DE1093893B - Kollektorloser Tachodynamo zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleichspannung - Google Patents

Description

• Kollektorloser Tachodynamo zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleichspannung In Registriereinrichtungen, regeltechnischen Anordnungen, Analogsystemen u. dgl. besteht häufig die Forderung nach einerdrehzahlproportionalenGleichspannung, derart, daß die Gleichspannung augenblicklich der Drehzahl folgt und keine schwankende Störungsspannung enthält. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die drehzahlproportionale Gleichspannung zur Bildung der ersten oder zweiten Ableitung nach der Zeit herange7ogen wird, da sich in diesem Fall Störungsspannungen stärker auf die differenzierte Größe auswirken. Die üblichen Gleichstrom-Tachodynamos mit Kollektor erfüllen diese Bedingung nur sehr ungenügend, da sie an ihrem Ausgang eine Spannung abgeben, die von der Kollektorlamellenfrequenz beeinflußt ist. Die Beseitigung dieser Kollektorlamellenfrequenz durch Glättung hat zur Folge, daß ein Nachhinken der Signal spannung eintritt. Auch bei Verwendung eines Einphasen- Wechselstrom- Tachodynamo bestehen in der Ausgangsspannung grundsätzlich Unbestimmtheftsstdlen, und zwar in den Nulldurchgängen der Sinuskurve. Diese Unbestimmtheitsstellen können mit Hilfe eines Mehrphasen-Tachodynamo beseitigt werden. Es ist bekannt, durch eine geeignete Modulationseinrichtung phasenverschobene Spannungen zu einer Gleichspannung zu summieren. Eine in der deutschen Patentschrift 1 025 504 vorgeschlagene Modulationseinrichtung dieser Art arbeitet folgendermaßen: Aus zwei phasenverschobenen Wechselspannungen wird mit Hilfe eines Hallgenerators jeweils das Produkt und durch Zusammenschaltung der Hallsonde die Summe dieser Produkte gebildet. Bei den bisher bekannten Anordnungen dieser Art bildeten der Tachodynamo und die Modulationseinrichtung zwei konstruktiv getrennte und nur elektrisch verbundene Einheiten.
• Ferner ist auch ein kollektorloser Tachodynamo mit Gleichstromausgang bekanntgeworden, bei der mehrere phasenverschobene Wellen- oder unsymmetrische Wechselspannungen, also Wechselspannungen, deren Mittelwert größer als Null ist, summiert werden und ihre Summenspannung eine konstante Gleichspannung ergibt. Derartige Tachodynamomaschinen müssen zur Erzeugung der verschiedenen Wechselspannungen mit Sonderwicklungen versehen und ihre Polform den besonderen Bedingungen angepaßt werden. Ferner wird eine besondere Erregermaschine benötigt, die entweder mit dem eigentlichen Tachodynamo zusammengebaut oder mit diesem gekuppelt ist. Derartige Tachodynamomaschinen erfordern also immer einen besonders hohen Aufwand, und es können keine Maschinen aus der Serienfertigung verwendet werden.
• Die neue Einrichtung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleichspannung ist frei von den obengenannten Nachteilen. Sie besteht nur aus einer konstruktiven Einheit. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Baugröße verringert wird.
• Der neue kollektorlose Tachodynamo enthält einen Induktor und eine mehrphasige Ankerwicklung. Die von ihr abgegebene drehzahlproportionale Gleichspannung setzt sich nach der Gleichung aus mehreren phasenverschobenen Wechselspannungen zusammen, deren Mittelwert größer als Null ist. Die Lösung besteht darin, daß die Summenglieder der Gleichung als Hallspannungen nachgebildet sind, indem in der Feldachse jeder Phasenwicklung k des Tachodynamo ein Hallgenerator angeordnet ist, der seinerseits von dem auch die zugehörige Phasenwicklung durchsetzenden sinusförmigen Permanentinduktorfluß beeinflußt und dessen Steuerstromkreis an diejenige Phasenwicklung angeschlossen ist, die gegenüber der vorgenann-3600 ten Bezugsphasenwicklung um m 360 el. verschoben ist, und daß ferner die freien Hallelektroden der Hallgeneratoren zur Bildung des Summenwertes der Gleichung summe in Reihe geschaltet sind.
• Darin bedeutet K = eine Konstante, die sich aus dem Aufbau und den geometrischen Abmessungen des Hallgenerators sowie der induzierten Wicklungen ergibt, Bo = den Maximalwert der Induktion auf der Mittelachse der Wicklungen zwischen Permanentinduktor und Wicklungsträger, a = den elektrischen Drehwinkel zwischen dem Permanentinduktor und einer Bezugsachse, n = die Zahl der Phasen eines symmetrisch ausgeführten Tachodynamo nach DIN 40110, wobei n > 3 ist, k = die Ordnungszahl der einzelnen Phasenwicklungen, m = die Differenz zwischen der Ordnungszahl einer Phasenwicklung und der Ordnungszahl einer Bezugsphasenwicklung.
• Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen; es zeigt Fig. 1 die Schaltung für ein zweipoligen Tachodynamo, Fig. 2 die Anordnung der Ständerwicklung, der Hallgeneratoren und des Permanentinduktors innerhalb des Tachodynamo.
• In Fig. 1 ist mit 1 symbolisch ein zweipoliger Tachodynamo dargestellt. Die beiden Phasenwicklungen 2 und 3 sind elektrisch um 90" gegeneinander verschoben, und das sie beeinflussende Feld des Permanentinduktors des Tachodynamo beeinflußt zugleich die im Luftspalt und in der Feldachse angeordneten Hallgeneratoren 4 und 5.
• Die Wicklung 2 bildet über den Widerstand 6 mit dem Hallgenerator 5 einen geschlossenen Stromkreis. Die Wicklung 3 bildet über den Widerstand 7 mit dem Hallgenerator 4 ebenfalls einen geschlossenen Stromkreis Die Hallsonden der Hallgeneratoren 4 und 5 sind in Reihe geschaltet, so daß an ihren freien Enden die Summe der Hallspannungen auftritt.
• In Fig. 2 ist mit 8 der Ständer des Tachodynamo bezeichnet; durch die Kreise 9 sind die Feldwicklungen angedeutet. Dabei wird jeweils die Hälfte des Ständerumfanges von einer Feldwicklung eingenommen, und zwar so, daß zwei gegenüberliegende Viertel des Ständerumfanges zu einer Wicklung gehören. Mit 10 ist ein Permanentinduktor bezeichnet. In dem Luftspalt zwischen Permanentinduktor und Ständer sind längs des Luftspaltumfanges, um 90" el. gegeneinander verschoben, die Hallgeneratoren 4 und 5 angedeutet.
• Die Wirkungsweise der neuen Anordnung ist folgende: Die Induktion in der Mittelachse der Feldwicklungen ist bei geeigneter Formgebung des Permanentinduktors proportional cos a, hierbei bedeutet a den elektrischen Drehwinkel. Die durch die Feldwicklungen hindurchtretenden Flüsse sind diesen Induktionen proportional.
• Hierdurch werden in den beiden um 90" el. verschobenen Wicklungen Spannungen induziert, die proportional dem Sinus bzw. Kosinus des Drehwinkels a sind und die in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Zeit stehen.
• Infolge dieser Spannungen fließen bei Vernachlässigung der Streuinduktivität und der Ankerrückwirkung entsprechende Steuerströme durch die Hallgeneratoren. Da die Hallgeneratoren zugleich auch durch den gleichen Fluß wie ihre zugeordneten Feldwicklungen beeinflußt werden, entstehen an den Hallsonden Hallspannungen, die der Gleichung da u,, --KB02sina dt in der einen Wicklung und in der anderen Wicklung der Gleichung R, da h2 = dt B2i81 KB02cos2a dt entsprechen. Diese Spannungen werden durch die Hintereinanderschaltung der Hallsonden summiert, wodurch an den freien Hallsonden eine Spannung liegt, die proportional dem Augenblickswert der Winkelgeschwindigkeit ist und keinerlei Welligkeit mehr enthält. Bei Verwendung eines mehr als zweiphasigen Tachodynamo gilt das Entsprechende. Es gilt demnach für die Induktion in der k-ten Phase (k = 1 ... n) und für den Steuerstrom der k-ten Phase, welche der (k - m)-ten Wicklung entnommen wird, Es bedeutet w = die Windungszahl, den Wicklungsfaktor, a = den Proportionalitätsfaktor, R = den Ohmschen Widerstand.
• Bei zyklischer Symmetrie der Spannungen und Anschlüsse erhält man die resultierende Spannung durch Aufsummieren aUer Hallspannungen, BK i = k dt s,k-m' nämlich Der erste Ausdruck in der Klammer ergibt Null, so daß man im Ergebnis erhält: K KB02n 2mn da 2 n - dt Hiernach ist m so zu wählen, daß möglichst groß wird.
• Die Anordnung basiert im wesentlichen darauf, daß die Induktion im Luftspalt in der Mittelachse der Wicklung streng sinusförmig von dem elektrischen Drehwinkel des Induktors abhängt. Dies läßt sich durch geeignete Formgebung des Induktors erreichen, vorausgesetzt, daß die Ankerrückwirkung so klein ist, daß das Feld nicht wesentlich verzerrt wird. In diesem Fall ist auch der Fluß streng sinusförmig und ebenso auch die induzierte Spannung.
• Der Aufbau und die Wirkungsweise der Hallgeneratoren können als bekannt vorausgesetzt werden; es sei z. B. verwiesen auf den Aufsatz von Fr. Kuhrt, »Eigenschaften der Hallgeneratoren«, Siemenszeitschrift, 28. Jahrgang, September 1954, S. 370 bis 376.

Claims (3)

1. PATENTANSPROCHE: 1. Kollektorloser Tachodynamo mit Induktor und mehrphasigerAnkerwicklung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleichspannung U, die nach der Gleichung ausmehrerenphasenverschobenenWechselspannungen, deren Mittelwert größer als Null ist, zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenglieder der Gleichung als Hallspannungen nachgebildet sind, indem in der Feldachse jeder Phasenwicklung k des Tachodynamo ein Hallgenerator angeordnet ist, der seinerseits von dem auch die zugehörige Phasenwicklung durchsetzenden sinusförmigen Permanentinduktorfluß beeinflußt und dessen Steuerstromkreis an diejenige Phasenwicklung angeschlossen ist, die gegenüber der vorgenannten Bezugsphasenwicklung 3600 um m 3600 el. verschoben ist, und daß ferner die freien Hallelektroden der Hallgeneratoren zur Bildung des Summenwertes der Gleichungssumme in Reihe geschaltet sind. Darin bedeutet K = eine Konstante, die sich aus dem Aufbau und den geometrischen Abmessungen des Hallgenerators sowie der induzierten Wicklungen ergibt, Bo = den Maximalwert der Induktion auf der Mittelachse der Wicklungen zwischen Permanentinduktor und Wicklungsträger, a = den elektrischen Drehwinkel zwischen dem Permanentinduktor und einer Bezugsachse, n = die Zahl der Phasen eines symmetrisch ausgeführten Tachodynamo nach DIN 40110, wobei n 2 3 ist, k = die Ordnungszahl der einzelnen Phasenwicklungen, m = die Differenz zwischen der Ordnungszahl einer Phasenwicklung und der Ordnungszahl einer Bezugsphasenwicklung.
2. 2. Tachodynamo nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tachodynamo mehrpolig ausgeführt ist und daß die Hall elektroden, an denen die drehzahlproportionalen Gleichspannungen liegen, in Reihe geschaltet sind.
3. 3. Tachodynamo nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tachodynamo mehrpolig ausgeführt ist und daß die Hallelektroden, an denen die drehzahlproportionalen Gleichspannungen liegen, parallel geschaltet sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 707 092; USA.-Patentschrift Nr. 2 512 325.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1 025 504.