DE957527C

DE957527C - Arrangement for producing a voltage proportional to the torque on electrical machines (especially for measuring the torque of the machine)

Info

Publication number: DE957527C
Application number: DES41404A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Loocke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-10-31
Filing date: 1954-10-31
Publication date: 1957-02-07

Description

.Anordnung zur Herstellung einer dem Drehmoment an elektrischen Maschinen proportionalen Spannung (insbesondere zur Messung des Drehmoments der Maschine) Zur Herstellung einer dem Drehmoment an elektrischen Maschinen proportionalen Spannung (insbesondere zur Messung des Drehmoments der Maschine) hat man bereits eine Anordnung vorgeschlagen., bei der sich in dem Magnetfeld der elektrischen Maschine ein Halbleiter befindet, durch den ein elektrischer Strom hindurchgeleitet ist, und die am Halbleiter quer zur Stromrichtung auftretende Hauspannung ein Maß für das Produkt aus der magnetischen Feldstärke der Maschine und dem durch den Halbleiter hindurchgeleiteten Strom bildet. Der durch den Halbleiter hindurchgeleitete Strom ist dabei einer Betriebsgröße der Maschine -proportional, deren Produkt mit der Feldstärke eine dem Drehmoment der Maschine proportionale GrÖße ergibt. Dementsprechend ist auch die Hallspannung dem Drehmoment der Maschine proportional, und sie kann beispielsweise zur Messung des Drehmoments benutzt werden oder auch zur Steuerung .oder Regelung irgendwelcher Betriebsgrößen dieser elektrischen Maschine oder einer mit ihr verbundenen Maschine in Abhängigkeit von dem Drehmoment..Arrangement for producing a voltage proportional to the torque on electrical machines (in particular for measuring the torque of the machine) For producing a voltage proportional to the torque on electrical machines (in particular for measuring the torque of the machine), an arrangement has already been proposed in which there is a semiconductor in the magnetic field of the electric machine through which an electric current is passed and the house voltage occurring across the direction of the current on the semiconductor forms a measure of the product of the magnetic field strength of the machine and the current passed through the semiconductor. The current passed through the semiconductor is proportional to an operating variable of the machine, the product of which with the field strength results in a variable proportional to the torque of the machine. Correspondingly, the Hall voltage is also proportional to the torque of the machine, and it can be used, for example, to measure the torque or to control or regulate any operating variables of this electrical machine or a machine connected to it as a function of the torque.

