DE1523224A1

DE1523224A1 - Tachometer

Info

Publication number: DE1523224A1
Application number: DE19661523224
Authority: DE
Inventors: Andrew Gabor
Original assignee: Potter Instrument Co Inc
Current assignee: Potter Instrument Co Inc
Priority date: 1965-10-20
Filing date: 1966-09-28
Publication date: 1969-04-10
Also published as: GB1099215A; US3408556A

Description

Dl. I. WIIOAND 2000 HAMBUIIO I, MDNCHIN JAUINDAMMM __{ä r} »_λ»μ

dipi.-ino. w. niimann «upon.330473 26. Sep.T968

HAMBUIO

W. 12654/66 12/Fl

Potter Instrument Company, Inc. Plainvien, New York (V.St.A.)

Tachometer

Die Erfindung bezieht sich auf Tachometer bzw. Geschwindigkeitsmesser und insbesondere auf einen Tachometer derjenigen Art, der eine Gleichstromausgangssignalspannung erzeugt, die der Eingangswinkelgeschwindigkeit proportional ist.

Die Erfindung schafft einen Tachometer mit größerer Genauigkeit, weil sinusförmige Wellen in der Ausgangssignalapannung des Tachometers im wesentlichen beseitigt sind. Außerdem wird bei dem Tachometer gemäß der Erfindung kein Kommutator verwendet, so daß Kommutatorgeräusch als eine Quelle von üngenauigkeit beseitigt ist.

Der Tachometer gemäß der Erfindung weist einen magnetisierten Stator und einen Anker auf^ der aus Material mit niedriger Reluktanz gebildet ist. Spulen sind auf den Stator gewickelt und wenn der Anker sich dreht, werden in den Statorspulen Signale erzeugt. Die/in den Statorspulen erzeugten Signale werden gleichgerichtet und die gleichgerichteten Ausgänge werden miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Ausgang zu schaffen. Der Anker und der Stator

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sind mit zusammenarbeitenden Polen versehen, die derart gestaltet sind, daß das Ausmaß bzw. die Geschwindigkeit der Flußänderung in den Statorwicklungen über den größten Teil jedes Kreislaufes von Flußänderung konstant ist. Als Ergebnis ist die in jeder Statorspule erzeugte Signalapannung im Form mit flachen Spitzen oder Oberseiten versehenen Impulsen vorhanden. He Pole und die Statorspulen sind derart angeordnet, daß die mit flachen bzw. ebenen Spitzen oder Oberseiten versehenen Impulse von den Wicklungen sich außer Phase befinden und sich in einer Weise überlappen, daß die Wirkungen der Vorderkanten und Hinterkanten der mit ebenen Oberseiten versehenen Impulse in dem Ausgang des Tachometers beseitigt sind. Demgemäß erzeugt der Tachometer eine Ausgangssignalspannung, welcher der Ankerdrehgeschwindigkeit proportional ist, wobei kein> Kommutatorgeräusch und im wesentlichen keine sinusförmigen Wellen in der Ausgangssignalspannung vorhanden sind. Als Ergebnis erzeugt der Tachometer gemäß der Erfindung eine Ausgangssignalspannung, welche mit großer Genauigkeit die Eingangsankergeschwindigkeit darstellt.

Demgemäß besteht ein Zweck der Erfindung darin, die Genauigkeit von Tachometern zu erhöhen.

Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Tachometer mit vergrößerter Genauigkeit zu schaffen.

Ein weiterer Zweok der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Tachometer derjenigen Art zu eohaffen, die eine Gleiohatrom-Ausgangssignalspannung erzeugt, welche die Eingangswinkelgeachwindigkeit darstellt.

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Ein weiterer Zweck der .Erfindung besteht darin, die sinusförmigen Wellen in der Ausgangssignalspannung eines Gleichstrom-Tachometers im wesentlichen zu beseitigen.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Tachometer zu schaffen, bei dem Kommutatorgeräusch aus der Ausgangseignalspannung entfernt und sinusförmige Wellen im wesentlichen entfernt sind.

Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in welcher die Erfindung an Hand der Zeichnungs beispielsweise erläutert ist, Fig. 1 ist eine yuersohniifcsansioht des Stators und Ankers eines Tachometers gemäß der Erfindung. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, auf welche

Weise die Statorspulen auf den Stator des Tachometers gemäß der Erfindung gewickelt sind. Fig. 3 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Stators und des Ankers, in welcher die Formen der Statorpole und der Ankerpole dargestellt sind. Fig. 4 ist eine echematische Darstellung der Art und Weise, auf welche die ^tatorspulen mit Gleichrichtern und mit einem gemeinsamen Ausgang verbunden sind, um die Auegangssignalspannung zu schaffen, welche die Ankereingangsgeschwindigkeit darstellt.

Gemäß Fig. 1 weist ein Tachometer gemäß der Erfindung einen permanent magnetisierten Stator 11 und einen Anker auf, der aus einem Material mit niedriger magnetischer

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Reluktanz gebildet ist, beispielsweise aus Weicheisen. Der Anker 13 ist aus einem Material gebildet, das für permanente Magnetisierung geeignet ist. Der Anker 13 ist mittels einer Achse 15 derart angeordnet, daß er sich in dem Stator 11 frei drehen kann. Der Stator 11 hat sechs Pole 17, die um die Achse des Ankers 13 gleichmäßig verteilt und radial nach innen gegen die Ankerachse 15 gewandt eind. Drei der Pole 17 sind als Nordpole magnetisiert, und drei der Pole sind als Südpol magnetisiert, wie es an den Polen duroh die Buchstaben N und S angedeutet ist, welche einen Nordpol bzw. einen Südpol bezeichnen. Wie in Fig. 1 dargestellt, haben abwecheelnde Pole 17 entgegengesetzte Polarität. Wie oben erwähnt, ist der Stator permanent magnetisiert, um die Magnetpole 17 zu sohaffen. Stattdessen kann der Stator 11 elektrisch erregt werden, um die gewünsohte Magnetisierung der Pole zu schaffen, und zwar mittels für diesen Zweok vorgesehener Spulen.

Der Anker 13 ist mit vier Polen 19 versehen, die um seine Aohse 15 gleichmäßig verteilt und radial nach außen gewandt sind. Die Fläohen der Ankerpole 19 haben im wesentlichen die gleiche Abmessung und die gleiohe Form wie die Statorpole 17. Wenn der Anker 13 sioh dreht, kommen die Ankerpole 19 in Ausrichtung mit den Statorpolen 17 und gehen dicht an ihnen vorbei.

Wie in Fig. 2 dargestellt, iat eine Statorspule rund um Jeden Statorpol 17 gewickelt. Sa eeohs Statorpole 17 vorhanden sind, sind seohs Statorspulen 21 bie 25 vorgesehen.

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Der Anker 13 schafft einen Weg niedriger Reluktanz für den Magnetfluß, der von den Nordpolen zu den Südpolen des Stators 11 fließt. Wenn der Anker 13 sich dreht, ändert er die Reluktanz des Weges niedriger Reluktanz zwischen den Statorpolen 17, so daß die Flußverkettung jeder Statorspule 21 bis 26 sich ändert, wenn der Anker 13 sich dreht. Wenn ein Ankerpol 19 über einen Statorpol 17 wandert, nimmt der Pluß durch die um den Statorpol 17 gewickelte Spule für eine gegebene Ankergeschwindigkeit zunächst konstant zu und nimmt dann konstant ab. Der Fluß beginnet sich zu verstärken in einem konstanten Ausmaß^, wenn der Ankerpol 19 zuerst den Statorpol 17 überlappt, und er nimmt fortgesetzt in konstantem Ausmaß zu, bis der Ankerpol 19 in Ausrichtung mit dem Statorpol 17 gelangt. Der die Spule an dem Statorpol 17 verkettende Fluß nimmt dann in konstantem Ausmaß ab, bis der Ankerpol 19 nicht mehr über dem Statorpol 17 liegt. Als Ergebnis wird in der um den Statorpol 17 gewickelten Spule ein mit ebener Oberseite versehener Impuls einer Polarität erzeugt, dem ein mit ebener Überseite versehener Impuls entgegengesetzter Polarität folgt. Obgleich das Ausmaß der Zunahme und der Abnahme der Flußverkettung einer Statorspule für eine gegebene Ankergeschwindigkeit konstant ist, wenn ein Ankerpol 19 an einem Statorpol 17 vorbeigeht, ist das Ausmaß der Änderung des Flusses der Ankergeschwindigkeit proportional. Als ein Ergebnis ist die Amplitude der eine ebene Oberseite aufweisenden Impulse, die durch die Spulen erzeugt sind, der Ankergeschwindigkeit proportional.

