DE1065633B

DE1065633B - Verfahren und Anordnung zur Drehmomentmessung von Dreh- und Wcchselfeldmaschinen

Info

Publication number: DE1065633B
Application number: DENDAT1065633D
Authority: DE
Inventors: Braunschweig Dr.-Ing. Erwin Kubier und Dipl.-Ing. Arthur Diederichs
Original assignee: Dr.-Ing. Erwin Kubier, Braunschweig
Publication date: 1959-09-17

Description

DEUTSCHES

kl. 4"

INTERNAT. KL. GOIl

PATENTAMT

SlOOC

K 35684 IX/42 k

ANMELDETAG:

5. SEPTEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. SEPTEMBER 1959

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur unmittelbaren elektrischen Messung des Drehmomentes von Dreh- und Wechselfeldmaschinen einschließlich Wechselstromkommutatormaschinen u. dgl. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß das auf den Ständer wirksame Drehmoment betragsmäßig das gleiche wie das auf den Läufer wirkende ist, so daß man damit bei einer elektrischen Messung des Drehmomentes des Ständers zugleich auch dasjenige des Läufers und damit das der Maschine erfaßt.

Das Drehmoment des Ständers aus Ständerdurchflutung und Luftspaltfluß ist durch das äußere Produkt gegeben, in gleicher Weise wie das Läuferdrehmoment durch Lauferdurchflutung und Luftspaltfluß. *5 Da der Ständerstreufluß im Zusammenwirken mit der Ständerdurchflutung keinen Drehmomentbeitrag liefert, weil beide räumlich gleichgerichtet liegen, so folgt daraus, daß es gleichgültig ist, ob und welcher Anteil des Ständerstreuflusses bei der Flußmessung für das Drehmoment einbegriffen wird. Man ist also in der Messung des Ständerflusses freizügig.

Aus diesen Überlegungen heraus besteht die Erfindung darin, daß in die Maschine ein oder mehrere Leiter, insbesondere eine oder mehrere Spulen, in der Weise eingebracht werden, daß mit diesen und mit Hilfe einer Tntegratordrossel od. dgl. außerhalb der Maschine der Verlauf des Ständerflusses erfaßbar ist. Die Erfindung sieht weiterhin vor, außerhalb der Maschine eine Multiplikation der auf diese Weise gebildeten magnetischen Größe mit einer dem Strangstrom entsprechenden, insbesondere ihm proportionalen Größe vorzunehmen.

Als Multiplikationseinrichtung kann eine Anordnung nach Art eines Drehspulmeßwerkes oder eines ähnlichen Meßgerätes mit bewegten Teilen verwendet werden. Es ist aber auch möglich, ruhende Anordnungen zu verwenden und die Multiplikationseinrichtung beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer Hallspannungserzeuger aufzubauen.

Es ist bereits eine Anordnung zur Herstellung einer dem Drehmoment an elektrischen Maschinen proportionalen Spannung bekanntgeworden, die zur Messung des Drehmomentes der Maschine geeignet ist. Bei dieser Anordnung, die sich aber auf Gleichstrommaschinen beschränkt, wird ein Halbleitcrplättchen verwendet, welches als Hallspannungserzeuger dient und in das Tnnerc der Maschine eingebracht wird. Eine solche Anordnung ist zur Messung des Drehmomentes von Gleichstrommotoren besonders geeignet. da hier die eine der beiden Steuergrößen, nämlich das Magnetfeld, unmittelbar zur Verfügung stellt. Der Hallgenerator, der sich im Luftspalt zwischen Polschuh und Anker befindet, wird durch einen dem Verfahren und Anordnung

zur Drehmomentmessung

von Dreh- und Wechselfeldmaschinen

Anmelder:

Dr.-Ing. Erwin Kubier,
Braunschweig, Harzburger Str. 12

Dr.-Ing. Erwin Kubier und Dipl.-Ing. Arthur Diederichs,

Braunschweig,
sind als Erfinder genannt worden

Ankerstrom proportionalen Steuerstrom beaufschlagt, so daß die von dem Hallgenerator abgegebene Spannung dem Produkt aus Ankerstrom und der an der Stelle des Hallgenerators herrschenden Luftspaltinduktion proportional ist. Für den Fall konstanter Induktion unter dem Polschuh längs des Ankerumfanges ist die Hallspannung dem Produkt aus Ankerstrom und Luftspaltfluß und somit dem inneren Drehmoment des Motors proportional.

