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Drehzahl-Drehmoment-Mef3 gerät
Die Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik
von Induktionsmotoren ist die wichtigste Kurve für die Beurteilung dieser Motoren.
Bisher wurde diese »Hochlaufkurve« fast nur mit einem Pendeldynamo gemessen. Dabei
hat man aber die Nachteile eines langwierigen Aufbaus mit einer notwendigen Kupplung
und eines erheblichen Arbeitsaufwandes, da jeder Punkt einzeln gemessen und zwischendurch
Abkühlungsintervalle eingeschaltet werden müssen.
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Die starke Erwärmung unterhalb des Kippmomentes kann außerdem zu stark
fehlerhaften Ergebnissen führen.
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Der Hauptnachteil dieser Meßanordnung besteht aber darin, daß nur
die »statische« Hochlaufkurve zu messen ist, wie sie sich im stationären Zustand
bei entsprechender Belastung einstellen würde.
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Dabei werden hierbei auch noch nicht einmal schärfere Sättel immer
genügend genau erkannt. In vielen Fällen, insbesondere für Entwicklungsarbeiten,
interessiert jedoch die »dynamische« Hochlaufkurve, wie sie beim tatsächlichen Anlauf
auftritt.
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Für die Messung dieser »dynamischen« Hochlaufkurve sind durch den
Aufbau von »Beschleunigungsmessern« ebenfalls Mei3 methoden angegeben worden, die
aber den Nachteil haben, daß sie einen Teil der Motorleistung für die Messung verbrauchen.
Damit sind diese Meßmethoden für Kleinstmotoren nicht mehr verwendbar.
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Grundsätzlich kann eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik wie in
Fig. I dargestellt aussehen.
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Dann wird die Drehzahl n beim Hochlauf, wie in
Fig.
2 gezeigt, vom Wert Null auf die Leerlaufdrehzahl ansteigen, wobei bei jeder Drehzahl
n entsprechend der Fig. I an der Welle Drehmomente M zur Verfügung stehen, die nur
dazu dienen, den Läufer mit seinem Schwungmoment O zu beschleunigen. Daher gilt
die Beziehung M dw M = # . dt und mit du' dn = c. dt dt uch dn M = c. # . dt Wenn
daher während des Hochlauf die Drehzahl n über der Zeit t aufgenommen wird, kann
man exakt bei Kenntnis des Schwungmomentes «9 durch Differentiation der Drehzahlkurve
aus Fig. 2 den Drehmomentenverlauf bestimmen, Derartige »Beschleunigungsmesser«
sind an sich bekannt, wegen ihres Leistungsbedarfs aber nur für größere Motoren
anwendbar. Dabei macht aber noch die einwandfreie Aufzeichnung der Drehzahl Schwierigkeiten,
da die meist verwendeten Tachodynamos wegen der endlichen Lamellenzahl des Kollektors
einen starken, drehzahlabhängigen Oberwellengehalt in der der Drehzahl proportional
sein sollenden Spannung aufweisen. Tatsächlich verwendbar sind daher nur Unipolarmaschinen,
die aber wiederum wegen der erzeugten kleinen Spannungen und Leistungen und des
erheblichen Leistungsbedarfs nur bedingt brauchbar sind. Für Kieinstmotoren muß
jedoch unbedingt ein verlustlos es Verfahren verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, eine Anordnung zur stroboskopischphotoelekfrischen
Drehzahlmessung, bei der durch den drehen den Läufer praktisch verlustlos eine der
Drehzahl proportionale Frequenz erzeugt wird, die in eine der Drehzahl proportionale
Gleichspannung umgeformt wird, mit einem Differenzierglied zur Differentiation der
Drehzahl je Zeiteinheit nach der Zeit und einem aufzeichnenden Meßgerät zu kombinieren,
wobei die Gieichspannung einmal direkt und einmal über das Differenzierglied dem
aufzeichnenden Meßgerät zugeführt wird, um so durch Auslenkung der Anzeige nach
der Drehzahl und gleichzeitig senkrecht dazu nach deren Differentialquotienten,
dem Drehmoment entsprechend, die Drehzahl-Drehmomentkurve aufzeichnen zu lassen.
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Für die erfindungsgemäße Kombination ist nun vorgesehen, die Drehzahl
verlustlos dadurch zu messen, daß durch die Umdrehungen des Prüflings Impulse erzeugt
werden, die eine der Drehzahl proportionale Frequenz liefern. Die Erzeugung der
Impulse kann z, B.- dadurch erfolgen, daß- auf das Wellenende des Prüflings eine
Stroboskopscheibe aufgesetzt wird, die von einer Photozelle abgetastet wird. Diese
Photozelle wird dann eine der Drehzahl proportionale Frequenz liefern. Durch Wahl
der Anzahl der Weiß- und Schwarzfelder auf der Stroboskopscheibe kann dann der günstigste
Meßbereich gewählt werden. Diese Stroboskopscheibe mit Schwarzweißfeldern kann auch
ebenso durch eine solche mit Schlitzen versehene ersetzt werden, hinter der sich
eine Lichtquelle befindet, die dann entsprechend der Zahl der vorbeigehenden Schlitze
Lichtimpulse auf die Photoquelle sendet. Es ist aber auch ebenso möglich, eine Zahnscheibe
auf die Welle des Prüflings zu setzen und durch sie einen von Blitzlichtstroboskopen
her bekannten magnetischen Impulsgeber zu erregen. Beide Verfahren sind - praktisch
verlustlos, denn die Stroboskopscheibe verursacht nur einen geringen Luftreibungsverlust,
und der Impulsgeber hat ebenfalls einen zu vernachlässigenden Leistungsbedarf. Das
Schwungmoment der Stroboskopscheibe kann ferner auch dazu ausgenutzt werden, den
Hochlaufvorgang zu verlangsamen und damit die Meßmöglichkeit zu verbessern.