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Wie am besten in Fig. 3 wiedergegeben, wird das konstante Ausmaß der Flußänderung durch Verwendung von Ankerpolen und Statorpolen erreicht, die, radial betrachtet, rechtwinklige Gestalt uzw. form haben. Die Polflächen sind nicht genau rechtwinklig, weil sie gebogen sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Flächen der Statorpole 17 sind Abschnitte einer zylindrischen Fläche und die Flächen der Ankerpole 19 sind Abschnitte einer zweiten zylindrischei Fläche. Da die die Polflächen bildenden zylindrischen Abschnitte in radialer Ansicht rechtwinklig sind, wird ihre Gestalt als rechtwinkliger Abschnitt von zylindrischen Flächen bezeichnet.

Die Tatsache, daß die Polflächen gemäß vorstehender Beschreibung gestaltet sind, führt dazu, daß der die Statorspulen verkettende Fluß sich in konstantem Ausmaß ändert, weil die Fläche des Überliegens zwischen einem Statorpol 17 und einem Ankerpol 19, der an diesem vorbeigeht, sich für eine gegebene Anicergeschwindigkeit in konstantem Ausmaß ändert, wobei sie zuerst in konstantem Ausmaß zunimmt, bis der Ankerpol 19 sich in Ausrichtung mit dem Statorpol 17 befindet, und danach in konstantem Ausmaß abnimmt. Als Ergebnis nimmt die wirksame Größe des Luftspaltes zwischen dem Anker und dem Statorpol 17 zunächst -in konstantem Ausmaß zu und dann in konstantem Ausmaß ab. Dadurch nimmt der die um den Statorpol 17 gewickelte Spule verkettende Fluß in konstantem Ausmaß zu und dann in konstantem Ausmaß ab, so daß in der Statorspule die eine ebene Oberseite aufweisenden Impulse erzeugt werden.

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Wenn ein Pol 19 dee Ankere 13 eich einem Pol 17 des Stators 11 nähert, bevor der Ankerpol 19 über dem Statorpol 17 liegt, ist eine gewisse Zunahme des die Spule des · Statorpols verketenden Flusses vorhanden, die nicht in konstantem Ausmaß erfolgt. Diese anfängliche Zunahme des Flusses erfolgt in geringeren Ausmaß der Zunahme als das konstante Ausmaß der Zunahme, des sich ergibt, während der Ankerpol 19 über dem Statorpol 17 liegt und sich der Stellung nähert, in welcher-er sich mit dem Statorpol 17 in Ausrichtung befindet. Dieses nicht konstante Zunehmen des Flusses führt zu einer schrägen Vorderkante des Impulses, der durch den zunehmenden Fluß, welcher die Statorspule verkettet, erzeugt wird. In ähnlicher Weise nimmt der die Spule eines Statorpoles 17 verkettende Fluß fortlaufend in geringem Ausmaß ab, das für eine kurze Zeitperiode nioht konstant ist, wenn der Ankerpol 19 sich von dem Statorpol 17 wegbewegt, unmittelbar nachdem er den Statorpol 17 nicht mehr überliegt. Diese nicht konstante Abnahme des Flusses führt zu einer schrägen Hinterkante des Impulses, der duroh den abnehmenden, die Statorspule verkettenden Fluß erzeugt ist. Da das konstante Ausmaß der Zunahme und das konstante Ausmaß der Abnahme des Flusses, die sich ergeben, während der Ankerpol 19 über dem Statorpol 17 liegt, auch die maximale Zunahme und maximale Abnahme ist, haben die durch die Zunahme und Abnahme des Flusses bei Bewegung eines Ankerpols 19an einem Statorpol 17 vorbei erzeugten Impulse ebene Oberseiten.

