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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.
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Zur Drehzahlregelung von elektrischen Maschinen sind verschiedene
Meßwertfühler bekanntgeworden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung verwiesen,
auf der einige mögliche Ausführungsbeispiele der neuen Einrichtung schematisch dargestellt
sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2), nur darauf zu achten ist, daß die Feldabhängigkeit der Widerstände
die gleiche ist. Insofern ist die zweite Möglichkeit der ersten also vorzuziehen.
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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.