalls einen Einfluss aus üben würde.
Die geschilderten Schwierigkeiten der Messung des Drehmomentes elektrischer Maschi- nen durch halbleitende Plättchen der geschil- derten Art können dadurch beseitigt oder wesentlich vermindert werden, dass der Zusammenhang zwischen Fluss und Erregung in der elektrischen Maschine an einem ruhenden Magneteisen naehgebildet ist und der Halbleiter sich in dem Feld dieses Magneteisens befindet. Dadurch entfällt zunächst der gesehilderte Einfluss der Drehzahl der Maschine.
Ausserdem ist an dem ruhenden Magneteisen der Einfluss der Ankerrüekwirkung ebenfalls nicht vorhanden. Schliesslich lässt sich die Temperatur dieses Modelleisens konstant halten.
Die Zeichnung veranschaulicht in Fig. 15 die neue Anordnung an einem Beispiel.
501 ist ein Gleiehstrommotor mit seiner Erregerwicklung 502, die von der Spannung u gespeist wird. 503 ist nun ein gesondertes Magneteisen, dessen Erregung der Erregung des Gleichstrommotors proportional ist. In dem Luftspalt 504 dieses Magneteisens befindet sich das halbleitende Plättehen 505, das mit einem Strom gespeist wird, der von einem Widerstand 506 im Nebensehluss abgeleitet ist, der von dem Belastungsstrom des Gleichstrom- motors durchflossen wird. 507 sind die Ableitungen an den halbleitenden Plättehen 505, an denen die Hallspannung für Mess-oder für Steuerzwecke auftritt. Um nun im Luftspalt des Magneteisens einen Fluss bzw.
eine Induktion zu erzielen, die dem gesamten Feld des ('leiehstrommotors 501 proportional ist, ist zunächst die Erregerwicklung 508 des Magneteisens mit der Erregerwicklung 502 des Gleich- strommotors in Reihe geschaltet, so dass also die Erreger-Amperewindungen einander pro portional sind. Da jedoch am Gleichstrom- motor bei stärkerer Erregung die Sättigung anwäehst, so muss auch das Magneteisen 503 einen ähnlichen Verlauf seiner Sättigung des Magnetfeldes besitzen. Zu diesem Zweck be sitzt das Magneteisen einen Sättigungssehenkel 509. Ausserdem ist ein abnehmbares Joch 510 vorgesehen.
Zwischen diesem Joch 510 und dem übrigen Teil des Magneteisens befindet sich ein unmagnetisehes Material 511 ; beispielsweise sind Zwisehenlagen aus Repelit eingefügt. Durch Anpassung der Stärke dieser Zwisehenlagen und unter dem Einfluss des Sättigungssehenkels 509 kann die magnetische Charakteristik des Magneteisens der magnetisehen Charakteristik des Gleichstrom- motors mit praktisch ausreichender Genauigkeit angepasst werden.
Das Magneteisen für die Nachbildung des Maschinenfeldes wird man aus einzelnen Ble chen aufbauen. Da der Gleiehstrommotor jedoch insbesondere an seinem Joch aus massivem Eisen (Stahlguss) besteht, würden sieh bei raschen Änderungen des Erregerfeldes des Gleichstrommotors, wie sie bei der Steuerung des Motors vorkommen, andersgeartete zeitliche Änderungen des Magnetfeldes am Motor und an dem Feldmodell ergeben. Um auch in dieser Hinsicht die Maschine und das Modell einander anzupassen, befindet sich auf dem Magneteisen noch eine Hilfswicklung 512, die über einen regelbaren Widerstand 513 kurzgesehlossen ist.
Bei passender Einstellung dieses Widerstandes lassen sich auch an dem Modell die Wirbelstromdämpfungen des Feldes, wie sie im Joch von Gleichstrommaschinen bei raschen Feldänderungen auftreten können, nachahmen.
Für irgendwelche stromabhängig erregten Hilfs-oder Gegenreihenschlusswicklungen an der elektrischen Maschine könnte man an dem Magneteisen gleichfalls Modellwicklungen-vorsehen. Auch die Wirkung der Bürstenkurz- schlussströme könnte mit einer Modellwicklung nachgeahmt werden.
Method for generating a voltage proportional to the torque of an electrical machine
To measure magnetic fields, it has already been proposed to use the change in electrical properties that a measuring body experiences under the influence of a magnetic field. The arrangement can be such that a measuring body is traversed transversely by the magnetic field and a constant current is passed through the measuring body itself in its longitudinal extension. In the transverse direction of the measuring body perpendicular to the magnetic field, the so-called Hall voltage then occurs, which is proportional to the strength of the magnetic field when the current in the measuring body is constant.
Semiconducting compounds, in which the mobility of the charge carriers (electrons or defect electrons)
6000 em2
Volt see or more, in particular 10,000 and more. A compound of an element A of III is particularly suitable as a semiconductor. Group of the periodic system with an element B of the fifth group of the periodic system, that is, a compound of the form AIlIBv because certain compounds of this form have a particularly high carrier mobility, so that a large Hall voltage and correspondingly high sensitivity and accuracy the measuring device can be achieved.
