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Einrichtung zur Messung von Winkel-Beschleunigungen Einrichtungen
zur Messung von Winkel-Beschleunigungen haben Bedeutung insbesondere für motorische
Antriebe, wie z. B. Fördermaschinen, Walzwerkantriebe und ähnliche Einrichtungen,
bei denen es darauf ankommt, daß eine bestimmte Beschleunigung bzw. Verzögerung
nicht überschritten wird. Bei solchen bzw. ähnlichen Antrieben kann es auch erwünscht
sein, daß z. B. eine vorgegebene Beschleunigung von einem Antriebsmotor nachgebildet
werden soll.
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Zur Messung von Beschleunigungen ist es bereits kannt, eine einer
elektrischen Maschine ähnliche Einrichtung mit zwei ruhenden Wicklungen zu verwenden,
deren Achsen gegeneinander versetzt sind.
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Der Anker dieser Einrichtung trägt eine in sich kurzgeschlossene Wicklung
und ist mit dem Bauteil, dessen Winkel-Beschleunigung gemessen werden soll, gekuppelt.
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Diese bekannte Anordnung läßt sich auch nach Art eines fremderregten
Gleichstrommotors abwandeln.
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Zusätzlich zu den bei jedem normalen derartigen Generator vorhandenen
Wicklungen ist dann auf dem Ständer eine weitere Wicklung angebracht, deren Achse
auf der der üblichen Erregerwicklung senkrecht steht. Diese Wicklung liefert einen
der Winkel-Beschleunigung proportionalen Strom.
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Weiterhin ist eine auf Winkel-Beschleunigungen ansprechende Meß-,
Regel- oder Steuervorrichtung bekannt, bei der mit der Welle, deren Winkel-Beschleunigung
gemessen werden soll, ein permanentes oder mit konstantem Strom erregtes drehbares
Magnetfeld starr gekuppelt ist, das auf einen mit einer Wicklung versehenen, ebenfalls
drehbaren Anker einwirkt, dessen Wicklung über das Meß-, Regel- oder Steuergerät
kurzgeschlossen ist.
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Während die vorstehend genannten bekannten Einrichtungen sämtlich
mit Gleichstromerregung arbeiten, wird bei der Einrichtung gemäß der Erfindung eine
Wechselstromerregung verwendet, der zufolge die Wirkungsweise dieser Anordnung der
der bekannten Anordnungen gegenüber auf einem grundsätzlich anderen physikalischen
Prinzip beruht.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der dem Stator entsprechende Teil zwei mit ihren Wicklungsachsen um 90 räumliche
Grade gegeneinander versetzte, an Schleifringe angeschlossene Wicklungen trägt,
von denen die eine mit Wechselspannung gespeist ist und die andere die Meßspannung
liefert, während der dem Rotor entsprechende Teil eine Kurzschlußwicklung mit ausgeprägter
Wicklungsachse trägt. Der Rotor, an dessen Welle gegebenenfalls eine in vorbestimmter
Weise bemessene und eventuell in ihrem Schwungmoment einstellbare Schwungmasse angeordnet
ist, trägt eine in
sich kurzgeschlossene Wicklung. Sobald der Stator umläuft, wird
der Rotor von dem Feld mitgenommen, welches die gespeiste Wicklung erzeugt. Bei
konstanter Umlaufsgeschwindigkeit des Stators und damit der ihn antreibenden, in
ihrer Winkel-Beschleunigung zu messenden Einrichtung wird dann auch der Rotor mit
gleicher Umlaufsgeschwindigkeit in einer vorbestimmten relativen Stellung zum Stator,
praktisch der 900-Stellung seiner Wicklungsachse gegenüber der Wicklungsachse der
mit Wechselstrom gespeisten Wicklung bzw. Erregerwicklung des Stators, mitgenommen.
Wie aus der bereits geschilderten räumlichen Lage der zweiten Statorwicklung hervorgeht,
wird in dieser relativen Stellung von Stator und Rotor, welche als Nullage des Rotors
bezeichnet werden soll, in der zweiten Statorwicklung keine Spannung induziert,
da die Wicklungsachse der kurzgeschlossenen Wicklung des Rotors um 90" gegenüber
der Wicklungsachse der gespeisten Wicklung bzw.
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Erregerwicklung des Stators verlagert ist, so daß in der Kurzschlußwicklung
also auch kein Strom fließen kann, der ein Feld erzeugen könnte für die Induktion
einer Spannung in der zweiten Statorwicklung, welche die Meßspannung liefert. Sobald
aber eine Änderung der Umlaufsgeschwindigkeit der Einrichtung stattfindet, welche
den Stator der erfindungsgemäßen Winkel-Beschleunigungsmeß einrichtung antreibt,
wird der Rotor der Einrichtung zufolge seiner Trägheit aus seiner Nullage relativ
zum Stator ausgelenkt, so daß in seiner Wicklung eine Spannung entsprechend dem
Auslenkungswinkel induziert wird. Der hierdurch in der Rotorwicklung erzeugte Kurzschlußstrom
erzeugt
ein Feld, welches zur Induktion einer Spannung in der zweiten
Statorwicklung führt. Diese Spannung wächst mit zunehmender Größe des Auslenkungswinkels.
Je nach Richtung der Auslenkung mit Bezug auf die Nullage ist auch die Phase dieser
Spannung um 1800 verschieden. Die in der zweiten Statorwicklung hervorgerufene Spannung
ist also ein Maß für die Größe und Richtung der Geschwindigkeitsänderung bzw. der
Beschleunigung, welche in der Einrichtung aufgetreten ist.
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Eine in ihrem Prinzip geschilderte Einrichtung ist in schematischer
Darstellung nochmals in Fig. 1 wiedergegeben. In dieser bezeichnet 1 den Stator
und 2 den Rotor der erfindungsgemäßen motorähnlichen Einrichtung. Der Stator 1 trägt
die um 90 räumliche Grade gegeneinander versetzten Wicklung gen 3 bzw. 4. Der Rotor
2 trägt die kurzgeschlossene Wicklung 5. Wenn Stator 1 und Rotor 2 mit konstanter
Geschwindigkeit umlaufen, so behalten die Wicklungen 3 bis 5 die in der Zeichnung
dargestellte relative räumliche Lage bei unter der Annahme, daß die Reibung des
mit seiner Welle im Statorgehäuse gelagerten Rotors praktisch vernachlässigt werden
kann. In der Praxis treten jedoch kleine Reibungsmomente selbst bei sorgfältigster
Ausführung der Lagerung auf, die den Rotor um einen sehr kleinen Winkel gegenüber
dem Stator räumlich nacheilen lassen. Die in der Fig. 1 dargestellte Lage, in welcher
die Wicklungsachse der gespeisten Statorwicklung 3 um 900 versetzt ist gegenüber
der Wicklungsachse der Kurzschluß wicklung 5 des Rotors, wobei diese wiederum gleichachsig
liegt mit der Wicklungsachse der Meßwicklung 4 der Anordnung, soll in der weiteren
Beschreibung als die Nullage der Anordnung bezeichnet werden. Tritt eine Beschleunigung
des getriebenen Stators 1 ein, so wird der Rotor 2 zufolge seiner Trägheit etwas
zurückbleiben. Dieses Maß ergibt sich aus den folgenden Uberlegungen.
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Wird mit COi eine bestehende Winkelgeschwindigkeit des Stators bezeichnet,
und ändert sich diese Winkelgeschwindigkeit in der Zeit t auf die neue Geschwindigkeit
(02, SO ergibt sich daraus die Beschleunigung b nach der Beziehung (9I(°2 Die Folge
dieser Beschleunigung ist, daß der Rotor, da er infolge seiner Trägheit zunächst
seine ursprüngliche Winkelgeschwindigkeit beibehält, mit der Achse seiner Wicklung
5 eine Aus lenkung gegenüber der Wicklungsachse der Erregerwicklung 3 des Stators
um einen Winkel a erfährt. Hierdurch wird in dieser Wicklung eine Spannung induziert.
Infolge dieser in der Rotorwicklung 5 induzierten Spannung und des dadurch in dieser
Wicklung entstehenden Rotorstromes wird ein synchronisierendes Drehmoment an dem
Rotor hervorgerufen, das den Rotor wieder in die sogenannte Nullstellung zurückzudrehen
versucht. Dieses Moment kann bis zu einer bestimmten maximalen Auslenkung als etwa
proportional der Größe dieses Auslenkungswinkels angenommen werden. Es gilt also
die Beziehung M1 K wenn M1 das Drehmoment bezeichnet, k eine Konstante ist und a,
wie angegeben, der Auslenkungswinkel der Achse der Rotorwicklung 5 gegenüber der
Achse der Erregerwicki;ng 3 des Stators ist. Dieses Moment M1 wird gegen das Beschleunigungsmoment
ausgeübt, das sich aus der Beschleunigung b und der Trägheit des Rotors ergibt.
Wird daher das Träg-
heitsmoment der Rotoranordnung mit 0 bezeichnet, so gilt also
die Beziehung M2 b. 0- b . G . D2 4g = b zu 0 -, wenn G D2 das Schwungmoment der
Rotoranordnung ist, d. h. des Rotorkörpers einschließlich einer auf seiner Welle
eventuell zusätzlich angeordneten Schwungmasse. Gbezeichnet dabei in bekannter Weise
das Gewicht der gesamten Schwungmasse der Rotoranordnung, D den Trägheitsdurchmesser
der umlaufenden Anordnung und g die Erdbeschleunigung. Es stellt sich zwischen diesen
beiden Momenten, nämlich dem elektrisch entwickelten Drehmoment Mt des Rotors und
dem durch die Trägheit hervorgerufenen Moment M2 der Rotoranordnung, ein Gleichgewichtszustand
ein, so daß die Beziehung gilt ka=60.
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Daraus ergibt sich, daß in dem betrachteten Auslenkungsbereich der
Auslenkungswinkel a proportional der Beschleunigung b ist, da k und 0 als Konstante
zu betrachten sind. In dieser relativen Lage der Wicklungsachsen der Erregerwicklung
3 des Stators und der kurzgeschlossenen Wicklung 5 des Rotors wird entsprechend
dem Auslenkungswinkel a eine Spannung in der Rotorwicklung induziert, so daß in
dieser Wicklung ein entsprechender Strom fließt. Diese Wicklung erzeugt daher ein
entsprechendes Wechselfeld, durch welches in der anderen Wicklung 4 des Stators,
nämlich der Meßwicklung, eine entsprechende Spannung induziert wird, die ebenfalls
dem Auslenkungswinkel a proportional ist. Wie bereits oben angeführt, besteht diese
Proportionalität nur bis zu einem begrenzten Winkelbereich. Das soll an Hand der
Fig. 2 erläutert werden.
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In dieser sind über der relativen gegenseitigen Winkelverstellung
a von Rotor und Stator einmal die in der Meßwicklung gelieferte Spannung Ua und
andererseits das vom Rotor bei einer Auslenkung aus seiner Nullage entwickelte Moment
über einen Winkelbereich von 1800 in Form der Kurve a aufgetragen. Die Maßstäbe
der Spannung und des Drehmomentes sind derart gewählt, daß für beide Größen die
gleiche Kurve als charakteristisch angenommen werden kann. Aus der Kurvendarstellung
in Verbindung mit dem Schema nach Fig. 1 ist zu entnehmen, daß der Rotor zwei stabile
Nullagen innerhalb des Drehwinkels von 3600, nämlich bei 0° und 1800, aufweist.
Außerdem weist der Kurvenverlauf jedoch zwei labile Nulldurchgänge auf, nämlich
bei 90 und bei 2700. Daraus geht hervor, daß der erfindungsgemäße Winkel-Beschleunigungsmesser
vorzugsweise nur in einem bestimmten Meßbereich verwendet wird, wenn es auf die
Erfassung der Spannung als Maß der Beschleunigung in etwa linearer Abhängigkeit
vom Auslenkungswinkel des Rotors aus seiner relativen Nullstellung gegenüber dem
Stator ankommt. Dieser Bereich ist in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie angedeutet
entsprechend dem Winkelwert ab. Es ist ersichtlich, daß innerhalb dieses Bereiches
sowohl für das Moment des Rotors als auch für die Ausgangsspannung Ua der Statorwicklung4
praktisch eine lineare Beziehung zur relativen Auslenkung a des Rotors gegenüber
dem Stator besteht. Diese hierfür maximal zulässige Auslenkung ab wird in der praktischen
Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung vorzugsweise durch mechanische Anschläge
für den Rotor begrenzt. Diese Endlagen können gleichzeitig auch elektrisch gemeldet
werden, wofür z. B. die an der
Meldewicklung gelieferte Spannung
oder Schalter in den Endstellungen des auszunutzenden Auslenkungsbereiches des Rotors
benutzt werden können. Durch diese Endlagen wird auch erreicht, daß der Rotor 2
an der erfindungsgemäßen Winkel-Beschleunigungsmeßeinrichtung nicht ungewollt in
seine zweite stabile Nullstellung gelangen kann. Der in Fig. 2 dargestellte Kurvenverlauf
des Drehmomentes und der Spannung weist Nulldurchgänge bei 0 bzw. 360, 90, 180 und
2700 auf, stellt aber keine genaue Sinuskurve dar. Er ist gegenüber der Form einer
Sinuskurve vielmehr verzerrt, indem die Kurve nicht symmetrisch ist zu den Werten
45 bzw. 1350. Der Grad der Verzerrung ist dabei durch die prinzipielle Anordnung
der Wicklungen und deren Bemessung bestimmt.
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Die Anordnung nach Fig. 3 veranschaulicht beispielsweise einen praktischen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung. 6 bezeichnet die Welle eines Antriebes,
dessen Beschleunigung die erfindungsgemäße Einrichtung messen bzw. überwachen soll.
Zur Winkel-Beschleunigungsmeßeinrichtung gehört der lamellierte Stator-Eisenkern
1'. Dieser ist in einem Gehäuse 7 angeordnet, das rechts durch ein Lagerschild 8
abgedeckt ist. Das Gehäuse 7 trägt isoliert vier Schleifringe 9 bis 12. Über einen
Flanschteil 7a ist das Gehäuse der Beschleunigungsmeßeinrichtung mit der Welle 6
mechanisch verbunden. Für die mechanische Verbindung kann beispielsweise eine Verbindung
über Schraubenbolzen benutzt werden. Die eine Erregerwicklung des Stators wird über
die Schleifringe 12 und 11 sowie die Bürsten 13 und 14 mit Wechselspannung gespeist.
Die andere Statorwicklung, die Meßwicklung 4 nach dem Schema der Fig. 1, ist an
die Schleifringe 9 und 10 angeschlossen, von welchen über die Bürsten 15 und 16
die Meßspannung abgenommen werden kann. In dem Gehäuse, welches gebildet ist aus
den Teilen 7 und 8, ist in Kugellagern 17 und 18 mit seiner Welle der Rotor 2 gelagert.
Er trägt auf seinem freien Wellenende fliegend eine zusätzliche Schwungmasse 19.
Der Rotor besitzt einen lamellierten, mit Nuten versehenen Eisenkörper 2R. In diese
Nuten ist die Kurzschlußwicklung eingelegt. Wie aus der Darstellung der Figur entnommen
werden kann, werden die Nuten vorzugsweise so angeordnet, daß sie eine schräge Lage
gegenüber der Rotorachse haben, um auf diese Weise die Erscheinung der sogenannten
Nutenrastung zu vermeiden, damit sowohl das Drehmoment als auch die Ausgangsspannung
der Meßeinrichtung proportional dem Auslenkungswinkel sind und nicht durch die magnetischen
Wirkungen der Stator- und Rotornuten in ihrer Linearität beeinträchtigt werden.
Von den Statorwicklungen sind jeweils nur die an den Stirnseiten des Eisenkernblechpaketes
1' heraustretenden Wicklungsköpfe 20 bzw. 21 angedeutet. In gleicher Weise sind
auch von der Rotorwicklung nur die entsprechenden Wicklungsköpfe 22 angedeutet.
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Eine beispielsweise Schaltungsanordnung für die Anwendung einer erfindungsgemäß
en Winkel-B eschleunigungmeßeinrichtung veranschaulicht die Fig. 4. In dieser ist
ein Leonardantrieb dargestellt mit einem erfindungsgemäßen Winkel-Beschleunigungsmesser
zur Beschleunigungsbegrenzung des Antriebsmotors. In dieser Figur bezeichnen 23
den Steuergenerator, 24 seine Feldwicklung, 25 den von dem Steuerdynamo 23-24 gespeisten
Antriebsmotor. An dessen Welle sind eine Tachometermaschine 26 und das Gehäuse des
erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers 27 angekuppelt. Die Speisung der Feldwicklung
24 des Steuergenerators 23 erfolgt über einen Verstärker 28. Dem
Verstärker 28 wird
die Differenzspannung aus der von der Tachometermaschine 26 gelieferten Spannung
und dem von dem Potentiometer 29 abgegriffenen Gleichspannungssollwert zugeleitet.
Diese bisher beschriebene Anordnung stellt eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl
des Motors 25 dar. Tritt eine Beschleunigung des Motors 25 ein, so wird diese von
der Einrichtung 27 gemessen und ein entsprechender Meßwert über den Demodulator
30 dem Verstärker 28 zugeführt. Hierdurch wird eine Beschleunigungsbegrenzung herbeigeführt,
indem über den Verstärker 28 die Erregung des Steuergenerators durch seine Feldwicklung
24 entsprechend herabgesetzt wird, so daß die Drehzahl des Motors 25 entsprechend
abgesenkt wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung
veranschaulicht die Fig. 5.
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Mit Hilfe dieser Ausführung ist es möglich, einen Motorantrieb für
einen vorgegebenen Weg mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und einer vorgegebenen
Beschleunigung oder nur mit einer oder zwei dieser Größen zu steuern. Es handelt
sich in diesem Falle wieder um einen Leonardantrieb. Soweit bei diesem Ausführungsbeispiel
wieder die gleichen Teile vorhanden sind wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
4, sind der Einfachheit halber für diese Teile die gleichen Bezugszeichen beibehalten
worden. Der Steuergenerator 23 speist den Motor 25. Auf der Welle des Motors 25
sitzen bzw. an diese Welle angekuppelt sind in diesem Falle ein Drehmelder 31, eine
Tachometermaschine 26 und der Winkel-Beschleunigungsmesser 27. Ferner ist in der
Anordnung eine Gebereinrichtung vorhanden, die beispielsweise mittels eines Handrades
32 betätigt werden kann. Nach der schematischen Darstellung können mit Hilfe dieses
Handbetätigungsantriebes an dem Winkel-Beschleunigungsmesser 33 eine bestimmte Winkel-Beschleunigung,
an der Tachometermaschine 34 eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit und an dem Drehmeldergeber
35 ein bestimmter Weg bzw. Drehwinkel für den Antriebsmotor 25 vorgegeben werden,
An die Stelle des Handbetätigungsantriebes 32 kann auch ein anderes Antriebsorgan,
wie z. B. ein Stellmotor oder ein Getriebe, treten. Dieser Stellmotor kann z. B.
einer Fernsteuerung angehören. Nach der Darstellung sind das Winkel-Beschleunigungsmeßgerät
33, die Tachometermaschine 34 und der Drehmeldergeber 35 in einer mechanischen Reihenschaltung
angedeutet. Es ist entsprechend dem jeweiligen Bedarf auch möglich, diese Einrichtungen
von dem gemeinsamen Antrieb parallel über je ein geeignetes Getriebe, insbesondere
auch mit einer geeigneten Übersetzung anzutreiben und sie wahlweise von dem gemeinsamen
Antrieb abkuppelbar und an diesen ankuppelbar einzurichten. Die Einrichtung, wie
sie dargestellt ist, stellt eine Weg-Geschwindigkeits-Beschleunigungs-Steuerung
dar. Wird beispielsweise an dem Handrad 32 irgendeine Bewegung vorgegeben, so bildet
der Antriebsmotor 25 diese Bewegung sowohl entsprechend dem Weg, der Geschwindigkeit
und der Beschleunigung der Handradbewegung nach. Hierfür wird jeweils die vorgegebene
Beschleunigung, gemessen durch den Beschleunigungsmesser 33, verglichen mit der
Istbeschleunigung, gemessen durch den Beschleunigungsmesser 27. Die Differenz dieser
beiden Spannungen wird dem Eingang des Verstärkers 28 zugeführt. In sinngemäßer
Weise wird die vorgegebene Geschwindigkeit, gemessen durch die Tachometermaschine
34, mit der Istgeschwindigkeit, gemessen durch die Tachometermaschine 26, verglichen
und die Differenz dieser beiden Spannungen ebenfalls dem Verstärker 28 zugeführt.
Der vorgegebene Weg,
der am Drehmelder 35 eingestellt wird, wird
mit Hilfe dreier Übertragungsleitungen auf den Drehmeldeempfänger 31 gegeben. Die
Winkelabweichung zwischen dem Drehmelder 35 und dem Drehmelder 31 wird als winkelproportionale
Fehlerspannung dem Verstärker 28 zugeführt. Hierbei ist zu bemerken, daß angenommen
ist, daß alle Indikatoren 33 bis 35 bzw.
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26, 27 und 31 mit Wechselstrom arbeiten, so daß deren Ausgangsspannungen
Wechselspannungen sind. In diesem Falle wird als Verstärker 28 ein Wechselspannungsverstärker
verwendet. Im Falle eines Gleichstromverstärkers sind die genannten Differenzspannungswerte
der verschiedenen Meßgrößen über einen Demodulator dem Verstärker zuzuführen. In
sinngemäß er Weise kann diese hier geschilderte Weg-Geschwindigkeits-Beschleunigungs-Steuerung
auch zu einer Geschwindigkeits-Beschleunigungs- oder zu einer reinen Beschleunigungs-Steuerung
umgewandelt wer den, indem je nach Bedarf die Drehmelder 35, 31 bzw. diese Drehmelder
und die Tachometermaschinen 34 und 26 in Fortfall kommen oder mechanisch bzw. elektrisch
abgekuppelt werden. Je nach dem Steuerwert, der dem Verstärker 28 zugeführt wird,
erfolgt eine Beeinflussung der Feldwicklung 24 des Steuergenerators, so daß eine
entsprechende Speisung des Motors 25 stattfindet, die den dem Sollwert an der Gebereinrichtung
entsprechenden Istwert für den Antriebsmotor 25 erzeugt.
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Wenn bei der Erfindung von einer motorähnlichen Einrichtung mit Stator
und Rotor gesprochen ist, so soll dabei unter dem Stator immer derjenige Teil verstanden
werden, der von der in ihrer Winkel-Beschleunigung zu messenden Einrichtung angetrieben
wird und der für diesen Zweck, wie angegeben, die beiden um 900 mit ihren Wicklungsachsen
gegeneinander versetzten Wicklungen trägt, von denen die eine mit Wechselspannung
gespeist ist, während die andere Wicklung als die Meßwicklung dient. Es besteht
hierbei nicht die Notwendigkeit, daß der Stator der den Rotor umschließende Teil
ist, sondern es kann im Rahmen der Erfindung vielmehr auch der Rotorkörper den Stator
umschließen. Im letzteren Fall ist der Stator also unmittelbar der an derjenigen
Welle der Anordnung vorgesehene Teil, die an die Einrichtung angekuppelt ist, die
in ihrer Beschleunigung zu messen ist. Der den Stator umschließende Rotor ist dann
an dieser Welle der Winkelmeßeinrichtung seinerseits drehbar gelagert und trägt
die Kurzschlußwichlnng mit der ausgeprägten Wicklungsachse.
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PATENTANSPP.t7CHE: 1. Einrichtung zur Messung von Winkel-Beschleunigungen
mit Hilfe einer motorähnlichen Einrichtung, deren dem Stator entsprechender Teil
mit der Einrichtung mechanisch gekuppelt ist, deren Winkel-Beschleumgung gemessen
werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Stator entsprechende Teil zwei
mit ihren Wicklungsachsen um 90 räumliche Grade gegeneinander versetzte, an Schleifringe
angeschlossene Wicklungen trägt, von denen die eine mit Wechselspannung gespeist
ist und die andere die Meßspannung liefert, während der dem Rotor entsprechende
Teil eine
Kurzschluß wicklung mit ausgeprägter Wicklungsachse trägt.