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Einrichtung zum Erzeugen von elektrischen Wechselströmen durch rückwirkungsfreie
Abtastung umlaufender Körper
In der Auswuchttechnik, bei Schwingungsmessungen und
anderen Meßaufgaben an umlaufenden Körpern werden oft elektrische Wechselströme
bestimmter Kurvenform benötigt, die synchron mit der Umdrehung des Körpers verlaufen.
So sind z.B. bei der Unwuchtmessung nach dem Wattmeterprinzip streng harmonisch
verlaufende Wechselströme erforderlich. Dabei ist es in Fällen besonderer Genauigkeitsanforderung
nicht möglich, den umlaufenden Körper mechanisch mit einem Wechselstromgenerator
zu kuppeln, weil die mechanische Kupplung durch ihre Rückwirkung auf den umlaufenden
Körper zu Fehlmessungen führt. Es bleibt dann allein eine lichtelektrische oder
ähnliche rückwirkungsfreie Abtastung des umlaufenden Körpers übrig, um den Generator
für den harmonisch verlaufenden Wechselstrom zu steuern.
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Die Schwierigkeiten, die der Erzeugung rein harmonischer Wechselströme
durch lichtelektrische Abtastung entgegenstehen, sind bekannt. Es wurde vorgeschlagen,
eine abgestufte Schwarzweißverteilung auf dem Umfang des Umlaufkörpers vorzunehmen.
Um sie exakt aufzubringen, ist es zweckmäßig, eine Schablone oder ein Druckverfahren
anzuwenden. Will man wahlweise oder gleichzeitig Wechselströme verschiedener Phasenlage
erzeugen, so ist der Umlaufkörper mit zwei gleichen abgestuften Schwarzweißverteilungen
in verschiedener Lage zu versehen. Man könnte auch die lichtelektrische Abtasteinrichtung
doppelt oder schwenkbar ausbilden.
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Die Erfindung bezieht sich auf solche Einrichtungen zum Erzeugen
rein harmonischer elektrischer Ströme in Abhängigkeit vom Umlauf eines
beliebigen
Körpers, bei denen am Umlaufkörper eine nur aus einem nichtreflektierenden und einem
reflektierenden Teil bestehende Hell-Dunkel-Teilung ringförmig angebracht ist, die
lichtelektrisch abgetastet wird, wodurch ein Strom von etwa Rechteck-, Trapez- od.
dgl. Verlauf entsteht. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß dieser Strom
nach Verstärkung einem Synchronmotor zugeleitet wird, mit dem ein oder mehrere Wechselstromgeneratoren
für rein harmonische Wechselströme mechanisch gekuppelt sind.
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Die Vorteile der erfindungsgemäß verbesserten Einrichtung liegen
darin, daß eine einfache ringförmige Hell-Dunkel-Teilung aufgebracht werden kann,
ohne daß dadurch beim Messen Fehler hervorgerufen werden, und daß außerdem harmonische
Wechselströme verschiedener Phasenlage, also z.B. reiner Sinusstrom oder reiner
Kosinusstrom, auf bequeme Weise gleichzeitig oder abwechselnd entnommen werden können.
Der Ubergang von einem Strom zum anderen ist besonders einfach. Dadurch entsteht
die Möglichkeit, eine Einrichtung gemäß der Erfindung an Auswuchtmaschinen, wo die
Unwucht nach demWattmeterprinzip in Komponenten unter go" Zwischenwinkel oder einem
beliebigen anderen Winkel abgelesen wird, derart anzuschließen, daß sich die übliche
mechanische Kupplung jederzeit durch eine lichtelektrische Kupplung ersetzen läßt.
Die Ausbildung der Hell-Dunkel-Teilung und des Synchronmotors gestattet eine scharf
phasentreue Synchronisierung zu erreichen.
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Abb. I zeigt schematisch eine Gesamtmeßanordnung mit einem erfindungsgemäß
angeschalteten und mit Wechselstromgeneratoren 7, 8 für rein harmonische Wechselströme
mechanisch gekuppelten Synchronmotor 6. Mit I ist der z. B. scheibenförmige Umlaufkörper
bezeichnet, der auf seinem Umfang oder aus einer Stirnfläche eine ringförmige Schwarzweißteilung
2 trägt, die zurHälfte hell (reflektierend) und zur Hälfte dunkel (nicht reflektierend)
ist.
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Abb. 2 a gibt ein Beispiel für die abgewickelte, auf den Umfang des
Umlaufkörpers ringförmig angebrachte Schwarzweißteilung wieder.
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Die Beleuchtungslampe 3 in Abb. I wirft durch eine Optik einen Lichtstrahl
auf die Schwarzweißteilung, die im Takte der Wuchtkörperumdrehung Licht reflektiert
oder nicht reflektiert. Jeder reflektierte Lichtstrahl fällt auf die lichtempfindliche
Zelle 4, die daraufhin einen mit dem Körper synchron verlaufenden Strom, etwa in
Rechteckform, abgibt. In dem Verstärker 5 wird dieser Strom derart verstärkt, daß
er ausreicht, um den Synchronmotor 6 synchron und phasentreu zum Umlaufkörper I
anzutreiben. Mit dem Synchronmotor 6 sind ein oder mehrere Generatoren 7 und 8 mechanisch
gekuppelt, die die gewünschten Wechsel ströme abgeben und sich so verhalten, als
ob sie unmittelbar mechanisch mit dem Umlaufkörper I gekuppelt seien. Der erzeugte
Wechselstrom kann, gegebenenfalls über einenVerstärkerg, zur Speisung der einen
Spule eines zu Unwuchtmessungen verwandten Wattmeters dienen.