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Zu Folge der Art und Weise, auf welohe die Pläohen der Ankerpole 19 und der Statorpole 17 gestaltet sind, und weil die Polflächen dee Stators relativ zu den Spalten zwischen den Polflächen breit sind, erfolgt der größte Teil der Zunahme des die Spule eines Statorpoles 17 verkettenden Flusses bei Vorbeibewegen eines Ankerpoles 19 bei maximaler konstanter Zunahme und der größte Teil der Abnahme dee Flusses bei maximaler konstanter Abnahme. Als Ergebnis nehmen die schräge Vorderkante des durch die Flußzunahme erzeugten Impulses und die sohräge Hinterkante des duroh die Flußabnahme erzeugten folgenden Impulses einen kleinen Teil des jeweiligen Impulses ein.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die auf Jedes Paar gegenüberliegender Pole, d.h. einander zugewandter Pole, gewickelten Spulen in Serie geschaltet. Demgemäß iet die Spule 21 mit der Spule 24, die Spule 22 mit der Spule 25 und die Spule 23 mit der Spule 26 in Serie geschaltet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, geht jedes Mal, wenn ein Ankerpol 19 en einem gegebenen Statorpol 17 vorbeigeht, ein anderer Ankerpol an dem gegenüberliegenden Statorpol vorbei. Demgemäß werden in jedem Paar in Serie geschalteter Spulen Impulse gleichzeitig erzeugt. Die Spulen sind derart geschaltet, daß die in jeder Spule des Serienkreises erzeugter Impulse zusammenaddiert werden. In anderen Worten auegedrüokt, die Spulen sind in SerienunteretUtzung geschaltet.

In Fig. 4 iet dargestellt, auf welohe Weise die drei Serienkreise der Spulen 21 bie 26 miteinander verbunden

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eind, um den Taohometerauagang zu sohaffen. Eine Seite jedes der Serienkreiae ist mit -^rde verbunden. Ide andere Seite der Serie der Spulen 21 und 24 ist über eine Gleichrichterdiode 31 mit einem Ausgangsanachluß 33 verbunden. Die andere Seite des Serienkrelaea der Spulen 22 und 25 ist über eine Gleichrichterdiode 35 mit dem Ausgangaanschluß 33, und die andere Seite dea Serienkreiaea der Spulen 23 und 26 iat über eine Gleiohrichterdiode 37 ebenfalle mit dem Auagangsanschluß 33 verbunden. Die Gleichrichterdioden 31, 35 und 37 sind derart gepolt, daß positive Impulae von den drei Serienkreiaen der Spulen 21 bia 26 zu dem Ausgangsanschluß 33 gelangen.

Da die Amplitude der in den Spulen 21 bia 26 erzeugten Impulae der ^rehgeaohwindigkeit dea Ankere proportional iat, iat die an dem Auagangsansohluß 33 erzeugte Spannung der Drehgeschwindigkeit proportional. Ein Spannungsmesser 39 iat zwisohen den Ausgang 33 und Erde geschaltet, um die Auagangeapannung abzulesen und somit eine Anzeige der Drehgeschwindigkeit des Ankere 13 zu eohaffen.

Die Spulen 21 bis 26 sind mit eolohen Polaritäten geaohaltet, daß die Serienkreiae der Spulen 21 bis 26 positive Impulse erzeugen, während der Fluß in den Spulen zunimmt, und derart, daß sie negative Impulse erzeugen, während der Fluß In den Spulen abnimmt. Wenn der Anker sioh dreht, traeugen die drei Berienkreise der Spulen 21 bi· positiv· Auigangeimpulee in einer Folge. Zufolge der Tatsacht, daß die Breite der Spalt· ewisohen den Statorpolen

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17 kleiner als die Hälfte der breite der Ankerpole 19 ist, überlappen sich die erzeugten Impulse und das Überlappen ist derart, daß die ebene Oberseite jedes aufeinanderfolgenden positiven Impulses beginnt, bevor die ebene Oberseite des vorhergehenden positiven Impulses endet. lie an dem Ausgang 33 erzeugte Spannung wird auf der höchsten positiven Ausgangsspannung gehalten, die durch die drei Serienatromkreise der Spulen 21 bis 26 erzeugt ist. Demgemäß hat die schräge Vorderkante jedes positiven Impulses keine Wirkung hinsichtlich einer Wellung bzw. bewirkt keine Wellung in der an dem Ausgang 33 erzeugten Spannung, weil die schräge Vorderkante jedes positiven Impulses gleichzeitig mit einem Teil des eine ebene Oberseite aufweisenden Abschnitts des vorhergehenden Impulses erzeugt wird, wobei der eine ebene Oberseite aufweisende Teil den Spannungsausgang steuert und somit die Wirkung der Vorderkante aufhebt. In ähnlicher Weise wird die Wirkung irgendeiner Hinterkante an jedem positiven Impuls aufgehoben. Dadurch erzeugt, weil der Rotor und der Stator derart gestaltet sind, daß mit ebener Oberseite versehene Ausgangeimpulse erzeugt werden, die sioh in den Bereichen ihrer ebenen Oberseiten überlappen, der Tachometer gemäß der Erfindung eine Gleiohstrom-Au8gang88pannung, bei welcher die Auegangewellen im wesentlichen beseitigt sind. Da weiterhin der Tachometer keine Kommutatoren verwendet, ist der Effekt des Kommutatorgeräusohea beseitigt. Demgemäß 1st die an dem Ausgang 33 erzeugte und durch den Spannungsmesser 39 abgelesene Spannung

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der Drehgeschwindigkeit des Ankers 13 und damit der Eingangswinkelgeschwindigkeit "dee Tachometers genau proportional und gibt diese genau wieder.

Wenn es gewünscht wird, kann anstelle der Halbweggleichrichtung der Ausgänge der drei Serienstromkreise der Spulen 21 bis 26 eine Vollweggleichrichtung verwendet werden« Eine solche Ausführung würde die Energie der Ausgangsspannung dea Tachometers erhöhen. Weiterhin könnten, wenn eine solche Anordnung verwendet wird, die Spalte zwischen den Statorpolen 17 bis zu der breite der Ankerpole 19 vergrößert werden. Bei einer solohen Ausführung würden jedoch die Wirkungen irgendwelcher Wellen zufolge irgendeiner Schräge nicht beseitigt werden die zwischen dem positiven Impuls, der von dem zunehmenden Fluß erzeugt wird, und dem negativen Impuls vorhanden sein kann, der von dem abnehmenden Fluß erzeugt wird, wenn ein Pol des Ankere 12 an einem Statorpol 17 vorbeigeht. Selbstverständlich kann die Anzahl der Pole an dem Anker und dem Stator, wenn es gewünscht wird, geändert werden. Vorzugsweise soll der Anker eine gerade Anzahl von Polen aufweisen und die Anzahl der Statorpole sollte das 1,5 fache der Anzahl der Ankerpole betragen. Dieses Verhältnis macht eine derartige Gestaltung des Rotore und des Stators zweckmäßig bzw. bequem, daß für alle Stellungen des Ankers die Fläche wenigstens eine« Ankerpoles sich mit einer Fläche eines ütatorpoles überlappt, so daß eine der Statorspulen einen Impuls mit ebener Oberseite erzeugt.

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Claims

Patentansprüche

1. Tachometer mit einem Stator und einem aus Material niedriger Reluktanz gebildeten Anker, der mit Bezug auf den Stator drehbar ist und um seine Achse verteilte, dem Stator zugewandte Pole aufweist, wobei der Stator dem Anker zugewandte Magnetpole aufweist, und wobei eine Mehrzahl von Spulen auf den Stator gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerpole (19) und die Statorpole (17) mit rechtwinkligen Abschnitten konzentrischer Zylinder übereinstimmen, so daß die bei Drehung des Ankers (13) in den Statorspulen induzierten Wellenformen Impulse mit ebener Oberseite sind und daher zu einer wellenfreien, die Drehgeechwindigkeit des Ankers darstellenden Spannung kombiniert werden können.

2. Tachometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stromkreiseinrichtung zum Gleichrichten der in den Statorspulen induzierten Wellenformen und zum Kombinieren dieser Wellenformen zu einem wellenfreien gemeinsamen Ausgang.

3. Tachometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der Ankerpole (19) im wesentlichen die gleiche Größe wie die Flächen der Statorpole (17] haben, und daß die Statorpole in der Winkelrichtung um die Achse^es Ankers (13) eine beträchtlich^ größere Breite haben als die Spalte zwischen den Statorpolen, so daß jeder Ankerpol dauernd wenigstens einen der Statorpole überlappt.

4. Tachometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennv

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zeichnet, daß die Ankerpole (19) und die Statorpole (17) derart angeordnet sind, daß in allen Stellungen des Ankers (13) die Fläche wenigstens eines Ankerpoles eine i'läche der Statorpole überlappte

5. Tachometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator 1,5 mal soviel Pole wie der Anker hat.

6. Tachometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreiseinrichtung einen die Spulen gegenüberliegender Pole des Stators (11) in Serie schaltenden Stromkreis aufweist, deren jeder eine Gleichrichterdiode aufweist und die an einen gemeinsamen Ausgang geschaltet sind.