DE923578C

DE923578C - Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer Spannung oder eines Stromes

Info

Publication number: DE923578C
Application number: DES34279A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl-Ing Probst
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1953-07-11
Filing date: 1953-07-11
Publication date: 1955-02-17

Description

Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer Spannung oder eines - Stromes Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes, die insbesondere als Meßwertfühler bei der Drehzahlregelung geeignet ist, darüber hinaus jedoch auch für andere Zwecke, so z. B. als Frequenzgenerator oder als Modulationseinrichtung, verwendet werden kann.
Zur Drehzahlregelung von elektrischen Maschinen sind verschiedene Meßwertfühler bekanntgeworden.
Hiervon haben sich für hohe Regelgenauigkeit vor allem besondere Wechsel stromtachometerdynamos bewährt, deren drehzahlverhältige Ausgangswechselspannungen nach Gleichrichtung als drehzahlverhältige Gleichspannungen mit besonders genauer Abbildung der Drehzahl zur Verfügung stehen. Die erzeugte Gleichspannung wird in einem Regelvergleichskreis einer konstanten, den Sollwert der Regelung darstellenden Spannung entgegengeschaltet, so daß sich eine Differenzspannung ergibt, die als Fehlergröße auf das Stellglied der Regelung oder einen vorgeschalteten Verstärker einwirkt.
Zur Vermeidung eines derartigen Aufwandes, insbesondere der den Sollwert der Regelung liefernden Gleichspannungsquelle, ist bereits vorgeschlagen worden, den Regelvergleich mit Hilfe eines Verhältnisgleichrichters oder Diskriminators oder einer sonstigen Einrichtung durchzuführen, die von sich aus in der Lage ist, eine der Drebzahlabweichung nach Größe und Richtung verhältige Gleichspannung abzugeben. Derartige Regeleinrichtungen vermögen in bezug auf die Regelgenauigkeit sehr zufriedenstellend zu arbeiten. Jedoch bedarf es zur Erzielung einer hohen Genauigkeit noch besonderer Mittel, um eine Unabhängigkeit der Regelung von der Höhe der zu regelnden Wechselspannung, die bei Wechselstromgeneratoren unmittelbar von dem zu regelnden Generator abgenommen werden kann, bei nicht wechselstromerzeugenden Maschinen jedoch erst mit einem Wechselstromtachometerdynamo hergestellt werden muß. Durch die Erfindung wird nun ein Tachometer geschaffen, das eine Drehzahl lediglich als Frequenz einer elektrischen Spannung oder eines Stromes abzubilden vermag, bei der die erzeugte Ausgangswechselspannung dem Betrage nach also konstant ist und nicht ebenfalls noch von der jeweiligen Drehzahl abhängt.
Die Erfindung besteht in einer Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer Spannung oder eines Stromes, die dadurch gekennzeichnet ist, daß einem Magnetfeld ein von dessen Feldstärke abhängiger ohmscher Halbleiterwiderstand, insbesondere aus Indiumantimonid, zugeordnet ist, der relativ zum Magnetfeld mit der abzubildenden Drehzahl umläuft, und daß an den Widerstand eine Stromquelle mit fester Spannung angeschlossen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung wird als Magnet ein Dauermagnet verwendet.
Dieser wird außerdem vorteilhaft mit dem Teil gekuppelt, dessen Drehzahl zu messen ist, so daß also der Dauermagnet umläuft, während der Widerstand ortsfest auge ordnet ist.
Außer der obenefwähnten, in bezug auf die erzeugte Spannung betragsunabhängigen Abbildung der Drehzahl durch eine Frequenz hat die Einrichtung nach der Erfindung als Tachometer den besonders zu erwähnenden Vorteil, daß sie erheblich einfacher und billiger ist als die bisher zu Drehzahlregelungen verwendeten Tachometerdynamos. Im Gegensatz zu diesen Maschinen sind elektrische Wicklungen nicht erforderlich. Die Tachometer können außerdem bedeutend kleiner und leichter, d. h. mit wesentlich geringerem Aufwand an Material, und daher billiger hergestellt werden, ohne daß dabei die Genauigkeit der Drehzahlabbildung geringer sein müßte als bei den bekannten Tachometerdynamos für Regelzwecke. Außerdem läßt sich durch die Verwendung des Tachometers nach der Erfindung eine Drehzahlregelung von elektrischen Maschinen, die an sich keinen Wechselstrom liefern, mit Hilfe von Verhältnisgleichrichtern oder ähnlichen Einrichtungen in wirtschaftlicher Weise durchführen, während die Anwendung eines Verhältnisgleichrichters bisher aus wirtschaftlichen Gründen fast ausschließlich auf die Drehzahlregelung von Wechselstrom erzeugenden Maschinen beschränkt war, weil dabei ein Tachometerdynamo als Meßfühler bisher nicht erforderlich war, sondern die Wechselspannung als Abbild der Maschinendrehzahl unmittelbar dem Verhältnisgleichrichter zugeführt werden konnte.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen, auf der einige mögliche Ausführungsbeispiele der neuen Einrichtung schematisch dargestellt sind.