Als derartige Halbleiter kommen halbleitende Verbindungen in Betracht, deren Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich c der Elektronen oder der Defektelektronen) 6ooo ymz oder mehr beträgt, insbesondere io ooo und mehr. Als Halbleiter eignet sich insbesondere -eine Verbi. rndung eines Elements der III. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems, da bei diesen Verbindungen eine besonders hohe Trägerbeweglichkeit vorhanden ist, so daß eine große Hallspannung und dementsprechend eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit der Meßainrichtung erzielbar ist. Insbesondere eignet sich als Halbleiter für den Meßkörper die stabile Nachbildung des grauen Zinns, nämlich die Verbindung In Sb. Ferner eignet sich für den Meßkörper als Halbleiter eine Verbindung des Arsens mit einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems, wie InAs, GaAs, AlAs. Beispielsweise ergibt die Verbindung In Sb eine Trägerbeweglichkeit von über 2o o00 Vsec Wird ein im Halbleiter befindliches Elektron mit einer bestimmten Beweglichkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt, so: nimmt das Elektron eine Geschwindigkeit an, die dem Produkt aus dieser Feldstärke und der Beweglichkeit proportional ist. Wird das Elektron außerdem noch einem Magnetfeld ausgesetzt, welches auf dem elektrischen Feld senkrecht steht, so erfährt es bekanntlich senkrecht zu seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung eine zusätzliche Kraftwirkung. Bekanntlich ist aber diese magnetische Beeinflussung des Elektrons vernachlässigbar klein, wenn das Produkt aus der Geschwindigkeit des Elektrons und der magnetischen Feldstärke gewisse Werte unterschreitet. Es darf also auch das Produkt aus der Beweglichkeit der Ladungsträger und der magnetischen Feldstärke nicht zu klein sein. Da nun magnetische Feldstärken im Eisen mit Elektromagneten nur bis etwa 17 ooo Gauß leicht herstellbar sind und mit permanenten Magneten nur bis etwa io ooo Gauß betragen, so sieht man, daß für eine kräftige Beeinflussung der Ladungsträger des Halbleiters durch das Magnetfeld bzw. für die Erzeugung einer größeren Hallspannung die Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter zweckmäßig die genannten Werte erreichen oder überschreiten soll.Semiconducting compounds can be considered as such semiconductors, their carrier mobility (mobility of the charge carriers, namely c of the electrons or the defect electron) is 6,000 ymz or more, in particular 10,000 and more. A verb is particularly suitable as a semiconductor. establishment of a Elements of the III. Group of the periodic table with an element of group V of the periodic table, as these compounds have a particularly high carrier mobility is present, so that a large Hall voltage and, accordingly, a high sensitivity and accuracy of the measuring device can be achieved. It is particularly suitable as a semiconductor for the measuring body the stable replica of the gray tin, namely the connection In Sb. A compound of arsenic is also suitable as a semiconductor for the measuring body with an element of III. Group of the periodic table, such as InAs, GaAs, AlAs. For example, the connection In Sb gives a carrier mobility greater than 2o o00 Vsec Becomes an electron in the semiconductor with a certain mobility exposed to an electric field, so: the electron takes a speed which is proportional to the product of this field strength and the mobility. If the electron is also exposed to a magnetic field, which is based on the electric Field is perpendicular, it is known to experience perpendicular to its original Direction of movement an additional force effect. But it is well known that this is magnetic Influence on the electron is negligibly small if the product of the speed of the electron and the magnetic field strength falls below certain values. It may thus also the product of the mobility of the charge carriers and the magnetic ones Field strength should not be too small. Now there are magnetic field strengths in the iron with electromagnets can only be easily produced up to about 17,000 Gauss and only with permanent magnets up to about 10,000 Gauss, one can see that for a strong influence the charge carrier of the semiconductor through the magnetic field or for the generation of a greater Hall voltage, the mobility of the charge carriers in the semiconductor is expedient should reach or exceed the stated values.

Eine direkte Drehmomentmessung an elektrischen Maschinen, insbesondere an Gleichstrommaschinen, mit Hilfe der geschilderten Hallgeneratoren, die unter den Hauptpolen im Luftspalt befestigt sind und als deren Steuerstrom der Ankerstrom der Gleichstrommaschine verwendet wird, erweist sich nun bei praktischen Messungen (z. B. an großen Walzmotoren) als ungenau. Einmal werden die Hellspannungen durch die verschiedenen Drehzahlen der Gleichstrommaschine beeinflußt. Besonders schwierig ist es aber, beim Einbau der halbleitenden Plättchen eine Stelle zu finden, wo die ger messene Hellspannung tatsächlich dem Gesamtfluß direkt proportional ist. Es finden unter dem Einfluß der Ankerrückwirkung der Maschine Feldverzerrungen statt, die eine gleichbleibende Proportionalität zwischen der gemessenen Hellspannung und dem Fluß der Maschine verhindern. Es ist ferner zu beachten, daß die genannten Halbleiter immer noch eine Temperaturabhängigkeit bezüglich der Hellspannung aufweisen, so daß der Erwärmungszustand der elektrischen Maschine auf die Messung des Drehmoments dann ebenfalls einen Einfluß ausüben würde.A direct torque measurement on electrical machines, in particular on DC machines, with the help of the Hall generators described under the main poles are fixed in the air gap and their control current is the armature current the DC machine is used, is now found in practical measurements (e.g. on large rolling motors) as inaccurate. Once the light tensions are through influences the various speeds of the DC machine. Particularly difficult it is, however, when installing the semiconducting plates to find a place where the ger measured light voltage is actually directly proportional to the total flux. It field distortions occur under the influence of the armature reaction of the machine, the constant proportionality between the measured light voltage and prevent the flow of the machine. It should also be noted that the semiconductors mentioned still have a temperature dependency with regard to the light voltage, see above that the heating state of the electrical machine on the measurement of the torque would then also have an influence.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die geschilderten Schwierigkeiten der Messung des Drehmoments elektrischer Maschinen durch halbleitende Plättchen der geschilderten Art dadurch beseitigt oder wesentlich vermindert, daß der Zusammenhang zwischen Fluß und Erregung in der elektrischen Maschine an einem ruhenden Magneteisen nachgebildet ist und der Halbleiter sich in dem Feld dieses Magneteisens befindet. Dadurch entfällt zunächst der geschilderte Einfluß der Drehzahl der Maschine. Außerdem ist an dem ruhenden Magneteisen der Einfluß der Ankerrückwirkung ebenfalls nicht vorhanden. Schließlich läßt sich die Temperatur dieses Modelleisens konstant halten.According to the present invention, the foregoing difficulties are solved the measurement of the torque of electrical machines by means of semiconducting plates of the kind described is eliminated or substantially reduced by the fact that the connection between flux and excitation in the electrical machine on a stationary magnet iron is modeled and the semiconductor is in the field of this magnetic iron. This initially eliminates the influence of the machine speed as described. aside from that the influence of the armature feedback is also not on the stationary magnet iron available. Finally, the temperature of this model iron can be kept constant.

