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Bürsten- und lagerloser Drehfeldgeber' Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf elektrische Wechselstrom-AntriebsanIagen, und genauer gesagt auf
einen bürstenlosen Drehfeldgeber mit induktiv gekoppeltsr Hochfrequenzansteuerung,
der Drehzahl und Drehrichtung fühlt, bei dem ein Drehfeldgeber mit einer Antriebsmaschinen-Rotorwelle
jedes Fahrzeugrades gekoppelt ist, um genau die Drehzahl und Richtung der Antriebsmaschinen
und damit der Fahrzeugräder festzustellen. Wenngleich die Erfindung hier unter Bezugnahme
auf Wechselstrom-Antriebsanlagen für Fahrzeuge beschrieben ist, sei darauf hingewiesen,
daß die Grundgedanken der Erfindung in gleicher Weise bei jedem beliebiger Gerät
als ein Tachometer angewandt werden können, um die Drehzahl und Drehrichtung sich
drehender Teile im allgemeinen festzustellen.
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Unter den Wechselstrom-Antriebsanlagen der Fahrzeuge ist diejenige
Anlage typisch, die ein Wechselstroiiglied zwischen einer Motor-Synchrongenerator-Dreiphasenstronquelle
und einer Dreiphasen-Wand ler-Motor-Radantriebsanlage verwendet. Der Wandler bei
derartigen Anlagen wirkt als ein Frequenzwandler, der.
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den Ausgangswert des Motor-Synchrongenerators in eine Wechselspannung
mit veränderlicher Frequenz umwandelt, die dazu verwendet
wird,
die Antriebsmotoren und damit die Räder des Fahrzeuges anzutreiben. Im allgemeinen
ist ein Tachometer, z.B.
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eine Drehfeldgebervorrichtung, mit jeder Antriebsradwelle des Fahrzeuges
gekoppelt, um ständig den Betriebszustand der Wellen zu fühlen, und die Ausgangsgröße
von jedem Drehfeldgeber wird mit einem entsprechenden Frequenzunterschied in einem
Frequenz-Summiernetz verglichen, wodurch die Ausgangsgröße des Summiernetzes dazu
verwendet wird, den Betrieb des Antriebsmotors und damit den Betrieb jedes einzelnen
Rades zu steuern.
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Bei elektrischen Wechselstrom-Antriebsanlagen für Fahrzeuge, wie
beispielsweise bei dem oben kurz beschriebenen, muß der Synchronservomechanismus,
der die Betriebszustände der Antriebsmotoren fühlt, über alle Drehzahlbereiche der
Antriebsmaschine zwischen Null und der maximalen Drehzahl außerordentlich genau
arbeiten. Die herkömmlichen, mit Bürsten versehenen Synchronservomechanismen sind
nicht zuverlässig, insbesondere wenn sie zur Überwachung hoher Motordrehzahlen verwendet
werden. Diese Unzuverlässigkeit beruht auf Verschleiß, Ermüdung und Schwingungen
in dem Bereich des Bürsten-Ring-Kontaktes des Synchronservomechanismus, und a;f
der Verwendung von Lagern, die normalerweise derartigen Vorrichtungen zugeordnet
sind.
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Die vorliegende Erfindung überwindet die oben genannten Nachteile
von in der Technik bekannten Drehfeldgebervorrichtungen, indem sie einen Synchronservoiechanismus
schafft, der die Drehzahl und die Stellung einer Antriebsmaschine jederzeit und
bei allen Drehzahlen genau überwacht, der induktiv gekoppelte Ansteuerung verwendet
und der dadurch ein Mindestmaß an Wartung erfordert und gletchzeitig außerordentlich
zuverlässig ist.
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Demzufolge bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen verhältnismässig
störungsfreien, bUrsten- und lagerlosen Drehfeldgeber, der die Drehzahl und die
Drehrichtung einer Antriebs maschine bei allen Drehzahlen genau fühlt.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen bürstenlosen Drehfeldgeber,
dessen Gehäuse- und Rotorteile unmittelbar an dem Gehäuse bzw. an der Welle der
zugehörigen Antriebsmaschine angebracht sind, wodurch die Notwendigkeit von Lagern
in dem erfindungsgemäßen Synchronservomechanismus ausgeschieden wird.
