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Einrichtung zur Nachbildung der mittleren Luftspaltinduktion von Gleichstrommaschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nachbildung der mittleren Lufspaltinduktion
von Gleichstrommaschinen mittels eines getrennt von der Maschine angeordneten Hallwandlers.
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Zur Erfassung der Induktion einer elektrodynamischen Maschine wurden
bereits Hallwandler derart im Luftspalt angeordnet, daß die magnetische Durchflutung
der Hallwandler dem Maschinenfluß verhältnisgleich ist. Der Steuerstrom für diese
Hallwandler wird auf einem konstanten Wert gehalten, so daß die Hallspannung der
Größe des magnetischen Flusses verhältnisgleich ist.
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Zur Messung physikalischer Größen einer elektrischen Maschine ist
es ferner bekannt, einen Hallwandler im Magnetfeld der Maschine anzuordnen und den
Hallwandler in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße, z. B. dem Betriebsstrom der
Maschine, zu steuern.
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Da die Messung des magnetischen Flusses innerhalb der Maschinen vielfach
Schwierigkeiten mit sich bringt, wurde auch bereits eine Anordnung vorgeschlagen,
bei der der Hallwandler außerhalb der Maschine im Luftspalt eines Eisenkerns angeordnet
ist. Die Magnetisierungskennlinie dieses Kernes, dessen Erregung dem Maschinenfeld
verhältnisgleich gehalten ist, ist so gewählt, daß das Maschinenfeld und das Feld
im Magnetjoch des Hallwandlers ein übereinstimmendes Sättigungsverhalten aufweisen.
Dies wird dadurch erreicht, daß das Magnetjoch Sättigungsstege und zumindest einen
einstellbaren Luftspalt erhält.
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An Stelle des Magnetjoches mit Sättigungsstegen hat man auch schon
ein Analogiemodell verwendet, das die Magnetisierungskennlinie des Fahrmotors unter
Verwendung von Gleichrichtern mit ausgeprägter Schwellenspannung und besonderen
Hilfsstromquellen nachzubilden gestattet. Die Magnetisierungskennlinie kann von
diesem Modell lediglich als Polygonzug wiedergegeben werden.
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Die Messung des magnetischen Flusses mit einem im Luftspalt angeordneten
Hallwandler ist jedoch immer dann unmöglich, wenn die Maschine eine Kompensationswicklung
besitzt, deren Leiter in den Polschuhen der Maschine liegen. Der Maschinenfluß durchflutet
daher vorzugsweise die Stege zwischen den Kompensationsnuten, so daß unter den Stegen
ein wesentlich stärkerer Fluß zu messen ist als unter den Nuten. Eine Anordnung
eines Hallwandlers im Luftspalt ist bei solchen Maschinen also nicht mehr möglich.
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Die Verwendung von Hallwandlern außerhalb der Maschine und die Nachbildung
der Magnetisierungs-
kennlinie mit Hilfe von Sättigungsstegen oder besonderen Analogiemodellen
stößt auf Schwierigkeiten, wenn an die Genauigkeit des Meßergebnisses Anforderungen
gestellt werden.
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Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch überwunden,
daß dem Eingang eines Reglers die Differenz eines der Ankerspannung der Maschine
proportionalen und eines der Hallspannung eines Hallwandlers proportionalen elektrischen
Signals zugeführt ist und daß die Hall spannung dem Produkt eines der Maschinendrehzahl
proportionalen Steuerstromes des Hallwandlers und eines vom Reglerausgang gesteuerten,
auf den Hallwandler einwirkenden Magnetfeldes entspricht, derart, daß das vom Reglerausgang
gesteuerte und im Sinn einer Beseitigung der am Reglereingang anstehenden Signaldifferenz
wirkende Magnetfeld in seiner Größe der Luftspaltinduktion der Maschine verhältnisgleich
ist. Wird ein in an sich bekannter Weise aus kontaktlosen Elementen aufgebauter
Regler verwendet, so arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung ohne bewegliche Elemente.
Die Genauigkeit des Meßergebnisses genügt allen üblicherweise den zur Nachbildung
der mittleren Luftspaltinduktion zu stellenden Forderungen.
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Das Meßergebnis kann ohne Zeitverzug am Ausgang der Einrichtung abgegriffen
werden. Gegenüber den bekannten Ausführungen, bei denen eine Meßsonde im Luftspalt
einer elektrischen Maschine angeordnet ist, entfällt der Aufwand für die Anbringung
der Meßsonde. Ferner können bei der erfindungsgemäßen Einrichtung Nutenoberwellen
nicht störend in Erscheinung treten.
