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Einrichtung zum Messen des Sättigungszustandes eines Pols einer elektrischen
Maschine bei Gleichstrom Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung /um Messen
des Sättigungszustandes eines von mindestens einer gleichstromdurchflossenen Erregerwicklung
erregten Pols einer elektrischen Maschine.
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Für die charakteristischen Eigenschaften, wie z. B. die Leistungsfähigkeit,
elektrischer Maschinen sind die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Werk
stoffes von entscheidender Bedeutung. Eine Kenntnis dieser Eigenschaften erhält
man, indem man den Werkstoff magnetisiert und dabei die Induktion als Funktion der
magnetischen Feldstärke bzw., da es nur auf Relativwerte ankommt, Größen, die ihnen
proportional sind, messend verfolgt. Der Einfluß der Sättigung zeigt sich in dieser
Kurve dadurch, daß von einer bestimmten, für den Werkstoff und den Bearbeitungszustand
charakteristischen Feldstärke an die lineare Beziehung zwischen Induktion und magenetischer
Feldstärke aufgehoben wird.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß während der Fertigung von elektrischen
Maschinen durch die Bearbeitung der Bleche Anderungen der magnetischen Eigenschaften.
die sich im allgemeinen in den Sättigungseigenschaften zeigen, auftreten können.
Es ist deshalb insbesondere für die Fertigungskontrolle von besonderer Bedeutung,
diese änderungen in einem möglichst frühen Bearbeitungszustand sowie während der
cinzelnen Arbeitsgänge meßtechnisch zu erfassen.
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So sind Anordnungen bekannt, die die Sättigungskurve durch Prüffeldmessung
der EMK in Abhängigkeit vom Erregerstrom der Feldwicklung aufnehmen und aus der
grafischen Darstellung dieser Kurve eine quantitative Aussage über den Einfluß der
Sättigung zulassen.
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Diese Anordnungen besitzen den Nachteil, daß sie nicht nur einen
fertigen Zusammenbau des Prüflings, sondern auch eine Prüffeldeinrichtung mit Antriebsmotor
und entsprechend geschultem Bedienungspersonal notwendig machen. Außerdem ist die
Ermittlung des Einflusses der Sättigung aus der Sättigungskurve recht mühselig und
zeitraubend.
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Diese Nachteile treten bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung
nicht auf. Die Erfindung besteht darin, daß der Quotient aus Induktion im Luftspalt
und Durchflutung gebildet wird, indem eine von der Induktion im Luftspalt abgeleitete
Meßspannung sowie eine von der Durchflutung abgeleitete, die Größe des Erregerstromes
und die Windungszahl der Erregerwicklung berücksichtigende Spannung auf die Spulen
eines Quotientenmeßgerätes geschaltet werden.
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Bei einer derartig ausgebildeten Einrichtung hat man den Vorteil,
daß für eine vorgegebene Durch-
flutung des Pols bei entsprechend geeichter Skala
des Quotientenmessers direkt der Einfluß der Sättigung in Prozentabweichung der
Induktion von der Proportionalen (Anfangstangente) abgelesen werden kann, was eine
wesentliche Vereinfachung gegenüber den bisher bekannten Verfahren darstellt. Die
Einrichtung nach der Erfindung besitzt außerdem den Vorteil, daß diese Messungen
in jedem beliebigen Fertigungszustand eines Pols durchgeführt werden können, sofern
die Erregerwicklung aufgebracht ist und der Anker eisenfertig ins Gehäuse eingesetzt
werden kann. Auch ist die Einrichtung nach der Erfindung insofern vorteilhaft, als
sie die Erfassung der magnetischen Verhältnisse an fertig aufgebauten elektrischen
Maschinen in einfacher Weise zu erfassen ermöglicht. Dies ist von besonderer Bedeutung
für die schnelle und zuverlässige Durchführung von Endkontrollen.
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Ein weiterer Vorteil obengenannter Meßeinrichtung besteht darin,
daß man die Messung auch bei nicht laufenden Maschinen durchführen kann und sie
deshalb auch zur Beurteilung der tatsächlich wirksamen Ankerrückwirkung verwendbar
ist, da man durch Messung mit rotierender Maschine und entsprechender Belastung
die dann festgestellten Amperewindungen mit den vorher im Stillstand ermittelten
vergleichen kann.
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Die Meßmethode kann auch angewendet werden für elektrische Maschinen,
deren Magnetpole mehrere Erregerwicklungen unterschiedlicher Kenndaten besitzen.
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Zum Ableiten einer der Induktion im Luftspalt proportionalen Meßspannung
wird vorzugsweise ein
Hall-Generator vorgesehen. Auch ist es möglich,
jedes Bauelement, das eine Abbildung der Induktion in einer elektrischen Stellgröße
bewirkt, beispielsweise eine Wismutspirale, in einer abgeglichenen Brückenschaltung
zu verwenden.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 die Meßeinrichtung, wenn nur eine Erregerwicklung aufgebracht ist, Fig. 2
ein Schaltungsbeispiel für Maschinen, auf deren magnetischen Polen mehrere Erregerwicklungen
aufgebracht sind, Fig. 3 eine mit Einrichtungen nach den Fig. 1 und 2 gewonnene
Meßkurve.