Bei einer anderen bekannten Anordnung werden die bei der geschilderten Meßeinrichtung auftretenden Schwierigkeiten umgangen, die darin bestehen, daß vielfach der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer das Einbringen eines — wenn auch dünnen — HaIN plättchens nicht zuläßt. Dementsprechend wird die Magnetisierungskennlinie der elektrischen Maschine an einem ruhenden Magneteisenkreis nachgebildet, wobei sich der Halbleiter in dem Feld dieses Magneteisenkerns befindet. Auch diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, nur für Gleichstrommaschinen verwendbar zu sein, wol>ei ül>erdies noch der zur Nachbildung der Magnetisierungskennlinie dienende magnetische Kreis ganz bestimmte Eigenschaften haben muß, die bei Untersuchungen an verschiedenen Maschinen eine von Fall zu Fall andere Bemessung erforderlich machen.

DemgegenülKT erlaubt die Erfindung die Ausführung von Drelimonientmessungen an Wechselstromniaschinen. Weiterhin wird durch Einbringen einer besonderen Meßspule in die Maschine zur Erfassung des Vorlaufes des Ständerflusses eine Größe herge-

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leitet, die unmittelbar der Multiplikationseinrichtung zugeleitet werden kann, ohne daß dabei noch Maßnahmen getroffen werden müßten, um irgendwelche Magnetisierungseigenschaften nachzubilden.

Der zeitliche Verlauf des Ständerflusses eines Stranges, der mit Hilfe einer Meßspule im Ständer erfaßt wird, kann auf eine Drosselspule mit Eisenkern außerhalb der Maschine übertragen werden. In ,einem Luftspalt des Eisenkerns kann ein llallspannungserzeuger angeordnet sein. Zur Bildung eines solchen Hallspannungserzeugers kann ein Plattchen aus einer halbleitenden Verbindung nach Art einer sogenannten A₁₁₁Bv-Verbindung dienen, d. h. einer Verbindung eines Stoffes der dritten mit einem Stoff der fünften Gruppe des Periodischen Systems. Solche Hallplättchen bestehen beispielsweise aus Indiumantimonid, Indiumarsenid od. dgl.

Der Verlauf des Flusses wird in dem Hallspannungserzeuger mit einem Steuerstrom multipliziert, der dem Strom dieses Stranges entspricht, insbesondere ihm proportional ist. Der lineare Mittelwert der so gebildeten Hallspannung ist dann ein Maß für das Drehmoment. An Stelle eines Hallspannungserzeugers kann auch, wie oben erwähnt, ein Drehspulmeßwerk oder ein ähnliches Meßgerät verwendet werden, das von einem dem Strangstrom entsprechenden, insbesondere ihm proportionalen Strom durchflossen ist. Der Luftspalt der Drossel kann dabei zweckmäßig nach Art der üblichen Drehspulmeßwerke ringförmig ausgebildet sein. Der Zeigerausschlag gegen eine winkelproportionale Richtkraft ist dann dem Drehmoment der Maschine proportional.

Zur Messung an Mehrphasenmaschinen können zwei oder mehr Anordnungen zur Multiplikation vorgesehen sein, wobei die in Reihe geschalteten Hallspannungen ein Maß für das über der Zeit gleichförmige Drehmoment der Maschine sind. Der lineare Mittelwert der in Reihe geschalteten Hallspannungen kann als Maß für das resultierende Drehmoment einer unsymmetrisch belasteten Mehrphasenmaschine dienen.

