DE4108630C2 - Tachogenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tachogenerator, insbesondere einen bürstenlosen Tachogenerator, mit permanent magne­ tisiertem Rotor und genutetem Stator mit in den Stator­ nuten untergebrachter, zumindest zweiphasiger Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung, deren Phasen aus einer der Polzahl des Rotors entsprechenden Anzahl von Wicklungsgruppen bestehen, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, daß die beim Vorbeilauf eines Rotorpoles an der jeweiligen Wicklungsgruppe abgreifbare elektrische Spannung bzw. Stromstärke bei gleichbleibender Dreh­ geschwindigkeit des Rotors über einen großen Drehwinkel angenähert konstant bzw. zwischen vorgebbaren benach­ barten Schwellwerten bleibt und der genannte Drehwinkel größer ist als n1/·180° elektrisch, wobei n die Zahl der Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung ist.

Ein derartiger Tachogenerator ist aus der EP 00 60 894 A1 bekannt.

Dabei ist jede Wicklungsgruppe einer Phase nach Art einer Spule ausgebildet, welche sich in Umfangsrichtung des Stators über einen Sektor erstreckt, welcher nur annähe­ rungsweise einer Polteilung des Rotors entspricht. Während die Pole den Rotorumfang in gleich große Polabschnitte unterteilen, bilden die Wicklungsgruppen jeder Phase eine davon unterschiedliche Teilung, die so gewählt ist, daß bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors eine sehr geringe Welligkeit der abgreifbaren elektrischen Spannung bzw. Stromstärke auftritt.

Der Aufwand für eine derartige Statorwicklung ist vergleichsweise hoch.

Aus der DE 33 31 002 A1 ist ein Tachogenerator mit Luft­ spaltwicklung bekannt, bei der die einzelnen Spulen in wenigstens zwei Teilspulen unterteilt und derart ange­ ordnet sind, daß im Kreuzungsbereich der Spulenköpfe jeweils die in Umfangsrichtung nachfolgenden Teilspulen die vorherigen Teilspulen beiderseits außen umgreifen.

Auch hierdurch kann eine geringe Welligkeit der abgreif­ baren elektrischen Spannung bzw. Stromstärke erreicht werden. Jedoch ist auch hier die Herstellung der Wicklung aufwendig.

Aus dem DE 85 15 863 U1 ist ein Tachogenerator bekannt, bei dem die Spulen der Wicklung je nachdem, welcher Phase sie zugeordnet sind, eine unterschiedliche Breite in Achsrichtung des Rotors und dementsprechend unterschied­ liche Querschnitte besitzen. Um nun zu vermeiden, daß dadurch unterschiedlich hohe Spannungen der einzelnen Phasen bewirkt werden, ist vorgesehen, die Windungszahl der zu einer Phase gehörenden Spulen bei den Spulen mit geringerem Querschnitt größer zu bemessen.

Auch bei diesem bekannten Tachogenerator ist die Herstellung der Wicklungen vergleichsweise aufwendig.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Tachogenerator zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist und Ausgangssignale zu erzeugen gestattet, 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 Wicklungsgruppe innerhalb eines Sektors mit einer Bogenlänge von 1/p·360° angeordnet ist, wobei p die Polzahl des Rotors bezeichnet, und aus mindestens drei in Umfangrichtung des Stators benachbarten Spulen mit zur Rotorachse etwa radialen Wickel­ achsen besteht, wobei diese Spulen einerseits etwa gleiche Querschnitte und andererseits unterschiedliche, jedoch bezüglich der Umfangsmitte des zugehörigen Sektors symmetrisch verteilte Windungszahlen aufweisen und elektrisch in Reihe geschaltet ist.

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 entsprechender 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 Spulen 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 Wicklungs­ gruppe mit den Spulen n_1,1, n*_1,1 und n_1,1 induziert wird. Die strichlierte Kurve 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 (6)

1. Tachogenerator, insbesondere bürstenloser Tacho­ generator, mit permanent magnetisiertem Rotor und genutetem Stator mit zumindest zweiphasiger, in den Statornuten untergebrachter Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung, deren Phasen aus einer der Polzahl des Rotors entsprechenden Anzahl von Wicklungsgruppen bestehen, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, daß die beim Vorbeilauf eines Rotorpoles an der jeweiligen Wicklungsgruppe abgreif­ bare elektrische Spannung bzw. Stromstärke bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors über einen großen Drehwinkel angenähert konstant bzw. zwischen benachbarten Schwellwerten bleibt und der genannte Drehwinkel größer ist als 1/n·180° elektrisch, wobei n die Zahl der Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsgruppe (n_1,1, n*_1,1, n_1,1; . . . ) innerhalb eines Sektors mit einer Bogenlänge von 1/p·360° angeordnet ist, wobei p die Polzahl des Rotors (1) bezeichnet, und aus mindestens drei in Umfangsrichtung des Stators benachbarten Spulen mit zur Rotorachse etwa radialen Wickelachsen besteht, wobei diese Spulen einerseits etwa gleiche Querschnitte und andererseits unterschiedliche, jedoch bezüglich der Umfangsmitte des zugehörigen Sektors symmetrisch verteilte Windungszahlen aufweisen und elektrisch in Reihe geschaltet sind.

2. Tachogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsgruppen der verschiedenen Phasen der Wechselstrom- bzw. Drehstromwicklung so angeordnet sind, daß alle Zähne zwischen den Statornuten jeweils mit gleichen Gesamtwindungszahlen über alle Phasen belegt sind.

3. Tachogenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Wicklungsgruppe eingenommene Sektor am Stator in Umfangsrichtung etwa gleiche Breite wie jeweils ein Rotorpol hat.

4. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Gleichrichter- bzw. Steuerschaltung, über die die Ausgänge des Tachogenerators in Abhängigkeit von der Rotorstellung mit jeweils einer der Phasen der Wechsel- bzw. Drehstromwicklung elektrisch während einander anschließender Zeitintervalle verbunden werden, in welchen an der jeweiligen Phase bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Rotors die annähernd konstante elektrische Spannung bzw. Stromstärke abzweigbar ist.

5. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.

6. Tachogenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch in Reihe geschalteten Spulen teilweise mit unterschiedlichem Richtungssinn angeordnet sind.