Compounds of one of the elements boron, aluminum, gallium, indium with one of the elements nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony are particularly suitable. Among the 16 compounds given here, indium arsenide (InAs) is of particular technical importance because of its relatively very small temperature coefficient.
If an electron in the semiconductor is exposed to an electric field with a certain mobility, the electron assumes a speed that is proportional to the product of this field strength and the mobility. If the electron is also exposed to a magnetic field which is perpendicular to the electric field, it is known to experience an additional force effect perpendicular to its original direction of movement. As is well known, however, this magnetic influence on the electron is negligibly small when the product of the speed, the electron and the magnetic field strength falls below certain values. The product of the mobility of the launcher and the magnetic field strength must not be too small either.
Since magnetic field strengths in iron can only be easily produced up to about 17,000 Gauss with electromagnets, while with permanent magnets only up to about 10,000 Gauss can be achieved, it can be seen that for a strong influence on the charge carriers of the semiconductor by the magnetic field or For the generation of a larger Hall voltage, the mobility of the charge carriers in the semiconductor is expediently the; should reach or exceed the stated values.
The invention relates to a method for generating a voltage proportional to the torque of an electrical machine. According to the invention, a semiconductor element serving as a Hall generator is introduced into a magnetic field which is proportional to the field of the electrical machine; A current is then passed through the semiconductor, the product of which with the field strength results in a quantity proportional to the torque of the electrical machine's rule. In the transverse direction of the semiconductor, a voltage proportional to the torque of the electric machine can then be picked up as a Hall voltage. To carry out this method, the semiconductor serving as a Hall generator is arranged in the field of the electrical machine.
However, in order to avoid errors caused, for example, by a strongly fluctuating speed of the electrical machine, it may be more beneficial to simulate the magnetization characteristic of the electrical machine on a stationary magnet iron in whose field the semiconductor that can be used as a Hall generator is located.
A semiconductor with a carrier mobility of at least
6000 cm2 / V see is used, preferably a semiconducting compound of the form ABy such. B. InSb or InAs.
If the semiconductor serving as a Hall generator is introduced directly into the field of the electrical machine, it can either be arranged on the armature of the machine or in the air gap of the machine. However, it is also possible to arrange several semiconductors that can be used as Hall generators in the armature circumferential direction of the machine under a pole shoe. The semiconductors' hall electrodes are connected in series and, due to the parallel connection of their current electrodes, are at the same potential.
The method according to the invention can be used, for example, to measure power by multiplying the Hall voltage tapped at the semiconductor with a voltage proportional to the speed of the electrical machine. This multiplicative combination of the Hall voltage and the voltage proportional to the speed of the electrical machine can be carried out with a further semiconductor serving as a Hall generator, which is located, for example, in the air gap of an iron core equipped with an excitation winding.
A further possible application of the method according to the invention is that the voltage proportional to the torque actuates a warning device, that is to say a signal or protective device, when a maximum value is exceeded.
The Hall voltage, which is proportional to the torque, can also act either directly or via an amplifier on a measuring device that displays, writes or records, or it can be used to control or regulate the electrical machine.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments in the drawing.
In the arrangement of FIG. 1, the torque of a DC phase is to be measured. 1 is the anchor body, 2 is the iron of one exciter pole. Between the pole piece of this exciter pole and the armature, a measuring body 3 made of one of the materials described Ma is arranged in the air gap of the machine. A current is passed through this measuring body in the axial direction of the machine via the supply lines 4 and 5, which corresponds to the load current of the same. rome masehine is proportional. The Hall voltage can then be picked up on the measuring body transversely to the direction of the magnetic field and transversely to the current flowing in the measuring body at 6 and 7 and fed to a measuring, control or regulating unit.
FIG. 2 of the drawing shows the electrical circuit of the arrangement of FIG. 1. It is a DC phase phase with a secondary exciter signal 8. 3 is again the measuring body, which is arranged on the machine according to FIG. In the load circuit of the DC machine there is the resistor 9, to which the measuring body 3 is connected in parallel, so that a current proportional to the load current flows through it.
In the case of high-voltage traction machines, it is not desirable for the high-voltage potential to be fed to the measuring body and thus also to the rest of the measuring device. Instead of the resistor 9, a DC voltage converter can then be used, as is illustrated in FIG. 3 of the drawing. This DC voltage wall consists in a known manner of a choke coil fed with a constant AC voltage, the iron core of which is superimposed with a DC magnetization.
