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Drehzahlmeßgenerator für drehrichtungsabhängige Anzeige Moderne Drehzahlmeßgeneratoren
werden fast durchweg als Wechselspannungsgeneratoren mit permanentmagnetischem Läufer
gebaut. Sie haben gegenüber Maschinen mit umlaufender Wicklung und Gleichspannungsgeneratoren
den Vorteil, daß die Meßspannung in einer feststehenden Wicklung erzeugt wird. Schleifringe
oder Kommutatoren, die in Meßkreisen häufig Anlaß zu Störungen geben, werden also
vermieden. Die zur Anzeige verwendeten Drehspulmeßwerke werden über Halbleitergleichrichter
angeschlossen. Der Einfluß des Zuleitungswiderstandes auf die Anzeige ist besonders
klein, wenn der Generator einen eingeprägten Strom liefert. Hierzu wird die Generatorwicklung
aus Widerstandsdraht hergestellt und/oder ein konstanter Widerstand vor den Ausgang
geschaltet.
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Der abgegebene Gleichstrom fließt unabhängig von der Drehrichtung
der Maschine stets in der gleichen Richtung. Aus dem Ausschlag des Instrumentes
ist also nicht zu ersehen, in welcher Richtung der Generator umläuft. Bei verschiedenen
Anwendungszwecken ist jedoch eine drehrichtungsabhängige Anzeige erwünscht, unter
Umständen sogar erforderlich. Sie kann zwar auf einfache Weise mit Hilfe eines permanent-
oder fremderregten Gleichspannungsgenerators hervorgerufen werden.
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Diese Maschine gilt aber aus dem oben angegebenen Grund als unzuverlässig.
Es sind daher verschiedene Bauarten von Wechselspannungsgeneratoren angegeben worden,
welche die erwünschte Eigenschaft aufweisen.
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In einer bekannten, in der USA.-Patentschrift 2228 090 beschriebenen
Schaltung (Fig. 1) werden in einem Generator G zwei um 900 versetzte Spannungen
1d1, ld erzeugt, die wiederum Ströme S 2S 1' 2 hervorrufen. Angezeigt wird die geometrische
Differenz der mit Hilfe der Graetz-Brücken 1 und 2 gleichgerichteten Ströme. Die
einander entgegengesetzten Gleichspannungsausgänge der Graetz-Brücken sind über
ohmsche Widerstände 3 bis 6 miteinander verbunden. Zwischen den Brücken und dem
Generator liegt ein KondensatorC, an dem die Spannung, abfällt. Zwischen den Widerständen3,
4 und 5, 6 wird der Meßstrom, abgegriffen, der über einen Vorwiderstand 7 das Gleichstrominstrument
8 beaufschlagt. Bei Wechsel der Drehrichtung vertauschen Ui und 2 ihre Lage. Damit
wechselt auch die Richtung des angezeigten Differenzstromes. Nachteilig bei dieser
Schaltung ist die durch den Kondensator C bedingte Frequenzabhängigkeit.
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Ähnliche Wirkungen, wie an Hand von Fig. 1 beschrieben, können durch
Anwendung der fremd-
gesteuerten Gleichrichtung, durch Wicklungen mit Kurzschlußringen
oder Anwendung eines elektrodynamischen Instrumentes hervorgerufen werden.
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Sämtliche bekanntgewordenen Anordnungen weisen erhebliche Mängel
auf. Die Anzeige durch ein Dynamometer kommt wegen des hohen Preises und der Notwendigkeit,
vier Zuleitungen zu verlegen, praktisch nicht in Frage. Alle für den Anschluß von
Drehspulinstrumenten geeigneten Bauarten enthalten in ihrer Wirkung stark frequenzabhängige
Elemente, wie Kondensatoren oder Kurzschlußringe. Da es zum Wesen des Drehzahlmeßgenerators
gehört, daß die Frequenz der erzeugten Spannung über einen sehr weiten Bereich schwankt,
können sie ihre Aufgabe grundsätzlich nur in einem Teil des Meßbereiches zufriedenstellend
erfüllen. Diese Tatsache äußert sich im allgemeinen in einer nichtlinearen Skala.
Weitere Nachteile der Anordnungen sind schlechter Wirkungsgrad infolge von Parallelschaltungen
zum Ausgang, die Unmöglichkeit, einen eingeprägten Strom zu erzeugen, oder die Notwendigkeit,
ein Doppelmeßwerk anzuwenden.
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Die Erfindung betrifft einen Drehzahlmeßgenerator für drehrichtungsabhängige
Anzeige mit einem n-poligen mit permanentmagnetischem Rotor ausgerüsteten Meßgenerator.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß außerdem ein synchron
umlaufender und ebenfalls n Ständerpole aufweisender Steuergenerator vorgesehen
ist, dessen permanentmagnetischer Rotor bei gleicher Drehzahl n/2Pole von solcher
Form hat, daß sich die peripheren Polflächen jeweils über zwei Ständerpole erstrecken,
so daß im Steuergenerator eine bei Drehrichtungsumkehr um 1800 verschobene Wechselspannung
entsteht, die periodisch aus einer positiven ersten Halbwelle, einer fehlenden zweiten
Halbwelle,
einer negativen dritten Halbwelle und einer fehlenden vierten Halbwelle besteht
und die die Wechselspannung des Meßgenerators so steuert, daß ein drehzahlabhängiger
Gleichstrom mit drehrichtungsabhängigem Vorzeichen entsteht.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles gemäß F i
g. 2 bis 4 erläutert.