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DiesBetriebsdrehzahl des Synchronservomechanismus wird also lediglich
durch die meChanischen .Eigenschaften der Antriebsmaschine begrenzt, deren Drehzahl
überwacht wird Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen bürstenlosen Synchronservomechanismus,
dessen Betrieb durch Lagertoleranzen in der Antriebsmaschine, die im allgemeinen
eine axiale Bewegung des-Xotors der Antriebsmaschine hervorrufen, nicht beeinflusst
wird.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen bürsten- und lagerlosen
Synchronservomechanismus, der als ein Drehfeldgeber in einem unter der Handelsbezeichnwig
"Selsyn-Anlage" bekannt gewordenen Anlage verwendet werden kann, um eine zusammenpassende
Winkelverschiebung oder induktive Verstellung von Drejife ldempfä'ngern mit elektrischen
Eigenschaften wie denjenigen des Drehfeldgeberabschnittes zu bewirken.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen bürsten--und
lagerlosen Drehfeldgeber, bei dem die Phasenfolge der-demodulierten Ausgangsgröße
der Dreiphasen-Drehfeldgeberwicklung die Drehrichtung der Antriebsmaschine anzeigt,
auf einen bürsten- und lagerlosen Drehfeldgeber, der in der Lage-ist, die tatsächliche
WellendrehZahl jeder beliebigen Antriebsmaschine genau durch Überwachung der Frequenz
der modulierten Ausgangsgröße des Ständers des Synchronservomechanismus anzuzeigen,
wenn er in einer zweipoligen Drehmelderform verwendet wird, ferner auf einen bürsten-und
lagerlosen Drehfeldgeber, der eine Drei phasen-Ausgangswicklung aufweist, bei der
die Frequenz ihrer modulierten Ausgangsgröße genau die Rotorfrequenz darstellt und
daher direkt in einer Frequenzsummierschaltung verglichen und velwendet
werden
kann, um eine Steuerung der Drehzahl der Antriebsmaschine zu ermöglichen, und auf
einen bürsten- und lageriosen Drehfeldgeber, der außerordentlich empfindlich gegenüber
der Winkelverschiebung einer Welle ist, bei der also ein Synchronservomechanismus
an einem der beiden Enden der zelle beispielsweise einer Antriebsmaschine und ihrer
Last angebracht werden kann, um eine ständige Anzeige des Drehmoments der Antriebsmaschine
zu erhalten.
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Die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung hervor, in der Figur
l eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drehfeldgebers ist, der betrieblich
einem Wechselstrom-Antriebsmotor zugeordnet ist, und Figur 2 ein Schaltschema der
elektrischen Schaltung des in Figur 1 gezeigten Drehfeldgebers ist.
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In Figur i ist ein Ausführungsbeispiel für eine bürsten-und lagerlose
Drehfeldgebervorrichtung 10 gezeigt, die in betrieblicher Zuordnung zu einem Wechselstrom-Antriebsmotor
12 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Der Drehfeldgeber 10 besteht
aus zwei Grundeinheiten: einer ortsfesten Ständergehäuseanordnung 14 und einer drehbaren
Läuferpolanordnung 16.
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Die Läuferpolanordnug 16 umfasst einen Blechkern 18, um den Läuferpolwicklungen
20 gewickelt sind, wobei der Kern 18 fest an einem Ende einer nichtmagnetischen,
vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehenden Verlängerungswelle 22 angebracht ist.
Eine Sekundärwicklung 24 des induktiven Kopplungsteiles des Drehteldciebers 10 ist
in radial nach außen verlaufenden Flanschen 25 eines tragenden C-förmigen induktiven
Kopplungsteiles 26 gewickelt, das seinerseits auf einer nichtmagnetischen, vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl bestehenden Buchse 28 sitzt und befestigt ist. Dic Buchse 2S
sitzt auf der Verlängerungswelle
22 und ist an dieser beispielsweise
mittels eines Keiles 32 befestigt, der in einem zusammenpassenden Schlitz in der
Welle 22 sowie in einem Schlitz in dem Ende der Buchse 28 sitzt. Der Keil 32 greift
ferner in einem Schlitz in dem Innenumfang des Kernes 18 ein, wodurch der Kern 18,
die Welle 22, die Buchse 28 und die Sekundärwicklung 24 als eine Einheit aneinander
befestigt sind, um die oben genannte Läuferpolanordnung 16 zu bilden.
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Die Verlängerungswelle 22 ist an ihren beiden Enden mit Gewinde ausgebildet
und ist in eine mit Innengewinde versehene axiale Bohrung in dem Ende einer Läuferwelle
des Antriebsmotors 12 eingeschraubt. Die Buchse 28, das induktive Kopplungsteil
26 und die Wicklung 24 sind mittels einer Unterlegscheibe 36 und einer auf dem mit
Gewinde ausgebildeten äusseren Ende der Verlängerungswelle 22 aufgeschraubten Mutter
38 formschlüssig auf der Verlängerungswelle 22 befestigt Wie es weiter unten ausführlicher
beschrieben wird, sind die Läuferpolwicklungen 20 elektrisch mit der Sekundärwicklung
24 durch Leiter 40 verbunden. Wie es aus Figur 1 ersichtlich ist, wird die drehbare
Läuferanordnung 16 vollständig von der Welle 34 des Antriebsmotors 12 getragen und
erfordert daher keine Lagerung.
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Bei der oben erwähnten Ständergehäuseanordnung 14 ist ein tragendes
zylindrisches Gehäuse 42 vorgesehen, das an seinem Befestigungsende mit einer Innenbohrung
44 ausgebildet ist, wodurch das Gehäuse 42 auf dem maschinell bearbeiteten äusseren
Umfang eines Lagergehäuses 46 des Motors 12 sitzt. Das Gehäuse 42 ist aus nichtmagnetischem
Stoff, wie z.B. Aluminium hergestellt und wird auf, dem Lagergehäuse 46 durch eine
oder mehrere in radialer Richtung verlaufende Stellschrauben 48 festgehalten.
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Eine Dreiphasen-Drehfeldgeber-Ausgangs- oder Ständerwicklung 50 und
eine Primär- oder Eingangswicklung 52 der induktiven Kopplung werden in dem Drehfeldgebergehäuse
42 gehalten und bleiben daher ortsfest. Die radiale und axiale Ausrichtung der Einzelteile
des Drehfeldgebers wird demzufolge durch die einzigartige
Ausbildung
des lagerlosen Drehfeldgebers und durch dessen Zusammenbau ermöglicht, um bestimmte
Luftspalte 54 und 56 zwischen den einander zugeordneten Bestandteilen der Läuferanordnung
16 und der Ständeranordnung 14 zu bilden. Die Verwendung von nichtmagnetischen Stoffen
in dem Drehfeldgebergehäuse 42, bei der Buchse 28 und der Verlängerungswelle 22
verringert Streuverluste des Magnetflusses und ruft eine Begrenzung der Magnetstrecken
für die induktive Kopplung (Wicklungen 24, 52) und des Drehfeldgeberabschnittes
(Wicklungen 20, 50) hervor, die für einen optimalen Betrieb des Drehfeldgebers 10
ausreicht.
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Die Primärwicklung 52 der induktiven Kopplung ist um das tragende
C-förmige induktive Kopplungsteil 58 gewickelt, dessen Flanschen 60 radial nach
innen verlaufen. Das Teil 58 sitzt in einem durch eine Bohrung gebildeten Teil 62
des Gehäuses 42, der an dem äusseren, dem Befestigungsende entgegengesetzten Ende
des Gehäuses liegt. Das Kopplungsteil 58 und die Wicklung 52 sind an dem Gehäuse
42 durch mehrere Bolzen 64 befestigt, die um den Umfang des Teiles 58 herum angeordnet
sind. Die Umfangsränder 90 des Kopplungsteiles 58 liegen den Umfangsrändern 91 des
Teiles 26gegenüber und bilden zwischen sich den ringförmigen Luftspalt 56. Leiter
65 sind mit der Primärwicklung 52 verbunden und verlaufen von dieser durch eine
Öffnung in dem Gehäuse 42 und bilden die Außenanschlüsse für die Zuführung des Ansteuerungssignals
zu der Wicklung 52.
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Die Dreiphasen-Drehfeldgeber-Ausgangs- oder Ständerwicklung 50 ist
auf einem Blechkern 66 angebracht, der in eimer weiteren Bohrung 68 in dem Gehäuse
42 sitzt. Der Kern 66 und damit die Wicklung 50 werden in axialer Ausrichtung radial
gegenüber dem Kern 18 und der Wicklung 20 durch eine Abstandsbuchse 69 gehalten,
die zwischen dem Kern 66 und dem induktiven Kopplungsteil 58 sitzt, wobei die einander
gegenüberliegenden Umfangsflächen der Kerne 18 und 66 in Abstand voneinander liegen,
um dadurch den ringförmigen Luftspalt 54 zu bilden. Leiter 70 verlaufen von der
Wicklung 50 und durch eine Öffnung in dem Gehäuse 2, um elektrische Anschlüsse zu
dem zugeordneten
äusseren Steuergerät der Wechselstrom-Antriebsanlage
zu bilden, um das amplitudenmodulierte Signal einzuführen, das die Drehzahl des
Antriebsmotors 12 darstellt.
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Es wird nunmehr Bezug auf Figur 2 in Verbindung mit Figur 1 genommen.
In Figur 2 ist in schematischer Form der bürstenlose Drehfeldgeber 10 gezeigt, bei
dem die induktive Kopplung für die Drehfeldgeberansteuerung durch die Teile angedeutet
ist, die sich innerhalb der gestrichelten Linie 72 befinden. Wie zuvor erwähnt,
wird die induktive Kopplung durch die Primärwicklung 52 und das C-förmige induktive
Kopplungsteil 58, welche ortsfest sind, in Verbindung mit der Sekundärwicklung 24
und dem C-förmigen induktiven Kopplungsteil 26 gebildet, die auf der nichtmagnetischen
Verlängerungswelle 22 des Antriebsmotors 12 befestigt und damit drehbar sind. Die
Primärwicklung 52 wird über den Leiter 65 durch eine Eingangsspannung von beispielsweise
8 bis 10 Kilohertz (einz) erregt, wie es hier drch den 10 NIz-Oszillator 74 angedeutet
ist, um dadurch das Hochfrequenz-Ansteuerungssignal hervorzurufen.
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Der Läuferpolkeni 18 und die Läuferpolwicklungen 20, die hier beispielsweise
nur als ein zweipoliges Teil gezeigt sind, sitzen auf der Verlängerungswelle 22
als eine geschlossene Einheit mit der Sekundärwicklung 24, wie es im Hinblick auf
Figur 1 beschrieben wurde, wodurch beide gleichzeitig mit der Welle 34 des Antriebsmotors
gedreht werden. Die Läuferpolwicklungen 20 drehen sich in den Dre qhasen-Ständerwi
cklungen 50, die in bekannter Dreiphasenform gewickelt sind und in dem Drehieldgebergehäuse
42 ortsfest gehalten werden. Die Leiter 70 sind mit den Anschlüssen der Wicklungen
50 verbunden, um das amplitudenmodulierte Signal zu dem außenliegenden Steuergerät
(nicht gezeigt) hervorzurufen.
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Bei Betrieb wird die ortsfeste Primasichlung 52 durch die Ausgangsgröße
des Oszillators !l mit einem Wechseistromsignal von verhältnismässig hoher Frequenz
erregt, wie es durch die Wellenform 76 algdeutet,ist, und bewirkt durch die induktive
Kopplung
die Induzierung einer Spannung in der drehbaren Sekundärwicklung 24, wie es durch
die Wellenform 78 dargestellt ist.
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Die Wicklung 24 ist ihrerseits mit den Läuferpolwicklungen 20 über
die Leiter 40 elektrisch verbunden. Bei im Ruhezustand befindlicher Läuferpolanordnung
i6 des Drehfeldgebers wird in eine Spannung in die Dreiphasenwicklungen 50 der Ständergehäuseanordnung
14 induziert. Die Frequenz der Ständerwicklung-Spannungen ist die Trägerfrequenz,
die bei diesem Ausführungsbeispiel 10 Wz beträgt, und die Phasenspannung-Amplituden
werden durch die physikalische Ausrichtung der Läuferanordnung 16 gegenüber der
Ständergehäuseanordnung 14 bestimmt. Dieses Merkmal macht den Drehfeldgeber 10 für
die Übertragung von Winkelbewegungssignalen brauchbar, die durch das Fühlen der
erzenuten Phasenspannungsamplituden bestimmt werden.
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Wenn sich die Welle 34 des Antriebsmotors dreht und daher auch die
Läuferpolaiiordnung 16 gedreht wird, ist die Ausgangsgröße der Ständerwicklungen
50 ein dreiphasiges amplitudenmoduliertes Signal auf der von dem Oszillator 74 gebildeten
Trägerfrequenz von 10 Elz, wie es durch die Wellenform 80 gezeigt ist. Die Frequenz
der Modulationshüllkurve 82 ist damit eine Anzeige der Drehzahl der Wellen 34, 22.
Bei einem zweipoligen Drehieldgeber, wie er in den Zeichnungen gezeigt ist, bildet
die Ausgangsgröße eine Periode für jede vollständige Drehung der Welle 22. Bei einem
vierpoligen Drehfeldgeber würden an der Ausgangsseite zwei Perioden des modulieltell
Signal 5 erscheinen und ein sechspoliger Drehfeldgeber würde zu drei Perioden des
modulierterl Signals bei jeder vollständigen Wellenumdrehung führen. Die Phasenfolge
der Ausgangsgröße der Dreiphasen-Dreiifeldgeber-Ständerwicklungen 90 kann durch
eine (nicht gezeigte) bekannte Phasenfühlschaltung festgestellt werden und zeigt
die Richtung der Drehung des Antriebsmotors 12 unabhängig davon an, ob der Drehfeldgeber
10 von zweipoliger, vierpoliger oder sechspoliger -usbildunr ist. Im allgemeinen
wird der Drehfeldfieber 10 mit der gleichen Anzahl von Läuferpolen wie der Motor.
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ausgelegt, dessen Läuierfrefluenz überwacht wird.