The alternating current of the choke coil then changes proportionally to the strength of this direct current superimposition. In FIG. 3, 13 represents the ring iron core of such a premagnetized choke coil, through the opening of which the electrical conductor 14 carrying the voltage drop is passed, the torque of which is to be detected. 15 is the alternating current winding of the choke coil, to which a constant alternating voltage Zll- is carried at 16. In the circuit of 15, a dry circuit 17 is now also connected in a Graetzse circuit, which feeds the measuring body 3 on its direct current side.
The measuring body 3 is located approximately as shown in FIG. 1 in the air gap of the DC phase. Connections 11 for the Hall voltage are again attached transversely to the direction of the current in the measuring body and are fed to a measuring or control device.
As the result of the DC bias they. tion of the iron core 13 proportional to the load current of the direct current phase, if the alternating current J of the choke coil also has this proportionality on the DC side of the rectifier 17, the Hall voltage occurring on the measuring body 3 is again a measure of the torque of the direct current phase more in conductive contact with the high-voltage conductor 14 of the DC machine.
It is not absolutely necessary that the load current is used in the manner described to represent the torque of the machine. In direct current series machines, it is known that the armature voltage of the machine, particularly in the lower area of the magnetic characteristic, is proportional to the load current; they can therefore be used to generate the current in the semiconducting measuring body.
However, other operating variables, which are dependent on the load current of the machine, could also be used to control the current on the semiconductor.
The arrangement of the invention can also be used to detect the torque on alternating current machines and three-phase machines by arranging the semiconductor in the air gap of the machine and charging it with a current proportional to the load current. It should be noted that with alternating field machines the torque formed from the product of current, field and the cos of the included angle appears as the mean value of the Hall voltage without additional devices. In rotary field machines, the rotary field slides over the semiconductor housed in the air gap. You have to ensure that the field and current appear at the correct phase angle on the measuring body.
This is possible: once by installing the plate 90 electrical degrees offset from the magnetic axis of the winding whose current flows through the plate, and on the other hand by installing the plate at any point in the air gap through a suitable phase shift of the current supplied to the plate.
Fig. 4 of the drawing shows schematically the arrangement of the three winding zones for phases I to III of a three-phase winding on the machine circumference. If you move 90 electrical degrees in the air gap of the machine against the magnetic axis of the winding zone of phase I, offset the semiconducting measuring body indicated by 3 and send a current proportional to the load current of phase I through this measuring body, you will do justice to the described conditions.
Fig. 5 of the drawing shows the circuit for the arrangement of FIG. 4. A current transformer 10 is switched on in the outer lead of phase I, the secondary winding of which is attached to the semiconducting measuring body 3 accommodated in the air gap of the machine. B. generates a current in the direction of the machine axis, so that a Hall voltage can be picked up transversely to the terminals 11, which is proportional to the torque of the machine.
It is not absolutely necessary for the semiconducting measuring body on the three-phase machine to assume a certain position relative to the phase windings. The measuring body can be accommodated on any part of the machine circumference if it is fed with a current that is proportional to the load current of the machine, but whose phase position is adjustable.
Fig. 6 of the drawings shows such a circuit; it corresponds to FIG. 5. The transformer 10 is, however, designed as a rotary transformer 12. So that its single-phase secondary winding changes its voltage in phase position and not in size when twisted, the rotary transformer in the primary part is 3-phase, and the three load currents of the three-phase machine are passed through the three phases. In order for the current at the semiconducting measuring body 3 to correspond to the load current of the main machine, the rotary transformer must also work in the measuring range without iron saturation. The setting of the rotary transformer can, for.
B. be done in such a way that the mean value of the Hall voltage is zero when the machine is running synchronously without load. With any load on the machine, the Hall voltage indicates the torque with the setting of the rotary transformer unchanged.
Instead of the transformer, a phase swivel circuit, formed from chokes, capacitors and resistors, can also be used.
The Hall voltage, which is proportional to the torque of the electrical machine, can be used to activate a signal or protective device if the torque permissible for various operating states of the electrical machine is exceeded. Today there are various means of protecting the electric motor of a drive against electrical overload. However, since the electric motor is usually considerably oversized, the mechanical part of the drive, the coupling links and the like are often insufficiently protected against overload. So are often, z. B. in rolling mill drives, certain Breehglieder, shear pins and dergleiehen built, but cause a longer break in operation for the replacement of the Breehbolzen when they respond. Slip-on couplings serve the same purpose.
Since in the described arrangements the Hall voltage output by the semiconductor is proportional to the output torque of the machine, it can be used as a substitute for the mechanical protection devices mentioned to protect the machine against overload.
However, the device of the invention can also be used to protect the electrical machine against the occurrence of a torque which, although not in itself inadmissibly high, is too great for the operating state in question. It can happen that the frictional torque of an electric motor drive is too high, for example because of inadequate lubrication. This frictional torque also occurs when the overall arrangement is idling. Since the devices described also respond to the idling torque, they can be used to display an impermissibly high torque during idling or to actuate a signal or warning device.
The device can consist in that, when the Hall voltage is idling, an Nless or IIelay device is connected to the Hall voltage and performs the function described.
Fig. 7 shows an embodiment of such a protective device. A crane 105 is driven by a direct current series motor 106. The field 107 of the series motor is connected via the commutator 108 to the feed lines 109 of the crane in a known manner. In the air gap of the crane motor is now a semiconducting plate 110, which is fed to the loading current of the crane motor proportional current at points 101 and 102, so in the direction of the machine axis. For this purpose, points 101 and 102 are connected to a resistor 111 connected to the main motor circuit.
Since the plate, which has the dimensions of 10 X 10 X 0.5 mm, for example, is traversed by the field of the machine, at the points 103 and 104 lying transversely to the points 101 and 102, a torque output by the machine occurs proportional Hall voltage. This now serves to protect the machine against mechanical overload; For this purpose it feeds two relay coils 113 and 114 connected in series. When the torque reaches a certain level, relay coil 113 first closes its control contact and thereby switches on a signal lamp 115 serving as a warning.
In the event of an even greater overload of the crane motor, such a large current occurs in the relay coil 114 that the associated armature triggers the main switch 112 of the crane motor by releasing the latch 116.
To measure the permissible amount of torque with an unloaded crane, the Hall voltage occurring at points 103 and 104 can be switched to a measuring instrument, whereby one can also use variable resistances in the main circuit or DC or AC converters to obtain a suitable result Can make use. The operator can then check the operating status of the drive at any time.
The arrangement can also be used to protect direct current shunt motors or three-phase motors, it being possible to make use of the above-mentioned devices.
In a further embodiment of the invention, the Hall voltage of the semiconductor and an electrical variable proportional to the speed of the machine act jointly on a display or control device, in that the output of the electrical machine or its work is recorded. Such a device, which measures the electrical power or the work of the machine or detects the triggering of control processes, has significant advantages over the previously used instruments for power and work, mainly because it is not the electrical power or work that is measured, but rather Accommodation of the semiconductor in the air gap, the output or work including the output for overcoming the bearing and air friction.
In metal and steel rolling mills, for example, it is worth knowing at all times the deformation torque and the deformation work that have to be applied for a specific pass. As a result, the company facilities can be spared and used to the limit, and valuable documents for the construction of similar systems can be collected.
The methods used up to now, in which the power consumed was measured by measurement or the quantities output were determined by installing a torque meter in the coupling members, are either too imprecise or require too much effort. The new arrangement also allows the power required to overcome the bearing and air friction to be determined in the simplest possible way, since the electrical losses of the machine are not also measured in DC machines in particular, so that when the overall arrangement is idle, the instrument detects the bearing and air friction Brings air friction losses to the display.
8, 9 and 10 show exemplary embodiments of an arrangement in which the Hall voltage of the semiconductor and a variable proportional to the speed of the machine act together on a display or control device. In the arrangement of FIG. 8, 205 is the armature of a direct current motor for driving the rolls 236 and 237 of a rolling mill. 208 is the only partially shown field iron of the direct current motor, on whose exciter pole there is an exciter signal 209 in a circuit common in rolling mill drives. In the air gap between the pole pieces of the exciter pole and the armature of the machine there is now a plate 210 made of semiconductor material, shown in broken lines.
At points 201 and 202, i.e. in the axis direction of the machine, the semiconductor is supplied with a current that is proportional to the armature current of the electric motor. For this purpose, a direct current converter 211 is provided which, in a manner known per se, consists of an annular band iron core which carries an excitation winding 212 which is connected to a constant alternating voltage;
furthermore the oscillation 213 for the output of the alternating current controlled as a function of the load current of the direct current motor. For this purpose, the Bandeisenliern is premagnetized with direct current, in that the load current of the direct current motor 205 is passed through the opening in the toroidal core.
The output winding 213 then feeds the points 201 and 202 of the plate via the dry rectifier arrangement 214 with a current proportional to the load current of the DC motor, so that the Hall voltage occurring at the points 203 and 204 is proportional to the torque of the DC motor. To display the electrical power of the machine, a taehometer machine 215 is now coupled to the electric motor, whose equilibrium voltage, which is proportional to the speed, feeds the coil 216 of an electrodynamic measuring device, the second of which is connected to the Hall voltage of the plate 210 against the first rotatable coil 217.
The pointer 218 of the measuring device can then be calibrated directly to the air gap power of the DC motor.
In the arrangement of FIG. 9, the Hall voltage of the plate 210 in the air gap of a DC motor which otherwise corresponds to FIG. 8 and the voltage of a tachometer generator 215 coupled to this DC motor act on a device that displays the power or the work of the DC motor , on which a second semiconducting plate 219 is located, which is also arranged in a magnetic field. For this purpose, as in the case of a choke coil or a scatter transformer, an iron core 220 made up of metal sheets is provided, in the air gap of which the plate 219 is arranged.