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In vorteilhafter Weise ist der Steuerstrom für den vom Reglerausgang
gesteuerten ersten Hallwandler von einem weiteren Hallwandler geliefert, der vor
einer
auf die Ankerwelle aufgesetzten, metallischen Scheibe angeordnet ist und der von
zwei an sich gleich großen, jedoch antiparallelen Flüssen, die sich über den Scheibenkörper
schließen, erregt ist.
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In der Zeichnung ist em Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das eine Einrichtung zur Nachbildung der mittleren Luftspaltinduktion eines in Bremsschaltung
betriebenen Fahrmotors zeigt.
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Der Fahrmotor 1 ist mit seinem Anker 2 auf dem Bremswiderstand 3
geschaltet. Die Erregerwicklung 4, die den Maschinenfluß erzeugt, wird aus einer
nicht dargestellten Stromquelle gespeist, deren Ausgangsspannung so zu steuern bzw.
zu regeln ist, daß ein gewünschtes Motormoment erzeugt wird. Zur Erfassung der mittleren
Luftspaltinduktion und damit zur Erfassung des von dem Fahrmotor 1 erzeugten Drehmomentes,
das durch das Produkt aus Luftspaltinduktion und Ankerstrom bestimmt ist, ist auf
der Ankerwelle 5 eine metallische Scheibe 6 aufgesetzt.
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Dieser Scheibe steht ein Hallwandler 7 gegenüber, der von zwei an
sich gleich großen, jedoch antiparallelen Flüssen 1 und 2 durchsetzt wird, die von
zwei neben dem Hallwandler 7 angeordneten Stabmagneten 8 und 9 erzeugt werden. Die
Flüsse der Stabmagnete 8 und 9 durchsetzen die Scheibe und den vor der Scheibe angeordneten
Hallwandler7. Der Steuerstrom für den Hallwandler 7 wird aus der Batterie 10 geliefert.
Solange die Scheibe steht, heben sich die Flüsse 1 und 2 im Bereich des Hallwandlers
7 gegenseitig auf. Sobald die Scheibe jedoch rotiert, verschiebt sich durch Rückwirkung
der erzeugten Wirbelströme die Lage und die Richtung der aus der Scheibe 8 austretenden
Flüsse derart, daß der aus den beiden Flüssen di1 und 2 resultierende Summenfluß
im Bereich des Hallwandlers 7 von Null verschieden ist und eine Hallspannung Uv
erzeugt, die der Drehzahl der Scheibe verhältnisgleich ist.
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Die Hallspannung Uv wird nun dazu verwendet, im Hallwandler 11 einen
Steuerstrom zu erzeugen, dessen Stärke der Drehzahl des Fahrmotors proportional
ist. Die Erregung für den Hallwandler 11 erzeugt die Erregerspule 12, die an einen
Regler 13 angeschlossen ist. Als Stellgröße ist dem Regler 13 die Differenz aus
der der Ankerspannung proportionalen Spannung UA und der Ausgangsspannung UH des
Hallwandlers 11 zugeführt. Die Ankerspannung UA ist dem Produkt aus Drehzahl und
Maschinenfluß proportional, während die Hallspannung Un gleich dem Produkt aus der
im Hallwandler 7 gemessenen Dreh-
zahl w des Fahrmotors 1 und dem von der Wicklung
12 erzeugten Erregerfluß ist. Solange die Differenz zwischen der Ankerspannung UA
und der Hallspannung U11 nicht zu Null geworden ist, so lange verändert der Regler
13 entsprechend der Größe und dem Vorzeichen der als Stellgröße wirkenden Differenz
den Strom in der Erregerwicklung 12 und damit den den Hallwandler 11 durchsetzenden
Fluß. Bei Gleichheit der Ankerspannung und Hallspannung entspricht unter den hier
gegebenen Voraussetzungen der Erregerfluß des Hallwandlers 11 dem Maschinenfluß
und damit der Luftspaltinduktion.
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Die auf diese Weise gewonnene Erregerspannung des Hallwandlers 11
kann nun dazu benutzt werden, das Produkt aus Luftspaltinduktion und Ankerstrom
zu bilden, das dem Drehmoment des Motors 1 verhältnisgleich ist.