DE963973C - Elektrischer Empfaenger - Google Patents

Description

Bei elektrischen Empfängern ist es bekannt, den Empfänger aus einem Nachlaufmotor und einem Rückmelder aufzubauen, der eine an einen Geber anzuschließende Dreiphasen-Erregerwicklung und eine auf den Nachlaufmotor geschaltete Sekundärwicklung aufweist und dessen Läufer vom Nachlaufmotor der vom Geber eingeführten elektrischen Felddrehung nachgeführt wird. Zur Erläuterung sei in Fig. ι zunächst der Schaltungsaufbau eines derartigen Empfängers wiedergegeben.

Hierin bedeutet ι eine Wechselstromquelle, 2 und 3 die Polschuhe eines' Ständers, dessen Wicklung aus der Wechselstromquelle 1 gespeist wird, und 4 den zugehörigen Läufer, in dessen Wicklungen 5, 6 und 7 Spannungen induziert werden, die durch die Fernleitungen 8, 9 und 10 auf die Wicklungen 11,12 und 13 eines Rückmelderläufers 16 übertragen werden. Der zugehörige Ständer weist die beiden Polschuhe 14 und 15 auf, auf die eine Wicklung aufgebracht ist, die auf die eine Phasenwicklung 17 des mit dem Rückmelderläufer mechanisch gekuppelten Zweiphasen-Induktionsmotors 18 geschaltet ist. Die andere Phasenwicklung 19 des Nachlaufmotors 18 liegt dauernd an der Wechselstromquelle 1 des Gebers an.

Läufer 4 mit Zubehör bildet den Geber, Läufer 16 mit Zubehör den Rückmeldei. Die in den Leitungen 8, 9 und 10 fließenden Ströme erzeugen durch die Wicklungen 11, 12 und 13 in dem Läufer 16 ein resultieren-

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des Wechselfeld, das in den auf den Polschuhen 14 und 15 aufgebrachten Wicklungen eine Wechselspannung induziert, deren Größe von der Richtung des resultierenden Feldes zur Achse der Wicklungen S auf 14 und 15 abhängig ist. Die maximale Spannung wird induziert, wenn das resultierende Läuferfeld in Richtung der Spulenachse steht; sie wird zu Null, wenn das Feld senkrecht zu dieser orientiert ist. Durch die Verstellung des Geberläufers wird das Feld auf dem Rückmelderläufer elektrisch gedreht. Da die induzierte Spannung der Wicklung 17 des Zweiphasen-Induktionsmotors 18 zugeleitet wird, setzt sich dieser in Bewegung und verdreht den Läufer 16 mechanisch in der einen oder anderen Richtung so lange, bis das Feld des Läufers 16 senkrecht zur Spulenachse steht, worauf die Spannung in der Wicklung 17 verschwindet und damit der Motor zum Stillstand gebracht wird. Der Rückmelderläufer 16 folgt also hierbei den Bewegungen des Geberläufers 4.

Der Zweiphasen-Induktionsmotor 18 besteht hierbei üblicherweise aus einem Ständer, der die beiden räumlich um 90 elektrische Grade versetzten Wicklungen 17 und 19 gleicher Größe trägt, die ein oder mehrere Polpaare ausbilden, und aus einem drehbar gelagerten Läufer, der mit einer gleichmäßig verteilten, in sich geschlossenen Wicklung versehen oder als Käfigläufer ausgebildet ist. Werden nun an die beiden Ständerwicklungen 17 und 19 zwei Wechselspannungen gleicher Frequenz gelegt, die zeitlich um 90⁰ zueinander verschoben sind, so setzen sich die von den beiden Wicklungen erzeugten Wechselfelder zu einem Drehfeld zusammen, welches mit der synchronen Drehzahl umläuft. Unter dem Einfluß dieses Drehfeldes werden in der Läuferwicklung Spannungen induziert, die einen Stromfluß zur Folge haben. Die Ströme bilden zusammen mit dem sie erzeugenden Drehfeld ein Drehmoment, das den Läufer in Richtung 'des Drehfeldes bewegt.