Die Zeichnung veranschaulicht die neue Anordnung an einem Beispiel.The drawing illustrates the new arrangement using an example.

i ist ein Gleichstrommotor mit seiner Erregerwicklung 2, dievonderSpannungzsgespeistwird. 3 ist nun ein gesondertes Magneteisen, dessen Erregung der Erregung des Gleichstrommotors proportional ist. In dem Luftspalt q. dieses Magneteisens befindet sich das halbleitende Plättchen 5, das ebenso wie bei der obenerwähnten, bereits vorgeschlagenen Anordnung mit einem Strom gespeist wird, der von einem Widerstand 6 im Nebenschluß abgeleitet ist, der von dem Belastungsstrom des Gleichstrommotors durchflossen wird. 7 sind die Ableitungen an den halbleitenden Plättchen 5, an denen die Hallspannung für Meß- oder für Steuerzwecke auftritt. Um nun im LuftspaIt des Magneteisens einen Fluß bzw. eine Induktion zu erzielen, die dem insgesamten Feld des Gleichstrommotors. i proportional ist, ist zunächst die Erregerwicklung 8 des Magneteisens mit der Erregerwicklung 2 des Gleichstrommotors in Reihe geschaltet, so daß also die Erregeramperewindungen einander proportional sind. Da jedoch am Gleichstrommotor bei stärkerer Erregung die Sättigung anwächst, so muß auch das Magneteisen 3 einen ähnlichen Verlauf seiner Sättigung des Magnetfeldes besitzen. Zu diesem Zweck besitzt das Magneteisen einen Sättigungsschenkel g. Außerdem ist ein abnehmbares Joch io vorgesehen. Zwischen diesem Joch io und dein übrigen Teil des Magneteisens befindet sich ein unmagnetisches Material i i ; beispielsweise sind Zwischenlagen aus Repelit eingefügt. Durch Anpassung der Stärke dieser Zwischenlagen und 'unter dem Einfluß des Sättigungsschenkels g kann die magnetische Charakteristik des Magneteisens der magnetischen Charakteristik des Gleichstrommotors mit praktisch ausreichender Genauigkeit angepaßt werden.i is a direct current motor with its excitation winding 2, which is fed by the voltage z. 3 is now a separate magnet iron, the excitation of which is proportional to the excitation of the DC motor. In the air gap q. This magnetic iron is the semiconducting plate 5, which is fed just like in the above-mentioned, already proposed arrangement with a current which is derived from a resistor 6 in the shunt through which the load current of the DC motor flows. 7 are the leads on the semiconducting plate 5, at which the Hall voltage occurs for measurement or control purposes. In order to achieve a flux or an induction in the air gap of the magnetic iron, which corresponds to the entire field of the direct current motor. i is proportional, the excitation winding 8 of the magnet iron is first connected in series with the excitation winding 2 of the direct current motor, so that the excitation amp windings are proportional to one another. However, since the saturation increases in the direct current motor with stronger excitation, the magnet iron 3 must also have a similar course of its saturation of the magnetic field. For this purpose, the magnetic iron has a saturation leg g. A detachable yoke is also provided. Between this yoke io and the rest of the magnetic iron there is a non-magnetic material i i ; for example, intermediate layers made of Repelit are inserted. By adapting the thickness of these intermediate layers and under the influence of the saturation leg g, the magnetic characteristic of the magnetic iron can be adapted to the magnetic characteristic of the direct current motor with practically sufficient accuracy.