The excitation winding 221 for generating the magnetic field in the iron core is now connected to the voltage of the Taehometer machine 215, while the points 205 and 206 of the plate 219 are supplied with current by the Hall voltage of the plate 210. However, the connection could also be carried out the other way round, so that the Hall voltage of the plate 210 feeds the exciter voltage 221, while the tachometer machine conducts a current via points 205 and 206 of the plate 219.
At the points 207 and 208 of the plate 219 lying transversely to the points 205 and 206, a Hall voltage can then also be picked up, which is proportional to the power of the direct current motor and which is fed, for example, to a moving coil measuring instrument 222 indicating the power.
I) The arrangement of FIG. 10 corresponds to FIG. 8 with regard to the left part.
However, it is not the power but the mechanical work delivered by the electric motor that is to be measured. For this purpose, the Hall voltage of the plate 210 feeds the excitation coils 223 of an electrodynamic counter, the armature 224 of which is connected to the voltage supplied by the tachometer machine 215. The work performed by the electric motor during a certain time is then displayed on the counter in a manner known per se. The tool can thus be used to determine the work performed on certain technological processes. You can z. B. equip the electrodynamic counter of FIG. 10 with a slow pointer 225 and in this way determine the work for each partial process in the technological sequence of a process. In rolling mills z.
B. the work requirements for each stitch can be determined. The arrangement is such that a clutch 226 is provided between the pointer 225 and the shaft of the electrodynamic counter, which is briefly engaged with the help of an excitation coil 227, so that during this time the pointer 225 is carried along by the armature 224 and when it is advanced shows the work of the electric motor determined by the counter since the time of coupling.
The coil 227 for engaging the clutch is then suitably energized during the time in which the work is to be measured, for example in such a way that the higher current of the electric motor occurring during roll drawing switches the clutch on and off.
In a further embodiment of the invention this is used for the control of the winding motor of coiler mills. In such sheet metal, strip or wire rolling mills or similar Einriehtungen with a reel for winding up the rolling stock, it is important to keep the mechanical tension in the sheet, strip or wire of the material to be rolled or drawn constant regardless of the speed of the winding motor to keep. This task was previously solved by detour via the power consumed by the reel motor. Since the output power changes with the speed and the load. the tensile force in the object cannot be precisely maintained.
The stated object can be achieved in that the semiconductor is located in the magnetic field of the winding motor of a coiler or a similar device and the Hall voltage occurring on the semiconductor acts on the speed of the winding motor to keep the tension in the wound material constant.
11 of the drawing initially illustrates the basic arrangement. The rolling stock (e.g. a sheet metal strip 327) passes through the two rolls 325 and 326 of a strip rolling mill and is deformed in the process. After leaving the rollers, the rolling stock is wound onto a reel 328, while it is unwound from a reel 309 before entering the rollers. The two rollers are driven by the roller motor 310, which is designed as a DC motor for the purpose of speed control. Likewise, a DC motor 311 is provided to drive the take-up reel 328, while a DC machine 312 is coupled to the decoiler 309, which brakes the reel 309 to produce a pull in the rolling stock before it enters the rollers and therefore runs as a generator.
After the rolling stock has been completely unwound from the reel 309 and wound onto the reel 328, the direction of rotation of the rollers 325 and 326 is reversed by corresponding switching on the drive motor 310 and likewise the generator and motorized work of the machines 311 and 312, so that the Rolled stock is now wound onto the reel 309 and unwound from the reel 328 with the recent deformation of its cross section.
If ni is the speed of the motor coupled to the rollers and n2 is the speed of the winding motor of the reel and Md2 is the torque delivered by the winding motor, the equation d2'2 == 'can be set up assuming a constant tension in the reel material to be reeled. 1-
K represents a constant in this equation. From this equation it can be seen that the power delivered by the winding motor remains constant assuming a constant speed of the rolling motor, but the torque of the winding motor increases with constant tension in the reeled material with increasing winding diameter on the reel and accordingly the speed of the take-up motor decreases.
The speed of the winding motor must therefore be controlled in accordance with the increase in the winding diameter on the reel or according to the above equation. In the present case, this is achieved by the effect of the Hall voltage occurring on the semiconductor wafer on the speed of the winding motor.
Fig. 12 shows the application of the semiconducting sheet for the control of the winding motor of a coiler mill. The designations of the rollers and their drive motors as well as the two reels and their drive motors agree with the designations in FIG. The control devices are attached to the two drive motors 311 and 312, but only the device on the motor 311 which is currently winding is shown. However, it is also attached to the motor 312, which is currently working as a generator-side brake, and can be used to maintain constant tension in the rolling stock before it enters the rolls by regulating the speed of the motor 312.
In addition, this device must also be present because the rolling stock is also wound onto the reel 309 when the rolling direction is reversed.
The armatures of the two winding motors 311 and 312 and possibly also the armature of the rolling motor 310 are fed with direct current from a alternating current network via transformers 313 and 314. The mercury vapor control unit is equipped with a grid control 315 so that the voltage supplied to the armature of the DC motor and thus also the speed of the DC motor are regulated by regulating the modulation on the rectifier.