Der Läufer beschleunigt sich hierbei annähernd bis zu der synchronen Drehzahl, die er jedoch nicht ganz erreichen kann, weil bei synchronem Lauf des Läufers eine Induktion nicht mehr möglich ist. Der Motor läuft demzufolge asynchron, wobei die Differenz zwischen der synchronen Drehzahl und der Drehzahl des Läufers bekanntlich als Schlupf bezeichnet wird. Das Drehmoment, das der Läufer des Motors entwickelt, ist nun abhängig vom Schlupf und von der Größe des Läuferwiderstandes. In der Fig. 2 ist der Verlauf des Drehmomentes eines Zweiphaseninduktionsmotors über seiner Drehzahl in v. H. der synchronen Drehzahl aufgetragen. Die Kurve α gilt hierbei für einen geringen, die Kurve b für einen mittleren und die Kurve c für einen großen Läuferwiderstand. Das maximale Drehmoment, das sogenannte Kippmoment, kann durch Vergrößerung des Läuferwiderstandes bei größerem Schlupf erreicht werden, wodurch eine Vergrößerung des Anlaufmomentes des Motors möglich ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung liegt nun die Ständerwicklung 19 fest an der Wechselstromquelle 1, während die zweite Ständerwicklung 17 von der Fehlerspannung des Rückmelders gespeist wird, die bis zu einem gewissen Grade proportional mit dem Stellungsfehler α zwischen Geber und Rückmelder ansteigt. Bei der Fehlerspannung Null ist auch das Drehmoment und die Drehzahl des Motors gleich Null. Mit zunehmender Größe des Stellungsfehlers α nimmt die Fehlerspannung und somit auch das Motormoment zu. In der Fig. 3 ist der Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit von der Drehzahl für verschiedene Stellungsfehlera_x...a₄ gezeigt, die jeweils als unveränderlich angenommen worden sind. Die Läuferwicklung ist hierbei voraussetzungsgemäß so ausgebildet, daß bei voller Erregung der beiden Ständerwicklungen die Kennlinie c der Fig. 2 erreicht wird.

Wie aus diesen Kennlinien ersichtlich ist, verläuft die Drehzahl des Nachlaufmotors nicht proportional dem Stellungsfehler, was für ein gutes dynamisches Verhalten des Rückmelders sehr erwünscht wäre, sondern die Drehzahl des Motors strebt bei jeder beliebigen Größe des Stellungsfehlers der synchronen Drehzahl zu. Nur das Reibungsmoment des Läufers bedingt bei abnehmendem Drehmoment eine Vergrößerung des Schlupfes. Der Motor hat, abgesehen von der Reibung, keine innere Dämpfung. Mit seinem Läuferträgheitsmoment stellt er in Verbindung mit dem Rückmelder vielmehr ein schwingungsfähiges Gebilde dar, das durch die Fehlerspannung des Rückmelders angeregt wird. Eine Dämpfung kann hier nur durch Einführung besonderer elektrischer Dämpfungskomponenten oder durch mechanische Dämpfungsmittel herbeigeführt werden.

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Empfänger der vorbeschriebenen Art.

Erfindungsgemäß hat der als Nachlaufmotor benutzte Zweiphasen-Induktionsmotor — insbesondere ein Ferrarismotor mit Trommelläufer — Nebenschlußcharakter, d. h. seine Drehzahl ist der an der Steuerphase liegenden Spannung und damit ungefähr dem Stellungsfehler α proportional. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die vom Netz erregte Arbeitsphase des Nachlaufmotors im Verhältnis zu seiner an den Rückmelder angeschlossenen Steuerphase so bemessen ist, daß das von ihr ausgebildete Teilfeld über den ganzen Steuerbereich wesentlich größer ist als das Teilfeld der Steuerphase, wodurch eine starke Ankerrückwirkung und somit ein mit zunehmender Drehzahl stark ansteigendes Bremsmoment bedingt ist. Die Arbeitsphase nimmt hierbei mindestens zwei Drittel des gesamten Wickelraumes ein, und somit erreicht das durch die Arbeitsphase hervorgerufene Bremsmoment des Ferrarismotors die Größenordnung seines Drehmomentes. Jeder Steuerphasenspannung entspricht dabei eine ganz bestimmte, stabile, und zwar in ihrer Größe verschiedene Drehzahl des Ferrarismotors, die angenähert proportional dieser Steuerphasenspannung und damit auch dem Stellungsfehler zwischen Geber und Empfänger ist. Rückmelder und Nachlaufmotor können vornehmlich zu einer baulichen Einheit vereinigt werden, wobei der Nachlauf motor direkt mit dem Rückmelderläufer verbunden ist. Zwischen Rückmelder und Nachlaufmotor kann aber auch noch eine Übersetzung vorgesehen werden.

Der erfindungsgemäße Empfänger besitzt bei kleinsten Außenabmessungen ein gutes Einstellmoment bei größter, statischer Einstellgenauigkeit.

