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Anlage zum elektrischen Übertragen der Drehbewegung eines Kommandogerätes
auf einen ferngesteuerten Gegenstand Das Patent Nr. 755 164 bezieht sich auf eine
Artlage zum elektrischen Übertragen der Drehbewegung eines Kommandogerätes auf einen
ferngesteuerten, eine schwere Masse darstellenden Gegenstand, bei welcher mit dem
Kommandogerät ein Geber und, mit dem ferngesteuerten Gegenstand ein Empfänger und
ein Servomotor verbunden sind und Geber und Empfänger nach Art von Drehtransformatoren
aufgebaut und so erregt und miteinander verbunden sind, daB der Empfänger eine Steuerspannung
zum Betrieb des Servomotors liefert. Das Neue der im Hauptpatent geschützten Erfindung
liegt darin, daB das mechanische Übersetzungsverhältnii:s., das zwischen dem ferngesteuerten
Gegenstand und dem Empfänger angeordnet ist, wesentlich von dem seich annähernd
oder genau auf i : i belaufenden mechanischen Übersetz.ungsverhältnis zwischen drem.
Kammandbgerät und dem Geber abweicht und durch eine an sich bekannte elektrische
Übersetzung zwischen Geber und Empfänger ergänzt ist, so daß sich das Übersetzungsverhältnis
zwischen Empfänger und Servomotor dem Wert i : i nähert oder diesen in an sich bekannter
Weise erreicht, wodurch die Neigung des Empfängers zu selb,sterregten Pendelbewegungen
verringert
wird. Hierbei entspricht also einer Teildrehung des
Gebers eine vollständige j'mdreliung des Empfängers, was in bekannter Weise dadurch
erreicht ist, daß die Anzahl der Polpaare des Gebers die Zahl der Polpaare des Empfängers
übertrifft. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Geber und Empfänger entspricht dann
dem Verhältnis der Anzahl der Polpaare.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, den Geber so auszugestalten,
daß sich eine genaue Proportionalität der von Geber und Empfänger zurückgelegten,
räumlichen Winkel ergibt. Um das zu erreichen, muß dafür Vorsorge getroffen werden,
daß der Effektivwert der elektromotorischen Kraft der Transformation des Gebers
in jeder Phasen-Wicklung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Gebers möglichst
s.i.nusförmig sich ändert.
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Man könnte daran denken, dieses Ziel durch ähnliche Maßnahmen zu erreichen,
mit denen man bei Synchronwechselstromerzeugern den sinusförmigen Verlauf des Momentanivertes
der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit zu erreichen sucht. Man könnte also versuchen,
je Phase und Pol mehrere Leiter auf eine entsprechende Zahl von 'Nuten zu verteilen
(1lehrlochwicklung) und dem Polschuh zur Erzielung einer sinusförmia n Feldverteilung
eine besondere Gestalt zu geben. Im vorliegenden Fall sind diese Maßnahmen aber
für sehr große Übersetzungsverhältnisse nicht anwendbar, weil bei diesen die Gesamtzahl
der Leiter der Phasenwicklungen ein Vielfaches der Polzahl beträgt, was einen großen
Durchmesser der Maschine bedingt. Bemißt man aber die Polteilung möglichst klein,
so kann, man innerhalb dieser Polteilung nur eine einzige Nut ausführen. Hierbei
läßt sich weder ein sinusförmiges Diagramm der elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Läufers erzielen, noch kann eine mehrphasige Wicklung angeordnet
werden.
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Erfindungsgemäß wird nun die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß
die Polteilung des mit Einphasenstrom erregten mehrpoligen Feldsystems des Gebers
von der Nutenteil.ung des mehrphasig zu bewickelnden Ankers nur um einen Bruchteil
einer Polteilung abweicht und infolgedessen aufeinanderfolgeude Elemente der Ankerwicklung
in verschiedenen Polfeldern liegen und in diesen jeweils unterschiedliche Stellungen
einnehmen. Durch die Unterschiedlichkeit dieser Stellungen wird erreicht, daß sich
die :Abweichungen der Kennknien der in den einzelnen Leitern induzierten Spannungen
von der Sinusform durch die Addition der Einzelspannungen in den Leitern ausgleichen.
