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Wechselstromerzeuger mit feststehendem induzierendem und induziertem
System sowie einem mit Kraftlinienleitstücken versehenen rotierenden Läufer, insbesondere
zum Messen magnetischer Felder Zur Ausmessung magnetischer Felder, insbesondere
schwacher Felder, sind bisher rotierende Induktoren benutzt - worden. Diese rotierenden
Induktoren besitzen durchweg Bürstenkontakte. Sie haben entwederrotierende Spulen
mit Schleifringen zur Erzeugung von Wechselstrom oder rotierende Spulen mit Kommutator
zur Erzeugung von Gleichstrom. Bei den bekannten Einrichtungen sind die erzielten
Meßspannungen bzw. Meßströme besonders bei schwachen Magnetfeldern, beispielsweise
dem Erdfeld, verhältnismäßig klein, wenn die verwendeten Induktoren nicht große
Abmessungen annehmen sollen. Abgesehen davon wird die Meßgenauigkeit durch die bei
den Bürstenkontakten auftretenden mechanischen und elektrischen Schwierigkeiten
stark beeinträchtigt.
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Es sind ferner magnetelektrische Maschinen und Maznetinduktoren mit
feststehendem
induzierendem und induziertem System sowie einem mit
Kraftlinienleitstücken versehenen rotierenden Läufer bekannt, bei denen Bürstenkontakte
wegfallen. Die Endflächen der Läufer und die Polschuhe der Magnete sind jedoch so
ausgebildet, daß eine streng sinusförmige Spannung nicht herstellbar ist; vielmehr
entstehen Oberwellen,'-.- die =eine Verzerrung der Grundwelle zur Folge haben.
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#:-;.Aufgabe - c@er= Erfindung ' war die Schaffung eines insbesondere
zum Messen magnetischer Felder . geeigneten ! Wechselstromerzeugers, der bei Vermeidung
von - Bürstenkontakten eine streng sinusförmige Spannung -liefert. .Diese Aufgabe
wird bei einem Wechselstromerzeuger mit feststehendem induzierendem und indu-.ziextem
Systenl'9ö%#ie eiiie#n *mit Kraftlinienleitstücken versehenen rotierenden. Läufer
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Kraftlinienleitstücke des rotierenden Läufers
mittels ausgesparter Pole einen geteilten Magnetfluß vom induzierenden System aufnehmen
und die beiden Teilflüsse derart an den Läufer weiterleiten, daß absolut genommen
der- Gesamt= magnetfluß konstant bleibt, im Läufer jedoch ein magnetischer Differenzfluß
entsteht, der eine von der Drehzahl des Läufers abhängige, streng sinusförmige Spannung
in dem feststehenden, innerhalb der ausgesparten Polschuhe angeordneten Spulensystem
induziert.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung unterscheidet sich von den bekannten
Wechselstromerzeugern ohne Bürstenkontakte sowohl in der Gestaltung der Polschuhe
als auch in der Ausbildung der Kraftlinienleitstücke. Die Maßnahme der Unterteilung
der Polschuhe ist in magnetischer Hinsicht zwecks Vermeidung von Streuung sehr günstig
und gewährleistet den Vorteil einer gedrängteren Bauweise. Wesentlicher ist der
Unterschied hinsichtlich der Ausbildung der Kraftlinienleitstücke im Sinne der Induktion
einer streng sinusförmigen Spannung in dem feststehenden System. Das erfindungsgemäße
Gerät zeichnet sich durch große Genauigkeit bei einfacher Handhabung aus und besitzt
außerdem die Eigenschaft, keinerlei Rückwirkungen auf den aufgenommenen bzw. auszumessenden
Magnetfluß auszuüben. Die Vorzüge der streng sinusförmigen Spannung sind in der
Meßtechnik allgemein bekannt, es sei lediglich darauf hingewiesen, daß Scheitel-
und Mittelwerte in eindeutiger Weise bestimmt werden können.