Bei der Einrichtung nach Fig. I besteht die Aufgabe, die Drehzahl einer elektrischen Maschine I in eine elektrische Spannung mit drehzahlverhältiger Frequenz umzuwandeln; Dazu ist mit der Maschinenwelle 2 iiber eine Kupplung 3 ein Permanentmagnet 4 hoher Feldstärke gekuppelt. Im Feld des Permanentmagneten 4, der aus einem Magnetklotz NS und zwei Polschuhen 5 und 6 besteht, ist ein magnetfeldabhängiger Widerstand 7 angeordnet, der mit Gleichstrom gespeist wird, der beispielsweise aus einem Wechselstromnetz R, S, T über eine Ventilanordnung 8 und über eine aus einer Drosselspule g und zwei Kondensatoren I3 bestehende Siebkette geliefert wird. Die Abnahme der erzeugten Wechselspannung erfolgt an den Klemmen Io über einen Transformator II. Dieser Transformator kann anstatt in Reihe mit dem Widerstand 7 auch parallel zu diesem über einen Vorwiderstand angeschlossen sein. Zur Speisung des Widerstandes 7 kann eine Stromquelle verwendet werden, die einen im Verhältnis zum Widerstand derartigen Innenwiderstand aufweist, daß ausreichend große und für die weitere Verwendung geeignete Spannungsschwankungen an dem Widerstand entstehen.
Steht eine Stromquelle mit ausreichend großem Innenwiderstand nicht zur Verfügung, so kann ein zusätzlicher normaler ohmscher Widerstand mit dem magnetfeldabhängigen Widerstand in Reihe geschaltet werden. Die frequenzverhältige Spannung kann außerdem gegebenenfalls auch an einem solchen Zusatzwiderstand - abgegriffen werden. Ausbildung und Anordnung von Magnetfeld und Widerstand der Einrichtung nach der Erfindung können verschienen sein. Man wird bei der Konstruktion jedoch darauf achten, daß die Änderungen des Widerstandes zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf haben, damit auch die erzeugte Wechselspannung bzw. der erzeugteWedhselstrom sinüsförmig werden.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Dauermagneten zur Felderzeugung bet der Einrichtung nach der Erfindung dargestellt: Der Dauermagnet ist als Topfmagnet ausgebildet und besteht aus einem zylindrischen Magnetklotz NS, einem Topfteil 2I, an den eine Welle 22 angeflanscht ist, und einem Deckel 23 als magnetischer Rückschluß.
Der Luftspalt zwischen Topfrand und Deckel hat eine stetig veränderliche Breite, die so gewählt ist, daß die Änderungen eines im Luftspalt angeordneten magnetfeldabhängigen Widerstandes sinusförmig verlaufen.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zwei in Reihe geschaltete Widerstände 7 und 7' vorhanden sind. Zur Erzielung eines guten magnetischen Rückschlusses ist ein Rückschlußteil I2 aus weichem Eisen vorgesehen. Die Bezugszeichen entsprechen im übrigen denen nach Fig. I.
Zur Erzielung einer großen Widerstandsänderung wird man die Luftspalte zwischen den Widerständen 7 und 7' und den Polschuhen 5 und 6 sowie dem Rückschlußteil I2 möglichst klein aufführen.
Der Rückschlußteil 12 kann gegebenenfalls auch mit dem Magneten 4 umlaufen. Die Kapazität des Kondensators I3 wird im Verhältnis zum Bereich der erzeugten Frequenzen groß gewählt, so daß sich sein kapazitiver Widerstand praktisch nicht bemerkbar macht.
DurchdieEinrichtung nach der Erfindung können sowohl Wechselspannungen einfacher als auch doppelter und mehrphasiger Frequenz erzeugt werden, als der Drehzahl der zu messenden Maschine bzw. einem Umlauf des Magneten entspricht. Eine hohe Frequenz der erzeugten Wechselspannungen ist bei langsam laufenden Meßobjekten erwünscht, vor allem in Regelkreisen, in denen ein Verhältnisgleichrichter verwendet wird. Dieser kann infolge der höheren Frequenz baulich kleiner gehalten werden, und außerdem wird dadurch eine größere Regelgeschwindigkeit ermöglicht. Während die Einrichtungen nach Fig. I und 3 bei jedem Umlauf des Magneten 4 zwei Wechselstrom- bzw.
Wechselspannungswellen erzeugen, wird bei einem Umlauf des Topfmagneten nach Fig. 2 nur eine Welle erzeugt, da im Luftspalt nur ein einziger feldabhängiger Widerstand vorhanden ist. Dagegen können mit der Einrichtung nach Fig. 2 auf einem fache Weise auch mehrere Wechselstromwellen bei einem Umlauf erzielt werden, wenn anstatt eines feldabhängigen Widerstandes deren mehrere vorgesehen werden. Die Widerstände werden in Reihe geschaltet und mit gleichmäßig auf einem Kreis versetzter Verteilung angeordnet. Es bestehen somit zwei verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung höherer Frequenzen, von denen die eine durch die Anzahl der Luftspaltstellen mit größtem Magnetfluß und die andere durch die Anzahl der feldabhängigen Widerstände bedingt ist. Zur Erzielung von Wellen mit gleichen Amplituden bei einer Frequenzvervielfachung wird man im ersten Falle darauf achten müssen, daß sich die Flußverteilung in den Luftspaltstellen gleichmäßig wiederholt und daß die Widerstände die gleiche Feldabhängigkeit haben, während im zweiten Falle, d. h. wenn nur eine engste Luftspaltstelle vorhanden ist (vgl.