An sich sind elektrische Wechselstrommaschinen, z. B. Motoren, bekannt, bei denen
die Polteilung des Feldsystems von der \ uten teilung des Ankers um einen Bruchteil
einer Polteilung abweicht. Die Erfindung liegt demgegenüber in der Anwendung dieser
Maßnahme auf einen nach Art eines Drehtransformators aufgebauten Geber im Rahmen
der durch das Hauptpatent unter Schutz gestellten Anlage.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht. In diesen zeigt
Abb. i im Querschnitt abgewickelt einen Teil des Läufers und des Ständers des Gebers
einer Fernübertragungsanlage nach der vorliegenden Erfindung mit feststehender Mehrphasenwicklung,
Abb. 2 schematisch den zur Abb. i gehörigen Grund.riß unter Darstellung der Pole
und der Wicklungselemente, Abb. 3 die Seitenansicht eines mach dem Schema der Abb.
i und 2 ausgeführten Gebers mit zweiphasiger Einlochwicklung, wobei der Läufer schematisch
unter Fortlassung seiner Wicklung dargestellt ist, Abb.4 einen Geber mit zweiphasig
angezapfter Wicklung samt zweiphasigem Empfänger, Abb. S einen Geber mit zwei getrennten
Phasenwicklungen und mit auf dem Ständer angeordneten Erregerwicklungen zur Erzeugung
der Polflüsse und . Abb.6 die Kennlinien der Einzelspannungen und deren Addition
zu einer Spannung mit nahezu sinusförmiger Kennlinie.
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In den Nuten oder Löchern des Ständers io (Abb. i), der den Läufer
mit den Polen i i umgibt, liegen parallel zur Achse des Polrades, also senkrecht
zur Bewegungsebene der Pole, die Leiter 12, die im Sinn einer offenen ,wellenförmigen
Einlochwicklung in der aus Abb. 2 ersichtlichen Weise in Reihe geschaltet werden.
Die Pole, welche die Primärseite des Drehtransformators darstellen, werden mit Einphasenstrom
erregt., und zwar abwechselnd in entgegengesetztem Sinn. Sie haben die Teilung p,
die von der Teilung a der Nuten i z um einen geringen Betrag abweicht. Bei
dem in den Abb. i und 2 gewählten Beispiel kommen auf elf Pole zehn Nuten. Die Wickhing,
eine einfache Einlochwicklung, ist wellenförmig um die Ständerzähne gelegt, wie
dies Abb. 2 zeigt. Infolge der von der Polteilung abweichenden Nutenteilung nehmen
die in Reihe geschalteten Wicklungselemente 12 in den verschiedenen, sie gleichzeitig
induzierenden Polfeldern unterschiedliche Stellungen ein. So liegt der mit i bezifferte
Leiter dem linken Rand eines Nordpoles gegenüber, während der Leiter 3 schon weiter
nach der Mitte des Nordpolfeldes hin gelegen ist. Genau die
Mittellage
nimmt der Leiter 5 ein usf. InfOl:ge dieser unterschiedlichen Stellungen der Leiter
12 in den einzelnen Polfeldern werden in ihnen verschieden hohe Spannungen erzeugt,
die sich zu. der Gesamtspannung zwischen den Punkten A und E summieren. Trägt man.
die Kennlinie der Summenspannung zwIschenA und E in Abhängigkeit vom Drehwinkel
des Läufers auf, so erhält man fast genau eine Sinuskurve. Dies isst in Alb. 6 näher
veranschaulicht. Dort sind in Abhängigkeit von dem Drehwinkel a des, Läufers die
Spannungen von neun aufeinande.rfol:genden Leitern aufgetragen. Es wurde angenommen,
daß sich die Spannjung jedes einzelnen Leiters nach einer Kennlinie ändert, die
erheblich von: der Sinuslinie abweicht.