Die Übertragung selbst läßt sich mit einem derartigen Empfänger rückwirkungsfrei gestalten, d. h. das Verstellmoment am Geber ist unabhängig von der Empfängerbelastung und praktisch auf das Maß seines eigenen Reibungsmomentes beschränkt. Da hierbei nur geringe Übertragungsströme in den Verbindungsleitungen zwischen Geber und Empfänger auftreten, ist der erfindungsgemäße Empfänger vornehmlich auch für Übertragungen auf größere Entfernungen

ίο gut geeignet. Je nach der Wahl des Übersetzungsverhältnisses zwischen Nachlaufmotor und Rückmelder steht ein großes Drehmoment zur Verfügung, das jedenfalls wesentlich größer sein kann, als es der Rückmeldergröße entspricht. Hieraus ergibt sich auch, daß die aufgenommene Leistung des Rückmelders wesentlich kleiner ist als die, die bei einem gewöhnlichen Rückmelder gleichen Drehmomentes aufzubringen wäre. In vielen Fällen ist auch der geringe Platzbedarf eines derartigen Empfängers für seine Anwendung ausschlaggebend. Diese Platzersparnis wird durch den Wegfall von Verstärkern, Dämpfungsmitteln usw. noch erhöht und macht den erfindungsgemäßen Empfänger von vornherein umfangreichen Anwendungsgebieten zugänglich. Wird der Nachlaufmotor dabei als Ferrarismotor ausgebildet, dessen induzierter Teil aus einer leitenden Trommel besteht, so ist ein solcher Ferrarismotor hinsichtlich der Erzielung eines kleinen Trägheitsmomentes dem Ferrarismotor der Scheibentype bedeutend überlegen, da zur Erzielung des gleichen Drehmomentes bei einem Ferrarismotor der Scheibentype der Außendurchmesser des induzierten Teiles bedeutend größer gewählt werden müßte als der Außendurchmesser einer Trommel, bei der der vom Kraftlinienfluß durchsetzte Teil der Zylindermantel ist und dessen Durchmesser daher bedeutend kleiner gehalten werden kann. Bei Verwendung eines Ferrarismotors mit Trommelanker läßt sich das Verhältnis

erzeugtes Drehmoment

Trägheitsmoment des Läufers

größer machen als bei Verwendung eines Ferrarismotors mit einer Scheibe. Außerdem hat die Trommeltype eine größere elektrische Eigendämpfung, so daß auch das Verhältnis von Dämpfung zu Trägheitsmoment erheblich günstiger ist als bei der Scheibentype.

In der Fig. 4 ist der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung dargestellt. Ein Geber 20 trägt auf den Ständer eine Dreiphasen wicklung 21, während sein Läufer eine Einphasenwicklung 22 trägt, die an ein Emphasen-Wechselstromnetz 23 angeschlossen ist. Der Rückmelder 24 ist gleich aufgebaut wie der Geber, er enthält im Ständer eine Dreiphasenwicklung 25 und im Läufer eine Einphasenwicklung 26. Die beiden Dreiphasenwicklungen 21 und 25 stehen über die Leitungen 27 miteinander in Verbindung. Bei einem Stellungsunterschied zwischen Geberläufer und Rückmelderläufer tritt in der Wicklung 26 eine Fehler-Sa spannung auf, deren Größe proportional diesem Stellungsunterschied ist. Das Einstellmoment des Rückmelderläufers wird nun im wesentlichen durch einen besonderen Nachlaufmotor' 28 hervorgerufen, der aus einem Ferrarismotor besteht. Der Läufer des Ferrarismotors ist als Trommel 29 ausgebildet, während der Ständer zwei um 90° gegeneinander versetzte Wicklungen 30 und 31 trägt. Die Wicklung 30 bildet die Arbeitsphase, sie wird aus dem Netz 23 konstant erregt, während die Wicklung 31 die Steuerphase bildet, die über einen zur Phasenschiebung dienenden Kondensator 32 mit der Läuferwicklung 26 des Rückmelders 24 in elektrischer Verbindung steht. Der Läufer des Ferrarismotors 28 ist über eine Welle 33 mit dem Läufer des Rückmelders 24 mechanisch verbunden.

Aus der Fig. 5 ist der Zusammenbau eines Rückmelders 24 mit einem Ferrarismotor 28 zu einer baulichen Einheit ersichtlich. Der Ständer des Rückmelders 24 und der Ständer des Ferrarismotors 28 sind dabei in einem beiden gemeinsamen rohrförmigen Teil 34 untergebracht. Zur Erhöhung des Einstellmomentes kann zwischen Ferrarismotor 28 und Rückmelder 24 auch noch eine Übersetzung, vorzugsweise eine Stirnrad- oder eine Schneckenradübersetzung, vorgesehen werden.

