DE2551671A1

DE2551671A1 - Geraet zur regelung des magnetflusses

Info

Publication number: DE2551671A1
Application number: DE19752551671
Authority: DE
Inventors: Joseph Phillip Franz; Allan Barr Plunkett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-18
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2292369B1; JPS6099897U; JPS5175915A; FR2292369A1; US4011489A; DE2551671C2; CA1053321A

Description

Gerät zur Regelung des Magnetflusses

Die Erfindung betrifft allgemein Leistungssteuerschaltungen für Induktionsmotoren und insbesondere die Flußregelung eines Induktionsmotors mit variabler Drehzahl.

Bei der Steuerung der Drehzahl in einem Traktionsfahrzeug ist es erwünscht, das Ausgangsdrehmoment des Systems zu regeln und insbesondere ein vorgegebenes verfügbares Drehmoment an der Ausgangswelle des Motors aufrechtzuerhalten. Dies kann leicht bewerkstelligt werden, wenn die rotierende Magnetfeldstärke oder der Flußpegel im Luftspalt des Motors bestimmt werden. Im Falle eines Wechselstrom-Motors ist es bei einer Änderung der erforderlichen Drehzahl des Motors notwendig, die Frequenz der Leistungsversorgung zu ändern,und dabei muß die Motorspannung

609822/032A

7551671

entsprechend verändert werden, um den gewünschten Flußpegel aufrechtzuerhalten. Es gibt daher eine Anzahl von verschiedenen Arten von Spannungssteuersystemen zur Steuerung des Verhältnisses der Spannung zur Frequenz in Hertz gemäß den bestimmten Erfordernissen eines Wechselstrom-Motors. Sie besitzen alle bestimmte Nachteile; hierzu gehört die Notwendigkeit für einen beträchtlich großen Flußspielraum, welcher den Drehmoment-Wirkungsgrad des Motors vermindert. Der Flußspielraum wird weiterhin vergrößert durch die Steuerfehler, welche durch Änderungen in den Parametern des Motors eingebracht werden (d. h. die Temperatur usw.). Beispielsweise wird zur Aufrechterhaltung eines konstanten Flusses die Motorspannung unter Zuhilfenahme einer Bezugsmodellkennlinie des Motors gesteuert. Da alle Kenngrößen nicht genau in dem Modell enthalten sein können, wird hierdurch ein Fehlerspielraum eingebracht, und wenn sich die Motorparameter gegenüber den Kenngrößen des Modells ändern, dann wird der Fehlerspielraum vergrößert.

Ebenfalls ist bei Steuerung der Spannung ohne Bezugnahme auf einen Modellmotor der theoretische Flußpegel für eine einzige Spannung verschieden für den Fahrbetrieb und den Bremsbetrieb. Während des Fahrbetriebes ist der resultierende Fluß geringer als er sich im Idealfalle aus der zugeführten Spannung ergeben würde, da ein Leistungsverlust infolge des Widerstandes und der Reaktanz des Motors auftritt. Während des Bremsbetriebes, in dem der Motor als Generator wirkt, ist das Gegenteil der Fall, d. h. die Spannung baut sich auf und der resultierende Fluß ist größer als im idealen Fall. Ebenso verursacht bei der Abbremsung mit geringen Drehzahlen der Spannungsabfall IR Stabilitätsprobleme in dem System. Dies geschieht, da sowohl die Spannungsquelle als auch der Motor Leistung erzeugen zur Überwindung der inneren Motorverluste.

Ein weiteres Erfordernis für Spannungssteuersysteme unter Benutzung von Modellmotor-Kennlinien ist die Forderung nach einer genauen Kenntnis der Schlupffrequenz des Motors. Diese kann nur erhalten werden durch Verwendung eines digitalen Tachometers und einer digitalen Frequenzsteuerung, wenn zur Erzielung eines hohen

609822/0324

7R51R71 - 3 -

Wirkungsgrades ein Motor mit geringem Schlupf verwendet wird.

Die vorgenannten Probleme werden gemäß einem Aspekt der Erfindung vermieden, bei dem der Plußpegel in dem Luftspalt des Motors bestimmt wird und jegliche Änderung in dieser Größe gegenüber einem vorgegebenen Plußpegel eine Spannungsänderung bewirkt, die dazu neigt, einen erwünschten Plußpegel im Luftspalt im Motor aufrechtzuerhalten. Eine Meßspule für den Fluß wird in den Motorstator eingefügt und ihre Ausgangsgröße wird integriert, um ein Spannungssignal zu erhalten, das repräsentativ ist für den Flußpegel im Luftspalt. Das Spannungssignal wird dann mit einem Bezugssignal verglichen, und die Differenz wird verstärkt, um ein Signal für die Größe Volt pro Hertz zu erhalten, welches dann zugeführt wird, um den Eingangsspannungspegel zum Motor einzustellen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung besitzt ein Mehrphasen-Motor eine Flußmeßspule in jeder Phase, und die Ausgangssignale werden integriert, gleichgerichtet und summiert, um ein Signal für den Mittelwert des Motorflusses zu erhalten, das dann mit dem Bezugssignal verglichen wird.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden mehrere Motoren mit Flußspulen ausgestattet, wobei die Spulen der gleichen Phase parallel mit einem gemeinsamen Integrator für diese Phase verbunden werden. Durch diese Redundanz ergibt sich eine gegen Ausfälle abgesicherte Schaltung, welche weiter arbeitet für den Fall, daß einer der Meßfühler defekt wird.

Figur 1 ist eine Schaltzeichnung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 ist eine schematische Ansicht des Stators und zeigt den Teil des Aufbaus mit dem Meßfühler in der bevorzugten Aus führungs form.

6098 2 2/0324

7551671

-I₁-

Figur 3 ist eine Schaltzeichnung und zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Schaltung zur Umwandlung der Ausgangssignale der Meßfühler in einen Mittelwert für den Fluß.

Figur ¹J ist eine perspektivische Ansicht der Meßspule für den Fluß gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 5 ist eine Endansicht des Motorstators mit den angebrachten Flußmeßspulen.

Figur 6 zeigt eine elektrische Schaltung eines Teils der Motorstatorwicklungen mit eingefügten Meßfühlerwicklungen.

Figur 7 ist eine Übersicht über das Wicklungsmuster· des Motors mit den relativen Lagen der Meßfühlerspulen und der Hauptspulen.

Figur 8 ist eine Schaltzeichnung der Flußmeßspulen bei der gegenseitigen Verbindung zwischen mehreren Motoren.

E3 wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 1, in der die Flußregler-Steuerschaltung nach der vorliegenden Erfindung allgemein bei 10 gezeigt ist und einen Teil der Leistungssteuerschaltung eines typischen Antriebssystems mit einem Wechselstrom-Induktionsmotor M bildet, der während des Fahrbetriebes Antriebskraft liefert und während des Betriebes mit dynamischer Bremsung oder regenerativer Bremsung als ein Generator wirkt. Alternativ hierzu kann eine Vielzahl von Motoren vorgesehen sein, wie dies noch nachstehend weiter erläutert wird.

Die Leistung zu dem Dreiphasen-Wechselstrominduktionsmotor wird von einer Gleichspannungsquelle 11 über ein Tiefpaß-Leitungsfilter 12 und einen Inverter 13 geliefert. Die Gleichstromleistungsquelle ist typischerweise eine dritte Schiene, welche von Teilstationen versorgt wird, die eine im wesentlichen konstante Gleichspannung mit variablen vorübergehenden Spannungsspitzen liefern. Das Leitungsfilter 12 wird benutzt, um eine etwaige

609822/0324

? R R1 6 7 1

Interferenz mit einem Signalsystem auf ein Minimum zu bringen, vorübergehende Gleichspannungsschwankungen der Quelle an der Inverterseite des Filters zu unterdrücken und eine "steife" Gleichspannungsquelle für den Betrieb des Inverters zu erhalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung auch anwendbar für die Verwendung mit eine'm Zyklokonverter, der von einer Wechselspannungsquelle arbeitet. In einer solchen Schaltung werden die Gleichspannungsleistungsquelle 11, das Filter 12 und der Inverter 13 durch eine Wechselspannungsquelle und einen Zyklokonverter ersetzt, wobei der übrige Teil in im wesentlichen gleicher Weise wie bei dem Inverter arbeitet.

Der Inverter 13 verwendet Festkörperbauteile zur Erzeugung einer Dreiphasen-Leistung mit variabler Frequenz und variabler Spannung aus der Gleichspannungsquelle, um eine LeistungsVersorgung des Motors für den Betrieb mit variabler Drehzahl zu erhalten. Um die gewünschten Drehmoment-Ausgangswerte zu erhalten und auch Änderungen der Leitungspannung, der Belastung und des Spannungsabfalls in den Kabeln, im Inverter und im Leitungsfixter zu kompensieren, ist es notwendig, die Spannungen, die Frequenzen oder beide zu ändern. Die Steuerung des Inverters zur Erhaltung der gewünschten Frequenz und Spannung wird daher erhalten durch einen Wellenformgenerator I¹I, welcher Eingangssignale für die gewünschte Statorfrequenz ^γπλφπρ ^von einer Frequenzsteuerschaltung 16 und Eingangssignale für eine gewünschte Spannung V von der Spannungssteuerschaltung 10 erhält. Der Wellenformgenerator ist allgemein in einer bekannten Bauform ausgeführt, wie sie in dem Werk "Operational Amplifiers, Design and Application", Tobey, Graeme & riuelsman, McGraw-Hill, 1971, beschrieben wird. Das Ausgangssignal desselben ist vorzugsweise eine Sinuswelle, deren Amplitude durch das Eingangssignal V bestimmt wird und deren Frequenz durch das Eingangssignal fSTATOR ^bestimmfc wird. Es können jedoch verschiedenartige andere Wellenformen ebenfalls erzeugt werden, beispielsweise Rechteckwellen oder Sägezahnwellen.

609822/0324

7551671

Eines der Eingangssignale zur Prequenzsteuerschaltung 16 ist die Soll-Motorstromstärke oder I_CAll· dieses Gleichspannungssignal wird durch eine Logik 17 erzeugt, welche die Zuglinien- oder Steuerbefehle in ein entsprechendes Stromstärke- und damit Drehmomentsignal umwandelt. Die Größe L·,.. ist ein positives Signal beim Fährbetrieb und ein negatives Signal beim Bremsbetrieb. Weitere Eingangssignale zur Prequenzsteuerschaltung enthalten ein Gleichspannungs-Rückkopplungssignal ImqtoR^{1 das} P^roP^or>tional der Motorstromstärke ist und vom Motor zurückgekoppelt wird, und die Wellenfrequenz fcu/ipT» welche vom Motor durch das Tachometer 18 zurückgekoppelt wird. Ein Rückkopplungselement 20 wandelt die drei Leitungswechselströme des Motors in den Rückkopplungsgleichstrom Imqtor ^um* ^Di^{es kann aui%} verschiedene Arten erreicht werden, von denen drei bekannt sind, nämlich gleichgerichtete Stromstärke, Realstromstärke oder kompensierte Realstromstärke.

Es wird besonders Bezug genommen auf die Prequenzsteuerschaltung 16, in der das Signal Iqatt für die Soll-Stromstärke und das Signal Ι_ΜΟΤΟο ^{für d}^-^e Ist-Stromstärke des Motors Gleichspannungssignale sind, welche in einem Addierglied 21 verglichen werden, wobei die Differenz über die Leitung 22 dem Integrator 24 zugeführt wird. Der Integrator 24 umfaßt einen Rechenverstärker 26 mit Eingangswiderstand 23 und besitzt als Rückkopplungselemente den Widerstand 27 und den Kondensator 28 und stellt den Schlupf auf den Wert ein, welcher für die gewünschte Motorstromstärke und damit das Drehmoment erforderlich ist. Die Soll-Schlupffrequenz oder gewünschte Schlupffrequenz Fq_Ljp wird auf der Leitung 29 als ein positives Signal aufgeprägt beim Fährbetrieb und als ein negatives Signal beim Bremsbetrieb. In dem Integrator 24 besitzt das Schleifenübertragungsmaß die Form (S + W)/S. Die Polstellen am Ursprung ergeben einen Fehler 0 für den stationären Zustand, und die Nullstelle (S+W) gestattet ein schnelleres Ansprechen der Schleife bei einem gegebenen Dämpfungsgrad.

Die Frequenz an den Anschlußklemmen des Weehselstrom-Induktionsmotors wird durch das Addierglied 31 eingestellt, welches die Eingangs signale vom Sollwert der Schlupf frequenz i*_SLIP ^{und der}

609822/0324

7551671

Ist-Frequenz der Welle f_SJ,.™,, welche auf der Leitung 32 empfangen wird. Das Soll-Frequenzsignal i*_STArp_0R wird daher erzeugt durch Ablesung der Wellendrehzahl und Addition (im Fahrbetrieb) oder Subtraktion (im Bremsbetrieb) der Soll-Schlupffrequenz fqrjp und der Rotorfrequenz f_R0T0R" ^D^^{ese Funkt}i^ori kann entweder digital oder durch analoge Einrichtungen ausgeführt werden. Es ist zu beachten, daß bei der Addition des Schlupfes kein hohes Maß der Genauigkeit erforderlich ist, da die Stromrückkopplungsschaltung Fehler in der Frequenz-Addiereinrichtung kompensieren wird, so daß das Tachometer 18 weggelassen werden kann, ohne die Steuergenauigkeit zu beeinträchtigen. Das Frequenzsignal fom_Arprm wird dann über die Leitung 33 an den Wellenformgenerator 14 weitergegeben, dessen entsprechendes Ausgangssignal über die Leitung 34 zur Steuerung des Inverters 13 abgegeben wird. Bei der Erzeugung des Spannungssignals V zum Wellenformgenerator 14 sei nunmehr die Flußsteuerschaltung 10 in ihrem Betrieb im Zusammenwirken mit dem Motor M (siehe Figur 2) betrachtet. Der Motorstator 36 besitzt einen konventionellen Aufbau und umfaßt abwechselnd am Umfang beabstandete Zähne 37 und Nuten 38, wobei die Nuten darin gehalterte und durch Keile 41 befestigte Hauptspulen 39 besitzen. An seinen beiden Seiten ist der Luftspalt 43 durch den Stator 36 und den Rotor 42 begrenzt, in dem der Flußpegel auf einem konstanten Wert gehalten werden soll.. Dies wird teilweise durch Anbringung einer Flußmeßspule 44 um einen oder mehrere Zähne des Stators erreicht, so daß die Änderung des Flusses dort erfaßt wird. Das Ausgangssignal der Spule ist dann eine Spannung proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Flusses in dem Zahn. Die Spule nimmt die Stelle des Schlupfstreifens 45 ein, der in allen anderen Nuten verwendet wird. Die Meßspule 44 wird in die Nuten über die Hauptspulen 39 eingefügt und dann wird der Nutenkeil 41 eingeführt, um die Spulen in den Nuten zu halten und einen mechanischen Schutz zu erhalten. Die Einzelheiten der Einfügung der Spule werden noch nachstehend weiter erläutert.

Es wird erneut Bezug genommen auf die Figur 1. Die Ausgangssignale der Meßspulen werden über Leitungen 46, 47 und 48 auf entsprechende Integratoren 51, 52 und 53 übertragen. Die Integrato-

609822/032^

ren sind jeweils mit dem neutralen Punkt der Spule durch die Leitung 50 verbunden und integrieren die Spannung zwischen Leitung und Neutralpunkt für ihre jeweilige Flußspule. Auf diese Weise wird der Flußpegel in jeder Phase durch Integration der Spannungssignale gefunden nach der folgenden Beziehung:

EMK = Jr -Γ, Β · dS
dt ο

Hierin bedeutet S die vom Linienintegral des elektrischen Feldes umschlossene Fläche, und B bedeutet den Vektor für die magnetische Flußdichte. Nach der Integration erhält man den Gesamtfluß

= EMK dt = f_s B · dS

für jede der Phasen, welche nachstehend als Flußsignale Fl, F2 und F3 bezeichnet werden. Diese werden den entsprechenden Gleichrichterschaltungen 56, 57 und 58 zugeführt, und die resultierenden absoluten Werte werden in einem Summierer 59 addiert, um einen Mittelwert für das Motorflußsignal F zu erhalten. Es ist zu erwähnen, daß für das obige Verfahren folgende Annahmen getroffen sind:

(a) Es besteht ein vernachlässigbarer Streufluß über dem Schlitz zwischen der Flußmeßspule und dem Luftspalt und

(b) praktisch der gesamte Zahnfluß durchquert den Luftspalt. Diese Annahmen müssen erfüllt sein, um eine genaue Flußregulierung im Lüftspalt zu erhalten. Wenn die obigen Annahmen nicht gültig sind, dann kann das Spannungsausgangssignal der Meßspule nicht direkt proportional zur Xnderungsgeschwindigkeit des Flusses über dem Luftspalt des Motors sein infolge eines Streuflusses über der Nut und einer Sättigung im Zahn. Diese Annahmen gelten praktisch genau in dem Falle eines Stators mit offener Nut. Sie können jedoch nicht mit Sicherheit gemacht werden im Falle eines Motors mit verschlossenen Nuten oder einem großen Luftspalt relativ zur Nutenbreite. Im Falle eines Aufbaus der Nut in verschlos-

609822/0324

? R 51 6 7 1

sener. oder halb verschlossener Form sollte die Meßspule in enger Nachbarschaft zum Luftspalt angeordnet sein.

Der Mittelwert für das Motorflußsignal F wird einer Summierungsschaltung 6l zugeführt, wo es mit einem konstanten Wert, dem SoIlwert-Flußaignal, verglichen wird,und die Differenz wird dem Eingang eines Integrators ü2 zugeführt, welcher dementsprechend das Signal Spannung pro Hertz zum Wellenformgenerator nachstellt. Der Integrator 62 umfaßt einen Rechenverstärker A₁ mit einem Rückkopplungskondensator 63 und wirkt so, daß er eine Gleichheit zwischen dem Mittelwert-Flußsignal F und dem Sollwert-Flußsignal dadurch aufrechterhält, daß er das Signal V/Hz auf der Leitung 64 verändert. Das Flußsollwertsignal (Volt pro Hertz) wird dann über die Leitung 64 einem Multiplikator 66 zugeführt, wo es mit der Frequenz fom/upoR multipliziert wird, um den Motorspannungswert V zu erhalten, dessen Signal vom Wellenformgenerator 14 erhalten wird. Der Multiplikator 66 besitzt eine allgemein bekannte Bauform, beispielsweise ist er als Zeitteiler oder als "Viertelrechteckwelleri¹-Multiplikator (quarter square) aufgebaut, wie dies in dem Werk "Analog Computation" von Albert Jackson, McGraw-Hill, I960, beschrieben ist. Der bevorzugte Multiplikator ist ein Leitwert-Multiplikator (transconductance). Der Multiplikator 66 gestattet, daß die Schaltung eine konstante Schleifenverstärkung mit Änderung der Drehzahl aufrechterhält. Dies ist nicht ein notwendiger Bestandteil für den Betrieb der Spannungsreglerschaltung; er verbessert jedoch den Betrieb beträchtlich.

Zusammengefaßt hält der Multiplikator ein konstantes Verhältnis der Motorspannung zur zugeführten Frequenz aufrecht. Das Ergebnis ist ein gesteuerter Fluß im Luftspalt für den Betrieb des Motors. Weiterhin verbessert die Querverbindung der Frequenzänderungen in den Spannungskanal in starkem Maße die Stabilität der Motorsteuerung, insbesondere beim Abbremsen. Ebenso wird das Flußsignal von dem Spannungssteuerkanal nicht benötigt, um Drehzahländerungen zu kompensieren, und erfordert daher keine schnelle Steuerwirkung.

609822/032A

Ein Teiler 67 ist zu der Inverter-Spannungssteuerschleife zugefügt, um sofort Spannungsänderungen auf der Gleichspannungsleitung zu kompensieren, wenn die Einrichtung im PWM-Betrieb arbeitet. Die am Motor zugeführte Wechselspannung ist das Produkt des Spannungssignals V und der Gleichspannungsleitungsspannung. Daher wird der Teiler verwendet, um das Spannungssteuersignal durch die Gleichspannungsleitungsspannung zu teilen und die Wechselspannung zum Motor konstant zu halten. Der Teiler 67 kann entweder vor oder nach dem Multiplikator eingefügt sein und besitzt einen standardmäßigen Aufbau und arbeitet nach dem Prinzip des zuvor genannten Werkes "Analog Computation".

Die Plußregel3teuerschaltung 10 ist mit weiteren Einzelheiten in Figur 3 gezeigt mit Integratoren 51, 52 und 53, welche Gleichrichterschaltungen 56, 57 und 58 speisen. Die Ergebnisse werden in einer Summierschaltung 59 summiert und anschließend gefiltert, um ein Mittelwert-Flußsignal F zu erhalten. Da die Integrationsund Gleichrichterschaltungen identisch sind, werden nur die Schaltungen in einer Phase beschrieben. In der Phase A tritt das Flußsignal von der Spule in den negativen Eingangsanschluß eines Rechenverstärkers 71 durch Eingangswiderstände 72 und 73 ein. Der positive Eingangs ans chluß ist über einen Widerstand 74 zum Abgleich des Vorspannungsstroms geerdet. Der Rechenverstärker 71 besitzt einen Rückkopplungswiderstand 76 und einen Rückkopplungskondensator 77, so daß der Integrator 51 einen solchen mit kontinuierlicher Rückstellung darstellt. Das Ausgangssignal des Integrators läuft über die Leitung 46 durch einen Widerstand 80 zum negativen Eingangsanschluß eines Rechenverstärkers 78, dessen positiver Eingangsanschluß über einen Widerstand 79 zum Abgleich des Vorspannungsstroms geerdet ist. Zwischen den negativen Eingang und den Ausgangsanschluß ist eine Diode 81 mit Kathode benachbart zum Ausgangsanschluß und eine Diode 82 mit Anode benachbart zum Ausgangsanschluß geschaltet, wobei deren Kathode mit dem Eingangsanschluß über einen Widerstand 83 verbunden ist. Ein Widerstand 84 ist zwischen die Kathode der Diode 82 und einen Verzweigungspunkt 85 geschaltet, der seinerseits mit dem Ausgang des Rechenverstärkers 71 über einen Widerstand 86 verbunden ist.

609822/0324

? RS 1 67 1

- li -

Die kombinierte Arbeitsweise der Gleichrichter- und Integrator-Behaltung ist so, daß der Strom am Verzweigungspunkt 85 proportional dem Absolutwert des Ausgangssignals des Integrators ist und daher repräsentativ ist für den Gesamtfluß in dieser Phase des Motors.

Die Ausgangssignale der drei Schaltungen mit gemeinsamen Verzweigungspunkten 85, 87 und 88 werden dem Summierer 59 zugeführt, der einen Rechenverstärker 89 mit einem Abgleichwiderstand 91 und Widerständen 92 und 93 zur Einstellung des Verstärkungsgrades umfaßt. Das Ausgangssignal des Summierers geht dann durch einen Widerstand 9k zu einem Zweipol-Filter 96, welches den Mittelwert der Summe bildet, um das Mittelwert-Flußsignal F zu erhalten. Das

Filter besitzt die Form K/(S +AS+ß) und umfaßt einen Rechenverstärker 97, einen Eingangswiderstand 98, einen Widerstand 99 zum Abgleich des Vorspannungsstroms, einen Rückkopplungskondensator 101 und einen Kondensator 102 zwischen dem positiven Eingangsanschluß und Erde. Der Mittelwert des Ausgangssignals F des Filters wird der Summierungsschaltung 6l zum Vergleich mit einem Bezugswertsignal zugeführt, wie dies zuvor erwähnt wurde.

Es wird nunmehr besonders Bezug genommen auf die Halterung der Flußmeßspule ¹Il. Figur k zeigt die Spule selbst, welche eine Vielzahl von Windungen I03 umfaßt, die in Rechteckform gebildet sind und in zwei Leitungen 104 und IO6 an einem Ende derselben enden. Es wurde gefunden, daß mit einem einzigen Paar von Windungen ein Pufferverstärker erforderlich ist, um bei geringen Drehzahlen ein Signal mit einem ausreichend hohen Pegel zu erhalten. Wenn jedoch die Anzahl der Windungen ausreichend ist (beispielsweise 10 Windungen), dann erhält man ein Signal mit höherem Pegel ohne den Pufferverstärker. Die maximale Ausgangsspannung hängt ab von der Zahnquerschnittfläche, welche von der Meßspule umschlossen ist. Die Windungen sind an jeder Seite durch dünne Schichten IO7 und 108 aus Isolationsmaterial bedeckt, in denen eine rechteckförmige Öffnung 109 ausgebildet ist, in die ein Statorzahn 37 gemäß der Darstellung in Figur 2 hineinpaßt.

609822/0324

7551671

Es wird nunmehr der Einbau der Plußmeßfühlerspulen im Innern des Stators näher betrachtet. Die Figuren 5 und 6 zeigen die drei Meßfühlerspulen 44a, 44b und 44c, wie sie in die Statorwicklungsspulen eines Motors eingebaut sind. Die Figur 6 zeigt die Hauptstatorwicklungen, welche mit S. bis S„h bezeichnet sind, für ein Polpaar eines Vierpol-Motors. Enthalten sind die Hauptspulen für die Phasen A, B und C, die an den äußeren Leitungen T., Tp und TL enden. Jede der Meßspulen 44a, b und c ist in der Mitte ihres jeweiligen Flußkreises eingebaut, so daß die Ausgangsspannung in Phase mit der zugeführten Spannung ist, wenn kein Rotorstrom vorhanden ist (unter Nichtbelastungsbedingungen). Diese besondere Anordnung ist nicht notwendig, um die Aufgaben der Erfindung zu erreicher}. Zwecks Verwendung der Flußsignale zur Ausführung bestimmter Steuerfunktionen, welche in dieser Patentanmeldung nicht erläutert werden, ist es jedoch zu bevorzugen, die Meßspulen auf diese Weise in der Mitte ihrer entsprechenden Flußkreise anzuordnen. Das heißt, die Meßspule 44a wird in die Hauptstatornuten und 14 gesetzt, die Meßspule 44b in die Statornuten 17 und 18 und die Meßspule 44c in die Statornuten 9 und 10. Es wird Bezug genommen auf die Figur 7 in der bevorzugten Ausführungsform, in der die Mittellinie der Meßspule für die Phase A so angeordnet ist, daß sie mit der Mittenlinie des Stators der Phase A übereinstimmt, so daß der Spannungsanstieg in der Meßspule für die Phase A in Phase mit dem Spannungsanstieg in der Statorwicklung der Phase A ist. Man wird verstehen, daß die Meßspulen für jede Phase in ähnlicher Weise bezüglich ihrer jeweiligen Statorwicklung angeordnet sind. Der Kabelbaum ergibt eine Zwischenverbindung zwischen den Spulen und enthält fünf Anschlußleitungen, welche mit A bis E in Figur 6 bezeichnet sind. Die Anschlußleitungen A, B und C sind mit den Spulen 44a, b und c jeweils verbunden. Die Anschlußleitung D ist gemeinsam für die anderen Seiten der Spulen,und die Anschlußleitung E ist als Abschirmung mit einem Ende der gemeinsamen Leitung verbunden. Wie in Figur 5 ersichtlich, ist das Ausgangskabel 116 mit den Spulenleitungen 104 und 106 mittels drei Anschlußblöcken 111, 112 und 113 verbunden, welche durch einen Haltering 114 fest an dem Stator gehaltert sind. An seinem Anschlußende führt das Ausgangskabel 116 zu einem auf einem Bügel

609822/0-32A

befestigten Anschlußkasten 117, welcher seinerseits zu der Schaltung nach Figur 3 führt.

Der Fachmann wird erkennen, daß die soeben beschriebene Meßfühleranordnung an irgendeinem der Pole des Motors angebracht werden kann; oder wenn eine Redundanz erwünscht ist, kann eine solche Anordnung an jedem der Motorpole angebracht werden. Beim Vergleich von Kostenbetrachtungen mit den durch mehrfache Anordnungen erhaltenen Vorteilen wird jedoch die gezeigte einfache Anordnung bevorzugt.

Während eine Redundanz bei einem einzigen Motor nicht besonders vorteilhaft ist, wird sie bei einem Fahrzeug bevorzugt, das mehrere Motoren hat, die von einem einzigen Inverternetzteil betrieben werden, wie dies häufig getan wird. Dies gilt, da ein Invertersteuersystem zur Ausführung einer richtigen Steuerung den Motorfluß überwachen muß. Wenn der Flußreglerteil des Systems ausfällt, dann wird das ganze System arbeitsunfähig. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug mit vier Motoren nur in einem Motor die Flußmeßfühleranordnung enthält und diese Schaltung aus irgendeinem Grunde unterbrochen wird, dann werden keine Flußsignale erzeugt und das gesamte System ist defekt. Wenn andererseits jeder der Motoren eine solche Anordnung eingebaut enthält, dann ist der Ausfall eines einzigen Motorsystems nicht besonders schädlich, da die anderen Motoren die benötigten Signale liefern werden. Die Figur 8 zeigt ein Zwischenverbindungsschema zwischen Motoren, welches eine solche ausfallsichere Anordnung erleichtert. Die Motoren Ml, M2, M3 und M4 besitzen entsprechende Meßfühlerspulen Al, A2, A3 und A4, die in der vorstehend beschriebenen Weise eingebaut sind. In Reihe mit den Spulenausgängen sind entsprechende kleine Widerstände r^, r«, r, und T₁. enthalten (beispielsweise 1000 Ohm), wobei die einzelnen Zweige parallel mit einer gemeinsamen Leitung 118 verbunden sind. Die gemeinsame Leitung 118 ist dann über Eingangswiderstände 72 und 73 mit dem Integrator für diese Phase verbunden, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Die Kombinierten Widerstände 72 und 73 sind vorzugsweise wesentlich größer als irgendeiner der Widerstände r., bis rj., Wenn dies gilt,

609822/0324

dann wird das Ausgangssignal durch Ausfall durch unterbrochene Schaltung irgendeiner der Flußspulen nicht wesentlich beeinflußt. Es ist zu beobachten, daß in einigen Fällen die Spulen nicht direkt parallel geschaltet werden sollten, um übermäßig große zirkulierende Ströme zu vermeiden, welche unter abnormen Betriebsbedingungen die Flußmeßspulen zerstören könnten, beispielsweise wenn zwischen den Motoren Drehzahldifferenzen auftreten.

609822/0324

Claims

? B B 1 R 7 1

Ansprüche

Flußregelsystem für einen Wechselspannungsmotor mit einer _..-' variablen Eingangsspannung, gekennzeichnet durch :

(a) Meßspulen (M¹I), die in dem Stator (36) des Motors in einer solchen Weise gehaltert sind, daß in diesen Meßspulen ein Spannungssignal im wesentlichen proportional zur Geschwindigkeit der Plußänderung über dem Luftspalt des Motors induziert wird,

(b) Integrationsschaltungen (51* 52, 53) zur Integration des Spannungssignals zur Erzeugung eines Signals, das repräsentativ ist für den Fluß im Luftspalt, und

(c) Einrichtungen (10, 14, 13) zur Änderung der Eingangsspannung des Motors entsprechend dem repräsentativen Flußsignal zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen gesteuerten Flußpegels im Luftspalt des Motors.
2. Flußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßfühlerspule (44) in der Mitte ihres Flußkreises (Figur 7) befestigt ist.
3. Flußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßfühlerspulen (44) um mindestens einen Zahn (37) des Stators herum angeordnet sind.
4. Flußregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßfühlerspule (44) benachbart zu den Statorwicklungen eingesetzt ist, wobei Isolationsmaterial (107, 108) dazwischen angeordnet ist.
5. Flußregelsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlerspule (44) zwischen die Hauptwicklungen (39) des Stators und ein Keilelement (41) eingefügt ist, welches die Wicklungen in ihrer Nut festhält.

609822/0324

-.16 -
6. Flußregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet _s daß die Meßfühlerspule (44) eine Vielzahl von Wicklungen (103) umfaßt, die in einer einzigen Ebene angeordnet sind.
7. Plußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Wechselspannungsmotoren (Ml₃ M2 , ...) vorhanden ist, die jeweils Meßfühlerspulen (A.,, A„, ...) und einen relativ kleinen Reihenwiderstand (R₁, Rp, R?₅ ··.) besitzen, wobei jede der Meßspulen parallel mit den anderen Spulen und ihren Reihenwiderständen geschaltet ist und die gemeinsame Verbindung (118) mit der Integrationseinrichtung über eine relativ große Impedanz (72, 73) verbunden ist.
8. Flußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es weiterhin Einrichtungen zur Erzeugung eines Signals enthält, das repräsentativ ist für den Absolutwert des Flusses in dem Luftspalt.
9. Flußregelsystem nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch Einrichtungen (6l) zum Vergleich des Signals für den Fluß im Luftspalt mit einem Signal, das repräsentativ ist für den Sollwert des Motorflusses und eine Verstärkungseinrichtung (62) zur Verstärkung des Ergebnisses und zur Erzeugung eines Signals Volt pro Hertz.
10. Flußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor ein Mehrphasen-Motor ist mit Meßspulen in jeder Phase und weiterhin Einrichtungen (56, 57j 58) zur Gleichrichtung ihrer integrierten Ausgangssignale und Einrichtungen (59) zur Summierung zur Erzeugung eines Signals (F) vorhanden sind, das repräsentativ ist für den Mittelwert des Motorflusses.

609822/032A

?BR1671
11. Plußregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Wechselstrommotor eine Eingangsleistung mit variabler Frequenz und variabler Spannung besitzt und weiterhin Einrichtungen zur Änderung der Spannungsamplitude für den Motor gemäß dem Mittelwert-Plußsignal für den Motor vorhanden sind zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Motorflusses.
12. Plußregelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Änderung der Spannung einen Multiplikator (66) umfaßt, welcher das Plußmittelwertsignal mit einem für den Wert der variablen Frequenz repräsentativen Signal zur Erzeugung eines Spannungssignals multipliziert.
13. Plußregelsystem nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Änderung der Motorspannungsamplitude gemäß dem Signal Volt pro Hertz zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Motorflusses.
14. Flußregelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Änderung der Spannung einen Multiplikator (66) umfaßt, welcher das Signal Volt pro Hertz mit einem für die variable Frequenz repräsentativen Signal multipliziert zur Erzeugung eines Spannungssignals.

15· Plußregelsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Änderung der Spannung einen Teiler (67) enthält, welcher das Signal Volt pro Hertz durch ein Signal repräsentativ für den Wert des Spannungspegels der Gleichspannungsquelle unterteilt.

6098 2-2/0324

Leerse ite