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Elektrisches Drehschwingungsmeßgerät Die Erfindung bezieht sich auf
elektrische Dr ehschwingungsmeßgeräte, die aus einem mit dem umlaufenden Prüfkörper
zwangsläufig verbundenen Tragglied und einer mit letzterem elastisch gekuppelten,
mit umlaufenden trägen Masse bestehen, wobei der eine dieser beiden elastisch gekuppelten
Teile als ein aus Ringmagneten bestehendes Polrad und der andere als Ankerglied
einer elektromagnetischen, Wechselströme erzeugenden Vorrichtung ausgebildet ist.
Die bekannten Geräte dieser Art haben den Nachteil, daß die Ströme keine Proportionalität
zu dem jeweiligen Verdrehungswinkel besitzen, so daß die Geräte zu Meßzwecken nicht
ohne weiteres zu verwenden sind; sie ergeben niemals exakte Messungen und können
lediglich ganz groben Kontrollzwecken dienen.
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Dem elektrischen Drehschwingungsanzeiger g erna äß der Erfindung haftet
dieser Mangel nicht an. Denn bei ihm ist der Anker im Verhältnis zu' den Polschuhen
so ausgebildet und angeordnet, daß der Kraftlinienfluß bei jeder Winkelstellung.des
Ankers zu den Polen konstant bleibt, so daß die erzeugte elektromotorische Kraft
lediglich abhängig ist von der für einen bestimmten Schwingungswinkel einander gleichen
Zahl der ein- und austretenden Windungen. Die erzeugten Ströme sind dann genau proportional
der Schwingungsgeschwindigkeit und bei konstanter Schwingungsfrequenz dem Verdrehungswinkel.
Um dies zu erreichen, wurde der Anker als Ringanker ausgebildet, der konzentrisch
zu den Ringmagneten angeordnet ist. Dieser Ringanker trägt eine Wicklung, derart
(bei mehrpoliger Anordnung mehrere Wicklungen), daß die Polbreite geringer ist als
die Wicklungsbreite. Diese Anordnung eines Ringankers ergibt außerdem für schnell
umlaufende Uaschinen eine sehr einfache und betriebssichere Bauart.
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Es sind bereits Erschütterungsmesser- zur Messung hin und her gehender
mechanischer Vibrationen in Bauteilen bekannt, bei denen ebenfalls innerhalb eines
genügend großen Bereiches Proportionalität zwischen Auslenkung und induziertem Strom
vorhanden ist. Bei diesen Erschütterungsmessern ist ein mit einer oder mehreren
Wicklungen versehener Schwinganker zwischen paarweise angeordneten Elektromagneten
schwingbar gelagert. Die festen Magnetspulen sind dabei so hintereinandergeschaltet,
daß in der Nulllage des schwingenden Ankers die magnetischen Kraftlinien jedes Magnetpaares
in gleicher Zahl, aber entgegengesetzter Richtung durch die zugehörige Ankerspule
gehen. Diese Anordnung ist jedoch nicht zur Messung von Drehschwingungen an schnell
um, laufenden Maschinen geeignet.
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Die Figuren zeigen eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Es stellen dar: Fig. z einen Längsschnitt nach der Linie A-B der Fig.
Fig.2
einen Querschnitt nach der Linie C-D der Fig: i, wobei jedoch das äußere Gehäuse
der Vorrichtung weggelassen ist.
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Die an das umlaufende, die Drehsch-%vin,-@ gungen ausführende Wellenende
angeflansc-b;@& Konusnabe i mit der Verlängerung ia ttä##^ den Anker :2 mit
den Wicklungen 5. Dieser: Anker mit- seinen Wicklungen macht die-Schwingungen der
Welle mit. Die auf dem Wellenzapfen ia gelagerte träge Masse trägt das Polrad 3
; sie wird durch leichte Federn 4. mitgenommen und läuft mit gleicher Drehzahl der
Welle, wobei die Schwingungen der Welle infolge Zwischenschaltung der federnden
Verbindung nicht mit übertragen werden. Normalerweise wird also das Polrad gegenüber
-den Wicklungen 5 des Ankers 2 eine Mittellage einnehmen. Treten Schwingungen auf,
so schwingt der mit der Welle starr gekuppelte Anker mit Bezug auf die Pole, und
in den Windungen wird ein Wechselstrom erzeugt. Polrad und Anker können in ihrer
Anordnung naturgemäß untereinander vertauscht werden.
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Der Kraftlinienv erlauf entspricht der angedeuteten Pfeilrichtung
in Fig. 2. Die Kraftlinien treten an dem mit S bezeichneten Südpol (bei mehrpoliger-Anordnung
an den Südpolen) aus und sättigen das Eisen des Ankers 5, durchfließen den Anker
bzw. die Ankerteile in der angedeuteten Weise und treten am Nordpol aus dem Anker
wieder aus. Die Kraftlinien oder das Feld können von einem permanenten oder Elektromagneten
erzeugt werden. Durch die konzentrische Anordnung des Ringankers kann der Anker
beliebig verdreht werden, ohne daß das an den Polen bestehende Feld sich ändert,
da der Abstand des Ankers von den Polen konstant bleibt. Der Fluß des Feldes ist
also konstant.
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Jede auf dem Anker untergebrachte Wicklung liegt im Luftspalt der
Polschuhe, ist aber um soviel breiter als der zugehörige Polschuh, so daß bei jeder
Ankerstellung die Polbreite überdeckt wird. Hierdurch wird erreicht, daß die im
Polspalt befindliche Windungszahl immer die gleiche ist. Bei Erzeugung von Schwingungen
dienen demnach lediglich die in den Polspalt ein- oder austretenden Windungen zur
Erzeugung von Wechselstrom. Die Anzahl der geschnittenen Windungen ist also ausschließlich
abhängig vorn Verdrehungswinkel der Welle.
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Der Wicklungssinn unter entgegengesetzten Polen ist naturgemäß ebenfalls
den Polen entsprechend entgegengesetzt, damit bei Reihenöder Parallelschaltung der
einzelnen Wicklungssegmente die in den' Windungen erzeugten Ströme addiert werden.
Der durch Schwingungen erzeugte Wechselstrom ist bei der dargestellten und im vorigen
erläuterten Maschine in jedem Augenblick der Schwingungsgeschwindigkeit proportional.
Hat man es mit einer harmonischen (sinusförmigen) Schwingung zu tun, wie das bei
Resonanzen @mer annähernd der Fall ist, so ist der :,chselstroin für ein und dieselbe
Frequenz '-demnach proportional dein Schwingungsausschlag. Ein in den Stromkreis
eingeschaltetes Amperemeter, das den effektiven Wert des Wechselstromes mißt, gibt
dann zugleich die Schwingungsausschläge an. Ganz allgemein kann aber für eine bestimmte
Anlage das Gerät auch geeicht werden, wenn man die Anzeige mit der Aufzeichnung
eines Torsiographenvergleicht. Durch elektrische Frequenzmesser kann in bekannter
Weise die Frequenz des Stromes Lind damit auch die Eigenschwingungszahl der Welle
gemessen werden.
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Die träge Masse wird, wie bereits oben erwähnt, durch Federn mitgenommen;
das ganze System besitzt eine Eigenschwingungszahl, die so niedrig wie möglich zu
halten ist. Die träge Masse wird also mehr oder weniger große langsame Eigenschwingungen
um die Wicklungsmitte ausführen, die ebenfalls Ströme hervorrufen.' Die Eigenschwingungszahl
muß daher so niedrig sein, daß sie keinen meßbaren zusätzlichen Strom ergibt. Durch
die früher beschriebene Anordnung der Wicklung spielt die Stellung des Pöles zur
Ankerwicklung keine Rolle, da ja die Wicklung so breit vorgesehen wird, daß sie
immer die Breite des Polschuhes überdeckt. Die elektrischen Verhältnisse der Maschine
sind also folgende Die Eigenschwingung der trägen Masse übt keinen Meßfehler auf
die Einrichtung aus. Der Kraftlinienfluß der magnetischen Felder ist und bleibt
konstant, wenn der Ringanker zum Felde Verdrehungen bzw. Schwingungen.ausführt.
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Die im Felde der Pole' liegenden Ankerwindungen haben konstante Anzahl,
und es wird ein Wechselstrom nur dadurch erzeugt, daß ein- oder austretende Windungen
Kraftlinien schneiden.
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Die Anzahl der schneidenden Windungen ist proportional dein Verdrehungswinkel
des Ankers bzw. der Welle.
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Es gilt somit folgende Gleichung:
Hierin bedeutet EMK die elektromotorische Kraft, Z die Anzahl der von den Kraftlinien
geschnittenen Drähte,
die Drehzahl bzw. die Frequenz, 0 den Kraftlinienfluß und io-s einen Faktor.
Da
0 konstant ist, ist also die EMK lediglich abhängig von Z und
d. h. von der Anzahl der geschnittenen Windungen und der Frequenz. Es ist also der
Wechselstrom in jedem Augenblick proportional der Schwingungsgeschwindigkeit. Ist
die Frequenz konstant, was meistens für eine bestimmte Anlage der Fall ist, so entspricht
demnach der Strom dein Verdrehungswinkel der Welle.
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Alle bis heute bekannten elektrischen Drehschwingungsmeßgeräteweisen
dieses wichtige Merkmal nicht auf. Diese dem Erfindungsgegehstand zugrunde liegenden
Eigenschaften gestatten es ferner, bei wechselnder Frequenz durch Anwendung von
Drossel und Kondensator die Frequenz zu kompensieren, so daß das Gerät direkt in
Winkelgraden geeicht werden kann.
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Der in der Ankerwicklung erzeugte Strom wird in bekannter Weise mittels
Bürsten 6 gemäß Fig. z dem feststehenden Schleifring zugeführt, wo er für die weitere
Messung abgenommen werden kann.