In the air gap field of the winding motor 311, i.e. between the motor armature and the pole shoes of the exciter pole 317, there is now a semiconducting plate 316 of the type described, through which a current is passed in the direction of the mechanical axis at points 301 and 302, which the Load current of the DC motor is proportional.
For this purpose, a resistor 318 is included in the load circuit, the terminals of which are connected to points 301 and 302. Since the flake is penetrated by the mechanical field, a Hall voltage occurs transversely to the connecting line of points 301 and 302 at points 303 and 304, which Hall voltage is proportional to the torque of the winding motor. This Hall voltage is now fed to a control device 319 which consists of a second semiconductor wafer arranged in a magnetic field. The magnetic field is created with the help of a magnetic iron, which is made up of sheet metal and equipped with an air gap, similar to that used in inductors or scatter transformers. The second semiconducting plate 320 is located in the air gap of this magnetic iron.
The excitation coil 321 of this magnetic iron is now connected to the equilibrium voltage of a tachometer machine 322, which is coupled to the winding motor 311.
The magnetic field is therefore proportional to the speed of the winding motor as long as saturation is not reached. The Hall voltage of the semiconductor wafer 316 is now fed to the points 305 and 306 of the wafer 390, so that a current proportional to the torque of the winding motor flows in the wafer 320.
Since the plate is located in a magnetic field proportional to the speed of the winding motor, the Hall voltage occurring at points 307 and 308 of the plate 320 is proportional to the output power of the winding motor. Since this power - as can be seen from the above equation - has to be proportional to the speed of the roller motor while maintaining a constant tension in the reeling material, the Hall voltage occurring at points 307 and 308 is combined with a voltage in the circuit of FIG compared, which is proportional to the speed of the rolling motor 310.
For this purpose, a second Taehometer machine 323 is coupled to the roller motor, which feeds a resistor 324. The voltage drop across this resistor is therefore proportional to the speed of the rolling motor. The Hall voltage occurring at points 307 and 308 is now fed to the grid control 315 of the aligner 314 in opposition to the voltage drop occurring at the resistor 324.
The device at the grid control 315 is designed such that when a differential voltage occurs between the Hall voltage of the plate 320 and the voltage of the taehometer machine tapped at the resistor 324, the control grid of the rectifier 314 is pretensioned in such a way that the speed increases of the winding motor 31. 1 changes in the sense of an undoing of the mentioned difference between Hall voltage and voltage drop across resistor 324.
A constant proportionality of the power of the Aufwiekelmotor and the speed of the rolling motor is achieved by the control unit and thus the train in auf wiekelgut is kept constant.
The arrangement of FIG. 12 can be modified in various ways. For example, the excitation winding 321 of the control device 319 can be connected to the Hall voltage of the plate 316, while the voltage of the tachometer machine 322 is connected to points 305 and 306 of the plate 320 and generates a current proportional to the speed of the winding motor.
Furthermore, the resistor 318 and possibly also the resistor 324 can be replaced by a direct current converter, in which, as is well known, a band iron core is fed on the one hand by a constant alternating voltage and on the other hand is premagnetized with a controlling direct current, so that an alternating current which is output and possibly conducted via a rectifier of the strip iron core changes proportionally with the controlling direct current. To regulate the speed of the winding motor, instead of changing the voltage supplied to the armature, regulating the current in the field winding 335 of the motor can be used.
The differential voltage between the Hall voltage tapped at points 307 and 308 of the plate 320 and the voltage drop across the resistor 324 is then fed to the field winding 335 of the winding motor (if necessary via an amplifier device, e.g. a magnetic amplifier) and amplified at an im Relation to the rolling motor speed to high speed of the winding motor its excitation field and weakens it if the speed of the winding motor is too low.
Instead of the magnetic control device 319, which works with a second semiconducting plate, one could also use a dynamometric instrument with a fixed and a moving coil, one coil from the Hall voltage of the plate 316, the second from the voltage of the speedometer coupled to the winding motor - Metermasehine 322 is fed. Instead of the counterforce for the movable coil, which is formed by a spring in a dynamometer, however, the deflection of a moving coil device coupled to the movable coil occurs.
The moving coil device is excited by the tachometer machine coupled to the roller motor, i.e. proportionally to the speed of the roller motor, while the two coils of the dynamometer, which move against one another, are fed on the one hand by the voltage of the tachometer machine coupled to the winding motor, on the other hand by the Hall voltage of the semiconducting plates attached to the winding motor. This device could be used to bring about a rapid regulation of the speed of the take-up motor by short-circuiting and opening a resistor in the circuit of the field winding 335 of the take-up motor.
A particularly valuable application of the torque measurement according to the invention arises on the basis of the knowledge that not only the torque of electrical machines can be measured in the manner described, but also the (output) torque of non-electrical machines and other mechanical devices of any kind .