Weiterhin ist aus der Fig. 5 auch der grundsätzliche Aufbau des Ferrarismotors 28 zu ersehen. Sein Ständer 35 ist ein Ringfeldständer, in dem sich ein konzentrisch angeordneter, feststehender Eisenanker 36 befindet. In den verhältnismäßig kleinen Luftspalt zwischen Ständer 35 und Anker 36 taucht die drehbar gelagerte Trommel 29 ein, die den Läufer des Ferrarismo tors 28 bildet .Der Ständers trägt die räumlich um 90° versetzten Wicklungen 30 (Arbeitsphase) und3i (Steuerphase). Die Arbeitsphase nimmt hierbei den größten Teil, wenigstens jedoch zwei Drittel des gesamten Wickelraumes ein. Sie wird vom Wechselstromnetz 23 konstant bis zur thermisch höchstzulässigen Grenze erregt, um einen möglichst großen Arbeitswechselfluß Φα zu erzielen. An die den kleineren Raum einnehmende Wicklung 31 wird die zeitlich um 90⁰ zur Netzspannung verschobene Fehlerspannung des Rückmelders 24 gelegt, die den Steuerwechselfluß 0s erzeugt, der sich mit dem Arbeitswechselfluß Φα zu einem Drehfeld zusammensetzt. Die durch das Drehfeld in der Trommel 29, die z. B. aus Aluminium bestehen kann, induzierten EMKe rufen in dieser Ströme hervor, die zusammen mit dem sie erregenden Drehfeld ein Drehmoment bilden.

Der Ferrarismotor 28 entwickelt außer dem Drehmoment, das in der gleichen Weise wie beim Zweiphasen-Induktionsmotor erzeugt wird, auch noch ein Bremsmoment. Hinsichtlich der Entwicklung dieses Bremsmomentes sei im folgenden nur die Arbeitsphase (Wicklung 30) allein betrachtet. In der Steuerphase (Wicklung 31) treten zwar an sich die gleichen, nachstehend geschilderten Wirkungen auf, diese sind jedoch im Vergleich zu denjenigen der Arbeitsphase so klein, daß sie in bezug auf das Bremsmoment praktisch vernachlässigt werden können.

Der durch die Arbeitsphase hervorgerufene Arbeitswechselfluß Φα induziert in der Aluminiumtrommel 29 eine EMK der Transformation, die diesem Flusse und der Frequenz f proportional ist. Diese EMK bildet in der Trommel den in Verbindung mit der Steuerphase drehmomenterzeugenden Arbeitsstrom Ia aus, der

proportional der Wandstärke Δ und der Leitfähigkeit λ der Trommel ist. Es ist also

worin C₁ einen Proportionalitätsfaktor darstellt.

Wird der Läufer (Trommel 29) gedreht, so wird durch den Arbeitswechselfluß Φα außer der EMK der Transformation auch noch eine EMK der Rotation erzeugt, welche in der Trommel 29 den Strom Ir zur Folge hat. Letzterer ist ebenfalls den in der Gleichung

(1) stehenden Größen proportional, nur ist hier statt der Frequenz f die Drehzahl η des Läufers einzuführen.

Es ist also

I_R = c₂0_AAXn, (2)

worin c₂ ebenfalls einen Proportionalitätsfaktor darstellt.

In der Fig. 6 sind die vorstehend beschriebenen Verhältnisse an Hand eines Diagrammes dargestellt. Der Arbeitswechselfluß Φα hat eine um 90° nacheilende EMK der Transformation Ea zur Folge. Wegen des praktisch rein Ohmschen Widerstandes ist der Strom Ia in Phase mit Ea- Die EMK der Rotation Er ist in Phase mit dem Arbeitswechselfluß Φα- Wegen des praktisch rein Ohmschen Widerstandes ist der Strom Ir ebenfalls wieder in Phase mit Er. Der Steuerwechselfluß Φ$ möge dem Arbeitswechselfluß Φα um 90⁰ nacheilen (bei Drehrichtungsumkehr dagegen um 90⁰ voreilen), er hat darum die um 90° nacheilende EMK der Transformation Es zur Folge. Wegen des praktisch rein Ohmschen Widerstandes ist der Strom /5 in Phase mit Es-

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß der Strom Ir dem Strome I_A um 90⁰ vorauseilt und dem Strome Is entgegengesetzt gerichtet ist. Der Strom Ir, der üblicherweise sehr klein gehalten wird, wird erfindungsgemäß gerade groß gemacht und bewirkt so das Entstehen einer ausgeprägten Ankerrückwirkung. Das Moment, mit dem der Arbeitswechselfluß Φ_Α auf den Strom Ir einwirkt, ist dem Produkte Φ_Α · Ir proportional und wirkt der Drehrichtung entgegen (Bremsmoment).