Die Hallspannungen können zum Zwecke der Kenntlichmachung und Aufzeichnung des dynamischen Verlaufes von Drehmomenten einem Kathodenstrahl- oder Schleifenoszillographen zugeleitet werden.

Mit Hilfe von Oszillographen kann man auch Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien beim Hochlaufen aufnehmen, indem man die Spannung dem Y-Plattenpaar eines Oszillographen, insbesondere Kathodenstrahloszillographen zuführt, während am X-Plattenpaar eine drehzahlproportionale Spannung liegt. Zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufes des an der Drehmomentbildung beteiligten Flusses können Mittel vorgesehen sein, um den Steuerstrom des Hallspannungserzeugers konstant zu halten, während die Hallspannung einem Kathodenstrahloszillographen oder dem Schleifenschwinger eines Schleifenoszillographen zugeführt wird. Zur Aufzeichnung von Drehmomenten über die Zeit kann das Meßsystem in ein schreibendes Gerät eingebaut werden.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen Diagramme, an Hand derer die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert werden soll, und Ausführungsbeispiele in ihren für die Erfindung wesentlichen Teilen in stark vereinfachter schematischer Darstellung.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen ein Raumzeigerdiagramm und ein Zeitzeigerdiagramm, wobei es sich um die Messung des Drehmomentes von Drehfeldniaschinen handelt, die am Beispiel einer Asynchronmaschine erläutert ist.

Das Drehmoment M der Asynchronmaschine ist:
M = k ■ Φ, ■ O₂ ■ sini/v (1)

Hierbei bedeutet k eine Konstante, Φ, den Luftspaltfluß, Q₀ die Läuferdurchllutung und y>₂ den Winkel zwischen Φ, und (9₂.

Das Drehmoment M wird im Raumzeigerdiagramm (Fig. 1) durch den Flächeninhalt des von Φ, und Q₉ gebildeten Parallelogramms dargestellt:

M = k ■ F,,_arull. = k-l- h. (2)

Die Basis / entspricht dem Luftspaltfluß Φ;, die Höhe h läßt sich sowohl durch Q₀ als auch durch Q_x ausdrücken:

h = Q₂ ■ SiHy₂ = Q₁ ■ sin ψ_χ. (3)

Hierbei bedeutet Q₁ die Ständerdurchflutung und ψ_χ den Winkel zwischen Φ, und O₁.
Somit ist auch das Drehmoment

M = k- Φι- Q₁-SUIyJ₁. (4)

Mit I_x -~ Q₁ läßt sich ein Zeitzeigerdiagramm (Fig. 2) entwickeln, in dem die Winkel zwischen I_x und den Flüssen mit denen aus dem Raumzeigerdiagramm übereinstimmen.

Damit gilt für das Drehmoment

M = k_x ■ I_x ■ Φ, ■ sin ι/γ (5)

und es ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ebenfalls

oder

= Ii₁

M = k_x-1₁- Θ_χ* -sin ψ/,

da der Ständerstreufluß in Richtung von Z₁ liegt.

Mit Hilfe einer Meßspule 1 und einer Integratordrossel 2 und 3 (Fig. 3) ist ein Wechselfluß beliebiger Kurvenform meßbar, der dem Fluß proportional ist und mit ihm in Phase Hegt.

Eine in den Nuten des Ständers einer Asynchronmaschine symmetrisch, oder gegebenenfalls auch l>eliebig, wenn nicht gerade senkrecht zur Wicklungsachse eines Stranges angeordnete Meßspule, die im allgemeinen nur aus einer einzigen oder wenigen Windungen zu bestehen braucht, erzeugt somit in der Integratordrossel einen Fluß Φβ_Γ(/), der proportional und in Phase mit dem von den Windungen umschlossenen Fluß ΦMi₁) ist. Dieser Fluß ist die geometrische Summe — oder ist proportional der geometrischen Summe — aus dem Luftspaltfluß Φ₁ und irgendeinem Anteil des Ständerstreuflusses Φι,,, also z. B. dem Fluß Φ_χ\

Eine Produktbildung der Flußgröße Φμ(π mit einer dem Strangstrom entsprechenden, insbesondere ihm proportionalen Größe liefert das Drehmoment der Maschine nach Gleichung (7).

Die einzige Vernachlässigung in diesem Meßverfahren ist die des sogenannten »Eisenverluststromes«. Dieser ist aber sehr klein im Verhältnis

zum Primärstrom und kann leicht kompensiert werden. Das Verfahren dürfte demnach eine genaue Messung gewährleisten.

Es besteht überdies die Möglichkeit, den über die Meßspule zu messenden Fluß in der Maschine in eine andere elektrische Größe, nämlich in einen diesem Fluß entsprechenden, insbesondere proportionalen Strom umzuwandeln. Es ist nämlich der in dem Meßkreis nach Fig. 3 fließende Strom i dann dem zu messenden Fluß in der Maschine Φ\ί(ΐ) nach Größe und Richtung entsprechend, insbesondere proportional,

wenn die Induktivität der Integratordrossel unabhängig von der Feldstärke in ihrem Eisenkern konstant ist. Eine Produktbildung dieser Meßgröße i mit einem dem Strangstrom entsprechenden, insbesondere proportionalen Strom liefert nach der Gleichung

M = k_s

(8)

das Drehmoment der Maschine.

Alle vorbeschriebenen Verfahren stellen an den Meßkreis nach Fig. 3 die Forderung, daß der ohmsche Widerstand der beteiligten Spulen klein ist gegenüber deren induktivem Widerstand.

Die Erfindung ermöglicht nicht nur die Herstellung von Schleifenoszillogrammen der pulsierenden Leistung eines Stranges mit der Leistungsschleife oder von Schleifenoszillogrammen über Hallmultiplikatoren, sondern auch eine weitere Anzahl von Messungen. Darüber hinaus hat die Erfindung auch für Steuerungs- und Regelungsaufgaben Bedeutung. Das Meßverfahren ist neben der Asynchronmaschine auch auf Synchronmaschinen, Ein- und Mehrphasenkommutatormaschinen und — gegebenenfalls in abgewandelter Form — auch auf Einphasen-Asynchronmaschinen in gleicher Weise anwendbar.

Wenn man beispielsweise mit Hilfe eines Hallmultiplikators ein Schleifenoszillogramm zur Aufzeichnung eines dynamischen Momentenverlaufes herstellen will oder eine andere der oben beschriebenen Messungen vorzunehmen beabsichtigt, so kann man an Stelle von nur einer einzigen Meßspule im Ständer der Drehfeldmaschine auch deren drei anbringen, die gegeneinander um einen elektrischen Winkel von 120° phasenverschoben sind. An diese drei Meßspulen können drei Meßdrosseln angeschlossen werden, die so gestaltet sind, daß in den Eisenkernen sich je ein Luftspalt befindet, der zur Aufnahme des Hallplättchens dient.

Nimmt man als Steuerstrom für drei Hallspannungserzeuger den jeweils zugehörigen Primärstrom der Maschine oder einen proportionalen und phasenrichtigen Anteil davon, und schaltet man die Hallstromkreise aller drei Hallgeneratoren hintereinander, so ist die entstehende Hallspannung unmittelbar ein Maß für das Drehmoment der Maschine. Man kann nun diese Hallspannung an eine Oszillographenschleife anschließen und ist so in der Lage, das dynamische Verhalten des elektrischen Drehmomentes der Drehfeldmaschine zu oszillographieren.

Legt man in einem anderen Fall den Hallspannungskreis an ein Drehspulmeßwerk. so ist der Zeigerausschlag proportional dem Drehmoment der Maschine. Auf diese Weise kann man auch dann das Drehmoment richtig angeben, wenn die Drehfeldmaschine an ein unsymmetrisches Spannungsnetz angeschlossen ist.

Im übrigen lassen sich für die soeben beschriebenen Meßverfahren Anordnungen nach Art der Aronschaltung leicht anwenden.