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Abb. 3 zeigt den Verlauf des Wechselstromes f4, der von der lichtelektrischen
Zelle 4 in Abhängigkeit von der Körperumdrehung bei einer Schwarzweißteilung nach
2 a, 2 b abgegeben wird, und Abb. 4 zeigt Beispiele für die von den Generatoren
7 und 8 abgegebenen Wechselströme J; und J8. Die Ströme sind in Abhängigkeit vom
Wuchtkörperumlauf dargestellt. Im vorliegenden Beispiel ist J7 ein Sinusstrom und
J8 ein Kosinusstrom.
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Die Generatoren können in bekannter Weise mit einem umlaufenden,
zweipoligen Permanentmagneten ausgerüstet sein. Es können auch Generatoren Verwendung
finden, bei denen ein Bürstenpaar und ein Lamellenkollektor sich mit der Drehgescllwindigkeit
des Umlaufkörpers gegeneinander bewegen, wobei den einzelnen Lamellen des Kollektors
Spannungen zugeführt werden, die über Widerstände od. dgl. sinusförmig abgestuft
sind (Widerstandskommutator). Generatoren mit umlaufenden Permanentmagneten liefern
Wechselströme, deren Effektivwert etwa linear mit der Frequenz ansteigt. Ein in
die Ausgangsstromkreise eingeschalteter Spannungsmesser kann deshalb bequem zur
Frequenzmessung bzw. -regelung verwendet werden. Generatoren nach dem Widerstandskommutatorprinzip
liefern Wechselströme, die in ihrem Effektivwert von der Frequenz unabhängig sind.
Solche Wechselströme besitzen allerdings keinen stetigen Verlauf und sind daher
nur angenähert sinusförmig, d. h. nicht ganz frei von hohen ungeradzahligen harmonischen
Uberschwingungen.
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Die Generatoren nach dem Widerstandskommutatorprinzip besitzen Bürstenreibung
auf Schleifringen und Kommutatoren. Es kann vorteilhaft sein, den Synchronmotor
von dem Moment zum Überwinden dieser Reibung zu befreien. Zu diesem Zweck kann die
Motor-Generator-Gruppe noch durch einen angekuppelten elastischen Hilfsmotor Io
erweitert werden. Dieser Motor soll möglichst unabhängig von der Drehzahl ein Drehmoment
aufbringen, das dem durchschnittlichen, von den Generatoren geforderten Drehmoment
entspricht. Dem Synchronmotor bleibt dann allein die Aufgabe der Synchronisierung
vorbehalten. Er kann entsprechend leichter ausgebildet sein, und die Form der Pole
läßt sich so wählen, daß sie eine möglichst scharfe Synchronisierung bewirken. Der
Hilfsmotor kann als Universalmotor ausgebildet und über einen Regelwiderstand II
vom Netz her gespeist sein. Er wird vorteilhaft zum Anlaufenlassen der Motor-Generator-Gruppe
verwendet, weil die meisten Synchronmotoren nicht selbst anlaufen. Abb.2b zeigt
ein Beispiel für eine Schwarzweißteilung, die bei Einrichtungen mit Hilfsmotor bisweilen
vorzuziehen ist.
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In Abb. 3 b ist der Stromverlauf dargestellt, der von dieser Schwarzweiß
teilung erzeugt wird.
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Zur richtigenEinregelung des Hilfsmotors 10 und zur Überwachung der
Synchronisierung kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn auf die Achse der Motor-Generator-Gruppe
eine Scheibe od. dgl. mit
einer auffallenden Marke 12 angebracht
wird, die durch eine trägheitslose Lichtquelle stroboskopisch beleuchtet wird. Eine
derartige Lichtquelle, beispielsweise eine Neonlampe I4, erhält ihre Spannung vom
Verstärker 5, sie erzeugt also Lichtblitze im Umlauftakt des Körpers I. Unter diesem
Lichtblitz scheint die Marke 12 stillzustehen. Ist das Drehmoment, das der Hilfsmotor
IO aufbringt, richtig, dann leuchtet die Scheibenmarke genau vor einer feststehenden
Marke I3 auf. Bei zu geringem Drehmoment muß der Synchronmotor das fehlende Moment
aufbringen und dadurch notwendigerweise mit seinem Anker gegenüber dem Feld zurückbleiben.
Dadurch scheint die Scheibenmarke ebenfalls nachzueilen. Ist das Drehmoment des
Hilfsmotors zu stark, so muß der Synchronmotor ein Bremsmoment ausüben. Sein Anker
läuft gegenüber dem Feld vor und infolgedessen auch die Aufsteckscheibe. Ihre Marke
scheint gegenüber der feststehenden Marke vorzueilen. Die Beobachtung der stroboskopisch
beleuchteten Marken 12 und I3 erlaubt also, das Moment des Hilfsmotors richtig einzustellen.
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Wenn der Umlaufkörper z. B. ein Kreisel ist, der sich durch ein Drehfeld
antreiben läßt, dann bleibt seine Drehzahl praktisch konstant. Den Hilfsmotor 10
stellt man hierfür zweckmäßigerweise von vornherein so ein, daß er die Motor-Generator-Gruppe
etwa mit der Drehzahl des Umlaufkörpers antreibt. In Fällen, wo der Umlaufkörper
durch Preßluft angetrieben wird, ist seine Drehzahl nicht vorbestimmt. Um die Drehzahl
des Umlaufkörpers zu messen und auf einem gewünschten Wert zu halten, kann man ein
Tachometer mit der Motor-Generator-Gruppe verwenden, z. B. in der Form eines elektromagnetischen
Zungenfrequenzmessers, der von einem der Generatoren gespeist wird. Bei Generatoren
mit frequenzlinearer Spannung läßt sich der Spannungsmesser als Tachometer heranziehen.