Instead of an expensive and complicated pendulum machine, an electrodynamic generator in combination with a Hall generator can be used as a measuring sensor when measuring the torque output of prime movers and other mechanical devices of any kind. It represents the combination of an electrical machine and a Hall generator, the measuring sensor; the measuring instrument is the relevant engine or the like.
To carry out a torque measurement, the resistance body of a Hall generator is exposed to the field of an electrical generator of suitable power and, in addition, fed with a current that is proportional to the generator current or a corresponding operating variable. Attachment and arrangement of the resistor body in the machine can be done in the same way as described above. The DC machine is electrically loaded for the measurement. This can be seen in any way, for example by means of ohmic resistances or by supplying energy to a power network, and is expediently based on the size of the power to be processed.
The invention is of particular importance for test stands of power machines, in particular of combustion machines and steam turbines. The effort required for the measurement is considerably less than with the pendulum machines previously used for this purpose. Any mass-produced electrodynamic generator can be used for the purposes of the invention. The new arrangement for torque measurement is also much simpler and more elegant than all previously known methods and arrangements, since it works purely elec trically. The torque is displayed as a Hall voltage in an electrical measuring instrument.
If a writing instrument is used, the torque curve can also be determined as a function of time. The achievable accuracy is very high.
In the case of highly saturated, uncompensated machines with a strong armature backing effect, it can be seen that the Hall generator, even if it is attached in the middle of a pole piece, does not provide an exact measure of the torque, because the flow that induces the Hall generator in these cases corresponds to the real machine flow does not exactly correspond.
One could therefore think of installing the Hall generator at such a point on the pole piece that the Hall voltage really corresponds exactly to the torque. However, the location of this point depends on various factors, in particular the operating state of the machine, and can also vary depending on the type of machine used. However, when measuring the torque, a usable Hall voltage can be used as a measure of the torque by attaching the Hall generator to the armature of the machine. In the event that the armature of the machine is also the rotor, a current collector device is also provided for the electrical connections of the Hall generator.
In the case of machines with a stationary armature, in which the exciter field is rotating, however, no current collector device is required.
Two exemplary embodiments are described below, which are based on traction current machines whose armature is also the rotor.
In the first example, shown schematically in Fig. 13, a special current collector device connected to the rotor shaft W of a mechanical armature A by an elastic coupling K is used, which contains a pair of commutator collectors 403, 404 and a pair of slip rings 401, 402, of which the one pair is connected to the Hall electrodes and the other pair is connected to the current electrodes of the Hall generator 409.
It is preferred - cf. 14, which looks up and shows a slightly enlarged view of the Hall generator 409, to connect the Hall electrodes 405, 406 to the safety rings 401, 402 and the current electrodes 407, 408 to the commutator collectors 403, 404. This results in a lower susceptibility to interference and a better measurement result. The commutator collectors ensure that the Hall voltage is immediately available as DC voltage. In principle, slip rings can also be used for the current electrodes.
A special rectifier is then required to equate the Hall voltage. Brushes 410 to 413 slide on the slip rings or commutator collectors. Of these, the brushes 410, 411 are connected to a measuring device 414 and the brushes 412, 413 are connected to a current source 415 which supplies the auxiliary current required for measurement. The number of lamellas on the commutator collectors depends on the number of poles of the electrical machine in question.
In the case of the two-pole DC motor shown, the current reversing collectors 403, 404 each consist of two half-rings.
In the second exemplary embodiment, the rectifier problem is avoided from the outset. In addition, a total of only two slip rings are required to decrease the Hall voltage. This embodiment is therefore preferred. The simplification is achieved in that the current electrodes of the Hall generator are connected to two points of different potentials of an armature conductor preferably immediately adjacent to the Hall generator. As a result, with every reversal of the field direction caused by the armature rotation, the current flowing through the Hall generator is also automatically reversed.
Attaching the Hall generator in the immediate vicinity of the tapped armature conductor has the advantage that the associated magnetic flux is also detected for the respective armature current.
This enables a particularly precise detection of the air gap induction and thus an exact torque measurement.
In the case of machines whose armature is stationary, but in which the excitation field is rotating, a direct connection of the current electrodes of the Hall generator to an armature conductor, in particular an armature conductor that is immediately close by, is also advantageous for the reasons mentioned above. Neither a current collector device nor a rectifier arrangement is required here.
The power collection device to be used if necessary is expediently combined with its individual parts to form a unitary component. It can be designed in such a way that its stationary part, i.e. the brushes, housing, connection terminals, etc., can be fastened to the stator of the machine, for example flanged. However, the fixed part can also be attached outside of the actual machine. In both cases, the electrical connections of the Hall generator can be brought out through a bore in the rotor shaft for connection to the rotating parts of the current collector device.