Das Magneteisen für die Nachbildung des Maschinenfeldes wird man aus einzelnen Blechen aufbauen. Da der Gleichstrommotor jedoch insbesondere- an seinem Joch aus massivem Eiseri (Stahlguß) besteht; würden sich bei raschen Änderungen des Erregerfeldes des Gleichstrommotors, wie sie bei der Steuerung des Motors vorkommen, andersgeartete zeitliche Änderungen des Magnetfeldes am Motor und an dem Feldmodell ergeben. Um auch in dieser Hinsicht die Maschine und das Modell einander anzupassen, befindet sich auf dem Magneteisen noch eine Hilfswicklung 12, die über einen regelbaren Widerstand 13 kurzgeschlossen ist. Bei passender Einstellung dieses Widerstandes lassen sich auch an dem Modell die Wirbelstromdämpfungen des Feldes, wie sie im Joch von Gleichstrommaschinen bei raschen Feldänderungen auftreten können, nachahmen.The magnet iron for the simulation of the machine field is made out build up individual sheets. Since the DC motor, however, especially on his Yoke made of solid Eiseri (cast steel); would respond to rapid changes the excitation field of the DC motor, as it occurs when controlling the motor, different temporal changes of the magnetic field on the motor and on the field model result. In this respect, too, the machine and the model adapt to each other, there is an auxiliary winding 12 on the magnet iron, which is short-circuited via an adjustable resistor 13. With the right setting the eddy current attenuation of the Field as they occur in the yoke of DC machines with rapid field changes can imitate.

Für irgendwelche stromabhängig erregten Hilfs-oder Gegenreihenschlußwicklungen an der elektrischen Maschine könnte man an dem Magneteisen geichfalls Modellwicklungen vorsehen. Auch die Wirkung der Bürstenkurzschlußströme könnte mit einer Modellwicklung nachgeahmt werden.For any auxiliary or counter-series winding that is excited in a current-dependent manner on the electric machine one could likewise model windings on the magnet iron provide. The effect of the brush short-circuit currents could also be achieved with a model winding to be imitated.

Bei der Darstellung des Drehmoments der elektrischen Maschine mittels der Anordnung der Erfindung kann die dabei erzeugte Hallspannung nicht nur zur Messung des Drehmoments, sondern auch zur Steuerung irgendwelcher Betriebsgrößen an der elektrischen Maschine oder an einem mit ihr zusammenarbeitenden Apparat oder Maschine benutzt werden.When displaying the torque of the electrical machine by means of With the arrangement of the invention, the Hall voltage generated can not only be used for measurement of the torque, but also to control any operating variables on the electrical machine or on an apparatus or machine that works with it to be used.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for producing a torque voltage proportional to electrical machines (especially for measuring the Torque of the machine), at which there is a semiconductor in a magnetic field, through which an electric current is passed, and across the semiconductor Hall voltage occurring in relation to the direction of current is a measure of the product of magnetic Forms field strength and current, furthermore that passed through the semiconductor Current is proportional to an operating variable of the electrical machine, the product of which with the 'air gap induction of the machine, one proportional to the torque of the machine Size results, characterized in that the magnetization characteristic of the electrical Machine is modeled on a stationary magnet iron and the semiconductor itself is in the field of this magnetic iron.

2. Arrangement according to claim i, characterized marked, da.ß the excitation current of the magnetic iron to the excitation current of the electrical Machine, for example by connecting the two excitation windings in series, proportionally is.

3. Arrangement according to claim i or 2, characterized in that for approximation the saturation ratios of the magnetic iron to the magnetic saturation of the electrical ones Machine the magnet iron has a saturation limb. q.

Arrangement according to claim 3, characterized in that for setting the magnetic iron this is a removable one Yoke, the air gap of which by inserting intermediate layers (e.g. made of Repelit) can be regulated. -

5. Arrangement according to claims i and 2, characterized in that that there is a conveniently connected to an adjustable resistor on the magnet iron Winding with which the damping of the magnetic iron of the eddy current damping can be adapted to the magnetic frame of the electrical machine.

6. Arrangement according to Claim i, characterized in that further excited as a function of current or voltage Windings are provided on the magnet iron.