Das Bremsmoment B ist also

I_R

oder unter Berücksichtigung der Gleichung (2)

B — c₂ C₃ Φ_Α Δ λ η Φ_Α = C₁ Φ_Α ² Δ λ η (4)

In der Fig. 7 ist ein Teil des Trommelmantels in Abwicklung dargestellt, und zwar zwischen zwei benachbarten Polen der Arbeits- und der Steuerphase. Der mittlere (schraffierte) Pol ist dabei der Arbeitsphase, die beiden äußeren Pole dagegen sind der Steuerphase zugeordnet. Ferner sind die Ströme I_A, Is und Ir für eine bestimmte Drehrichtung eingezeichnet, wobei der Strom I_R dem Strome Is entgegengerichtet ist.

Läßt man zunächst das Bremsmoment B außer Betracht, so bildet der Ferrarismotor ein Drehmoment, das analog den in der Fig. 3 gezeigten Kennlinien verläuft. In der Fig. 8 sind diese, den verschiedenen Stellungsfehlerna!.. .^entsprechenden Drehmomente in Abhängigkeit von der Drehzahl nochmals dargestellt. Ferner ist das Bremsmoment B hierbei in Abhängigkeit von der Drehzahl getrennt eingezeichnet. Durch die besondere Bemessung des Ferrarismotors wird erreicht, daß der Arbeitswechselfluß Φ_Α, der gemäß Gleichung (4) mit seinem Quadrat eingeht, so groß wird, daß das Bremsmoment B mit zunehmender Drehzahl die Größenordnung des Drehmomentes M erreicht. Aus diesen Kurven ergibt sich auch ein stationärer Zustand für jeden Stellungsfehler a, in dem

(5)

für den leer laufenden Motor sein muß. Das Nutzmoment Mn an der Welle des Läufers des Empfängers 24 ergibt sich dann aus der Differenz der Werte von M und von B. Es ist also

M_n = M-B

(6)

Diese Differenzen sind in der Fig. 9 eingetragen, wobei die Momente im positiven Bereiche Nutzmomente, diejenigen im negativen Bereiche dagegen Bremsmomente darstellen. Aus diesen Kurven lassen sich die stationären Drehzahlen an der Abszisse für Leerlauf (b₀) und an der Belastung des Motors entsprechenden Parallelen zur Abszisse (O₁, &₂...) für je eine bestimmte Belastung ablesen.

Die Fig. 10 zeigt die aus den Kurven nach Fig. 9 ermittelten Drehzahlen η in Abhängigkeit vom Stellungsfehler α. Hieraus ist ersichtlich, daß der Ferrarismotor das Verhalten eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors zeigt. Er hat zudem mit seinem geringen Läufer-Trägheitsmoment die besten Voraussetzungen für eine gute Dämpfung.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrischer Empfänger, bestehend aus einem Nachlaufmotor und einem Rückmelder, der eine an einen Geber anzuschließende Dreiphasen-Erregerwicklung und eine auf den als Zweiphasen-Induktionsmotor ausgeführten Nachlaufmotor geschaltete Sekundärwicklung aufweist und dessen Läufer vom Nachlaufmotor der vom Geber eingeführten elektrischen Felddrehung nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der als Nachlaufmotor (18) verwendete Zweiphasen-Induktionsmotor — insbesondere ein Ferrarismotor mit Trommelläufer — Nebenschlußcharakter besitzt, der dadurch erzielt wird, daß die vom Netz erregte Arbeitsphase des Nachlaufmotors im Verhältnis zu seiner an den Rückmelder (16) angeschlossenen Steuerphase so bemessen ist, daß das von ihr ausgebildete Teilfeld über den ganzen Steuerbereich wesentlich größer ist als das Teilfeld der Steuerphase, wodurch eine starke Ankerrückwirkung und somit ein mit zunehmender Drehzahl stark ansteigendes Bremsmoment bedingt ist.
2. 2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsphase mindestens zwei Drittel des gesamten Wickelraumes einnimmt und

   somit das durch die Arbeitsphase hervorgerufene Bremsmoment des Ferrarismotors die Größenordnung seines Drehmomentes erreicht.
3. 3. Empfänger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rückmelder und Nachlaufmotor zu einer baulichen Einheit vereinigt sind, wobei der Nachlaufmotor direkt oder über eine Übersetzung mit dem Rückmelderläufer verbunden ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 425 109.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   - 709 515/424 5.