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Addiert man die Einzelspannungenr, so. erhält man eine fast sinusförmi@ge
Kurve, die unter Verkleinerung des Ordiuatenmaßstabes unten in Abb. 6 wiedergegeben,
ist..
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Man sieht also, da.ß die Wirkung der Erfindung auf der Interferenz,
der Magnetpolteilurig mit deir Ankernuten:teilun:g beruht. Diese Interferenz hat
zur Folge:, daß in jedem der in Reihe geschalteten Wicklungselemente verschieden
starke Teilspannungen induziert werden. Diese Teilspannungen addieren sich zu einer
Gesamtspannung mit nahezu sinus förmiger Kennlinie.
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Der in den schematischen Darstellungen der Abb. i und 2 veranschaulichte
Grundgedanke läßt sich in den verschiedensten Bauarten des Gebers verwirklichen,
von denen im nachstehenden einige Beispiele erläutert seien.
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Der Unterschied der Nutenzahl und der Polzahl beläuft sich zweckmäßig
auf einen kleinen Bruchteil der Anz:ahl der Polpaare, vorzugsweise auf i oder 2.
Eine ges .chsossene Einlochwicklung läßt sich verwenden, wenn bei p Polpaaren die
Anzahl der Nuten mit 2 p ± 2 gewählt wird. Ein solcher Geber ist in Abb.
3 veranschaulicht. Hier beläuft sich die Zahl der Läuferpole auf 34 und die Zahl
der Ständernuten auf 36. Die m.i:tr Einiphasenrstrom erregte Wicklung des. Polrades
ist die, Einfachheit halbier fortgelassen. Die in den Ständernuten liegende Einlochwicklung
ist wellenförmig um die Zähere herumge;legt. Die Addition der in den einzelnen Wicklungselementen
induzierten Spannungen lehrt, daß die höchste Spannungsdifferenz in: der Wicklung
an zwei. gegenüberfliegenden Punkten auftritt, z.. B. zwischen A und B oder zwischen
C und D. Werden: diese Punkte so gewählt, wie dies in Abb. 3 und q. gezreigt ist,
so entspricht die Ständerwick:lung einer verketteten Zweiphasenwicklung, für die
vier Leitungen zur Verbindung mit dem: Empfänger erforderlich sind. Der Läufer,
der die Primärseite des Drehtransformators, bildet, hat eine einfache Wellenwicklung,
die über Schleifringe S1 und S2 und Bürsten mit Einphasenstrom von der Stromquelle
G gespeist wird.
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Der Empfänger D1 besteht aus einem zweiphasigen Statur C1 und einem.
Läufer mit nur einer Wicklung, deren Achse in der Richtung eines Durchmessers liegt
und deren Klemmen E, A über einen Verstärker dien, hier nicht dargestellten Hilfsmotor
steuern.
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Die eine Phase des Stators C1 ist an die Klemmen A, B des Gebers
und die andere Phase an die Klemmen C, D des Gebers durch die Fernleitungen
U und h angeschlossen. Nimmt der Geberläufer eine solche Stellung ein, das
zwischen den Klemmen C und D die höchste Spannung herrscht, die Spannung zwischen
den Klemmen A und B aber verschwindet, so hat das im Stator des Empfängers erzeugte
Magnetfeld eine: senkrechte Richtung. (Quer zu dieser stellt sich dann der Empfängerläufer
ein. Wird aber der Ge:ber@ läufer von dieser Lage ausgehend um die Hälfte seiner
Polteilung gedreht, so besteht die- höchste Spannung zwischen den Klemmen
A und B, während die Spannung zwi@ scheu den Klemmen C und D verschwindet.
Infolgedessen liegt die Richtung des, im Em:pfängerstator erzeugten Feldes waagerecht.
Dies entspricht im Vergleich mit der zuerst betrachteten Lage einer Drehung dies
Empfängers um 9o°. Einer vollen Umdrehung des Empfängers entspricht sonach eine!
Drehung des Gebers uni zwei Polteilungen. Da der Geberläufer im vorliegenden Beispiel
34. Pole hat, beträgt das Übersetzungsverhältnis: i : 17.
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Man kann auch dann einen sehr genau sinusförmigen Verlauf der Spannungsänderung
erhalten, wenn man den Unterschied der Nutenzahl und der Polzahl nur auf i bemißt,
also etwa bei 17 Polpaaren des Geberläufers 33 oder 35 Nuten im Stator vorsieht.
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Ab:b. 5 veranschaulicht die Erfindung in Anwendung auf eine andere
Bauart des Gebers.. Hier trägt der innen genutete Stator, 23 außer @ der Nutenwicklung
vier für Reihe geschaltete und mit Einphasenstrom gespeiste Erregersp:ule:n 2q..
Jede Spule 24 umgibt hierbei eine Gruppe von Statorzähnen und treibt einen Magnetfluß
durch den inne@nliegendien, unbewickelten Läufer 25, der aus gezahnten Blechen besteht,
und dessen Zähne 26, als Pole zu betrachten sind. Diese Pole stehen bei der Drehung
abwechselnd geradzahli,gen und ungeradzahligen Statorzähnen. 27 gegenüber. Die bei
einer Drehung des, Läufers für den, Zähnen 27 auftretenden Änderungen: des, Magnetflusses
führen auch; zu, einer Änderung der in der Statorwicklu.ng erzeugten Wechselspannung.
Die Statorwicklung ist wiederum wellenförmig
um die Sta.torzähne
27 herumgelegt. Es ist dabei zu beachten, daß es zum bestmöglichen Ausgleich der
Abweichungen der Einzelkemzlinien von der Sinusform nicht nötig ist, die in Reihe
geschalteten Einzelleiter über den vollen. Bereich der Spannungsdifferenz zwischen
A und E zu erstrecken, wie es in den Abb..2 und 3 vorgesehen ist. Man kommt bereits
mit einem erheblich geringeren Spannungsunterschied der Einzelspannungen im ersten
und letzten Wicklungselement eines Stromzweiges aus. Man kann also anstatt einer
geschlossenen Ringwicklung eine Wicklung mit mehreren Paaren gegenüberliegender
Leitergruppen verwenden, wobei die Leiter jeder Gruppe durch Reihen- oder Parallelschaltung
zu einer Phasenwicklung vereinigt sind. Hiervon ist inAbb. 5 Gebrauch gemacht. Die
Ständerwicklung ist in vier Gruppen von Wicklungselementen unterteilt, die mit 13,
14, 15 und 16 bezeichnet sind. Die Gruppen 14 und 16 sind durch die Querverbindung
17 in Reihe geschaltet und an die Klemmen A und B angelegt. In entsprechender Weise
sind die Wicklungen 13 und 15 durch die Querverhindung 18 verbunden. Diese Phasenwicklung
liegt an den Klemmen C und D. Man erhält also zwei Phasenwicklungen.
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Auch hier ist die Nutenteilung etwas abweichend von der halben Teilung
der Pole 26 ausgeführt. Die Zahl der Pole 26 beläuft sich auf siebzehn. Die Teilung
der die Statorw-icklung aufnehmenden Nuten ist beispielsweise so ausgeführt, daß
sich unter Mitzählung der für die Lücken der Spulen 24 ausgefallenen Zähne sechsunddreißig
Zähne ergeben.
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Bezeichnet man die Zahl der Polpaare bzw. der Pole 26 bei der Ausführung
der Abb. 5 mit p. so ergibt sich: die Zahl der die Wicklung aufnehmenden Stato,rnutennach
der Formel 2 p -- q, wobei q erfindungsgemäß klein gegen
;2p sein muß.
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Wenn auch die beiden Teile des Gebers vorstehend mit Stator und Rotor
bezeichnet -,worden sind, so ist die Erfindung doch ebensogu:t anwendbar auf Geberbauarten,
bei denen der mit Einphasenstrom erregte Teil feststeht und der die 11ehrphasenwicklungen
tragende Teil umläuft. Ebenso ist es gleichgültig, welcher der beiden Teile außen
und welcher innen liegt.