DE2341243A1

DE2341243A1 - Elektrischer generator, insbesondere tachogenerator

Info

Publication number: DE2341243A1
Application number: DE19732341243
Authority: DE
Inventors: Michael Edward Gailes; Michael Gilbert Sutton
Original assignee: British Domestic Appliances Ltd
Current assignee: British Domestic Appliances Ltd
Priority date: 1972-08-16
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1974-04-04
Also published as: AU5920773A; AU476060B2; US3829724A; GB1381374A; JPS4985505A; FR2196542B3; DE2341243C2; ES417897A1; IT994609B; JPS5644380B2; FR2196542A1

Description

Porkstiaiie

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BRITISH DOMESTIC APPLIANCES LIMITED, Peterborough, England

Elektrischer Generator, insbesondere Tachogenerator

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Generatoren und insbesondere auf Techogeneratoren bzw. Tachometergeneratoren, die in Schaltungen zur Regelung der Drehzahl von Elektromotoren verwendet werden.

Darartige Tachogeneratoren dienen gewöhnlich dazu, ein der Drehzahl des Motors proportionales Signal zu erzeugen, das in einem Regler mit einem Bezugssignal und in manchen Fällen mit einem v/eiteren. Signal verglichen wird, das der Belastung des Motors proportional ist, um ein Korrektursignal abzuleiten, durch das .eine Einstellung der Motorgeschwindigkeit bewirkt wird, bis das Ausgangssignal des Generators so .groß ist, daß kein Kor— rektursignal vom Regler mehr erzeugt wird. Somit ist ersichtlich, daß durch Beeinflussung der Ausgangsspannung des Generators für eine gegebene Motorgeschwindigkeit die Solldrehzahl des Motors geregelt werden kann.

Bei einer bekannten Bauform eines Generators mit einem Dauermagneten als Rotor und einem damit magnetisch gekoppelten hufeisenförmigen Magnetjoch, das mit einer Spule bewickelt ist,

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wird die Beeinflussung der Ausgangs spannung mit Hilfe eines magnetischen Nebenschlusses zwischen den Schenkeln des Joches bewirkt, der durch eine Schraubvorrichtung verstellt wird, die den Luftspalt zwischen den Schenkeln verändert. Diese Ausführung ist verwickelt und erfordert besondere Werkzeuge, um die Einstellung vorzunehmen.

Die Erfindung strebt hier eine Vereinfachung und Verbesserung an und sieht zu diesem Zweck einen elektrischen Generator mit einem drehbaren Dauermagneten und einer feststehenden Spule im Abstand von dem Magneten vor, bei dem ein ringförmiges Glied aus magnetischem Material exzentrisch in bezug auf die Drehachse - des Magneten angeordnet ist und wenigstens einen Vorsprung aufweist, der in den Zwischenraum zwisehen dem Magneten und der Spule hineinragt, um einen Weg für den mit der Spule zu koppelnden Magnetfluß zu bilden, wobei der Vorsprung verstellbar ist, derart, daß die Ausgangsspannung für eine gegebene Drehgeschwindigkeit des Magneten geändert wird. Die Spule kann ebenfalls um den Magneten herum exzentrisch in bezug auf dessen Achse angeordnet sein.

Der oder jeder Vorsprung bildet vorzugsweise einen integrierenden Bestandteil des ringförmigen Gliedes und ist durch Verändern der Stellung des Gliedes selbst einstellbar.

Vorzugsweise ist die Spule gleichachsig mit dem ringförmigen Glied angeordnet, das zweckmäßig durch Drehen um seine eigene Achse einstellbar ist. Wegen der Exzentrizität des ringförmigen Gliedes in bezug auf die Drehachse des Magneten wird durch eine Winkerbewegung des ringförmigen Gliedes um seine eigene Achse eine Änderung in der Weite bzw. Breite, des Luftspalts zwischen dem oder jedem Vorsprung an dem ringförmigen Glied und dem Magneten bewirkt, wodurch der Anteil des die Spule durchsetzenden Magnetflusses und damit deren Ausgangssoannung verändert wird.

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Zweckmäßig umgibt die Spule den drehbaren Magneten, mit dem sie allgemein koplanar bzw. in einer Ebene angeordnet ist, während der oder jeder Vorsprung sich axial in den Zwischenraum zwischen dem Magneten und der Spule erstreckt.

Der Generator kann an einem Elektromotor angebracht sein, so daß er als Tachogenerator arbeitet, der eine Ausgangsspannung liefert, die von der Geschwindigkeit des Motors abhängt und einer Schaltung für die Regelung der Motorgeschwindigkeit in bekannter Weise zugeführt wird, wobei der Magnet an der Motorwelle und die Spule am Motorgehäuse befestigt sind.

Der Magnet ist vorzugsweise ein mehrpoliger, randmagnetisierter scheiben— oder ringförmiger Körper, der lösbar an der ¥elle eines Motors befestigt ist, derart, daß er leicht durch andere Magneten mit abweichenden Polzahlen ersetzt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spule auf einen ringförmigen Spulenkörper aus Isoliermaterial gewickelt, an dessen Umfang Wellungen ausgebildet sind, und das ringförmige Glied weist an seinem Umfang einen ringförmigen bzw. zylindrischen Flansch auf, der die Spule umgibt und mit Eindrücken an seinem freien Rande versehen ist, die in die Wellungen am Spulenkörper eingreifen, wodurch die Winkelstellung des ringförmigen Gliedes relativ zum Spulenkörper schrittweise verändert werden kann. Durch diese Verstellung wird die Weite des Luftspaltes zwischen den an dem ringförmigen Glied ausgebildeten VorSprüngen und dem Magneten geändert, wie oben bereits erwähnt.

Eine Ringscheibe aus magnetischem Material, deren Permeabilität sich mit der Temperatur umgekehrt proportional zur Permeabilität des Magneten ändert, kann angrenzend an den Magneten angeordnet sein, um Änderungen im Magnetfluß des Magneten infolge von

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Temperaturänderungen zu kompensieren.

Der Generator nach der Erfindung ist von besonderem Wert, wenn er an einem Elektromotor als Tachogenerator angebracht ist, um eine der Drehgeschwindigkeit der Motorwelle proportionale Ausgangsspannung abzugeben, und zum besseren Verständnis der Erfindung ist daher e'in solcher Generator als Beispiel nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines mit dem Generator versehenen Motors;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Generators und eines Teils des Motors;

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt, nach der Linie III—III in Fig. 2, der nur den Generator mit der Einstellvorrichtung wiedergibt;

Fig. 4 einen vergrößerten Längsschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 1, der die Verbindung von Generator und Motor verdeutlicht.

Gemäß der Zeichnung ist ein Dauermagnet 1 in Form einer mehrpoligen randmagnetisierten Scheibe, vorzugsweise aus Barium— ferrit—Sintermaterial, mittels einer Schraube 3 und einer Unterlegplatte 4 lösbar an der Welle eines Motors 2 befestigt, bei dem es sich um einen Gleichstrommotor für den Antrieb der die Wäschestücke aufnehmenden Trommel einer Waschmaschine handeln kann. Ein Spulenkörper 5 aus Isoliermaterial ist mit einer Spule β aus feinem Kupferdraht bewickelt und an einer Stirnseite des Gehäuses des Motors angebracht, und zwar exzentrisch in bezug auf die Motorwelle 7, derart, daß der Magnet sich innerhalb der

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Spule dreht. Der Spulenkörper 5 ist mit zwei sich diametral gegenüberstehenden Flanschen 10 versehen, durch die er am Gehäuse des Motors 2 durch Schrauben 10a, wie dargestellt, oder durch andere geeignete Mittel befestigt ist.

Ein ringförmiges Glied bzw. ein Deckring 8 aus Stahl, an dessen äußeren Umfang ein axial gerichteter zylindrischer Flansch 8a ausgebildet ist, umschließt die Spule 6 und dient der Führung des Magnetflusses. An dem radial nach innen gerichteten Umfang des Deckrings 8 sind zwei Vorsprünge 9 ausgebildet, die in Achsrichtung in den Luftspalt zwischen dem Magneten 1 und dem Spulenkörper 5 hineinragen.

Gemäß Fig. 3 sind an dem Flansch 8a zwei Paare von diametral gegenüberstehenden Eindrückungen 11 ausgebildet, die gleich— massig um den Umfang des Flansches herum verteilt sind und die in Wellungen 12 eingreifen, die am äußeren Rand des Spulenkörpers 5 vorgesehen sind, wodurch der Deckring 8 in irgendeiner Winkelstellung gehalten wird. Eine an die Wellungen 12 angrenzende Um— fangsrippe 11a des Spulenkörpers 5 dient dazu, den Deckring 8 gegen Verschiebung in Achsrichtung zu sichern, wenn er auf den Spulenkörper 5 aufgebracht ist, wobei der freie Rand des Flansches 8a abgeschrägt ist, um den Deckring auf den Spulenkörper aufbringen zu können, indem der Flansch 8a in Achsrichtung über die Rippe 11a geschoben wird, bis die Eindrückungen hinter die Rippe schnappen und in die Wellungen 12 eingreifen.

Der Sitz des Deckrings 8 auf dem Spulenkörper ist so beschaffen, daß eine Verstellung der beiden Vorsprünge im Luftspalt zwischen dem Magneten 1 und dem Spulenkörper 5 in kleinen Abständen vorgenommen werden kann, indem der Deckring 8 relativ " zum - Spulenkörper 5 schrittweise gedreht wird.

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Ss ist einzusehen, daß die Anzahl der Vorsprünge 9 bis zu einem Höchstwert geändert v/erden kann, der gleich der Anzahl der Pol— paare am Magneten weniger eins ist. Wenn die Anzahl der Vorsprünge größer als eins ist, sind sie voneinander um das Doppelte der Polteilung entfernt. Bei der dargestellten Ausführungsform hat der randmagnetisierte Scheibenmagnet 1 vier Polpaare und der Deckring 8 ist mit zwei um 90 versetzten Vorsprünge'n versehen.

Der "beschriebene Generator arbeitet wie folgt. Wenn der Magnet stillsteht und sich in einer solchen Stellung befindet, daß zwei der Nordpole des Magneten 1 mit den beiden Vorsprüngen 9 zusammenfallen, verläuft der magnetische Fluß durch die Luftspalte zwischen dem Magneten 1 und den Vorsprüngen 9, längs den Vor— Sprüngen, über den Deckring 8 und zu den Südpolen am Magneten zurück über den Luftspalt zwischen dem Deckring 8 und dem Magneten 1, wodurch die Spule 6 mit einem Anteil des Magnetflusses gekoppelt wird.

Als nächstes wird die Drehung des Magneten 1 betrachtet. Wenn dis Welle 7 des Motors 2 sich dreht, bewegen sich abwechselnd Nord- und Südpole des Magneten 1 an den Vorsprüngen 9 vorbei und verursachen eine sinusförmige Änderung des von der Spule erfaßten Magnetflusses, so daß in dieser eine sinusförmige Spannung induziert wird. Da die Änderungsgeschwindigkeit des die Spule durchsetzenden Magnetflusses für die Ausgangsspannung des Generators maßgebend ist, führt eine Zunahme der Drehzahl der Welle und damit des Magneten zu einer Erhöhung der Ausgangs— spannung und —frequenz.

Herrn jetzt der Deckring gedreht wird, wird der wirksame Luftspalt zwischen dem Magneten und den Vorsprüngen 9 verändert, und zwar wegen der Exzentrizität des Statorgebildes in bezug auf die Drehachse des Magneten, wodurch sich eine Änderung des Anteils des die Spule 6 durchsetzenden Magnetflusses und damit

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der Ausgangsspannung des Generators ergibt, jeweils'für eine gegebene Drehgeschwindigkeit der Welle.

Eine Metallscheibe 21 (Fig. 4) mit hphem Nickelgehalt, die eine Änderung der magnetischen Permeabilität mit der Temperatur erfährt, welche umgekehrt proportional zu derjenigen des Dauermagneten ist, ist neben dem Magneten innerhalb des Weges des magnetischen Flusses angeordnet und wirkt als Temperaturkoinpen— sationsvorrichtung für den Magneten 1.

Es ist ersichtlich, daß ein Generator nach der Erfindung eine einfache und billige Ausführung besitzt und leicht von Hand eingestellt werden kann, ohne Sonderwerkzeuge zu benötigen. Doch bringt es eine einfache und billige Ausführung mit sich, daß die normale Ausgangsspannung des Generators bei einer gegebenen Drehgeschwindigkeit des Magneten sich von einer Einheit zur anderen ändert, zum Beispiel infolge von unterschiedlichen magnetischen Polstärken, Änderungen in der Windungszahl der Spulen, abweichende Relativstellungen der einzelnen Teile; aber die einfachen Hilfsmittel für die Einstellung ermöglichen, die Ausgangsspannung schnell und leicht auf die erforderliche Größe zu korrigieren, um diese Unterschiede ohne Verwendung von Sonderwerkzeugen auszugleichen.

Anzahl von Faktoren beeinflußt den Ausgang eines Generators nach der Erfindung für eine gegebene Motordrehzahl in Verbindung mit dem Einstellbereich, und zwar wie folgt:

1) Für einen gegebenen Grad der Exzentrizität des Deckrings in bezug auf den Magneten, die Größe des Magneten, die Spulen— größe, die Windungszahl der Spule und die Achsstellung des Magneten wird durch Erhöhung der Anzahl der VorSprünge die wirksame Ausgangsspannung vergrößert, aber der Einstellbereiche verkleinert. In gleicher Weise wird durch Verringerung der

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Anzahl der Vorsprünge die v/irksame Ausgangsspannung herabgesetzt, aber der Einstellbereich vergrößert.

2) Wenn alle anderen Faktoren als fest angesehen werden, wird durch eine Vergrößerung des Exzentrizitätsgrades des Deckrings in bezug auf den Magneten der Einstellbereich vergrößert.

3) Wiederum wenn alle Faktoren fest bleiben, wird durch eine Vergrößerung des mittleren Luftspalts zwischen den Vorsprüngen und dem Magneten die v/irksame Ausgangsspannung herabgesetzt.

Für den Magneten läßt sich eine nominale Achsstellung finden, beiderseits welcher kleine axiale Bewegungen einen geringen Unterschied in der Ausgangsspannung ausmachen, aber ausreichen, um in dem Motor sich einstellender Toleranz oder Abweichung Rechnung zu tragen.

Da der Aufbau des Generators symmetrisch in bezug auf die Motorwelle ist, ergibt sich für beide Drehrichtungen die gleiche Ausgangsspannung.

Sin magnetischer Streufluss schneidet die Spule an beiden Seiten, so daß keine Änderung in der Ausgangsspannung auftritt.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Generator ist von besonderem Wert, wenn er als Tachogenerator in einem Regelkreis eines Waschmaschinenmotors verwendet wird, da die Justierung der Ausgangsspannung des Generators und damit der Geschwindigkeit des Antriebsmotors in dem umgrenzten Raum der Waschmaschine erfolgen kann.

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Bei der oben beschriebenen besonderen Ausführungsform kann der Motor 2 ein Gleichstrommotor sein, der für den Antrieb der die Fasehe aufnehmenden Trommel einer sogenannten (hinsichtlich der Achse) waagerechten Waschmaschine verwendet wird. Hier ändert sich praktisch die Belastung aufgrund von Faktoren wie dem Gewicht der Wäsche und ihrer Verteilung in der Trommel, und daher hat die Geschwindigkeit des Motors die Tendenz, je nach der Größe der ihn treffenden Belastung zu steigen und zu fallen. Wenn dies geduldet würde, wäre das Verhalten der Maschine offenbar nicht zulässig, und es folgt daraus, daß zur Durchführung eines optimalen Wasch- und Schleudervorgangs die Geschwindigkeit der Trommel unter allen Umständen auf konstanter Höhe gehalten werden muß. Dies kann durch Änderung der dem Motor zugeführten Spannung bewirkt werden, so daß, wenn zum Beispiel die Belastung zunimmt, die Spannung proportional erhöht werden muß, um seine Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Diese Spannungsregelung kann durch eine Festkörpersteuerschaltung und eine Tachogenerator— rückkopplungseinrichtung vorgenommen werden.

Der Tachogenerator ist an dem Motor so angebracht, daß er durch die Motorwelle angetrieben wird und eine niedrige Ausgangsspannung abgibt. Die· Spannung wird gleichgerichtet und geglättet in einem Steuermodul', um ein Gleichstromausgangssignal zu erhalten, das der Motorgeschwindigkeit proportional ist. Die negative Rückkopplung (etwa 2,5 Volt) reicht allein nicht aus, um die Motorgeschwindigkeit zu steuern, weshalb eine weitere Rückkopplung vom Motorstrom abgeleitet wird, die der Belastung in der Trommel proportional ist. Der modulare Geschwindigkeitsregler ist so angeordnet, daß die beiden Rückkopplungsausgänge mit einer festen Spannung verglichen werden und die Differenz zwischen ihnen dazu verwendet wird, den Strom zu regeln, der durch einen der Motorsteuerschaltung zugeordneten.Thyristor fließt. Wenn somit dem Motor eine feste Spannung bei einer gegebenen Geschwindigkeit ohne Belastung zugeführt und dann eine Belastung aufgebracht würde, würde der

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Motor anfangen, langsamer zu laufen, und die Ausgangs spannung des Tachogenerators würde abnehmen. Zugleich würde der Motorstrom wegen der aufgebrachten Belastung zunehmen und die positive oder Stromrückkopplung würde ebenfalls ansteigen. Durch Vergleichen der Differenz zwischen der negativen Rückkopplung, der Stromrückkopplung und der festen Spannung würde der Thyristor stärker leitend gemacht, wodurch der Motor veranlaßt wird, ζμ seiner richtigen Geschwindigkeit zurückzukehren.

Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht, den Magneten 1 und den Deckring 8 schnell gegen einen anderen Magneten und einen anderen Deckring auszuwechseln, die andere Anzahlen von Polen und Vorsprüngen haben und abweichenden Betriebsbedingungen unterliegen.

Es ist noch hervorzuheben,. daß, wenn auch die Erfindung an einem bevorzugten Anwendungsfall auf einen Generator mit radialem Luftspalt beschrieben worden ist, die Erfindung mit Vorteil auch bei einem Generator mit ebenem Luftspalt angewendet werden kann, bei dem der oder jeder Vorsprung an dem Deckring radial in den Luftspalt zwischen dem Magneten und der Spule hineinragt und bei dem durch Verstellen des Deckrings bzw. ringförmigen Glieds die radiale Stellung des oder jedes Vorsprungs geändert wird, um die Ausgangsspannung der Spule zu beeinflussen.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrischer Generator mit einem drehbaren Dauermagneten, einer im Abstand von dem Magneten feststehenden Spule und einem ringförmigen Glied aus magnetischem Material, das wenigstens einen Vorsprung aufweist, der in den Zwischenraum zwisehen dem Magneten und der Spule hineinragt und einen Weg für den mit der Spule zu koppelnden Magnetfluß bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Glied (8) exzentrisch in bezug auf die Drehachse des Dauermagneten (1) angeordnet ist und die Stellung jedes Vorsprungs (9) regelbar ist, derart, daß die Ausgangsspannung der Spule (6) für eine gegebene Drehzahl des Magneten geändert wird.

2. Generator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (6) um den Magneten (1) herum exzentrisch in bezug auf dessen Drehachse angeordnet ist.

3. Generator nach Anspruch ■ 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (6) gleichachsig mit dem ringförmigen Glied (8) angeordnet ist.

4. Generator nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,

daß der oder jeder Vorsprung (9) einen Bestandteil des ringförmigen Glieds (8) bildet und seine Stellung durch Verstellen des ringförmigen Glieds_gregelbar ist.

5. Generator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stellung des oder jedes Vorsprungs (9) durch Drehen des ringförmigen Glieds (8) um seine eigene Achse regelbar ist.

6. Generator nach Anspruch 5, . dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (6) den drehbaren Dauermagneten (1) umgibt und allgemein koplanar mit diesem angeordnet ist und der oder jeder vorsprung (9) sich axial in den Zwischenraum zwischen dem Magneten (1) und der Spule (6) erstreckt.

7. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spule (6) auf einen ringförmigen Spulenkörper (5) aus Isoliermaterial gewickelt ist, der an seinem Umfang mit Wellungen (12) versehen ist, und das ringförmige Glied (8) einen axial gerichteten ringförmigen Flansch (8a) aufweist, der die Spule (6) umgibt und mit Eindrückungen (11) versehen ist, die nachgiebig an den Wellungen (12) des Spulenkörpers (5) angreifen und die Winkelstellung des ringförmigen Glieds relativ zum Spulenkörper in kleinen Winkelschritten zu verstellen gestatten.

8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (1) am Ende der Welle (7) und die Spule (6) am Gehäuse eines Motors (2) befestigt sind, um eine von der Drehzahl der Motorwelle abhängige Spannung zu gewinnen.

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9. Generator nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangsspannung der Spule einer Steuerschaltung für die Regelung der Drehzahl der Motorwelle zugeführt wird."

10. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ν

daß der Dauermagnet (1) leicht lösbar gehalten und so seine Auswechslung gegen einen anderen Magneten mit einer abweichenden Anzahl von Polen erleichtert ist.

11. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß ,der Dauermagnet (1) ein randmagnetisierter scheiben— oder ringförmiger Körper ist.

12. Generator nach Anspruch 11, . dadurch gekennzeichnet,

daß der Dauermagnet (1) mit vier Polpaaren versehen ist und an dem ringförmigen Glied (8) zwei Vorsprünge (9) ausgebildet sind, die um 90 Grad in bezug auf die Achse des ringförmigen Glieds gegeneinander versetzt sind.

13. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß er als Tachogenerator in eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors einbezogen ist.

14. Generator nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß er als Tachogenerator in eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl eines Elektromotors für den Antrieb einer Waschmaschine einbezogen ist. ReNeu/Pi. 40.9814/0349

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