DE4108630A1 - Tachogenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tachogenerator, insbesondere einen bürstenlosen Tachogenerator, mit einem permanent­ magnetisierten Rotor und einem genuteten Stator, der eine zumindest 2-phasige Wechselstromwicklung bzw. eine Drehstromwicklung aufweist, deren Wicklungen mit zur Rotorachse etwa radialen Wickelachsen in den Statornuten angeordnet sind.

Derartige Tachogeneratoren sind allgemein bekannt und üblich. Der an der Wechselstromwicklung abgreifbare Wechselstrom wird üblicherweise in einer nachgeschalteten Gleichrichterschaltung gleichgerichtet, an deren Ausgängen dann eine elektrische Gleichspannung bzw. ein elektrischer Gleichstrom mit einem entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors variierendem Pegel abgreifbar sind.

Um zu erreichen, daß die erzeugte elektrische Gleichspannung bzw. der erzeugte elektrische Gleichstrom hinreichend frei von Pulsationen sind, muß die Gleichrichterschaltung mit Elementen zur Glättung der elektrischen Gleichspannung bzw. des elektrischen Gleichstromes versehen sein. Dies ist jedoch gleichbedeutend damit, daß der Pegel der geglätteten Gleich­ spannung bzw. des geglätteten Gleichstromes sich nur noch analog einem zeitlichen Mittelwert der Drehgeschwindigkeitsänderung des Rotors zu ändern vermag. Dementsprechend lassen sich sehr kurzzeitige Änderungen der Drehgeschwindigkeit nicht oder nur höchst ungenau verfolgen. Insbesondere ist es praktisch nicht möglich, ein hinreichend genaues Signal entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erzeugen, wenn sich der Rotor nur während eines kurzen Zeitintervalles bewegt, wie es beispielsweise bei einer kurzen Stellbewegung eines dem Tachogenerator gegebenenfalls zugeordneten Stell­ antriebes der Fall sein kann.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Tachogenerator zu schaffen, mit dem sich Ausgangssignale erzeugen lassen, die auch kurzzeitige Änderungen der Drehgeschwindigkeit des Rotors mit hoher Genauigkeit wiedergeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Tachogenerator der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß jede Phase der Wechsel­ strom- bzw. Drehstromwicklung aus mindestens einer Wicklungs­ gruppe besteht, deren Wicklungen gemeinsam einen Umfangs­ sektor des Stators überdecken und elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die Wicklungen jeder Wicklungsgruppe zumindest teilweise bezüglich Windungszahl und/oder Quer­ schnitt unterschiedlich bemessen und/oder elektrisch mit unterschiedlichem Richtungssinn geschaltet sind, derart, daß die beim Vorbeilauf eines Rotorpoles an der Wicklungs­ gruppe abgreifbare elektrische Spannung bzw. Stromstärke bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors über einen großen Drehwinkel angenähert konstant bzw. zwischen vorgebbaren benachbarten Schwellwerten bleibt.

Durch die wechselnde Poleinteilung des Rotormagneten entsteht hierbei eine angenähert trapezförmige Wechselspannung.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die im Verlauf eines Rotorpoles unterschiedliche Feldstärke des von einem Rotorpol ausgehenden Magnetfeldes dadurch zu kompen­ sieren, daß durch entsprechende Ausbildung bzw. Anordnung der Wicklungen der Wicklungsgruppe eine annähernd konstante Summe der an den Wicklungen der Wicklungsgruppe abgreifbaren elektrischen Spannungen bzw. Stromstärken erzielt wird.

Auf diese Weise läßt sich in jeder Wicklungsgruppe eine elektrische Spannung bzw. Stromstärke induzieren, deren Pegel bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors einen annähernd trapezförmigen Verlauf hat. Hierbei kann der Bereich mit dem bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Rotors gleichbleibenden Pegel über einen großen Winkel­ bereich der Drehbewegung des Rotors erstreckt sein, derart, daß sich die Bereiche mit den bei konstanter Drehgeschwindig­ keit des Rotors gleichbleibenden Pegeln der verschiedenen Phasen der Wechselstromwicklung zeitlich überlappen. Dann können mit Hilfe elektronischer Mittel, die in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors geschaltet werden, aneinan­ der anschließende Abschnitte der in den verschiedenen Phasen der Wechselstromwicklung induzierten elektrischen Spannungen bzw. Stromstärken mit bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Rotors gleichbleibenden Pegeln "herausgeschnitten" werden und das Ausgangssignal des Tachogenerators bilden.

Im Falle einer Drehstromwicklung haben die Bereiche der in einer Phase dieser Wicklung induzierten elektrischen Spannung bzw. Stromstärke mit bei konstanter Drehgeschwin­ digkeit des Rotors gleichbleibendem Pegel vorzugsweise eine Länge von mehr als 60° elektrisch. Im Falle einer 2-phasigen Wechselstromwicklung beträgt dieser Wert mehr als 90° elektrisch.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wicklungsgruppen der verschiedenen Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung so angeord­ net sind, daß alle Zähne des Stators zwischen den Stator­ nuten jeweils mit gleichen Gesamtwindungszahlen belegt sind. Damit sind die Windungen der Wechselstrom- bzw. Drehstrom­ wicklung gleichmäßig auf den Stator verteilt. Lediglich die Aufteilung der Windungen auf die unterschiedlichen Phasen ist an unterschiedlichen Statorzähnen verschieden. Die Summe aller auf einem Statorzahn übereinander liegenden Wicklungen aller Phasen ist also für alle Statorzähne gleich.

Im übrigen gehen vorteilhafte Merkmale der Erfindung aus den Ansprüchen sowie der nachfolgenden Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungsform hervor.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Tachogenerators und

Fig. 2 den Verlauf der in den Wicklungsgruppen induzierten elektrischen Spannung bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors.

Der in Fig. 1 dargestellte Tachogenerator besitzt einen Rotor 1 mit zwei Polpaaren, deren magnetische Nord- bzw. Südpole mit N bzw. S bezeichnet sind. Der Rotor 1 ist innerhalb eines genuteten Stators 2 drehgelagert, dessen Nuten im dargestellten Beispiel zwölf Statorzähne voneinan­ der abteilen. Auf den Statorzähnen bzw. in den Statornuten ist in grundsätzlich bekannter Weise eine dreiphasige Wicklung 3 angeordnet.

Jede Phase der Wicklung 3 besitzt vier Wicklungsgruppen, deren Windungen auf jeweils drei in Umfangsrichtung des Rotors 1 aufeinanderfolgende Statorzähne verteilt sind, wobei die Windungen jeweils drei elektrisch in Reihe geschaltete Spulen bilden.

Im dargestellten Beispiel besitzt die eine Phase eine erste Wicklungsgruppe mit den Spulen n_1,1, n*_1,1 und n_1,1. Darauf folgen in Umfangsrichtung die Spulen n_1,2, n*_1,2 und n_1,2 einer zweiten Wicklungsgruppe dieser Phase usw. bis zur Wicklungsgruppe mit den Spulen n_1,4, n*_1,4 und n_1,4. In entsprechener Weise sind für die weiteren Phasen Wicklungsgruppen in Umfangsrichtung des Stators 2 versetzt angeordnet, d. h. die zweite Phase besitzt insgesamt wiederum vier Wicklungsgruppen mit den Spulen n_2,1, n*_2,1 . . . n_2,4. Die dritte Phase wird dann durch vier Wicklungsgruppen mit den Spulen n_3,1, n*_3,1, . . . n_3,4 gebildet. Die Spule n einerseits und n* andererseits haben jeweils unter sich unabhängig von den Indizes gleiche Windungszahlen, wobei die Windungszahl der Spulen n größer ist als der Spulen n*.

Da die Phasen der Wicklung gegeneinander in Umfangsrichtung um 60° elektrisch versetzt angeordnet sind, ist die Gesamt­ windungszahl der jeweils auf einem Statorzahn angeordneten Spulen überall gleich.

Wenn nun die Windungszahlen der Spulen der Wicklungsgruppen einerseits und die Form der permanenten Magnetisierung der Polpaare des Rotors 1 andererseits gut aufeinander abgestimmt sind, so hat die in den Wicklungsgruppen induzierte Spannung bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors den in Fig. 2 dargestellten Verlauf. Dabei ist auf der Ordinate die induzierte elektrische Spannung U aufgetragen, während auf der Abszisse der Drehwinkel des Rotors 1 aufge­ tragen ist.

Mit durchgezogenen Linien ist der Verlauf derjenigen elektrischen Spannung aufgezeichnet, die in der Wicklungsgruppe mit den Spulen n_1,1, n*_1,1 und n_1,1 induziert wird. Die strichlierte Kuve bezieht sich auf die Wicklungsgruppe mit den Spulen n_2,1, n*_2,1 und n_2,1. Die punktierte Kurve betrifft die Wicklungsgruppe mit den Spulen n_3,1, n*_3,1 und n_3,1.

In der Regel ist der Tachogenerator mit einer aktiven Gleichrichterschaltung versehen, so daß die negativen Halbwellen in Fig. 2 "umgeklappt" und jeweils ebenfalls im ersten Quadranten des Koordinatensystems der Fig. 2 liegen müssen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde von einer entsprechenden Darstellung hier abgesehen.

Für die Erfindung charakteristisch und bemerkenswert ist, daß bei konstanter Rotordrehgeschwindigkeit jeweils Halbwellen auftreten, bei denen die induzierte Spannung U innerhalb eines sehr großen Winkelbereiches der Drehbewegung des Rotors 1 annähernd konstant bleibt, wobei die Größe der Spannung U nur von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 1 abhängt. Dabei überlappen sich die Bereiche mit bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Rotors gleichbleibender Spannung U der einzelnen Phasen der Wicklung. Damit besteht die Möglich­ keit, optimale Teile dieser Bereiche elektronisch "heraus­ zuschneiden", derart, daß bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Rotors die herausgeschnittenen Teile des Rotors zu einer praktisch konstanten Gleichspannung zusammengesetzt werden können. Da die herausgeschnittenen Segmente eine gute Gleichstrom- bzw. Gleichspannungscharakteristik haben, kann hier auf glättende Maßnahmen verzichtet werden.

Die vom Tachogenerator erzeugte Gleichspannung wird also im Ergebnis in einem ersten Winkelbereich von der einen Phase der Wicklung 3, in einem zweiten Winkelbereich von einer zweiten Phase der Wicklung und in einem dritten Winkel­ bereich von einer dritten Phase der Wicklung 3 erzeugt.

Um dieses "Herausschneiden" zu ermöglichen, sind an Statornuten drei Hallgeneratoren 4 im Luftspalt zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 2 (vgl. Fig. 1) angeordnet, um jeweils in charakteristischen Lagen des Rotors 1 Signale erzeugen zu können, die dann zur Steuerung einer an die Wicklung 3 angeschlossenen Auswerteschaltung dienen.

Grundsätzlich können auch andere Lagegeber verwendet werden, um die jeweilige Stellung des Rotors 1 ermitteln zu können. Die Hallelemente 4 zeichnen sich jedoch durch gute Zuverlässigkeit und geringes Bauvolumen aus. Die Hallelemente können auch anders angeordnet sein, z. B. auf den Zähnen bzw. Polschuhen des Stators.

Claims (10)

1. Tachogenerator, insbesondere bürstenloser Tachogenerator, mit einem permanentmagnetisierten Rotor und einem genuteten Stator, der eine zumindest 2-phasige Wechsel­ stromwicklung bzw. eine Drehstromwicklung aufweist, deren Wicklungen mit zur Rotorachse etwa radialen Wickel­ achsen in den Statornuten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung (3) aus mindestens einer Wicklungsgruppe (n_1,1, n*_1,1, n_1,1 usw.) besteht, deren Wicklungen gemeinsam einen Umfangssektor des Stators (2) überdecken und elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die Wicklungen jeder Wicklungsgruppe zumindest teilweise bezüglich Windungs­ zahl und/oder Querschnitt unterschiedlich bemessen und/oder elektrisch mit unterschiedlichem Richtungssinn geschaltet sind, derart, daß die beim Vorbeilauf eines Rotorpoles an der jeweiligen Wicklungsgruppe abgreifbare elektrische Spannung bzw. Stromstärke bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors über einen großen Dreh­ winkel angenähert konstant bzw. zwischen vorgebbaren benachbarten Schwellwerten bleibt.

2. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Drehwinkel größer ist als 1/n 180° elektrisch, wobei n die Zahl der Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung bezeichnet.

3. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Wicklungsgruppen jeder Phase der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung der Polzahl des Rotors entspricht.

4. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsgruppe einer Phase innerhalb eines Sektors mit einer Bogenlänge von angeordnet ist, wobei p die Polzahl des Rotors bezeichnet.

5. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsgruppe einer Phase aus mindestens drei in Umfangsrichtung des Stators benachbarten Wicklungen bzw. Spulen mit etwa gleichen Querschnitten und unterschiedlichen, jedoch bezüglich der Umfangsmitte des zugehörigen Sektors symmetrisch verteilten Windungszahlen besteht.

6. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsgruppen der verschiedenen Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstrom­ wicklung so angeordnet sind, daß alle Zähne zwischen den Statornuten jeweils mit gleichen Gesamtwindungszahlen über alle Phasen belegt sind.

7. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Wicklungsgruppe eingenommene Sektor am Stator in Umfangsrichtung etwa gleiche Breite wie jeweils ein Rotorpol hat.

8. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsgruppe aus mindestens drei Spulen besteht.

9. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Gleichrichter- bzw. Steuerschaltung, über die die Ausgänge des Tacho­ generators in Abhängigkeit von der Rotorstellung mit jeweils einer der Phasen der Wechsel- bzw. Drehstromwicklung elektrisch während aneinander anschließender Zeitintervalle verbunden werden, in welchen an der jeweiligen Phase bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors die annähernd konstante elektrische Spannung bzw. Stromstärke abzweigbar ist.

10. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lagegeber für den Rotor Hallelemente im Luftspalt zwischen Rotor und Stator zur Steuerung der Umschaltung der Ausgänge des Tachogenerators auf die verschiedenen Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung angeordnet sind.