It is advantageous to provide an elastic coupling for the mechanical connection of the circumferential part of the current collector device to the machine, in particular with a hollow shaft in the interior of which the electrical connecting lines are accommodated. There is also the possibility of mounting the current collector between a bearing of the rotor shaft and the rotor body, that is, within the machine housing. In this case, subsequent drilling of the rotor shaft or a similar measure for laying the electrical connections between the Hall generator and the rotating parts of the current collector device is not necessary.
In order to always achieve a usable Hall voltage as a measure of the torque when measuring the torque, several Hall generators can also be arranged under a pole shoe, especially in the armature circumferential direction of the machine, in order to achieve an average measured value proportional to the actual machine flow Torque.
The number of Hall generators can be different and depends on the required measurement accuracy. With three halogen generators, useful measurement results can already be achieved in many cases, especially if the distribution takes place along the armature circumference according to the expected distortions of the flow course. It can also be advantageous to attach the Hall generators in the axial direction, for example in the case of an uneven air gap.
For example, it is possible to operate the Hall generators independently of one another, to connect them to different measuring devices and to produce an average value from the measured values determined.
However, it is much more favorable to feed the current electrodes of the individual Hall generators in parallel from a, preferably single, current source and to connect the Hall electrodes in series so that the first and last Hall generator are connected to the measuring instrument. So only one measuring instrument is required here. It must be taken into account that first the interconnected Hall electrodes of two neighboring Hall generators must be brought to the same potential with the aid of resistors of a certain size connected to the power supply lines.
Such a circuit arrangement not only gives a measured value. lten, which corresponds to the mean value of the magnetic flux and which is proportional to the actual torque of the machine even in the case of strong armature backlash, but also a significantly higher Hall voltage due to the addition of the individual Hall voltages.
A direct torque measurement on electrical machines, especially on C lead machines, with the help of the Hall generators described, which are attached under the main poles in the air gap and whose control current is the armature current of the DC machine, has now proven itself in practical measurements (e.g. on large rolling motors) as imprecise. On the one hand, the Hall voltages are influenced by the different speeds of the Gleiehstromasehine. However, it is particularly difficult to find a place when installing the semiconducting plates where the measured Hall voltage is actually directly proportional to the total flux.
Field distortions occur under the influence of the anchor reaction of the machine, which prevent a constant proportionality between the measured Hall voltage and the flow of the machine.
It should also be noted that the semiconductors mentioned still have a temperature dependency with regard to the Hall voltage, so that the heating state of the electrical machine would then also have an influence on the measurement of the torque.
The described difficulties of measuring the torque of electrical machines by means of semiconducting plates of the type described can be eliminated or substantially reduced if the connection between flux and excitation in the electrical machine is established on a stationary magnet iron and the semiconductor is in the Field of this magnetic iron is located. This initially eliminates the influence of the machine speed as shown.
In addition, the influence of the anchor force is also not present on the stationary magnet iron. Finally, the temperature of this model iron can be kept constant.
The drawing illustrates in FIG. 15 the new arrangement using an example.
501 is a DC motor with its excitation winding 502, which is fed by the voltage u. 503 is now a separate magnet iron, the excitation of which is proportional to the excitation of the DC motor. In the air gap 504 of this magnetic iron is the semiconducting plate 505, which is fed with a current that is derived from a resistor 506 in the shunt through which the load current of the direct current motor flows. 507 are the leads on the semiconducting plates 505, at which the Hall voltage occurs for measurement or control purposes. In order to create a flux in the air gap of the magnetic iron.
To achieve an induction that is proportional to the entire field of the electric motor 501, the excitation winding 508 of the magnet iron is first connected in series with the excitation winding 502 of the DC motor, so that the excitation ampere-turns are proportional to one another If the saturation increases in the DC motor with stronger excitation, the magnet iron 503 must also have a similar curve of its saturation of the magnetic field. For this purpose, the magnet iron has a saturation tube 509. A removable yoke 510 is also provided.
A non-magnetic material 511 is located between this yoke 510 and the remaining part of the magnetic iron; for example, repelit split layers are inserted. By adapting the strength of these two positions and under the influence of the saturation angle 509, the magnetic characteristics of the magnetic iron can be adapted to the magnetic characteristics of the direct current motor with practically sufficient accuracy.
The magnetic iron for simulating the machine field will be built from individual sheets of metal. However, since the DC motor is made of solid iron (cast steel), especially on its yoke, rapid changes in the excitation field of the DC motor, as occur when controlling the motor, would result in different temporal changes in the magnetic field on the motor and on the field model. In order to adapt the machine and the model to one another in this respect as well, there is an auxiliary winding 512 on the magnet iron, which is short-circuited via a controllable resistor 513.
If this resistance is set appropriately, the eddy current damping of the field, as can occur in the yoke of DC machines with rapid field changes, can also be simulated on the model.
Model windings could also be provided on the magnet iron for any auxiliary or counter-series windings that are excited in a current-dependent manner. The effect of the brush short-circuit currents could also be imitated with a model winding.