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In Fig. 1 ist 1 ein Hall-Generator, der in den Luftspalt zwischen
einem nicht dargestellten Anker und einer Erregerwicklung 8 eingeführt wird. Er
wird durch eine Batterie 2 mit der vorgeschriebenen Stromstärke erregt. Die durch
die Induktion im Luftspalt erzeugte und ihre proportionale Hall-Spannung wird durch
einen Meßverstärker3 verstärkt und auf den Strompfad 5 eines Quotientenmeßwerkes
6 geführt.
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Der Spannungspfad 7 des Meßwerkes erhält eine Spannung 11, die proportional
den Amperewindungen der Erregerwicklung 8 ist. Der Erregerstrom erzeugt zunächst
an einem Meßpotentiometer 9 einen Spannungsabfall, der proportional diesem Erregerstrom
ist.
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Um den Einfluß der Windungszahl des Steuerfeldes zu erfassen, ist
noch ein zweites Potentiometer 10 vorgesehen. Die Einstellglieder der beiden Potentiometer
sind nach außen geführt und mit entsprechenden Markierungen versehen. Durch die
als Multiplikationsschaltungen wirkenden Potentiometer 9, 10 wird erreicht, daß
die Spannung 11 am Ausgang von 10 durch geeignete Verdrehung der Potentiometer erhöhbar
ist, was einer Vergrößerung der Windungszahl der Erregerwicklung bei vorgegebenem
Erregerstrom entspricht. Dabei ist zu der Dimensionierung der Einstellglieder 9,
10 sowie des Meßverstärkers 3 zu sagen, daß sie neben ihren oben beschriebenen Funktionen
auch die Aufgabe haben, die Größe der ihnen zugehörigen Spannung 4 und 11 in bezug
auf das Quotientenmeßwerk so aufeinander abzustimmen, daß das Quotientenmeßwerk,
wenn die Messung auch noch bei sehr kleinen Amperewindungen erfolgt, Vollausschlag
zeigt. Diesem Zustand wird der Wert 1000/o B auf der Skala des Quotientenmeßwerkes
zugeordnet. Die Spannung 11 wird nochmals von einem Voltmeter 12 angezeigt, das
in Prozent Amperewindungen der Erregerwicklung geeicht ist. Der maximale Ausschlag
dieses Instrumentes entspricht 1000/oAW, d. h. dem Betriebszustand der elektrischen
Maschine, wenn das Steuerfeld mit dem Nennstrom erregt wird und die berechnete Windungszahl
auf dem Magnetpol aufgebracht ist.
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In Fig. 3 ist eine Sättigungskurve dargestellt, wie sie mit der erfindungsgemäß
ausgebildeten Einrichtung gewonnen wird. Auf der Abszisse ist die Größe der Durchflutung
A W im magnetischen Kreis in Prozenten, auf der Ordinate die Induktion A WL im Luftspalt
in Prozenten aufgetragen. Bei kleinen Feldstärken ist die Induktion der Feldstärke
proportional (Eichung). Bei höheren Feldstärken weicht die Kurve infolge der Sättigung
des magnetischen Werk stoffes von der Geraden ab.
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Die Messung einer Sättigungskurve erfolgt in der Weise, daß man durch
die Größe der Stromstärke sowie durch die Einstellglieder 9, 10, deren Stellung
der
vorhandenen Windungszahl angepaßt ist, eine bestimmte Amperewindungszahl vorgibt,
die vom Instrument 12 angezeigt wird. Der Quotientenmesser gibt nun für diese vorgegebene
Amperewindungszahl unmittelbar das Verhältnis A WL/A W an. Vollausschlag des Meßwerkes
bedeutet, daß A WL O/o = vorgegebenem AW°/o, d. h., daß die Induktion im Luftspalt
und die Durchführung im Pol einander proportional sind, der magnetische Werkstoff
also noch keine Sättigungserscheinungen zeigt. Zeigt der Quotientenmesser bei einer
höheren Amperewindungszahl keinen Vollausschlag, beispielsweise 80e/o B, so sind
im Diagramm für A WL nur 80 O/o der vorgegebenen A W einzutragen, d. h. daß durch
den Einfluß der Sättigung der effektive Fluß im Luftspalt bereits um 200/0 kleiner
ist, als er den aufgewendeten A W entsprechend sein müßte.
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Die Einrichtung kann in einfacher Weise auch bei Maschinen, auf deren
magnetischen Polen mehrere Erregerwicklungen 8 a bis 8c (Fig. 2) unterschiedlicher
Kenndaten aufgebracht sind, verwendet werden.
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Eine solche Anordnung findet man in der Antriebs-Regelungstechnik
häufig bei Verstärkermaschinen (Amplidynen, Schnellerregermaschinen) vor. Wie Fig.
2 zeigt, kann man die gesamten A W durch Addition der Spannungsabfälle an den Nebenwiderständen
ermitteln. Hierfür muß natürlich jedem Steuerfeld eine Einstelleinrichtung 9 a bis
9 c, 10a bis 10 c zugeordnet werden.
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Man kann den Quotientenmesser auch so ausbilden, daß die Abweichung
der Sättigungskurve von der in Fig. 3 gestrichelten Anfangstangente direkt ablesbar
ist. Hierzu wird die Skala in Prozentabweichung geeicht. Der Zeiger des so ausgelegten
Gerätes steht auf Null, wenn das Verhältnis der Spannungen 4 und 11 gleich Eins
ist. Durch den Einfluß der Sättigung wird das Verhältnis der Spannungen von Eins
verschieden, der Zeiger stellt sich dann auf die Größe der Abweichung ein.