In Fig. 3 ist der Aufbau einer Meßanordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Mit 1 ist hierbei die Meßspule bezeichnet, die aus wenigen Windungen, gegebenenfalls sogar einer einzigen Windung oder einem Teil dersell>en bestehen kann. Entsprechend der in dieser Spule induzierten Spannung wird ein Strom i durch die auf dem Drosselkern 2 befindliche Wicklung 3 geschickt.

Der Drosselkern 2 kann in der Weise ausgebildet sein, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Hier handelt es sich um eine Multiplikationseinrichtung, die nach Art eines Drehspulmeßwerkes ausgebildet ist.

Die auf dem Drosselkern 2 befindliche Wicklung 3 ist an die Leitungen 4 und 5 angeschlossen, die zur Meßspule 1 in der Maschine führen. Die Drehspule 6 wird von einem Strom Z₁ durchflossen, welcher dem Strangstrom proportional ist. Die Auslenkung des Zeigers 8 im Sinne der Pfeilrichtung 7 gegen eine winkelproportionale Richtkraft zeigt dann unmittelbar den Wert des Drehmomentes an.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist der

ίο Drosselkern 2 mit einem in Wirklichkeit sehr engen Luftspalt 9 versehen, in welchem sich das Hallplättchen 10 befindet. In Übereinstimmung mit den Fig. 3 und 4 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen gesetzt. Zweckmäßig wird ein derart dünnes HaIlplättchen verwendet, daß der wirksame Luftspalt weniger als 0,3 mm beträgt, gegebenenfalls aber noch mindestens eine Größenordnung kleiner ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur unmittelbaren elektrischen Messung des Drehmomentes von Dreh- und Wcchselfeldmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß in die Maschine ein oder mehrere Leiter, insbesondere eine oder mehrere Spulen, in der Weise eingebracht werden, daß mit diesen der Verlauf des Ständerflusses erfaßbar ist, und daß außerhalb der Maschine eine Multiplikation der auf diese Weise gebildeten elektrischen Größe mit einer dem Strangstrom entsprechenden, insbesondere ihm proportionalen Größe erfolgt.

2. Anordnung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Multiplikationseinrichtung nach Art eines Drehspulmeßwerkes oder ähnlichen Meßgerätes mit bewegten Teilen.

3. Anordnung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplikationseinrichtung einen oder mehrere Hallspannungserzeuger enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Messungen an Mehrphasenmaschinen zwei oder mehr Multiplikationseinrichtungen vorgesehen sind, deren in Reihe geschaltete Hallspannungen ein Maß für das über der Zeit gleichförmige Drehmoment der Maschine bilden.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Mittelwert der in Reihe geschalteten Hallspannungen als Maß für das resultierende Drehmoment einer unsymmetrisch belasteten Mehrphasenmaschine dient.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenstrahl- oder Schleifenoszillographen zur Aufzeichnung des dynamischen Verlaufes von Drehmomenten vorgesehen sind.

denen die Hallspannungen zugeführt werden.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Drehmoment-Drehzahlkennlinie beim Hochlaufen die HaIlspanming dem F-Plattenpaar eines Kathoden-Strahloszillographen od. dgl. zugeführt ist, während am .Y-Plattcnpaar eine drehzahlproportionale Spannung liegt.

8. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung des zeitliehen Verlaufes des an der Drehmomentbildung beteiligten Flusses der Steuerstrom des Hallgenerators konstant gehalten wird, während die Hallspannung einem Oszillographen zugeführt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7. dadurch 7" gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel

durch deren räumliche Bemessung und durch Wahl einer entsprechenden Eisensorte unabhängig von der Feldstärke im Eisen der Drossel konstant gehalten wird.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung von

Drehmomenten ül>er der Zeit das Meßsystem in ein schreibendes Gerät eingebaut ist.

11. Anordnung nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Multiplikationseinrichtung gebildete Größe Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtungen zugeführt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen