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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen
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Drehbeschleunigungsmesser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher
bezeichneten Art. Ein derartiger elektrischer Drehbeschleunigungsmesser ist bekannt
(DT-Zeitschrift "Archiv für technisches Messen", Mai 1964, S.114).
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Der bekannte Drehbeschleunigungsmesser weist eine zylinderförmige
Meßwicklung mit Eisenkern auf, die zwischen den Polen eines Permanentmagneten angeordnet
ist und mit diesem einen Ringspalt begrenzt. In dem Ringspalt ist ein glockenförmiger
Kurzschluß läufer drehbar gelagert, der mit demjenigen Drehteil verbunden wird,
dessen Drehbeschleunigung gemessen werden soll. Durch seine Drehung in dem Magnetfeld
des Permanentmagneten werden in dem Kurzschlußläufer Wirbelströme hervorgerufen,
welche ihrerseits in der Meßwicklung einen Wechselstrom induzieren. Bei gleichförmiger
Drehung des Kurzschlußläu£ers, d.h., bei fehlender Drehbeschleunigung, besitzt das
an den Klemmen der Meßwicklung abgenommene Wechselstromsignal eine konstante Amplitude
und eine konstante Frequenz. Tritt dagegen eine Beschleunigung des Kurzschlußläufers
auf, so ändern sich sowohl Amplitude als auch Frequenz dieses Wechselstromsignals.
Diese Änderungen stellen ein Maß für die Drehbeschleunigung dar.
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Bei der Fertigung des bekannten Drehbeschleunigungsmessers muß der
glockenförmige Kurzschlußläufer mit hoher Genauigkeit gelagert werden, um seine
ungehinderte Beweglichkeit innerhalb des Ringspaltes zu gewährleisten. Diese genaue
Lagerung des Kurzschlußläufers wird indessen durch zwei Umstände erschwert: einerseits
muß der Kurzschlußläufer eine verhältnismäßig große Abmessung in axialer Richtung
besitzen, um eine für die Erzeugung eines brauchbaren Ausgangssignals ausreichend
große Mantelfläche in dem Magnetfeld des Permanentmagneten zu bewegen; andererseits
ist infolge der Glockenform des Kurzschlußläufers dessen Lagerung nur einseitig
möglich, wodurch in Verbindung mit dessen großer axialer Baulänge verhältnismäßig
hohe Biegekräfte an dem Drehlager auftreten. Im Ergebnis gestaltet sich die Lagerung
des Kurzschlußläufers des bekannten Drehbeschleunigungsmessers so aufwendig, daß
dieser bis heute nur vereinzelt für Spezialanwendungen zum Einsatz gekommen ist.
Die dargelegten Schwierigkeiten bei der Lagerung des Kurzschlußläufers in dem engen
Ringspalt zwischen der Meßwicklung und den Polen des Permanentmagneten machen darüber
hinaus einen Einsatz des bekannten Drehbeschleunigungsmessers in Fahrzeugen, insbesondere
in Eisenbahnfahrzeugen, praktisch unmöglich, da die auf den Kurzschlußläufer übertragenen
Schwingungen und Stöße des Fahrzeuges unweigerlich zu entsprechenden Radialbewegungen
des Kurzschlußläufers und damit zu Berührungen mit der
Meßwicklung
und den Polen des Permanentmagneten führen würden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Drehbeschleunigungsmesser
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen Kurzschlußläufer auf einfachere Weise
gelagert ist und welcher daher für einen breiten Anwendungsbereich, insbesondere
auch in Fahrzeugen, einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindunasgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des elektrischen
Drehbeschleunigungsmessers nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungsmesser ist der Kurzschlußläufer
scheibenförmig ausgebildet, der mit seiner einen planen Oberfläche sowohl den Polen
des Permanentmagneten als auch der in den Pol lücken des Permanentmagneten angeordneten,
mehrteiligen Meßwicklung im Abstand gegenübersteht. Der Luftspalt zwischen dem scheibenförmigen
Kurzschlußläufer einerseits und den Polen des Permanentmagneten und der Meßwicklung
andererseits
erstreckt sich daher in axialer Richtung des Kurzschlusläufers,
so daß Bewegungen des Kurzschlußläufers senkrecht zu seiner Drehachse unkritisch
sind. Das Drehlager des Kurzschlußläufers kann daher auf einfachste Weise und in
einem sehr weiten Toleranzbereich ausgeführt werden, was den Fertigungsaufwand und
damit die Kosten des erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungsmessers auf ein Minimum
reduziert. Der erfindungsgemäße Drehbeschleunigungsmesser kann mit besonderem Vorteil
in Fahrzeugen eingesetzt werden, da die von den Stößen und Schwingungen des Fahrzeugs
hervorgerufenen Bewegungen des Kurzschlußläufers senkrecht zu seiner Drehachse keine
Änderung des Luftspaltes zwischen dem scheibenförmigen Kurzschlußläufer einerseits
und dem Permanentmagneten sowie der Meßwicklung andererseits hervorrufen können.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungsmessers
ist die Erfassung des Radschlupfes von Eisenbahnfahrzeugen (Schienentriebfahrzeuge
und - erstmalig -Eisenbahnwaggons), wofür der Kurzschlußläufer kraft- oder formschlüssig
mit der Achse des zu überwachenden Rades verbunden wird. Gegenüber den bisher zur
Schlupferfassung bei Schienentriebfahrzeugen verwendeten Gleichstromgeneratoren
mit nachgeschalteter Signalspeichereinrichtung besitzt der erfindungsgemäße Drehbeschleunigungsmesser
den Vorteil größerer baulicher Einfachheit und damit geringerer Kosten.
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Die Erfindung wird mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen
anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische, teilweise auseinandergezogene
Darstellung eines erfindungsgemäßen Drehkeschleunigungsmessers; Fig. 2 ein Zeitdiagramm
der Ausgangs-Wechselspannung des Drehbeschleunigungsmessers nach Fig. 1, und Fign.
3, 4 perspektivische Teilansichten von weiteren Ausführungsformen des Kurzschlußläufers
eines erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungsmessers.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Drehbeschleunigungsmessers weist ein an einer Stirnseite offenes, zylinderförmiges
Gehäuse 1 auf, in welchem die Pole eines Permanentmagneten 30 sowie die Teilwicklungen
einer Meßwicklung 40 befestigt sind.
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Im dargestellten Beispielsfalle besitzt der Permanentmagnet 30 zwei
um 1800 gegeneinander versetzt angeordnete Pole 2 und 3,in deren Pollücken jeweils
eineTeilwicklung 4 und 5 der Meßwicklung 40 angeordnet sind. Es versteht sich, daß
anstelle von zwei Polen auch mehrere Pole des Permanentmagneten 30 vorgesehen werden
können, wobei jeweils in den Pollücken des Permanentmagneten 30 eine Teilwicklung
der Meßwicklung 40 angeordnet werden kann. Die Teilwicklungen 4 und 5 besitzen in
nicht dargestellter
Weise jeweils einen beliebig ausgebildeten
Eisenkern, welcher die Wicklungslagen trägt. Die beiden Teilwicklungen 4 und 5 sind
ferner durch einen elektrischen Stromleiter 6 in Reihe geschaltet, wobei beispielsweise
das Wicklungsende der Teilwicklung 4 mit dem Wicklungsanfang der Teilwicklung 5
verbunden ist. Ferner ist der Wicklungsanfang der Teilwicklung 4 über einen durch
die Seitenwand des Gehäuses 1 hindurchgeführten Stromleiter 7 mit einer ersten Ausgangsklemme
8 des erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungsmessers und das Wicklungsende der Teilwicklung
5 über einen, gleichfalls durch die Seitenwand des Gehäuses 1 hindurchgeführten
Stromleiter 9 mit einer zweiten Ausgangsklemme 10 d es des Drehbeschleunigungsmessers
verbunden. Die Pole 2, 3 und die Teilwicklungen 4, 5 sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich
ist, dicht an der inneren Umfangsfläche 11 des Gehäuses 1 angeordnet und umgeben
das konzentrisch zu der Längsachse des Gehäuses 1 angeordnete Drehlager 12, welches
in der bodenseitigen Stirnfläche 13 des Gehäuses 1 angebracht ist. Das Drehlager
12 nimmt die Achse 14 eines scheibenförmigen Kurzschlußläufers 15 auf, die mit ihrem
aus dem Gehäuse 1 herausragenden Ende mit einem Drehteil 16, beispielsweise dem
Rad eines Schienentriebfahrzeuges oder einem Eisenbahnwaggon, kraft- oder formschlüssig
verbunden ist. Diese kraft-oder formschlüssige Verbindung ist in Fig. 1 mit der
gestrichelten
Linie 17 angedeutet und kann beliebige Getriebe-
und/oder Kupplungsmittel umfassen. Die Achse 14 ist an der unteren den Polen 2,
3 und den Teilwicklungen 4, 5 zugewandten Oberfläche des Kurzschlußläufers 15 in
nicht dargestellter Weise befestigt, z.B. angeflanscht.
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Zur besseren Anschaulichkeit ist in Fig. 1 der Kurzschlußläufer 15
in einer aus dem Gehäuse 1 herausgezogenen Stellung dargestellt; selbstverständlich
befindet sich in Betriebsstellung der Kurzschlußläufer 15 innerhalb des Gehäuses
1, wobei er mit seiner Oberkante 18 knapp unterhalb der Oberkante 19 des Gehäuses
1 und mit seiner Unterkante 20 um eine bestimmte Luftspalthöhe oberhalb der Oberseiten
der Pole 2, 3 und der Teilwicklungen 4, 5 liegt. Die Luftspalthöhe ist unkritisch
und kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm liegen. Der Durchmesser
des schei-benförmigen Kurzschlußläufers 15 ist kleiner bemessen als der Innendurchmesser
des Gehäuses 1, um eine im Bedarfsfalle ausreichende Bewegung des Kurzschlußläufers
15 senkrecht zu seiner Achse 14 innerhalb des Gehäuses 1 zu gestatten.
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Das Gehäuse 1 weist im Bereich seiner oberen, offenen Stirnseite
einen Flansch 21 auf, auf den eine Deckplatte 22 aufsetzbar ist. Die Verbindung
zwischen der Deckplatte 22 und dem Flansch 21 erfolgt im dargestellten Beispielsfalle
durch
mehrere, am Umfang der Deckplatte 2 verteilt angeordnete Schraubbolzen 23, welche
entsprechende Bohrungen 24 in dem Flansch 21 durchsetzen. Die Deckplate 22 ist in
Fig. 1 in gleicher Weise wie der Kurzschlußläufer 15 zur besseren Anschaulichkeit
in einer von dem Gehäuse 1 abgehobenen Stellung dargestellt.
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Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Drehbeschleunigungsmessers
ist wie folgt: Bei einer Drehung des Drehteils 16 beispielsweise in Richtung des
Pfeils 25 dreht sich der Kurzschlußläufer 15 in Richtung des Pfeils 26. Da sich
der Kurzschlußläufer 15 in dem Permanentmagnetfeld zwischen den beiden Polen 2 und
3 bewegt, werden in dem aus elektrisch leitenden Material, beispielsweise Aluminium,
bestehenden Kurzschlußläufer 15 Wirbelströme induziert, die ihrerseits in den Teilwicklungen
4 und 5 eine Wechselspannung u hervorrufen, welche zwischen den Klemmen 8 und 10
abgenommen werden kann.
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Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung u zwischen
den Klemmen 8 und 10. Es sei angenommen, daß in dem Zeitintervall zwischen der Zeit
t1 und der Zeit to keine Beschleunigung des Drehteils 16 (Fig. 1) auftritt. Die
Wechselspannung u besitzt in diesem Falle
konstante eine Frequenz
und eine konstante Amplitude U1.
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Sobald das Drehteil 16 zum Zeitpunkt t1 eine Drehbeschleunigung erfährt,
ändern sich sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Wechselspannung u. Und
zwar verringert sich die Frequenz um ein Mehrfaches der bisherigen Frequenz innerhalb
des Zeitintervalls t1 - to, wohingegen die Amplitude auf den Wert U2 ansteigt. Nach
Beendigung der aufgetretenen Drehbeschleunigung beispielsweise zum Zeitpunkt t2
kehrt die Wechselspannung u wieder in den Zustand wie vor dem Zeitpunkt t1 zurück.
Zum Zeitpunkt t3 erfährt das Drehteil 16 eine erneute Drehbeschleunigung, jedoch
von geringerem Betrag als zum Zeitpunkt t1. Dementsprechend ist die Erhöhung der
Wechselspannungsamplitude auf den Wert U3 geringer als bei der Drehbeschleunigung
innerhalb des Zeitintervalls t2 - t1. Nach Beendigung der Drehbeschleunigung zum
Zeitpunkt t4 nimmt die Wechselspannung u wieder den Zustand ein, den es in den Zeitintervallen
t1 - to und t3 - t2 besessen hat. Die Änderungen der Spannungsamplitude und der
Frequenz stellen somit einen Indikator und ein Maß für die aufgetretenen Drehbeschleunigungen
dar und können z.B. nach erfolgter Bewertung durch ein Schwellwertglied als digitale
Information "Radschlupf vorhanden" verarbeitet werden.
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Zur Beeinflussung des-Verlaufs der Wirbelströme innerhalb des Kurzschlußläufers
15 kann es günstig sein,
in dem Kurzschlußläufer 15 radial verlaufende
Lochreihen 25 (Fig. 3) oder radial verlaufende Schlitze 26 (Fig. 4) vorzusehen.
Es kann ferner günstig sein, den freien Raum innerhalb des Gehäuses 1 zwischen den
Polen 2, 3 und den Teilwicklungen 4, 5 unter Freilassung eines entsprechenden Raumes
für die Achse 14 und den Kurzschlußläufer 15 mit einer Vergußmasse, beispielsweise
einem Gießharz, auszufüllen, um die mechanische Festigkeit des Drehbeschleunigungsmessers
zu erhöhen. Zur Verbesserung des Magnetfeldes zwischen den Polen 2, 3 ist es ferner
günstig, die Deckplatte 22 aus einem ferromagnetischen Material auszubilden. Anstelle
eines Permanentmagneten 30 kann im Bedarfsfalle auch ein fremderregtes Magnet (Gleich-
oder Wechselstrommagnet) vorgesehen werden.
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