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Die so erzeugte und der Drehzahl proportionale Frequenz wird einem
Umformer zugeführt, der die Frequenz in eine Gleichspannung umformt, die dann in
jedem Augenblick der Drehzahl proportional sein muß. Diese Spannung kann einem Meßgerät
zugeführt werden, das direkt in Drehzahleinheiten geeicht werden kann. Gibt man
die Spannung auf ein schreibendes Gerät, z. B. einen 5 chleifenoszillographen, das
sich kontinuierlich mit der Zeit bewegt, erscheint die Kurve der Fig. 2.
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Diese Funktion n -= f (t) ist nun zu differenzieren, was vorteilhaft
in einfachster Weise durch einen Kondensator erfolgt. In einem durch einen Kondensator
bestimmten Kreis gilt z. B. du i = C. dt und damit auch, wenn ms « M-i=K dt Wenn
man nun diese Funktionen n = f (t) und M = f (t) einem aufzeichnenden Gerät zuführt,
das z. B. in der x-Achse proportional zu n und in der y-Achse proportional zu M
ausgelenkt wird, kann man die Hochlaufkurve direkt darstellen. Das kann man z. B.
mit einem Koordinatenschreiber oder mit einem Schleifenoszillographen machen, wobei
bei letzterem die Papiergeschwindigkeit noch besonders zu steuern wäre. Einfacher
ist jedoch die Aufzeichnung durch einen Kathodenstrahlosziilographen, wenn man z.
B. an die horizontalen Platten die der Drehzahl n proportionale Spannung und an
die vertikalen Platten die dem Moment M proportionale Spannung legt. Mit -genügend
nachleuchtendem Schirm kann man dann die Hochlaufkurve beob-
achten
oder auch - eventuell nach Zwischenschalten eines Nachbeschleunigungsgerätes - direkt
photographieren. Vorteilhaft wird zur Einschaltung des Meßgerätes und des Prüfmotors
in der richtigen Reihenfolge diese automatisch vorgenommen und gekuppelt.
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Bei genügender Unterteilung der Stroboskopscheibe und stets vorhandener
Proportionalität zwischen Frequenz und Spannung des Frequenz-Spannungs-Umformers
kann auch an Stelle des Drehzahlmessers oder parallel dazu ein Welligkeibsmeßgerät
eingeschaltet werden, mit dem dann die Schwankungen der Drehzahl bzw. der Drehbeschleunigung
gemessen werden können. Diese Messungen sind insbesondere für die Antriebe von Plattenspielern
und Magnetophongeräten wichtig, um hier Tonhöhenschwankungen auszuschalten.
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In Fig. 3 ist eine derartige Anordnung prinzipmäßig dargestellt.
Auf den Wellenstumpf des Motors II ist eine Stroboskopscheibe 12 gesetzt.
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Die Photozelle I3 ist auf die Stroboskopscheibe I2 gerichtet und liefert
eine der Anzahl der in der Zeiteinheit vorbeiziehenden Schwarzweiß felder proportionale
Frequenz an den Frequenz-Spannungs-Umformer 14. Hier wird diese Frequenz in eine
stets proportionale Gleichspannung umgeformt.
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Diese Gleichspannung wird nun einmal direkt an die horizontalen Platten
des Kathodenstrahloszillographen I6 gegeben und bewirkt dort eine der Drehzahl n
proportionale horizontale Ablenkung des Elektronenstrahls. Weiterhin wird die Gleichspannung
in ein Differenzierglied 15 gegeben und als differenzierte Spannung an die vertikalen
Platten des Oszillographen I6 geliefert, wodurch eine dem Moment M proportionale
vertikale Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt. Im Zusammenwirken dieser beiden
Ablenkungen entsteht die gewünschte Hochlaufkurve, die nun durch die Kamera I8 -
eventuell durch Zwischenschalten des Nachbeschleunigers I7 - photographiert und
festgehalten werden kann.
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An den Frequenz-Spannungs-Umformer 14 kann man außerdem noch ein
einfaches Gleichspannungsmeßgerät als Drehzahlmesser 19 oder ein Welligkeitsmeßgerät
20 zum Feststellen der Drehzahlschwankungen während einer Umdrehung anschalten.
Bei Verwendung eines Mehrstrahloszillographen besteht außerdem die Möglichkeit,
weitere Größen, z. B. den Strom, mit aufzunehmen.
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Dieses Meßgerät hat daher folgende Vorteile gegenüber den bisherigen
Ausführungen: a) es wird die »dynamische« Hochlaufkurve, d. h. die tatsächlich beim
Anlauf auftretende Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik aufgenommen; b) zur Messung
braucht der Prüfling nur mit einer Stroboskop- oder Zahnscheibe versehen werden,
die Messung erfolgt dann verlustlos; c) der Meßvorgang erfolgt automatisch und dauert
nicht länger als der tatsächliche Hochlauf; d) es ist gleichzeitig möglich, weitere
Meßgrößen über der Drehzahl aufzunehmen; e) durch Verwendung eines Welligkeitsmeßgerätes
für die der Drehzahl proportionale Gleichspannung können auch die Drehzahlschwankungen
während einer Umdrehung gemessen werden.