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Iss sind zwar Wechselstromerzeuger mit um- i laufenden Kraftlinienleitstücken
bekannt, die mittels ausgesparter Polschuhe den geteilten Magnetfluß aufnehmen.
Damit ist die erfindungsgemäße Lehre auch unter Berücksichtigung der hereits erwähnten
Magnetinduktoren jedoch noch nicht verwirklicht. 'Mitbestimmend für den streng sinusförmigenVerlauf
der Spannung bei der erfindungsgemäßen . Einrichtung ist die Differenzwirkung bei
konstantem Gesamtmagnetfluß. Dadurch ergibt sich der Vorteil der völligen Rückwirkungsfreiheit
auf dem Gesamtfluß, da die beiden Teilflüsse absolut zusammengenomm-2n immer konstant
bleiben. Mit den bei den bekannten Geräten vorgesehenen Maßnahmen, z. B. einfache
Versetzung der Leitstücke um i8o°, bleibt der Gesamtmagnetfluß nicht konstant; es
gibt eine Lage der Leitstücke, in welcher der Magnetfluß kaum in den Läufer eindringen
und somit als unterbrochen -angesehen werden kann. Die bekannten Einrichtungen sind
demnach wegen des im Läufer dauernd seine Richtung und Stärke wechselnden Gesamtflusses
nicht in der Lage, streng sinusförxnigen Wechselstrom abzugeben. Außerdem ist bei
ihnen die magnetische Streuung recht erheblich, wodurch ebenfalls im Gegensatz zu
der geschlossenen Anordnung nach der Erfindung die Form der Wechselspannung ungünstig
beeinflußt wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbegondere zum Messen -magnetischer
Felder geeignet. Die Ausmessung, von Magnetfeldern und die Kenntnis der erdmagnetischen
Störungen ist z. B. für die genaue Peilung und den drahtlosen Funkbetrieb von größter
Wichtigkeit. Trotz der verhältnismäßig kleinen Abmessungen des Gerätes werden bei
der Ausmessung schwacher magnetischer Felder elektromagnetische Kräfte induziert,
die unmittelbar und ohne zusätzlichen Aufwand zur Anzeige gebracht werden können.
Ein anderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Benutzung als Modulator für Wechselfelder.
Ein Wechselstrom, der ein magnetisches Wechselfeld von beliebiger Gestalt der Schwingungskurve
erzeugt, kann leicht in einen streng sinusförmigen Wechselstrom umgewandelt werden,
der für Meß- und Anzeigezwecke besonders vorteilhaft ist.
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In den Fig. i bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel angegeben, aus dessen
Beschreibung weitere vorteilhafte Einzelheiten -zu entnehmen sind. Es zeigt Fig.
i einen Schnitt der Maschine durch die Läuferachse, Fig. 2 eine Ansicht der Maschine,
Fig.3 eine schematische Darstellung hach Fig. z.
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Mit i und i' sind zwei Stäbe bezeichnet, die den magnetischen Meßfluß
(P aus dem auszumessenden Magnetfeld aufnehmen. An dem Stab i ist ein gespaltener
oder mit einer Ausnehmung versehener Polschuh 2 angebracht, dessen Polstücke ; und
7' den JIaanetfluß (h in zwei Teilflüsse (h1 und (I)_ zerlegen. Entsprechend ist
der am Stab i' angebrachte Polschule gestaltet, so claß die Polstücke S und S' den
Polstücken 7 und 7' gegenüberstehen. Dazwischen befindet sich mittels Kugellager
ii und 12 s
drehbar auf einer Achse 3 angeordnet ein Achsteil q.
eines Läufers, dessen Endflächen 5 und 6 als Kraftlinienleitstücke dienen und die
Polstücke 7 und 7' bzw. 8 und 8', durch die Luftspalte 13 und 13' getrennt, abdecken.
Den Achsteil q. des Läufers umgibt ein Halter io mit einer Spule 9, die in die Polschuhe
2 und 2' hineinragt.
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Aus Fig. 2 ist die Form des Kraftlinienleitstückes 5 zu entnehmen.
Das Kraftlinienleitstück 6 ist g,-gen das Kraftlinienleitstück 5 um einen bestimmten
Winkel (p (Fig. 3) versetzt, der von der Gestalt der Polstücke abhängig ist. Im
Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel 6o°. Das Polstück 7 bzw. 8 des Polschuhes
2 bzw. 2' hat eine keilförmige, nach der Achse zu durch einen Kreisbogen begrenzte
Gestalt, und das Kraftlinienleitstück 5 besitzt drei Pollappen 1¢, 15, 16. Die Einschnitte
14', 15', 16' sind so gewählt, daß sie gerade bis zu den inneren kreisbogenförmigen
Kanten i9 bzw. 2o der Polstücke 2 und 2' reichen. Es sind aber auch Umrandungskurven
der Kraftlinienleitstücke möglich, die mehr als drei Pollappen und Einschnitte aufweisen,
nur ändert sich dann auch die Gestalt der Polstücke, wenn eine sinusförmige Spannung
erzielt werden soll.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung sei im folgenden erläutert: DerMagnetfluß0wird
durch den Polschuh 2 mit seinen Polstücken 7 und 7' in die Teilflüsse 01 und 02
zerlegt. 01 tritt über den Luftspalt 13 in das Krafthnienleitstück 5 ein, fließt
durch den Achsteil q. des Läufers und tritt aus dem Kraftlinienstück 6 über den
Luftspalt 13' in das Polstück 8' des Polschuhes 2'. Der Teilfluß 02 dagegen tritt
aus dem Polstück7' über den Luftspalt 13' in das Kraftlinienleitstück 6, um dann
aus dem Kraftlinienleitstück 5 in das Polstück 8 des Polschuhes 2' überzugehen.
Der Achsteil ¢ des Läufers wird also von dem magnetischen Differenzfluß 01- 02 durchsetzt,
der in der Spule 9 eine elektromotorische Kraft induziert. Die Luftspalte 13 und
13' -,verden vorzugsweise so klein gewählt (Größenordnung etwa 1/1o mm), daß die
magnetische Streuung, d. h. der zusätzliche Fluß, von den Stäben i bzw. i' und den
Polschuhen 2 bzw. 2' nach den Kraftlinienleitstücken 5 und 6 vernachlässigt werden
kann. Vereinfachend kann daher angenommen werden, daß die magnetischen Flüsse nur
durch die Luftspalte 13 bzw. 13' übertreten. Die magnetischen Leitfähigkeiten der
Luftspalte, d. h. die Magnetflüsse, sind dann proportional den von den Polstücken
2 und 2' auf den Kraftlinienleitstücken 5 und 6 abgedeckten Oberflächen.
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Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kraftlinienleitstückflächen
5 und 6 wird bewirkt, daß der magnetische Fluß durch die Spule 9 in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Läufers sinusförmig verläuft. Bei gleichförmiger Drehung ergibt
sich daher eine sinusförmige Spannung, die unmittelbar zur Anzeige gebracht oder
mittelbar dazu verwandt werden kann. Bei dem aus dem Magnetfeld aufzunehmenden Magnetfluß
treten keine Rückwirkungen oder Veränderungen auf, so daß eine genaue und zuverlässige
Messung ermöglicht wird.
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Die erfindungsgemäße Form der Umrandungskurve der Läuferendflächen
ist zu ermitteln aus der Bedingung, daß die Summ= der Teilflüsse 1I1 und 02 in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Läufers konstant ist. Das bedeutet aber, daß die Summe der das
Polstück 2 abdeckenden Kraftlinienleitstückflächen konstant bleiben muß. In Fig.3
ist mit dem schraffiertenTeil 17 die von dem Polstück 7 des Polschuhes 2 bedeckte
Oberfläche angedeutet, während die auf dem Polstück 7' abgedeckte Oberfläche auf
der rückwärtigen Seite liegt und in der Darstellung nicht zur Geltung kommt, deren
Gestalt und Größe aber dem schraffierten Teil 18 gleich ist. Dreht sich jetzt die
Scheibe 5 im Uhrzeigersinne, so nimmt die Größe der schraffierten Fläche 17 ab,
die der schraffierten Fläche 18 zu, so daß die Summe immer konstant bleibt. Der
gesamte Magnetfluß bleibt daher konstant, wogegen der Differenzfluß im Läufer sinusförmig
ab- und zunimmt, sofern für die Umrandungskurven der Läuferendflächen die mathematische
Beziehung
gilt, die in Polarkoordinaten yp und r (y!) dargestellt ist. Die Bedeutung
der einzelnen Zeichen der Formel ist in Fig. 3 veranschaulicht. rt ist der Innenradius,
auf dem die tie.'sten Stellen der Einschnitte 14', 15', 16' liegen, r" ist der Außenradius
des Kraftlinienleitstückes ö. Für P ist die Anzahl der Pollappen zu setzen, im Ausführungsbeispiel
also 3. Die sich ergebende Fläche, die von der Umrandungskurve begrenzt wird, sei
_als Sinusfläche bezeichnet.
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Der Differenzfluß 01- 02 ändert sich sinus= förmig, ohne den konstanten
Gesamtfluß zu beeinflussen. Dadurch wird in der Spule 9 ein streng sinusförmiger
Wechselstrom induziert. Das Verhältnis des Differenzflusses zum Gesamtfluß ergibt
sich zu
wo a durch die Beziehung
so festgelegt wird, daß die tiefsten Stellen der Einschnitte auf den Scheiben 5
.Stellen 6 gerade bis zur inneren kreisbogenförmigen Kante i9 bzw. 2o der Polstücke
2 bzw. 2' reichen, und q, den Winkel angibt, um den die Läuferendflächen gegeneinander
versetzt sind.
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Für die von den Polstücken 2 und 2' abgedeckten Flächen auf den Kraftlinienleitstücken
5 und 6 (schraffierte Teile der Fig. 3) besteht die folgende Beziehung
Die Wahl von a, d. h. dem Keil- oder Öffnungswinkel der Polstücke 7 und 7' bzw.
8 und 8' ist nun so zu treffen, daß der magnetische Differenzfluß, d.-h. die Differenz
der Flächen 17 und i8 möglichst groß wird. Daher
Für den Winkel a gilt daher
da dann der sin den Wert z annimmt. Im Ausführungsbeispiel, das ein dreipoliges
System darstellt, hat der Winkel a also einen Betrag von 6o°.
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Das Verhältnis des magnetischen Differenzflusses durch den Läufer
und damit durch die Spule zum Gesamtfluß wird durch die Gleichung 0, = 0
2 - cos p p. g) bezeichnet wieder den Winkel, um den das eine Kraftlinienleitstück
gegen das andere versetzt ist.
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Wenn jetzt zwischen den Polstücken 2 und 2' beispielsweise eine magnetomotorischeKraft
O zur Verfügung steht, so wird der Gesamtfluß
wobei d die Größe der Luftspalte angibt (es, = Permeabilitätskonstante).
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Es sei yatmin die Läuferdrehzahl, z die Zahl der Spulenwindunzen,
dann ist die elektromotorische Kraft des Induktors (Effektivwert)
und die Frequenz der erzeugten Wechselspannung
Bei einer Form wie im Ausführungsbeispiel (:r,-i, )t1 sich nach überschla@smäiji;er
Rechnung mit r; = i cm. ;rz = 2 cm, _ 3ooo. n - 3oo im Erdfeld eine
EMK v@in ioo his 15o n1 V, di:e zum Messen und Anzviaen ohne Igroße Verstärkung
"eei=rsnet ist.
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Durch die errin(Ilin,'#s@=eniäße Einriclltun,-wird ein einfache: Mittel
1-roßer 1_eistun<füllikeit Zescharfen, mit dem es n:ii;=1ic11 ist, netische Feldmessun
zen selbst bei schwächsten Feldern genau und zuverlässil- durchzuführen, ohne daß
ein zusätzlicher Aufwand an Verstärkung erforderlich ist.