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F i g. 2 zeigt an Hand von Schnittbildern den Aufbau des Drehzahlmeßgenerators,
F i g. 3 die Ströme, Spannungen und Magnetflüsse und F i g. 4 die zugehörigen Meßschaltungen.
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Der Generator weist die obengenannten Nachteile nicht auf. Die Arbeitsweise
ist völlig unabhängig von der Frequenz der erzeugten Spannung, Abweichungen von
der Linearität sind nicht größer als bei üblichen Drehzahlmeßgeneratoren für drehrichtungsunabhängige
Anzeige, und es kann eine eingeprägte Spannung oder ein eingeprägter Strom abgegeben
werden.
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Das Prinzip der Erfindung sei an Hand von F i g. 2 erläutert. Darin
ist eine Maschine mit ausgeprägten Polen dargestellt, weil an dieser Bauart die
Wirkungsweise am leichtesten beschrieben werden kann.
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Grundsätzlich kann das Prinzip aber auch bei einer Maschine mit verteilter
Wicklung angewendet werden.
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F i g. 2, a zeigt einen Längsschnitt durch die Maschine, die aus
einem Meßgenerator MG und einem Steuergenerator SG besteht. Die Rotoren dieser beiden
Generatoren sitzen auf einer gemeinsamen Zelle 10.
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In F i g. 2, b ist ein Querschnitt durch den Steuergenerator SG dargestellt,
der vier Ständerwicklungen S1.1, So.2, S2.2, S 2.1 aufweist. Diese Wicklungen sind
auf jeweils um 900 versetzten Polen angeordnet.
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Der Rotor 11 des Steuergenerators ist als Permanentmagnet so ausgebildet,
daß sich seine Pole am Umfang über jeweils zwei Ständerpole erstrecken. Die sich
hieraus ergebenden Fluß- und Spannungsverläufe werden an Hand von F i g. 3 erläutert.
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Der in F i g. 2, c dargestellte Meßgenerator besitzt ebenfalls vier
Ständenvicklungen, die mit M 1.1, M1.2, M 2.1 und M 2.2 bezeichnet sind. Die zugehörigen
Pole sind um 900 gegeneinander versetzt Der Rotor 12 des Meßgenerators ist als Dauermagnet
mit vier sich abwechselnden Nord- und Südpolen ausgebildet.
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In F i g. 3, a sind die Diagramme für den Flußverlauf ÇM und die
Spannung UM des Meßgenerators MG dargestellt. Wenn man in F i g. 2, b und c die
eingezeichnete Rotorstellung als Nullstellung bezeichnet, verändert sich der Fluß
ÇM nach einer Sinusfunktion innerhalb einer Vierteldrehung nach vonvärts oder rückwärts
vom positiven Maximum über Null zum negativen Maximum. Nach einer halben Umdrehung
ist eine elektrische Periode beendet.
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Von 0 bis 2 durchläuft die abgegebene Spannung eine volle Sinuswelle.
Es sei dabei nochmals hervorgehoben, daß der Fluß- und Spannungsverlauf drehrichtungsunabhängig
ist.
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Anders verhält es sich bei dem Steuergenerator, der bei Vorwärtslauf
ein Fluß- und Spannungsdiagramm gemäß Fig. 3, b und bei Rückwärtslauf ein Fluß-
und Spannungsdiagramm gemäß F i g. 3, d zeigt. Dabei werden die Verhältnisse am
PolS1. betrachtet. Beim Vorwärtslauf in Richtung des Pfeiles V nimmt der in der
Nullstellung maximale Fluß
durch den Pol 1.1 ab, geht durch den Nullpunkt und erreicht
das negative Maximum nach einer ersten Vierteldrehung. Während der zweiten Vierteldrehung,
elektrisch gesehen von z bis 2 2;2, bleibt der Fluß konstant, weil während dieser
Zeit die periphere Begrenzung des Südpoles dem PolS1.1 gegenübersteht. Anschließend
steigt der Fluß vom negativen über Null zum positiven Maximum, um dann für eine
weitere Halbperiode konstant zu bleiben. Der charakteristische Verlauf der Steuerspannung
Us ist folgender: Von Null bis z .. positive Halbwelle, von Z bis 2 .. Null, von
2 z bis 3 Z ........ negative Halbwelle von 3 z bis 4 . . Null.
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Beim Rückwärtslauf des Steuergenerators in Richtung des Pfeiles R
ist der Fluß in der ersten Halbperiode konstant, in der zweiten sinkt er vom positiven
über Null zum negativen Maximum, in der dritten bleibt er auf dem negativen Maximum
konstant und in der vierten steigt er vom negativen zum positiven Maximum. Auf Grund
dieses Flußverlaufs ist die Steuerspannung Us beim Rückwärtslauf in der ersten Halbperiode
gleich Null, in der zweiten positiv, in der dritten gleich Null und in der vierten
negativ. Der Steuergenerator und der Meßgenerator sind so synchronisiert, daß die
Meßspannung UM in der ersten Halbperiode mit der Steuerspannung Us bei Vorwärtslauf
des Steuergenerators gleichphasig ist.
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Die Spannung des Steuergenerators beeinflußt die Spannung des Meßgenerators
mit Hilfe einer Steuerschaltung so, daß ein drehzahl abhängiger Gleichstrom IM mit
drehrichtungsabhängigem Vorzeichen zur Verfügung steht. Für diese Steuerung wird
gemäß der weiteren Erfindung eine Ringmodulatorschaltung vorgesehen, die entsprechend
F i g. 4, a aus den Dioden n,, n2, n3, n4 besteht. In der einen Diagonale dieser
Ringmodulatorschaltung liegt die Steuerspannung Us. An die weiteren Eckpunkte des
Modulators ist die Meßspannung UM über das Gleich strominstrument D und den Vorwiderstand
Rv angeschlossen. In der Modulatorschaltung sind noch Widerstände Rl und R2 vorgesehen,
die die Aufgabe haben, einen Kurzschluß der Steuerspannung Us über die in Reihe
geschalteten Dioden 7li, n2 oder n4, n3 zu verhindern. In denjenigen Halbperioden,
in denen die Steuerspannung Null ist, fließt der Meßstrom in der einen Halbwelle
über die Dioden n3 und nl und in der anderen Halbwelle über die Dioden n2 und 114
durch das Anzeigeinstrument.
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In denjenigen Halbwellen, in denen eine Steuerspannung vorhanden
ist, werden je nach Phasenlage entweder die Dioden nl, n2 oder n3, n4 gesperrt,
wenn U5 größer gewählt ist als UM. Hierdurch wird der Meßkreis unterbrochen. Trotz
vorhandener Spannung UM des Meßgenerators kann also in diesen Halbwellen kein Meßstrom
1M fließen. Der Verlauf der Meßströme ist aus Fig. 3, c und e zu ersehen.
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Die Verhältnisse bei Vor- und Rückwärtslauf unterscheiden sich dadurch,
daß beim Vorwärtslauf ein mittlerer negativer Gleichstrom und bei Rückwärtslauf
ein mittlerer positiver Gleichstrom erzeugt wird.
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Das vorwiegend als Drehspulinstrument ausgebildete Meßgerät D zeigt
also einwandfrei Drehzahl und Drehrichtung des Generators an.
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In F i g. 4, b ist eine komplette Schaltung für einen vierpoligen
Meßgenerator und einen vierpoligen Steuergenerator dargestellt. Die Wicklungen des
Steuergenerators S1.1, S1.2, S2.1 und 82.2 sind in den Diagonalen zweier Ringinodulatorschaltungen
untergebracht, die aus den Dioden n4 bis n4 und n5 bis n8 bestehen. Die Widerstände
R1 R2, R3 und R4 in den Modulatorkreisen dienen zur Verhinderung von Kurzschlüssen.
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Die aus den Dioden n1 bis n4 bestehende Ringmodulatorschaltung liegt
in Reihe mit den Wicklungen M 1.1 und M 1.2 an dem Anzeigeinstrument D und dem Vorwiderstand
Rv. Entsprechend ist die Ringmodulatorschaltung aus den Dioden n5 bis n8 mit den
Wicklungen M 2.1 und M 2.2 des Meßgenerators in Reihe geschaltet. Das Instrument
D und der Vorwiderstand RV gehören beiden Meßkreisen an. Wenn die Wicklungen des
Meß- und Steuergenerators entsprechend den Bezeichnungen a und b angeschlossen werden,
erhält man einen lückenlosen, in seinem Vorzeichen von der Drehrichtung und in seiner
Größe von der Drehzahl abhängigen Gleichstrom IM.
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Die Zahl und Anordnung der Wicklungen kann natürlich noch variiert
werden.
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An die Stelle des Anzeigeinstrumentes D kann selbstverständlich auch
ein Registriergerät treten. Die Ausgestaltung des Meß- und Steuergenerators sowie
die dazugehörige Schaltung ist keineswegs auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.
Vor allem kann die Polzahl ein Vielfaches der dargestellten betragen.
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Die hier beschriebene Schaltung zur fremdgesteuerten Gleichrichtung
hat gegenüber den allgemein bekannten Gleichrichterschaltungen den Vorteil, daß
die Steuerspannung nur wenig größer zu sein braucht als die Meßspannung.
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Die Meß- und Steuerspannungen sind in Fig. 3 zwar als Sinusspannungen
dargestellt, jedoch kann das neuartige Prinzip auch bei anderen Kurvenformen angewendet
werden. Es ist dabei nicht einmal erforderlich, daß die Meß- und die Steuerspannung
die gleiche Kurvenform aufweisen.