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Elektromagnetische, mit Wechselstrom betriebene Gebe- oder Empfangsanordnung
zur Fernübertragung von Stellungen oder Messung von Drehzahlen Es ist eine Anordnung
zur Fernübertragung von Bewegungen bekannt, deren Geber und Empfänger nach Art von
Motoren gebaut sind. Die mehrphasige Ständerwicklung des Gebers einerseits und des
Empfängers andererseits liegen an dem gleichen Wechselstromnetz. Die ebenfalls mehrphasigen
Läuferwicklungen von Geber und Empfänger sind an den entsprechenden Punkten miteinander
verbunden. Durch das von den Ständerwicklungen erzeugte Drehfeld werden in den Läuferwicklungen
Spannungen induziert, die gleich groß, aber auf Grund der Zusammenschaltung der
beiden Läuferwicklungen einander entgegengesetzt sind, so daß sie sich bei gleicher
Winkelstellung der beiden Läufer gegenseitig aufheben. Bei ungleicher Läuferstellung
sind diese Spannungen verschieden groß und ergeben infolgedessen. einen Ausgleichsstrom,
der zusammen mit dem Drehfeld des Empfängers ein Nachstelldrehmoment für den Läufer
des Empfängers ergibt, sofern man sich den Läufer des Gebers, der ja willkürlich
verstellt wird, festgehalten
denkt. Ständer- und Läuferwicklungen
sind dabei symmetrisch verteilt, so daß auch die darin auftretenden Spannungen bzw.
Ströme nur hinsichtlich ihrer bei einer Drehung des Läufers im Geber auftretenden
Amplitudenänderung zur Wirkung kommen. Ein solches Verfahren ist jedoch nicht zweckmäßig,
weil die genaue Erfassung von Amplitudenänderungen wegen der wechselnden Eigenschaften
der Fernleitung nicht möglich ist. Eine andere bekannte Vorrichtung zur induktiven
Fernanzeige von Drehbewegungen, insbesondere zur Fernübertragung von Meßwerten,
arbeitet mittels magnetischen Wechselfeldern, deren Stärke bei den Drehbewegungen
verändert wird. Es kommen dabei mehrere, beispiels-,veise zwei wechselstromerregte
Magnetsysteme mit je einem drehbaren Schlußstück zur Verwendung, und zwar sind alle
Schlußstücke zwangsläufig miteinander gekuppelt und gegen die zugehörigen Magnetsysteme
um entsprechende Winkel versetzt. Durch diese beweglichen Schlußstücke wird die
Wechselinduktion zwischen den zusammengehörenden Wicklungen jedes Magnetsystems
geändert. Die Spulen des Empfängers sind an die entsprechenden Induktionsspulen
des Gebers angeschlossen, so daß der frei einstellbare Anker des Empfängers sich
stets in die gleiche Lage bewegt, die der Anker des Gebers einnimmt. Die Erregung
der Magnetsysteme erfolgt mit Einphasenstrom. Folglich müssen auf jedem Magnetsystem
mindestens. zwei Spulen, nämlich eine Erregerspule und eine Meßs.pule, vorhanden
sein, was bei den kleinen Abmessungen dieser Geräte ein fühlbarer Mangel ist. Außerdem
bereitet die erforderliche Kupplung der beweglichen Schlußstücke Schwierigkeiten,
wenn ein vollständig symmetrisches Arbeiten des Gerätes erreicht werden soll.
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Schließlich wird: bei einer weiteren bekannten Anordnung ähnlicher
Art an Stelle der Wechselinduktion die Selbstinduktion ausgenutzt, jedoch in einphasiger
Erregung, was den Mangel hat, daß entsprechend viele Wicklungen vorhanden sein müssen.
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Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls eine elektromagnetische, mit
Wechselstrom betriebene Gebe- oder Empfangsanordnung zur Fernübertragung von Stellungen
oder Messung von Drehzahlen, bei der mehrere, mindestens zwei Magnetsysteme vorgesehen
sind, die mit einem beweglichen, ihren Magnetfluß verändernden Anker derart zusammenwirken,
daß die Abhängigkeit des Magnetflusses von der Ankerstellung an sich bei allen Magnetsystemen.
dieselbe ist und nur um einen von der Zahl der Magnetsysteme abhängigen Winkel versetzt
ist, so daß bei den einzelnen Magnetsystemen derselbe Wert des Magnetflusses nach
einer Drehung des Ankers um diesen Winkel erreicht wird. Erfindungsgemäß ist jedes
Magnetsystem nur mit einer einzigen Wicklung versehen, deren Selbstinduktion sich
mit der Ankerdrehung verändert, und die Wicklungen der einzelnen 1-Iagnetsystetne
werden durch die Spannungen eines mehrphasigen Netzes erregt, wobei die Zahl der
Phasen der Zahl der Magnetsysteme entspricht, so daß die Ursymmetrie der Spannungen
oder der Ströme in den mehrphasigen Wicklungen zur Fernübertragung der Stellung
des Ankers benutzt wird. Beim Anschluß der verschiedenen Wicklungen an eine Wechselspannung
entsprechender Phasenzahl entstehen nämlich von der Ankerstellung abhängige Ströme
in den einzelnen Wicklungen, die unmittelbar zur Stellungsübertragung benutzt werden
können. Im Bedarfsfall können aber auch aus diesen Strömen besondere zur Übertragung
geeignete Spannungen abgeleitet tverden. Insbesondere ist zu diesem Z«-eck die Unsymmetriespannung
des Sternpunktes oder der über den Sternpunkt fließende U nsymmetriestrom geeignet.
Die Wicklungen selbst werden zweckmäßigerweise, ohne daß dies aber grundsätzlich
notwendig wäre, feststehend, der urbewickelte Anker dagegen beweglich ausgeführt.
Diese Ausführungsform hat den Vorzug, daß Schleifringe überhaupt entbehrlich werden.
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Die Ausnutzung der Selbstinduktion hat zur Folge, daß nur eine einzige
Spule je Magnetsystem erforderlich ist, wodurch die Zahl der Wicklungen und damit
auch die Zahl der Wicklungsenden wesentlich verringert wird. Damit entfällt auch
die Notwendigkeit, die Wicklungen gegeneinander besonders zu isolieren, so daß der
Wickelraum viel besser ausgenutzt werden kann. Dies ist bei beschränkten Platzverhältnissen
sehr wesentlich. Die Erregung der Wicklungen mehrerer Magnetsysteme mit Spannungen
eines entsprechenden Mehrphasennetzes hat darüber hinaus den großen Vorteil, daß
die übertragung der Ankerstellung über einen Winkelbereich von 36o° möglich ist,
wobei nur eine einzige Leitung für die Übertragung benötigt wird, die unter Umständen
sogar mit einer einzigen Leitung übertragen werden kann. Sollen mehrere solcher
Stellungen gleichzeitig übertragen werden, so ist nur eine entsprechende Zahl von
Einzelleitungen notwendig, da das erregende Dr-ehstrontnetz für alle Geräte gemeinsam
sein kann und daher nur einmal durchgeschaltet ist. In der Vereinigung des Merkmals
nur einer einzigen Spule je Magnetsystem, d. h. in der Anwendung der Selbstinduktion
mit dem Merkmal der mehrphasigen Erregung ist außerdem eine Besonderheit zu sehen,
weil dadurch nämlich
im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen die
Möglichkeit gegeben wird, die Unsymmetrie der Spannungen oder Ströme in den, mehrphasigen
Wicklungen zur Fernübertragung auszunutzen, wodurch die Anordnung amplitudenunabhängig
wird.
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Die Abbildungen zeigen Ausführungsbeispiele oder Schaltungen und Diagramme
zur Erläuterung der Wirkungsweise. Die Ausführungsbeispiele sind dreiphasig gezeichnet,
weil dies im allgemeinen der wichtigste Fall ist, denn eine dreiphasige Netzspannung
steht meist zur Verfügung oder kann leicht hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen
Anordnungen können aber in jeder beliebigen Phasenzahl, z. B. zwei- oder sechsphasig,
aufgebaut werden.
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Im einzelnen zeigt Abb. i ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die
Verhältnisse nach einer vollen Ankerumdrehung wiederholen, Abb.2 ein Ausführungsbeispiel,
bei dem sich die Verhältnisse nach ein zwölftel Ankerumdrehung wiederholen, Abb.
3 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der räumlichen Abhängigkeit und der gegenseitigen
Versetzung der Induktivitäten der einzelnen Phasen, Abb. q. eine grundsätzliche
Schaltung, Abb.5 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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In allen Abbildungen kehren die folgenden Bezeichnungen wieder: i,
2 und 3 für die drei Selbstinduktionssysteme, q. für den beweglichen Anker; die
anderen Bezeichnungen sind im beschreibenden Text erläutert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. i kann sich ein Anker q. in der
dreiteiligen symmetrischen Anordnung der drei Magnetsysteme i, 2 und 3 drehen. Die
Lagerung für den Anker und die Befestigung der Systeme ist dabei in der schematischen
Darstellung nicht gezeichnet. Infolge der eigenartigen Formgebung des: Ankers, der
aus einem Zylinder mit beiderseitig hufartigem Abschnitt gebildet wird, gibt er
den drei Syste. men drei verschiedene von. seiner Stellung abhängige Blindwiderstände.
Zur besseren Verdeutlichung ist das System i im Schnitt dargestellt. Die Wicklung
8 befindet sich auf einem Bolzen 7, der an seinen. beiden Enden die Polansätze 5
und 6 trägt, die mit ihren zylindrischen Polflächen dem Anker q. gegenüberstehen.
Dieser ist in der Stellung gezeichnet, in der für den Fluß des Systems i die größte
Übertrittsfläche zur Verfügung steht. Bei einer Drehung des: Ankers im einen oder
anderen Sinne nimmt der Fluß und die Induktivität wegen der Verkürzung der wirrks.amen
Ankerlänge ab, bis schließlich nach einer halben Umdrehung ein Kleinstwert vorhanden
ist. Wegen der aus dem Grundriß ersichtlichen Versetzung der Systeme i, 2 und 3
werden dabei die Größtwerte des Flusses bei den drei Systemen nach je einem Drittel
der vollen Umdrehung erreicht, wie später an Hand der auch für das Ausführungsbeispiel
der Abb. 2 geltenden Abb. 3 gezeigt werden soll.
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Abb. 2 gibt .einAusführungsbei spiel wieder, bei dem im Gegensatz
zu dem eben besprochenen die für eine Wiederholung der Verhältnisse maßgebende Teilung
nur ein zwölftel Umdrehung beträgt, außerdem sich die räumlich fest zu denkenden
Systeme i, 2 und 3 im Innern des beweglichen, als Käfig ausgebildeten Ankers q.
befinden, der sich um seine mit der Achse der Systeme zusammenfallenden Achse drehen
kann. Die MagnetsySteMe i; 2 und, 3 sind auf einen Bolzen g aufgesetzt, der zu ihrer
Befestigung dient. Für das System i ist der magnetische Kreis durch Bezifferung
näher erläutert, er besteht aus den beiden Zahnscheiben, deren Form aus dem Grundriß
hervorgeht, die mit io und ii bezeichnet sind und durch einen Hohlzylinder 12 im
Innern der Spule 13 magnetisch leitend miteinander verbunden sind. Der von
der Spule erzeugte Fluß schließt sich dann endlich über die Stäbe des käfigartigen
Ankers .4, und zwar je nach der Stellung verschieden gut. Wie aus dem Grundriß zu
ersehen ist, sind die Zahnscheiben; der drei Systeme i, 2 und 3 je um ein Drittel
der Zahnteilung gegeneinander versetzt, wobei die beiden Zahnscheiben desselben
Systems jeweils übereinstimmen. Die Folge dieser Versetzung ist auch hier wieder,
daß die Größtwerte der Induktivität, die dann auftreten, wenn die Ankerstäbe den
Zähnen der Zahnscheiben gegenüberstehen, bei einer Drehung des Ankers um ein drittel
Zahnteilung von dem einen System auf das nächste wechseln. Die Kleinstwerte treten
dagegen dann auf, wenn die Stäbe des Käfigankers q. gerade einer Zahnlücke gegenüberstehen.
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Abb.3 zeigt diese Verhältnisse, und zwar sowohl für das Ausführungsbeispiel
der Abb. i als auch der Abb. 2, wenn man den als Abszisse aufgetragenen Winkel a
als den Winkel der Verschiebung in bezug auf die magnetische Symmetrie auffaßt und
nicht als den wirklichen räumlichen Winkel, wie man ja auch bei elektrischen Maschinen
den sog. elektrischen Winkel von dem räumlichen Winkel unterscheidet. Dort ist der
Verhältnisfaktor die Polpaarzah.l, hier die Teilungszahl der Zahnscheiben und der
Käfigankerstäbe, in dem gewählten Beispiel also 12. Dem magnetischen Winkel a von
2ic entspricht also ein wahrer räumlicher Winkel von 2a1I2. Abhängig von dem so
definierten Winkel a
ist nun in Abb. 3 die Größe der Blindwiderständederdrei
Magnetsysteme aufgetragen. Sie schwanken um einen allen gemeinsamen Mittelwert Z
angenähert nach einer Sinuskurve bis zum Größtwert Z,"ax und zum Kleinstwert Z,"=".
Die Kurven für die drei Systeme sind, wie erwähnt, um je ein Drittel von 211 gegeneinander
verschoben.
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Abb. 4 zeigt das grundsätzliche Schaltungsschema, in dem zweckmäßigerweise
die erfindungsgemäßen Anordnungen verwendet werden. Da diese dreiphasig beschrieben
werden, ist für die Speisung ein Drehstromnetz vorzusehen, an das die drei Systeme
i, 2 und 3 in Sternschaltung angeschlossen sind. Ferner ist noch eine weitere Sternschaltung
aus den Elementen i', 2' und 3' vorhanden, die verschiedener Art sein kann, wofür
im folgenden noch Beispiele gegeben werden. Der eine Sternpunkt ist an die Klemme
14, der andere an die Klemme 15 geführt. Zwischen diesen entsteht nun eine Spannung
bzw. fließt im Falle des Kurzschlusses ein Strom, die von der gegenseitigenUnsymmetrie
der beiden Sternschaltungen herrühren und daher auch als Unsymmetriespannung oderUmsymmetriestrom
bezeichnet werden können. Sie spielen eine wesentliche Rolle, wie noch erläutert
wird.
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Abb. 5 stellt das Vektordiagramm dar, das entsteht, wenn man z. B.
annimmt, daß die eine Sternschaltung i, z und 3 eine Anordnung gemäß der Erfindung,
die andere dagegen ein symmetrischer Nullpunkttransformator sein möge und daß ferner
die Klemmen 14 und 15 nicht miteinander verbunden seien., sondern daß die zwischen
ihnen auftretende Spannung gemessen werde. Die Vektoren 0-i, 0-2 und 0-3 zeigen
dann Größe und Phase der an der Sternschaltung i', 2' und 3' herrschenden Spannungen.
Ist das Drehstromsystem selbst voraussetzungsgemäß streng symmetrisch, so ist auch
der Spannungsstern symmetrisch. Die Vektoren P-i, P-2 und P-3, die die Spannungen
an der Sternschaltung i, 2 und 3 wiedergeben, sind dagegen nicht gleich und daher
ihr Stern auch nicht symmetrisch, da ja die Blindwiderstände von der Ankerstellung
abhängen und für die .einzelnen Phasen immer verschieden sind. Der Punkt P liegt
also im Vektordiagramm nicht auf Punkt 0, zwischen beiden tritt vielmehr eine Unsymmetriespannung
auf, die zwischen den Klemmen 14 und 15 der Schaltung nach Abb.4 gemessen werden
kann. Größe und Richtung des Spannungsvektors 0-P hängen nun offenbar von dem früher
mit a bezeichneten magnetischen Ankerwinkel ab.
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Es läßt sich nun rechnerisch zeigen, wie hier nicht nachgewiesen zu
werden braucht, daß die Ortskurve des Punktes P für alle Winkel u von der Form der
in Abb. 3 gezeigten Kurven für das räumliche Verhalten der Blindwiderstände abhängt
und daß es eine ganz bestimmte Kurvenform hierfür gibt, die durch passende Abmessungen
und Formen der Zähne und Ankerstäbe oder des Ankerzylinders erreicht werden kann,
hei der das Ortsdiagramm ein Kreis wird, bei dem der Winkel -des Vektors 0-P mit
dem magnetischen Winkel a identisch wird.
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Die zwischen den Klemmen i4 und 15 der Schaltung nach Abb.
4 auftretende Spannung ist also in bezug auf ihre konstante Größe und veränderliche
Phase identisch mit der Spannung, die beim langsamen Drehen eines mit einer Wicklung
versehenen Läufers im Drehfeld eines dreiphasigen Ständers entsteht. Die Phase dieser
Spannung kann daher zur Feststellung der Ankerstellung genau so benutzt werden,
wie es bei der angeführten bekannten Anordnung üblich ist. Sie kann auch zur Messung
der Drehzahl des Ankers benutzt werden, da sie im Stillstand eine Frequenz gleich
der Netzfrequenz, bei Drehung im einen Sinne eine erhöhte, bei Drehung im anderen
Sinne eine erniedrigte Frequenz hat, die also ein Maß für die Drehzahl darstellt.
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Eine besonders einfache Schaltung für die Fernübertragung ergibt sich,
wenn man nach Abb. 4 zwei gleiche erfindungsgemäße Anordnungen als Geber und Empfänger
mit ihren Sternpunkten verbindet, also die Klemmen 14 und 15 kurzschließt.
Stimmen dann die Stellungen nicht überein, so liegen die Sternpunkte nicht gleich,
sondern verschieden unsymmetrisch, es fließt ein Ausgleichstrom, der ein Drehmoment
in dem Sinne der Richtigstellung erzeugt. Man braucht dabei außer den drei Drehstromnetzleitungen,
die für mehrere Fernübertragungen gemeinsam sein können, nur eine einzige Verbindungsleitung
zwischen den beiden Sternpunkten.
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Die konstruktive Ausführung der Anordnungen ist für den Erfindungsinhalt
nicht maßgebend, sondern nur der Umstand, daß eine der Phasenzahl entsprechende
Zahl von Magnetsystemen vorhanden ist, die mit einem ihre Induktivität verändernden
Anker so zusammenarbeiten, daß die Induktivitäten der einzelnen Phasen in einer
sich über die Teilung erstreckenden charakteristischen Weise mit der Ankerstellung
eindeutig zusammenhängen, so daß aus der Größe dieser Veränderungen die Messung
oder Fernübertragung der Stellung abgeleitet werden kann. Dies kann in verschiedener
Weise erfolgen, indem z. B. die Phasenwicklungen der erfindungsgemäßen Anordnung
in Stern geschaltet werden und die Sternpunktspannung oder der Sternpunktstrom als
Unsymmetriegrößen benutzt werden, oder indem die Wicklungen in
Polygon,
bei dreiphasiger Ausführung also in Dreieck geschaltet werden und die Unsymmetrie
z. B. durch einen Transformator in Dreieck-Sternschaltung ermittelt wird.
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Sollen zwei gleiche Anordnungen als Sender und Empfänger verwendet
werden, so können sie nicht nur, wie früher beschrieben, in Stern geschaltet werden,
sondern auch in Reihenschaltung für die entsprechenden Phasen des Senders und des
Empfängers in Dreieck, so daß also auch bei dieser Schaltung für jede Phase die
beiden Wicklungen in Reihe gelegt sind, wie dies ja auch bei der Sternschaltung
der Fall ist, wenn man die Schaltung einer Phase von dem einen zu dem andern Sternpunkt
verfolgt. Während sich aber bei übereinstimmender Stellung bei der Sternschaltung
die beiden Spannungen subtrahieren, addieren sie sich bei der Dreieckschaltung und
ergeben zusammen die ganze verkettete Spannung. Stimmen die Stellungen von Sender
und Empfänger überein, so trifft auf jede Wicklung, da dann die Scheinwiderstände
gleich sind, die halbe Spannung, und die Ströme verteilen sich in genau demselben
Verhältnis auf die einzelnen Phasen, wie wenn nur eine Anordnung an die halbe Netzspannung
gelegt wäre. Bei Abweichung der Stellung ist dagegen die Aufteilung der Ströme auf
die Phasen anders, und es entstehen zusätzliche Drehmomente, die im Sinne der Richtigstellung
wirk-eh.