Fig. 2), nur darauf zu achten ist, daß die Feldabhängigkeit der Widerstände die gleiche ist. Insofern ist die zweite Möglichkeit der ersten also vorzuziehen.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist im übrigen nicht auf die beschriebenen Anwendungs-und Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern läßt sich z. B. auch als mehrphasiges, beispielsweise dreiphasiges Drehstromtachometer ausführen. Dazu werden magnetfeldabhängige Widerstände vorgesehen, die auf einem Kreis gleichmäßig versetzt angeordnet und von verschiedenen Stromkreisen entsprechender Verkettung gespeist werden. Wird der magnetfeldabhängige Widerstand anstatt mit Gleichstrom mit Wechselstrom gespeist, so ergibt sich eine Modulationseinrichtung. Hat beispielsweise die Drehzahl die Frequenz f1 und die widerstandsspeisende Wechselspannung die Frequenz f2, so steht im Ausgang die Summenfrequenz fj + fs, zur Verfügung. An Stelle von Dauermagneten zur Felderzeugung können natürlich auch Elektromagnete verwendet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Einrichtung nach der Erfindung stellt in diesem Zusammenhang die elektrische Musiktechnik dar, in der man bisher die Tonfrequenzen zumeist durch umlaufende, magnetisch induktive Tonabnehmer dargestellt hat. Durch bestimmte Ausbildungen und Anordnungen von Magnetfeld, Luftspalt und feldabhängigem Widerstand lassen sich nicht nur sinusförmige, sondern auch andere Tonfrequenzen mit jedem beliebigen Amplitudenverlauf erzeugen. Zusätzlich kann dabei auch von der vorgenannten Modulation Gebrauch gemacht werden. Im übrigen können an Stelle von Dauermagneten auch Elektromagnete verwendet werden und ferner an Stelle von umlaufenden feststehende Magnete, so daß in diesem Falle also die feldabhängigen Widerstände angetrieben werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zum Abbilden einer Drehzahl als Frequenz einer Spannung oder eines Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß einem Magnetfeld ein von dessen Feldstärke abhängiger ohmscher Halbleiterwiderstand, insbesondere aus Indiumantimonid, zugeordnet ist, der relativ zum Magnetfeld mit der abzubildenden Drehzahl umläuft, und daß an dem Widerstand eine Stromquelle mit fester Spannung angeschlossen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Dauermagnet ist, der mit der abzubildenden Drehzahl umläuft, während der Widerstand ortsfest angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen zwei Polschuhen des Magneten oder zwischen einem Polschuh und einem beispielsweise mit dem Magneten umlaufenden Rückschlußteil des Magneten angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet als Topfmagnet, insbesondere mit einem zwischen Topf- und Deckelteil angeordneten stetig veränderlichen Luftspalt, ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den magnetfeldabhängigen Widerstand enthaltende Stromkreis einen im Verhältnis zum Widerstand derartigen Leitwert aufweist, daß die drehzahlverhältige Spannung parallel zum Widerstand oder parallel zu einem in den Stromkreis geschalteten anderen Widerstand entnommen werden kann.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzverhältige Spannung bzw. der Strom über einen parallel zu dem Widerstand bzw. damit und über einen Vorwiderstand in Reihe liegenden Transformator abgenommen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzverhältige Spannung bzw. der Strom über einen Kondensator abgenommen ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magneten mehrere magnetfeldabhängige Widerstände, vorzugsweise mit gleichmäßig auf einem Kreis versetzter Verteilung, zugeordnet sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände in Reihe in einem Stromkreis liegen im Sinne der Erzielung einer Frequenzvervielfachung.
IO. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände in verschiedenen Stromkreisen liegen im Sinne der Erzeugung mehrphasiger Drehspannungen oder Drehströme.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis IO, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung und Ausbildung der Widerstände sowie des Magnetfeldes bzw. des Luftspaltes, daß die Anderungen des Widerstandes zumindest annähernd sinusförmig verlaufen.
12. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis II als Frequenzgenerator.
13. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis II als Tachometer für Meß-, Regel- und Steuerzwecke, insbesondere in Verbindung mit einem Verhältnisgleichrichter oder einer anderen Einrichtung zum Erzeugen einer nach Größe und Richtung der Abweichung von einem Drehzahlsollwert verhältigen Gleichspannung.
14. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis I I als Modulationseinrichtung, in dem der magnetfeldabhängige Widerstand anstatt an eine Gleichstromquelle an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird.